馮 寶 飛，許 銀 山，陳 桂 亞

(1.長江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010； 2.水利部長江水利委員會(huì)，湖北 武漢 430010)

1 2020年7月長江洪水概況

2020年1～7月，長江流域面雨量較多年同期均值偏多2成多，呈現(xiàn)多-少-多的時(shí)間分布，其中1～3月偏多4成多，4～5月偏少近2成，6～7月偏多4成多。6～7月，長江流域面雨量485 mm，中下游615 mm(較歷史同期均值偏多6成)，均排名有完整連續(xù)降雨監(jiān)測資料以來的第1位(1961年以來)，特別是中下游干流附近地區(qū)降水較同期偏多1倍以上；呈現(xiàn)暴雨過程頻繁，雨區(qū)范圍廣，重疊度高，入梅早、出梅晚、梅雨量大，暴雨強(qiáng)度大、極端性強(qiáng)等特征。

1～7月，長江流域來水總體偏多1成多，其中7月，長江上游宜昌站來水偏多2成，中下游漢口、大通站來水偏多3～4成。7月長江干流發(fā)生3次編號(hào)洪水，蓮花塘至大通江段洪峰水位列有實(shí)測記錄以來的第2～5位，再疊加潮位頂托影響，馬鞍山至鎮(zhèn)江江段潮位超歷史。按照暴雨洪水的發(fā)生時(shí)間及其發(fā)展過程，2020年7月長江流域暴雨洪水大約可分為3個(gè)階段：第1階段(7月1～13日)，長江干流附近及兩湖水系中北部發(fā)生集中性強(qiáng)降雨，形成長江2020年第1號(hào)洪水，鄱陽湖發(fā)生流域性大洪水，中下游干流水位漲勢加快，主要控制站陸續(xù)突破警戒水位，并接近保證水位，形成江湖滿槽之勢；第2階段(7月14～21日)，長江流域自西向東發(fā)生1次強(qiáng)降雨過程，形成長江2020年第2號(hào)洪水，中下游干流附近多條支流再次發(fā)生較大漲水過程，漢口以上江段水位復(fù)漲，馬鞍山至鎮(zhèn)江江段最高潮位超歷史；第3階段(7月22～31日)，長江干流附近及以北地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，形成長江2020年第3號(hào)洪水，中下游干流附近多條支流再次發(fā)生較大漲水過程，城陵磯地區(qū)水位突破保證水位。呈現(xiàn)洪水發(fā)生范圍廣、遭遇嚴(yán)重，干流水位漲勢猛、洪峰水位高、高水位持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)。

洪水期間，長江流域上中游水庫群配合三峽水庫開展聯(lián)合防洪調(diào)度，合計(jì)攔蓄約300億m3，其中三峽水庫攔蓄洪量約146億m3，極大緩解了中下游防洪壓力。為進(jìn)一步探究流域水庫群在本次洪水中所發(fā)揮的作用，量化防洪效益，本文將從洪水還原分析計(jì)算方法、總體計(jì)算框架及策略、還原成果及效益分析等方面開展探討，并與典型大水年(1998年,2016年)洪水還原成果開展綜合對比，以期為未來可能發(fā)生的大洪水防御相關(guān)工作提供思路和參考。

2 洪水還原分析方法

洪水還原分析是量化流域水庫群防洪效益、準(zhǔn)確評(píng)估聯(lián)合調(diào)度效果的重要基礎(chǔ)。首先針對不同控制節(jié)點(diǎn)和斷面類型采用不同還原計(jì)算方法，然后針對不同江段闡述水量還原策略及具體步驟，最后給出洪水還原分析的總體計(jì)算框架。

2.1 還原計(jì)算方法

洪水過程還原計(jì)算是分析洪水特性、量化洪水大小的基礎(chǔ)，是一類將受人類活動(dòng)影響的洪水資料還原為天然狀況下洪水過程的水文計(jì)算工作[1]。本文的還原是指水庫群不攔蓄的情況，根據(jù)分析對象所屬控制節(jié)點(diǎn)和斷面類型的不同，結(jié)合長江流域洪水特性，通常可以采用馬斯京根分段演算法、水動(dòng)力學(xué)模型演算法、大湖模型演算法及相關(guān)圖模型等。

(1) 馬斯京根分段演算法。馬斯京根分段演算法是將演算河段劃分為N個(gè)單元，并基于馬斯京根原理，針對各個(gè)單元采用馬斯京根槽蓄方程和水量平衡原理進(jìn)行出流推求的過程[2]。通過分段演算可以有效縮短單次計(jì)算河段，增強(qiáng)蓄泄關(guān)系代表性，在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)間洪水演進(jìn)模擬精度。

(2) 水動(dòng)力學(xué)模型演算法。水動(dòng)力學(xué)模型演算法是在已知邊界條件的基礎(chǔ)上，采用不同方法對河道進(jìn)行離散建模，并基于圣維南原理進(jìn)行河道演算的過程[3]。水動(dòng)力學(xué)模型一般分為一維、二維模型，其中一維模型具有計(jì)算效率高、數(shù)據(jù)需求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于河網(wǎng)、河道的洪水演進(jìn)計(jì)算。

(3) 大湖模型演算法。大湖模型演算法是廣泛應(yīng)用于長江中下游地區(qū)洪水演算的一類模型[4]。其基本原理是根據(jù)長江流域河道特性，將宜昌至螺山河段及洞庭湖區(qū)、漢口至大通河段及鄱陽湖區(qū)概化為兩個(gè)大湖，利用水量平衡方程，分別以螺山、湖口、大通站為大湖出口站，基于水量平衡方程，并配合江湖容蓄曲線及水位流量關(guān)系，建立大湖演算模型，推算螺山、大通站水位流量過程。

(4) 時(shí)變多因子相關(guān)圖模型。時(shí)變多因子相關(guān)圖模型是基于隨時(shí)間變化的多個(gè)因子，找出主影響因子建立非線性單相關(guān)曲線，對次要因子考慮影響程度大小，對單相關(guān)曲線進(jìn)行擬合優(yōu)化，基于實(shí)時(shí)資料，實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖模型的動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解[5]。本文中相關(guān)圖模型法即基于實(shí)測數(shù)據(jù)，以水位、流量為主因子建立單相關(guān)連時(shí)序曲線，綜合考慮上游來水、下游頂托、落差及本站斷面沖淤變化對曲線進(jìn)行修正優(yōu)化。

(5) 區(qū)間洪水降雨徑流模型。區(qū)間洪水是下游控制站來水的重要組成部分。因其不可監(jiān)測，通常按上下站的洪水傳播時(shí)間，錯(cuò)時(shí)分割流量過程進(jìn)行計(jì)算，但分割的區(qū)間流量過程一般存在雨洪過程不對應(yīng)、流量跳動(dòng)較大等問題。本文采用新安江模型[6]、NAM[7]、API[8]等降雨徑流模型，以實(shí)測降雨作為輸入計(jì)算區(qū)間流量過程，并通過區(qū)間分割流量過程的總水量，對模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正。

單一模型的還原計(jì)算成果一般存在一定的不確定性。實(shí)際應(yīng)用中，需要通過多模型同步計(jì)算[9]，以多模型演算成果為基礎(chǔ)，充分考慮洪水來水組成和實(shí)際特性，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)形成相對可靠的洪水還原分析成果。

2.2 還原分析策略

洪水還原分析主要涉及水利工程攔蓄影響還原、抽排泵站等人類活動(dòng)影響還原等，其中水利工程攔蓄影響又分為水庫群攔蓄及洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)分蓄等。本研究中主要考慮長江流域納入聯(lián)合調(diào)度的上中游41座水庫群的攔蓄影響進(jìn)行3次編號(hào)洪水的分析計(jì)算，其中，上中游控制性水庫節(jié)點(diǎn)至干支流河道控制斷面的流量演算采用馬斯京根分段演算法，三峽區(qū)間流量計(jì)算則通過產(chǎn)流模型結(jié)合水動(dòng)力學(xué)模型演算法進(jìn)行計(jì)算，中下游干流主要控制斷面則采用水動(dòng)力學(xué)模型、大湖模型、相關(guān)圖模型等多方法綜合計(jì)算。具體還原策略如下：

(1) 對于上游水庫群，按照還原計(jì)算方法的不同，分別對上游水庫群(不含三峽水庫)和三峽水庫攔蓄洪量進(jìn)行還原計(jì)算：① 還原上游水庫群蓄量(不含三峽水庫)，采用分段馬斯京根法演算寸灘、武隆站的流量過程，作為三峽水庫入庫流量計(jì)算邊界；② 三峽水庫則采用水動(dòng)力學(xué)模型演算法[10]，基于寸灘、武隆站流量及區(qū)間來水過程演算入庫流量，從而實(shí)現(xiàn)上游來水的還原計(jì)算；③ 三峽水庫按照入出庫平衡調(diào)度策略，將其入庫流量作為長江上游來水邊界(即長江上游控制站宜昌站的還原流量)。

(2) 對于中游水庫群，則統(tǒng)一采用分段馬斯京根法演算各支流控制斷面的流量過程，作為中下游干流演算的來水邊界。

(3) 基于長江上游來水邊界和中下游各支流來水邊界，采用多模型演算實(shí)現(xiàn)中下游干流來水還原計(jì)算，獲得主要控制站水位還原結(jié)果。

(4) 綜合考慮干支流來水特性、洪水組成、漲落關(guān)系及多模型演算結(jié)果，確定最終還原計(jì)算成果。

2.3 總體計(jì)算框架

根據(jù)上述分析，2020年7月3次編號(hào)洪水的分析計(jì)算主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、方法選擇、還原策略及成果分析等環(huán)節(jié)。具體地，首先采集聯(lián)合調(diào)度水庫群的運(yùn)行數(shù)據(jù)和流域主要控制斷面的實(shí)況信息，然后針對不同江段采用不同方法和策略進(jìn)行水量還原計(jì)算，最后通過對比還原前后的水庫入庫流量和關(guān)鍵控制斷面的水位過程，分析水庫群的攔洪削峰效益。總體計(jì)算框架如圖1所示。

圖1 洪水還原總體計(jì)算框架Fig.1 Overall calculation framework of flood reduction analysis

3 洪水還原及防洪效益分析

3.1 長江上中游水庫群概況

1949年以來，在長江總體防洪原則“蓄泄兼顧、以泄為主”的指導(dǎo)下，經(jīng)過幾十年的建設(shè)，長江流域已基本形成了以堤防為基礎(chǔ)、三峽水庫為骨干，其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、河道整治相配合，以及平垸行洪、退田還湖等工程措施與防洪非工程措施相結(jié)合的綜合防洪減災(zāi)體系。截至2020年，長江流域已建成大型水庫300余座，總調(diào)節(jié)庫容1 800余億m3，防洪庫容約755

億m3。其中，納入2020年度長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃的控制性水庫41座(總體分布見圖2) ，總調(diào)節(jié)庫容884余億m3，總防洪庫容約598億m3；上游水庫群以三峽水庫為核心，總防洪庫容約387億m3；中游主要支流的重要水庫除承擔(dān)所在河流的防洪任務(wù)外，還與三峽水庫錯(cuò)峰調(diào)度，總防洪庫容約211億m3[11]。

3.2 三峽水庫入庫洪水還原

為配合三峽水庫減輕長江中下游防洪壓力,2020年7月洪水期間長江上游水庫群通過聯(lián)合運(yùn)用，攔蓄洪水，減少三峽水庫入庫洪量，分擔(dān)三峽水庫防洪壓力。7月2～12日、12～21日、25～28日3個(gè)階段，長江上游水庫群(不含三峽水庫)持續(xù)攔蓄洪水，合計(jì)攔蓄洪量約135億m3。

基于分段馬斯京根模型將上游水庫群的攔蓄洪量還原至三峽水庫入庫控制站(寸灘站和武隆站)，疊加區(qū)間洪水計(jì)算三峽水庫的還原入庫洪水過程。還原后，長江干流3次編號(hào)洪水三峽水庫入庫洪峰流量分別為55 000 m3/s(實(shí)況53 000 m3/s)、70 000 m3/s(實(shí)況61 000 m3/s)、67 000 m3/s(實(shí)況60 000 m3/s)；截至7月31日，上游水庫群聯(lián)合調(diào)度累計(jì)減少三峽水庫入庫洪量約110億m3，顯著削減三峽水庫入庫洪峰及洪量，如圖3所示。

3.3 中下游干流控制站洪水還原

以寸灘、武隆站還原洪水過程和三峽區(qū)間實(shí)況降雨過程作為三峽水庫庫區(qū)水力學(xué)模型的輸入，將寸灘、武隆站及區(qū)間來水演算至三峽水庫壩址，得到三峽水庫還原后的壩址入庫流量過程，作為宜昌站的還原洪水過程。同時(shí)，分析中游水庫(主要為清江、洞庭湖水系、陸水、漢江、鄱陽湖水系)洪水?dāng)r蓄量，演算各支流控制站還原流量過程，以上游宜昌站及中游各支流還原流量過程及區(qū)間降雨過程為輸入，基于水力學(xué)模型、大湖演算模型及相關(guān)圖模型分別進(jìn)行洪水還原計(jì)算，綜合分析確定中下游干流及兩湖出口控制站還原過程。

圖2 納入長江流域聯(lián)合調(diào)度的41座控制性水庫分布示意Fig.2 Distribution of 41 controlled reservoirs in the joint dispatching of Yangtze River Basin

圖3 2020年7月三峽水庫入庫洪水還原Fig.3 Reduction for flood entering the Three Gorges Reservoir in July 2020

各時(shí)段還原洪峰水位見表1。對比各模型演算的效果來看，水力學(xué)模型計(jì)算的水庫群影響中下游干流水位值總體偏高，大湖演算模型計(jì)算值總體偏低，相關(guān)圖模型查算值則介于前述兩者之間，綜合洪水特性、調(diào)度過程、洪水組成等多方面因素，最終綜合分析確定蓮花塘、漢口站洪峰水位值。

7月1～13日期間，通過上中游水庫群攔蓄洪水約73億m3，分別降低蓮花塘站、漢口站洪峰水位0.8，0.5 m左右；其中，三峽水庫攔蓄洪水約25億m3，削峰率約34%，分別降低上述兩站洪峰水位0.2，0.1 m左右。

7月14～21日期間，通過上中游水庫群攔蓄洪水約173億m3，其中三峽水庫攔蓄洪水約88億m3。通過長江上中游水庫群聯(lián)合調(diào)度，分別降低蓮花塘站、漢口站洪峰水位約1.7，1.0 m，其中，三峽水庫發(fā)揮了50%以上的作用，削峰率約46%。

7月22～28日期間，通過上中游水庫群攔蓄洪水約56億m3，其中三峽水庫攔蓄洪水約33億m3。通過長江上中游水庫群聯(lián)合調(diào)度，分別降低城陵磯、漢口江段洪峰水位約0.6，0.4 m左右，其中，三峽水庫發(fā)揮了60%以上的作用，削峰率約36%。

由此可見，2020年7月長江暴雨洪水期間，通過以三峽水庫為核心的上中游水庫群聯(lián)合調(diào)度，顯著降低了中下游干流洪峰水位，防洪調(diào)度效益顯著。蓮花塘、漢口水位還原過程見圖4～5，3次編號(hào)洪水期間，兩站還原后的水位漲落過程明顯，而實(shí)測水位過程受水庫群影響后，水位總體呈現(xiàn)高位波動(dòng)的態(tài)勢。

圖4 蓮花塘站實(shí)況與還原水位對比Fig.4 Comparison of measured and calculated water level of Lianhuatang Station

圖5 漢口站實(shí)況與還原水位對比Fig.5 Comparison of measured and calculated water level of Hankou Station

3.4 與典型洪水年還原成果對比分析

選擇最近一次流域性洪水的1998年[12]以及21世紀(jì)長江中下游發(fā)生的區(qū)域性大洪水的2016年[13]進(jìn)行比較(還原僅考慮水庫攔蓄)，見表2。綜合分析來看，無論實(shí)況或還原水位，2020年蓮花塘、漢口江段洪峰水位均低于1998年、高于2016年。與1998年比較，2020年蓮花塘江段實(shí)況洪峰水位偏低1.21 m，還原后僅偏低0.31 m，漢口實(shí)況洪峰水位偏低0.66 m，還原后偏低0.47 m；與2016年實(shí)況和還原水位比較，2020年蓮花塘實(shí)況洪峰水位偏高0.30 m，還原后偏高1.10 m，漢口實(shí)況洪峰水位偏高0.40 m，還原后偏高0.88 m。

表1 長江中游干流蓮花塘、漢口洪峰水位還原計(jì)算成果Tab.1 Reduction calculation of flood peak water level in Lianhuatang and Hankou in the middle Yangtze River

從降低中下游干流控制站洪峰水位的幅度來看，2020年長江上中游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度作用更為顯著，主要原因?yàn)楣こ桃?guī)模的增加和防洪調(diào)度技術(shù)水平的提升，體現(xiàn)在：

(1) 從水庫情況建設(shè)來看，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[14-17]，1998年長江流域建有大型水庫142座，總庫容約1 185億m3，與1998年相比，2020年水庫群規(guī)模和控制能力都有較大程度提高。

(2) 不斷開展水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度研究，自2012年長江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度方案首次獲批以來，納入聯(lián)合調(diào)度的水庫群范圍和數(shù)目逐年增加，截至2020年納入聯(lián)合調(diào)度的長江上中游水庫群共41座，并積累了大量科學(xué)調(diào)度研究成果作為支撐[18-21]。

(3) 通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，三峽水庫建成以來，科學(xué)調(diào)度以三峽水庫為核心的上中游水庫群，成功應(yīng)對了2010，2012年2次入庫洪峰流量超70 000 m3/s的洪水過程，面對2016，2017年長江中下游區(qū)域性大洪水，有效控制下游沙市站水位未超警戒水位、城陵磯地區(qū)水位未超保證水位，減輕了下游地區(qū)的防洪壓力，積累了豐富的調(diào)度案例及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

由此可見，隨著水庫群的逐步投入運(yùn)行、聯(lián)合調(diào)度的不斷優(yōu)化，水庫攔蓄效果越來越為突出，效益也越來越為顯著，大大減輕了水庫下游的防洪壓力。

表2 長江中游干流蓮花塘、漢口洪峰水位還原成果Tab.2 Water level reduction results of Lianhuatang and Hankou in the middle Yangtze River m

4 結(jié) 論

2020年7月長江暴雨洪水期間，以三峽水庫為骨干的長江上中游水庫群，在攔洪削峰錯(cuò)峰等方面發(fā)揮了重要作用，期間通過上中游水庫群聯(lián)合調(diào)度，成功應(yīng)對長江干流的3次編號(hào)洪水，過程合計(jì)攔蓄洪量約300億m3，其中三峽水庫攔蓄約146億m3。本文基于長江洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化方案體系，采用長江防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，綜合多方法還原計(jì)算分析，對2020年7月長江三峽入庫流量及中下游主要控制站水位過程進(jìn)行了還原，并就還原成果及防洪效益開展了系統(tǒng)性闡述。主要結(jié)論如下：

(1) 三峽水庫上游的水庫群聯(lián)合調(diào)度顯著削減了三峽水庫入庫洪峰及洪量。還原后，長江干流3次編號(hào)洪水三峽水庫入庫洪峰流量分別為55 000 m3/s(實(shí)況53 000 m3/s)、70 000 m3/s(實(shí)況61 000 m3/s)、67 000 m3/s(實(shí)況60 000 m3/s)；截至7月31日，累計(jì)減少三峽水庫入庫洪量約110億m3，

(2) 以三峽水庫為核心的長江中游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度顯著降低了中下游干流洪峰水位。1號(hào)洪水期間，分別降低蓮花塘、漢口站洪峰水位0.8，0.5 m；2號(hào)洪水期間，分別降低蓮花塘、漢口站洪峰水位1.7，1.0 m；3號(hào)洪水期間，分別降低蓮花塘、漢口站洪峰水位0.6，0.4 m。

(3) 通過與歷史典型年洪水還原成果對比分析來看，2020年蓮花塘、漢口江段洪峰水位較1998年偏低、較2016年偏高；從洪峰水位影響差值來看，隨著長江流域防洪工程體系的不斷完善及水庫群聯(lián)合調(diào)度事業(yè)的不斷推進(jìn)，流域水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度效果日益突出。

說 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計(jì)分析源自報(bào)汛數(shù)據(jù)。