长江中游不同典型年水情因子分析

Factor Analysis of Water Conditions in the Middle Reaches of the Yangtze River in Different Typical Years

摘要: 水情因子分析是研究后汛期判别的基础，本文通过分析历史长系列数据得到不同典型年下长江中游水情因子的变化规律：① 当发生流域型洪水时，沙市站水位在1954年和1998年7月上旬已超过警戒水位，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下，1998年8月上旬和中旬水位超保证水位；2020年中下游发生大洪水时，上游来水属于一般洪水，且长江上游梯级水库施行联合调度，荆江河段洪水位较低，沙市站水位仅在7月下旬和8月下旬超过警戒水位；莲花塘水位自6月下旬开始一直超过警戒水位，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下；四水合成流量有多个洪峰过程，洪峰大，汛期流量变化较大；② 发生区域型洪水时，莲花塘发生超警戒水位洪水的时间主要集中于7月中旬和7月下旬，最晚洪峰出现时间为9月上旬；四水合成基本为多峰且波动较大，直至8月底9月初降低至20,000 m³/s以下；③ 发生流域型枯水时，莲花塘站各典型年最高水位均在7月下旬前出现，四水合成流量变化主要集中在6月份，在7月中下旬流量降低至15,000 m³/s以下。研究成果可为长江中游后汛期动态判别指标构建提供支撑，为实时调度中滚动快速研判当前情汛情及演变趋势、及时优化调整水库动态运行方案提供决策依据。

Abstract: Water condition factor analysis is the basis of the study of the late flood season discernment, this paper gets different typical years under the middle reaches of the Yangtze River water condition factor change rule through data analysis of historical long series: 1) When basin-type floods occurred, Shashi station water level in 1954 and 1998 in early July exceeded the warning level, continued to the water level in early September and began to gradually reduce to below the warning level. The water level of the first half of August and the mid-August water level exceeded the guaranteed water level in 1998; When big floods occurred in the middle and lower reaches of the river in 2020, water from the upper reaches belonged to the general flood, and the upper reaches of the Yangtze River cascade reservoirs carried out joint scheduling, and the flood level of the Jingjiang River section was low, and the water level at Shashi station only exceeded the warning level in late July and late August; the water level at Lianhuatang exceeded the alert level since late June, and lasted until early September before the water level began to gradually reduce to below the alert level; the four water synthetic flow had multiple flood processes, large flood peaks, and large changes in the flood season flow; 2) When regional-type flood occurred, Lianhuatang floods occurred mainly in middle and late July, the latest flood peaks occurred in early September; the four-water synthesis was basically multi-peak and fluctuations till the end of August and early September, reduced to less than 20,000 m³/s; 3) When basin-type floods occurred, the highest water level at Lianhuatang station of the typical year was in late July, the four-water synthesis of the changes in flow mainly concentrated in June, and the four-water synthesis flow in mid-late July, and the flow reduced to 1500 m³/s in late July, and the flow mainly concentrated in June, and the flow mainly concentrated in June. The flow decreased to below 15,000 m³/s in middle to late July. The research results can provide support for the construction of dynamic discriminating indexes in the middle reaches of the Yangtze River after the flood season, and provide decision-making basis for real-time scheduling to study the current flood situation and the trend of evolution, and optimize and adjust the dynamic operation scheme of reservoirs in time.

1. 引言

长江中游洪水承接长江上游干流、清江和洞庭湖水系的来水，导致洪水的发生时间、来源和组成异常复杂[1] [2]。宜昌以上来水、洞庭四水来水在螺山总入流中多年平均占比分别为70%、23%左右，宜昌站以上来水在螺山总入流中占一定主导地位，但某些年份亦会出现宜昌来水占比小于洞庭四水的情况。另一方面，长江流域上、中游各个控制节点汛期洪水分期时间并不一致[3] [4]，长江中游洞庭湖水系汛期(4~7月)早于长江上游，因此基于传统的静态分期理念无法提出长江中游后汛期的定义[5] [6]。目前长江流域江西省、湖南省均通过实时水雨情动态判别其后汛期，长江中游后汛期亦可以通过实时水雨情进行研判。当长江中游流域降雨情势和主要控制站的水位、流量满足一定条件，根据实时水雨情信息和预报信息研判未来相当长时间内长江中游防洪形势较安全时，即可认为长江中游进入了后汛期，此后三峡水库可以逐步释放145~155 m之间为城陵矶预留的防洪补偿库容[7] [8]。

水情因子分析是研究后汛期判别的基础，大多学者基于水雨情因子分析与研究目标的相关关系[9]-[13]，潘佳佳等[14]采用统计分析、线性回归、单一因子分析和相关性分析等结合的研究方法，重点揭示了源区河流流量、冰期和冰厚现状、其年际变化特征和主要影响因子；周静等[15]通过提取洞庭湖1987~2016年湿地植被信息，并构建表征水位波动的多周期水情变量，采用逐步回归分析法识别影响洞庭湖湿地植被分布格局的关键水情变量并建立其与植被面积的响应关系；易玉茹[16]通过洞庭湖入出湖典型水文站点1990~2019年的径流量和水位数据，揭示了洞庭湖入出湖径流量和水位的年际变化趋势及其突变年份，分析了三峡大坝运行背景下洞庭湖年内趋势变化。

本文通过分析历史长系列数据得到不同典型年下的水情因子变化规律，可作为长江中游进入后汛期实时江湖水雨情动态判别标准的基础，以期较为准确预判当年进入后汛期的日期，提高水库汛末的蓄满率，缓解区域季节性水资源供需矛盾，为以三峡水库为核心的上游梯级水库群综合效益的发挥提供技术支撑，具有重大的社会和经济效益。

2. 长江中游水情因子系列样本分析

2.1. 长江中游地区水位特征

1) 年际变化规律

沙市站实测水位系列为1947~2022年，以2003年三峡水库蓄水运用为分界，统计分析沙市站汛期6~10月水位的年际变化规律。各年份汛期平均水位和最高水位见图1。可以看出，三峡水库蓄水以后，沙市站汛期平均水位、汛期最高水位的多年均值分别降低2.18 m、1.72 m。

洞庭湖出口城陵矶七里山站实测水位系列为1952~2022年，以2003年三峡水库蓄水运用为分界，统计分析七里山站汛期6~10月水位的年际变化规律。各年份汛期平均水位和最高水位见图1。可以看出，三峡水库蓄水以后，七里山站汛期平均水位、汛期最高水位的多年均值降低0.52 m、0.07 m。

长江干流城陵矶莲花塘站实测水位系列为1991~2022年，七里山站系列较长，有1952年至今的长系列数据，本次采用七里山站的1952~2022年水位数据根据两站水位相关关系对莲花塘水位进行插补延长。以2003年三峡水库蓄水运用为分界，统计分析莲花塘站汛期6~10月水位的年际变化规律。各年份汛期平均水位和最高水位见图1。可以看出，三峡水库蓄水以后，莲花塘汛期平均水位、汛期最高水位的多年均值降低0.49 m、0.08 m。

(a) 沙市站 (b) 七里山站 (c) 莲花塘站

图1. 不同站汛期水位年际变化图

2) 年内变化规律

根据沙市站、七里山站、莲花塘站水位数据分析其年内变化规律，统计时段为汛期6~10月，统计尺度为旬。汛期各旬平均水位和最高水位见图2。可以看出，三峡运行以前，沙市站水位在8月上旬开始逐渐下降，9月上旬略有上涨后消退、七里山站水位在8月上旬开始逐渐下降，9月上旬略有上涨后消退、莲花塘水位在8月上旬开始逐渐下降，8月下旬略有上涨后消退；三峡运行以后，沙市站水位自8月上旬开始显著下降，旬平均水位低于38.60 m、七里山站水位自8月上旬开始显著下降，旬平均水位低于29.34 m、莲花塘水位自8月上旬开始显著下降，旬平均水位为29.31 m。

(a) 沙市站 (b) 七里山站 (c) 莲花塘站

图2. 不同站汛期水位年内变化图

2.2. 长江中游地区流量特征

1) 洞庭四水合成流量特征分析

洞庭湖四水合成流量由洞庭湖水系的湘江湘潭、资水桃江、沅水桃源、澧水石门(三江口)等控制站组成，计算时考虑传播时间叠加，并对有关有影响的大型水库进行了还原。洞庭湖四水合成流量过程按下式推求：

$Q_{四水合成\left(t\right)}=Q_{湘潭\left(t-1\right)}+Q_{桃江\left(t-1\right)}+Q_{桃源\left(t-2\right)}+Q_{石门\left(t-2\right)}$ (1)

式中：Q——流量(m³/s)；t——时间(d)。

采用洞庭湖流域上述四个控制站1951~2022年的日平均流量系列，考虑梯级水库运行影响，还原天然流量过程，分析洞庭四水合成汛期5~10月洪水的洪峰、特征洪量及其发生时间，以及月、旬、候多尺度平均流量过程变化，辨别是否有显著变化节点，总结洞庭湖水系洪水随时间的变化规律，及占螺山来水的比例。

洞庭湖流域汛期四水合成流量的年际变化情况和年内变化见图3。可以看出，洞庭湖水系来水年际间变幅较为平稳，不同年份5~10月四水合成流量占比为螺山总入流20%~30%之间。洞庭湖流域汛期四水合成流量从7月上旬开始下降趋势明显，7月上、中、下旬的平均流量分别为9800 m³/s、8800 m³/s、6200 m³/s。从8月份开始，平均流量小于5500 m³/s。从5月中旬开始，四水合成流量在螺山总入流中的占比开始减小。5月中旬四水合成流量在螺山总入流中的占比为43.9%，至7月中旬降低至20.7%，7月下旬后占比小于20%。

(a) 年际变化 (b) 年内变化

图3. 洞庭湖流域汛期四水合成流量年际年内变化情况图

2) 七里山站流量特征分析

七里山站流量系列为1947~2022年(1949年和1950年缺失)，以2003年三峡水库蓄水运用为分界，统计分析七里山站汛期6~10月流量的年际变化规律。各年份汛期平均流量见图4(a)。可以看出，三峡水库运行以后，七里山站汛期平均流量有一定减小趋势。年最大日均流量散点图见图4(b)，6~10月为年最大洪峰出现的集中时段，8月上旬出现洪峰相对较少的空档期，9月中旬以后洪水量级迅速减小。七里山站年最大日均流量出现在6月上旬至10月上旬，主要集中在6月到9月(95.9%)，以7月出现的次数最多，占总数的56.8%。

(a) 年变化 (b) 年最大流量

图4. 七里山站汛期流量变化图

3) 皇庄站流量特征分析

汉江皇庄站流量系列为1950~2022年(1958、1959、1964、1968、1973年缺失)，统计分析皇庄站汛期6~10月流量的年际变化规律。各年份汛期平均流量见图5(a)所示。皇庄站汛期平均流量的区间为723~5480 m³/s。年最大日均流量散点图见图5(b)，6~10月为年最大洪峰出现的集中时段，皇庄站年最大日均流量出现在6月上旬至10月下旬，每个月出现次数较为平均，以7月出现的次数最多，占总数的32.4%，8月次之，占总数的25%。

(a) 年变化 (b) 年最大流量

图5. 皇庄站汛期流量变化图

(a) 年变化 (b) 年最大流量

图6. 鄱阳五河合成汛期流量变化图

4) 鄱阳五河合成流量特征分析

鄱阳五河合成流量由鄱阳湖水系的赣江外州、抚河李家渡、饶河虎山和渡峰坑、信江梅港、修水虬津和万家埠等控制站组成，还原流量系列为1954~2022年，统计分析鄱阳五河汛期6~10月流量的年际变化规律。各年份汛期平均流量见图6(a)，鄱阳五河汛期平均流量的区间为1370~7390 m³/s。年最大日均流量散点图见图6(b)，7月下旬出现洪峰相对较少的空档期，8月后洪水量级较小。鄱阳五河合成年最大日均流量出现在6月上旬至9月上旬，主要集中在6月到7月(95.5%)，以6月出现的次数最多，占总数的69.7%。

3. 典型大水年各水情因子变化情况分析

3.1. 流域型大洪水特征分析

统计分析1954、1998和2020年洪水过程中沙市站水位、莲花塘水位、七里山水位、四水合成来水、七里山来水的变化情况，分别见图7和图8。从图中可以看出，当发生流域型洪水时：

1) 沙市站水位在1954年和1998年7月上旬已超过警戒水位(43 m)，且一直居高不下，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下，1998年8月上旬和中旬水位超保证水位(45 m)；2020年中下游发生大洪水时，上游来水属于一般洪水，且长江上游梯级水库施行联合调度，荆江河段洪水位较低，沙市站水位仅在7月下旬和8月下旬超过警戒水位；

2) 莲花塘站水位在6月下旬已超过警戒水位，且一直居高不下，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下；

3) 七里山来水峰高量大，1998典型年有多个洪峰过程，7月中旬后流量基本超过20,000 m³/s，年最大洪峰流量均超30,000 m³/s；四水合成来水有多个洪峰过程，1954典型年和1998典型年来水较大，洪峰流量大于40,000 m³/s，直到8月初，流量才降低至20,000 m³/s以下；

(a) 沙市站 (b) 莲花塘站

图7. 流域型大洪水过程不同站水位变化图

(a) 四水合成流量 (b) 七里山流量

(c) 皇庄流量 (d) 鄱阳五河流量

图8. 流域型大洪水不同站来水变化图

4) 1954典型年皇庄站洪峰流量大于15,000 m³/s，1998典型年洪峰流量未超过10,000 m³/s，2020典型年由于丹江口水库拦蓄，洪峰流量未超过5000 m³/s；五河合成来水1954典型年洪峰流量为33,300 m³/s，出现在6月中旬，7月下旬下降至15,000 m³/s以下，1998典型年洪峰流量为48,000 m³/s，7月下旬下降至15,000 m³/s以下，2020典型年洪峰出现在7月中旬(39,000 m³/s)，7月中旬后，流量持续下降至15,000 m³/s以下。

3.2. 中下游区域型大洪水特征分析

选择莲花塘发生超警戒水位，而沙市同期未超警戒水位的年份作为中下游区域型洪水典型年进行分析研究。

统计分析1952、1969、1973、1976、1988、1991、1996、2002、2012、2016和2017年洪水过程中沙市站、莲花塘水位、汉口站水位、七里山站来水、湖口站来水、皇庄站来水、四水合成来水、鄱阳五河来水的变化情况，见图9和图10。从图中可以看出，当发生区域型洪水时：

(a) 沙市站 (b) 莲花塘站

图9. 区域型大洪水过程不同站水位变化图

(a) 四水合成来水 (b) 七里山来水

(c) 皇庄站来水 (d) 鄱阳五河来水

图10. 区域型大洪水不同站来水变化图

1) 沙市站水位在1952年8月下旬和9月中旬超过警戒水位，其余年份均未超过警戒水位，所有年份均未超过保证水位；

2) 莲花塘水位在1996年7月中下旬和2002年8月下旬超过保证水位，其他年份均只超过警戒水位，超警时间均不长；1996年7、8、9月最低水位分别为27.86 m、31.86 m和28.7 m；2002年7、8、9月最低水位分别为29.22 m、30.1 m和29.17 m；

3) 四水合成来水洪峰较大，除1976年、2016年外，其余各典型年洪峰均超过30,000 m³/s，1996典型年洪峰超过40,000 m³/s，2017年典型年洪峰超过50,000 m³/s；1996年7、8、9月最小流量分别为4880 m³/s、17,200 m³/s、2800 m³/s；2017年7、8、9月最小流量分别为2360 m³/s、2400 m³/s、2420 m³/s；七里山站来水洪峰较大，各典型年洪峰均超过30,000 m³/s，1996年和2017年典型年洪峰超过40,000 m³/s；

4) 皇庄站来水洪峰相对较小，1952典型年洪峰流量超过15,000 m³/s外，1969、1976、2002、2012和2016典型年洪峰均未超过5000 m³/s；2017典型年洪峰在10月6日出现，且洪峰流量超过13,400 m³/s，发生秋汛；

5) 鄱阳五河来水洪峰相对较大，各典型年洪峰均超过20,000 m³/s ，1969年、1973年、1976年典型年洪峰超过30,000 m³/s，为多峰且波动较大，除2012典型年，其余典型年流量均在7月下旬降低至10,000 m³/s以下。

3.3. 典型枯水年各水情因子变化情况分析

统计分析长江中下游典型枯水年1972、1978、2006、2011和2022年沙市站水位、莲花塘水位、汉口站水位、四水合成来水、七里山来水、皇庄站来水、五河来水的变化情况，见图11和图12。从图中可以看出，当为枯水年时。

1) 沙市站水位在6月到9月持续波动变化，各典型年中，2011年和2022年6月下旬平均水位最高，1978年在7月上旬平均水位最高，1972年和2006年7月上旬平均水位最高；1972年、2011年和2022年汛期最高水位出现在6月下旬，1972年和2011年最低水位出现在10月下旬，2022年最低水位出现在9月下旬；1978年汛期最高水位出现在7月上旬，最低水位出现在10月下旬；2006年汛期最高水位出现在7月中旬，最低水位出现在10月上旬；各年份最高水位均在7月中旬前出现，且不超过41.7 m；

2) 莲花塘水位在6月到7月波动较大，7月下旬开始为持续下降，各典型年中，1972年和2022年6月上旬平均水位最高，2011年在6月下旬平均水位最高，1978年在7月上旬平均水位最高，2006年在7月中旬平均水位最高；2022年汛期最高水位出现在6月上旬，最低水位出现在10月下旬；1978年和2011年汛期最高水位出现在6月下旬，最低水位出现在10月下旬；1972年汛期最高水位出现在7月上旬，最低水位出现在8月下旬；2006年汛期最高水位出现在7月下旬，最低水位出现在10月上旬；各年份最高水位均在7月下旬前出现，且不超过31.11 m；

3) 四水合成来水流量整体变化较大，1972年、1978年和2011年的流量变化主要集中在6月份，7月份后流量缓慢变小，2006年和2022年的流量在7月份呈上升后下降趋势，8月份流量趋于平稳。除2006年和2022年外，其余典型年在6月下旬流量降低至15,000 m³/s以下，2006年和2022年在7月中下旬流量降低至15,000 m³/s以下；七里山来水流量较小，且整体变化较大。流量主要集中在6月和7月，6月中下旬有下降趋势，到7月呈现上升后下降趋势，7月份后流量基本保持在10,000 m³/s以下；

(a) 沙市站 (b) 莲花塘站

图11. 典型枯水年不同站水位变化图

(a) 四水合成来水 (b) 七里山来水

(c) 皇庄站来水 (d) 鄱阳五河来水

图12. 典型枯水年不同站来水变化图

4) 皇庄站来水在1972和2011典型年来水相对较大，最大流量分别为9150 m³/s和13,900 m³/s；1978年、2006年和2022年流量过程在6月到10月较为平稳，最大流量不超过2200 m³/s；

5) 五河来水流量在6月变化较大，7月份开始流量变化幅度较小，较为平稳，所有典型年流量在6月下旬降低至10,000 m³/s以下。

4. 结论

1) 发生流域型洪水时，沙市站水位在1954年和1998年7月上旬已超过警戒水位(43 m)，且一直居高不下，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下，1998年8月上旬和中旬水位超保证水位(45 m)；2020年中下游发生大洪水时，上游来水属于一般洪水，且长江上游梯级水库施行联合调度，荆江河段洪水位较低，沙市站水位仅在7月下旬和8月下旬超过警戒水位；发生区域型洪水时，沙市站水位在1952年8月下旬和9月中旬超过警戒水位，其余年份均未超过警戒水位，所有年份均未超过保证水位；发生流域型枯水时，沙市站水位在6月到9月持续波动变化，各年份最高水位均在7月中旬前出现，且不超过41.7 m。

2) 发生流域型洪水时，莲花塘水位自6月下旬开始一直超过警戒水位，持续到9月上旬水位才开始逐渐降低到警戒水位以下；发生区域型洪水时，莲花塘发生超警戒水位洪水的时间主要集中于7月中旬和7月下旬，最晚洪峰出现时间为9月上旬，7、8、9月最低水位分别为25.36 m、26.09 m和23.93 m；发生流域型枯水时，各典型年最高水位均在7月下旬前出现，且不超过31.11 m。

3) 发生流域型洪水时，四水合成流量有多个洪峰过程，洪峰大，汛期流量变化较大，8月初流量降低至20,000 m³/s以下；区域型洪水时，四水合成基本为多峰且波动较大，直至8月底9月初降低至20,000 m³/s以下；流域型枯水时，流量变化主要集中在6月份，在7月中下旬流量降低至15,000 m³/s以下。

4) 发生流域型洪水时，皇庄站流量相对不大，1954典型年皇庄站洪峰流量大于15,000 m³/s，1998典型年洪峰流量未超过10,000 m³/s，2020典型年洪峰流量未超过5000 m³/s；区域性洪水过程中，汉江发生较强秋汛时，洪峰流量超过15,000 m³/s，此量级洪峰最晚发生时间为10月上旬。当为枯水年时，皇庄站流量一般在10,000 m³/s以下。

5) 发生流域型洪水时，五河来水流量来水较大，7月中旬后，流量持续下降至15,000 m³/s以下；区域型洪水时，基本为多峰且波动较大，当以15,000 m³/s为控制点时，多个典型年在低于15,000 m³/s后流量仍会变大；流域型枯水时，五河来水流量在6月变化较大，7月份开始流量变化幅度较小，较为平稳，流量在6月下旬降低至10,000 m³/s以下。

6) 研究成果可为长江中游后汛期动态判别指标构建提供支撑，为实时调度中滚动快速研判当前汛情及演变趋势、及时优化调整水库动态运行方案提供决策依据。

基金项目

此成果由中国长江电力股份有限公司资助(项目编号：2423020008，合同编号：Z242302016)；国家重点研发计划项目(2022YFC3202801)。

NOTES

作者简介：李静(1997-)，女，主要从事水文学与水资源研究，Email: [e-mail]