长江中游荆江河段2020年与1998年洪水对比分析

魏林云,李 强,魏 轩,吴 琼

(1.长江水利委员会水文局 荆江水文水资源勘测局,湖北 荆州 434000; 2.长江水利委员会 水文局,湖北 武汉 430010; 3.长江水利委员会 智慧长江创新团队,湖北 武汉 430010)

0 引 言

2020年,长江发生了新中国成立以来仅次于1954年和1998年的流域性大洪水,长江干流先后发生了5次编号洪水,三峡水库出现建库以来最大入库流量[1-3]。三峡水库蓄水运用后,通过多次拦蓄洪峰,有效缓解了长江中下游河段的防洪形势。许多学者从流域降水特征、前期来水情况、洪水地区组成、干支流洪水遭遇及下游顶托等方面,探讨了长江中下游干流高洪水位成因[4-6],并取得了大量的研究成果,但这些成果基本都是对长江流域或长江中下游河段进行分析研究,对三峡水库蓄水前后的荆江河段大洪水对比分析的研究成果较少。因此,本文采用长江中游荆江河段2020年和1998年的实测洪水资料,对荆江河段干支流的主要控制站洪水特性进行研究,重点探讨了2020年荆江河段洪水成因[7-8],以期更好地为荆江河段防洪减灾工作提供参考。

1 研究河段概况

荆江河段上起湖北省宜昌枝城,下迄湖南省城陵矶,全长约347.2 km。荆江以藕池口为界,分为上、下荆江,上荆江长约171.7 km,为微弯分汊河型,下荆江长约175.5 km,为典型弯曲蜿蜒型河道。河段内枝城以上约9 km处有支流清江入汇。枝江以上约13 km处有玛瑙河入汇。沙市以上约14.5 km 处有沮漳河入汇;沙市以上约11.5 km处荆江北岸有引江济汉水利枢纽,通过江汉运河引长江水入汉江。荆江南岸有松滋河、虎渡河、藕池河、华容河分别自松滋口、太平口、藕池口和调弦口(1959年建闸控制)分流至洞庭湖,与湘、资、沅、澧四水汇合后,于城陵矶又汇入长江[9]。荆江河段示意见图1。

图1 长江中游荆江河段Fig.1 Jingjiang reach of the Yangtze River

2 2020年荆江河段暴雨洪水特点

2.1 水雨情概况

荆江河段位于长江中游干流上段,包括荆江四口水系,地跨湖北宜昌、荆州及湖南华容、岳阳等县市[10]。2020年18个雨量站降水量为1 194.0～1 798.7 mm,年平均降水天数达145 d,年平均降水量为1 563.4 mm(多年平均降水量1 100 mm),比多年平均值偏多42.1%。暴雨中心分别出现在湖北省宜都市及公安县藕池镇,年最大降水量为1 798.7 mm(藕池(管)站),最大日降水量为155.0 mm(调弦口站)。

2020年降水主要特点:① 雨水早,1月降水量较往年偏多,平均月降水量达到116.4 mm,占年平均降水量的7.4%;② 降水时段集中,主汛期6～9月平均降水量达919.3 mm,占年平均降水量的58.8%。

2.2 洪水概况

2020年长江上游出现5次洪峰流量大于50 000 m3/s 洪水过程。特别是8月11～17日,长江上游岷江流域、沱江流域、嘉陵江流域发生持续强降雨,金沙江和雅砻江来水也持续增加,长江第4,5号洪水间隔80 h相继在上游生成,8月20日08∶00,三峡水库出现75 000 m3/s的入库洪峰,为三峡水库建成以来最大入库洪峰。

受三峡水库、清江各梯级水库调节影响,2020年荆江河段出现3次较明显的洪水过程,荆江上段洪峰出现在7月24日,荆江下段洪峰水位均出现在8月21日前后。7月24日,沙市(二郎矶)站出现2020年最高洪水位(43.38 m),为近15 a来最高水位。沙市(二郎矶)站水位超警戒水位9 d,监利(二)站水位超警戒水位51 d,超保证水位2 d。荆江河段水文情势已非天然河道水文情势,另兼受洞庭湖及城陵矶以下长江干流水情影响,下荆江的洪水过程比上荆江更复杂,上下荆江的洪水要素相关性、过程相应性均发生了较大变化。

3 2000年与1998年洪水比较

3.1 洪峰水位、流量

荆江河段干流3个主要控制站2020年与1998年实测最高水位和最大流量见表1。对比可见,1998年枝城、沙市、监利等3站最高水位、最大流量[2]均大于2020年,各站超警戒水位天数均比2020年长。

表1 荆江干流控制站2020年与1998年最高水位和最大流量Tab.1 Comparison of the maximum water level and discharge at control stations of Jingjiang main stream in 2020 and 1998

清江及荆江三口主要控制站2020年与1998年最大流量对照见图2。高坝洲站1999年8月建站,2020年6月29日最大泄洪流量超过2016年7月20日最大泄洪流量(7 360 m3/s),为建坝以来最大泄洪流量。其余5站最大流量均小于1998年。

图2 清江及荆江三口主要控制站最大流量对照Fig.2 Comparison of the maximum flow of main control stations in Qingjiang River and three outlets of Jingjiang River

3.2 主要控制站径流量

从荆江河段干支流9个主要控制站汛期(5～10月)径流总量来比较(图3),除高坝洲站于1999年8月建站外,其余各站5～10月径流总量均小于1998年。

图3 主要控制站5～10月径流总量对照Fig.3 Comparison of total runoff at main control stations from May to October

根据2020年与1998年枝城站及荆江三口资料统计分析分流比(见表2),可以看出:2020年枝城站年径流量5 614亿m3,较1998年枝城站年径流量(5 365亿m3)略大,松滋口、太平口、藕池口分流比分别由9.9%,3.4%,6.2%减小到9.0%,1.7%,3.9%,即三口分流量减少。

表2 荆江三口各控制站2020年与1998年分流比统计Tab.2 Diversion ratios of control stations of three outlets of Jingjiang River in 2020 and 1998 %

3.3 洪水时段洪量

2020年洪水、1998年洪水均为全流域性洪水,但受多种因素影响,两年洪水又各具特点[11]。荆江干流枝城、沙市、监利总入流时段洪量对比如表3所示。

表3 2020年和1998年洪水洪量对比Tab.3 Comparison of flood volume in 2020 and 1998 亿m3

由表3中最大30 d,60 d洪量比较可知:2020年枝城站实测30 d,60 d洪量分别为1 073.0亿m3、2 012.0亿m3。2020年比1998年30 d洪量减少24.4%,60 d洪量减少22.4%。30 d洪量占60 d洪量比重2020年为53.3%,与1998年的54.8%相当。

沙市站实测30 d,60 d洪量2020年分别为901.0亿m3、1 695.0亿m3,分别比1998年减少22.2%,21.0%;总入流30 d,60 d洪量2020年分别为891.0亿m3、1 675.8亿m3,分别比1998年减少23.0%,21.2%;沙市站实测和总入流30 d洪量占60 d洪量比重2020年均为53.2%,均小于1998年的比例(54.0%,54.4%)。表明沙市站1998年洪水洪量比2020年集中。

监利站实测30 d,60 d洪量2020年分别为824.3亿m3、1 553.0亿m3,比1998年的1 017.0亿m3、1 880.0亿m3减少18.9%,17.4%;总入流30 d,60 d洪量2020年分别为828.5亿m3、1 559.0亿m3,比1998年的1 018.3亿m3、1 901.1亿m3减少18.6%,18.0%。

从总体情况看,荆江河段1998年时段洪量均大于2020年,长江上游水库群联合调度发挥了巨大的作用,有效削减洪峰、洪量、缩短高水位时间。2020年7～8月洪水期间,长江流域联合调度上中游30余座水库群累计拦蓄洪水约490亿m3,其中三峡水库拦蓄洪水约254亿m3,避免洞庭湖附近蓄滞洪区和荆江分洪区启用,有效减轻了嘉陵江、岷江等河流和长江中下游防洪压力[5]。

4 主汛期水面线分析

本文选择中高流量级(枝城-沙市河段流量分别为20 000,40 000 m3/s)下的水面线进行分析。

4.1 枝城-沙市河段

当枝城-沙市河段流量为20 000 m3/s左右时,选取2020年6月19日与1998年6月26日的水面线资料进行比较。枝城流量均为23 700 m3/s,沙市站流量分别为20 800,20 600 m3/s。枝城-沙市段流量为20 000 m3/s 左右时,该河段沿程相应水位变化成果见图4。

图4 流量20 000 m3/s时枝城-沙市段水面线比较Fig.4 Comparison of water surface line at a flow rate of 20 000 m3/s from Zhicheng to Shashi

由图4可以看出,枝城-沙市河段流量为20 000 m3/s时,2020年枝城、马家店、陈家湾、沙市站水位较1998年水位变化分别为-1.18,-1.72,-1.70,-1.42 m。就整个河段来看,枝城-沙市段水面线沿程变化为下降,幅度为1.18～1.72 m。观测2020年、1998年枝城-沙市河段的比降分别为0.056 6‰,0.054 0‰,行洪能力增强。

当枝城-沙市河段流量为40 000 m3/s左右时,选取2020年7月24日(枝城、沙市站流量分别为45 000,40 200 m3/s)与1998年8月4日(枝城、沙市站流量分别为45 000,40 210 m3/s)沿程水面线进行比较。枝城-沙市段流量为40 000 m3/s左右时,沿程相应水位变化成果见图5。

图5 流量40 000 m3/s时枝城-沙市段水面线比较Fig.5 Comparison of water surface line at a flow rate of 40 000 m3/s from Zhicheng to Shashi

由图5可以看出,枝城-沙市河段流量为40 000 m3/s 时,2020年枝城、马家店、陈家湾、沙市站水位较1998年水位变化分别为-0.72,-0.94,-0.79,-0.77 m。从整个河段来看,枝城-沙市段水面线沿程变化为下降,幅度为0.72～0.94 m。观测2020年、1998年河段枝城-沙市的比降分别为0.053 5‰,0.053 0‰,行洪能力增强。

在不同流量级条件下,2020年主汛期枝城-沙市河段水面线与1998年相比,水面线降低,随着流量级的增大,比降变化趋势变缓。

4.2 沙市-监利河段

当沙市-监利河段流量为20 000 m3/s左右时,选取2020年9月11日与1998年9月16日的水位资料进行比较。沙市流量均为22 200 m3/s,监利站流量均为20 700 m3/s。沙市-监利段流量为20 000 m3/s左右时,该河段沿程相应水位变化成果见图6。

图6 流量20 000 m3/s时沙市-监利段水面线比较Fig.6 Comparison of water surface line at a flow rate of 20 000 m3/s from Shashi to Jianli

从图6可以看出,沙市-监利河段流量为20 000 m3/s左右时,2020年沙市、郝穴、新厂、石首、调弦口、监利站水位相比1998年水位变化分别为-1.72,-1.31,-1.17,-1.24,-1.07,-1.10 m。从整个河段来看,沿程水面线变化整体下降较为明显。观测2020年、1998年沙市-监利河段的比降分别为0.030 8‰,0.034 7‰,行洪能力减弱。

当沙市-监利河段流量为40 000 m3/s左右时,选取2020年8月21日与1998年8月21日的水位资料进行沿程水面线比较。两站不同年份流量基本相近,沙市站流量均为43 000 m3/s,监利站流量分别为39 500,39 700 m3/s。沙市-监利段流量为 40 000 m3/s 左右时,沿程相应水位变化成果见图7。

图7 流量40 000 m3/s时沙市-监利段水面线比较Fig.7 Comparison of water surface line at a flow rate of 40 000 m3/s from Shashi to Jianli

从图7可以看出,沙市-监利段流量为40 000 m3/s时,2020年沙市、郝穴、新厂、石首、调弦口、监利站水位较1998年水位分别下降-1.07,-1.13,-1.16,-1.38,-1.64,-1.62 m。从整个河段来看,沿程水面线变化整体下降较为明显,幅度为1.07～1.62 m。观测河段沙市-监利的比降2020年、1998年分别为0.042 8‰,0.039 3‰,行洪能力增强。

5 2020年荆江河段高洪水位成因分析

2020年荆江河段洪水的显著特点是持续时间长、发生频繁、间隔短。造成2020年荆江河段洪水的主要原因有以下几个方面:

(1) 上游来水量大。荆江河段洪水主要为上游来水,2020年长江上游出现5次洪峰流量大于50 000 m3/s 的洪水过程。特别是8月11～17日,长江上游岷江流域、沱江流域、嘉陵江流域发生持续强降雨,金沙江和雅砻江来水也持续增加,长江第4,5号洪水间隔80 h相继在上游生成,8月20日08∶00,三峡水库出现75 000 m3/s的入库洪峰,成为三峡水库建成以来最大入库洪峰。

(2) 分流比减小。20世纪50年代以来,由于荆江裁弯、葛洲坝水利枢纽和三峡水库的兴建等导致荆江河床冲刷下切、同流量下水位下降以及三口口门段河势调整,荆江三口分流分沙能力一直处于衰减之中,见表4。三峡水库蓄水运用以来,2003～2020年与1999～2002年相比,枝城来水较1999～2002年均值偏少3.8%,荆江三口年均分流量减少近127.5亿m3,减幅为20%。根据2020年与1998年枝城站及荆江三口资料统计分析,2020年枝城径流量5 614亿m3,较蓄水前1998年枝城径流量5 365亿m3略大,松滋口、太平口、藕池口分流比分别由9.9%,3.4%,6.2%减小到9.0%,1.7%,3.9%。三口分流量减少,导致荆江河段水位持续偏高。

表4 不同时段荆江三口分流统计Tab.4 Statistics on the diversion in three outlets of Jingjiang River at different time periods

(3) 洞庭湖顶托影响。监利站下游约80 km处为长江与洞庭湖的汇流处。城陵矶(七里山)是监测洞庭湖出湖水情沙情的基本水文站,洪峰水位出现在2020年7月28日,水位达34.74 m,在历史水位系列中位列第五。洪峰流量出现在2020年7月12日,约为33 200 m3/s,在历史流量系列中位列18。洞庭湖来水主要来自长江,洞庭湖出口荆江河段受长江中下游洪水顶托影响,行洪能力减弱,水位较高,进而影响洞庭湖出流能力,导致2020年城陵矶(七里山)与历年数据相比,水位排位较高,但流量排位较低。

以监利站2020年6月28日至7月15日、8月11日至9月5日两次洪水过程为例(图8～9),水位流量关系图见图8～9,可以看出:监利站在流量基本不变甚至减小的情况下,水位迅速抬高,说明此时监利站受洞庭湖顶托影响严重。

图8 监利站水位流量关系线(2020年6月28日至7月15日)Fig.8 Water level-flow relationship diagram of Jianli Station from June 28 to July 15,2020

图9 监利站水位流量关系线(2020年8月11日至9月5日)Fig.9 Water level-flow relationship diagram of Jianli Station from August 11 to September 5,2020

6 结 论

本文基于2020年、1998年荆江河段洪水比较,重点分析了2020年荆江河段高洪水位成因,主要结论如下:

(1) 荆江河段2020年时段洪量均小于1998年。2020年长江上游水库群发挥巨大的作用,长江流域水库群联合调度有效削减洪峰(洪量)量级、缩短高水位时间。

(2) 荆江河段2020年主汛期水面线较1998年低。受长江上游水库群联合调度及清水下泄冲刷影响,2020年荆江河段主汛期水位下降约0.72～1.72 m。

(3) 2020年荆江河段洪水的显著特点为持续时间长、发生频繁、间隔短。2020年高洪水位成因主要有上游来水量大、分流比减小、洞庭湖顶托影响等。