楊 文 發(fā)，訾 麗，張 俊，陳 芳

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

長江宜昌以上為長江上游，長4 511 km2，流域面積約為110萬km2。長江上游水系發(fā)育，支流眾多，水量豐沛，主雨季為7～9月，強降雨易導(dǎo)致山洪暴發(fā)，洪水泛濫。2020年8月，長江上游嘉陵江、岷沱江流域發(fā)生大范圍暴雨-大暴雨的強降雨過程，上游干流及多條支流發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，其中，支流岷江發(fā)生超歷史洪水，沱江、涪江、嘉陵江發(fā)生超保證洪水，干流朱沱至寸灘江段發(fā)生超保證洪水，沱江、涪江、嘉陵江等支流和上游干流來水均居歷史前列(洪峰流量居2～11位)，三峽水庫出現(xiàn)建庫以來最大洪水(8月20日入庫洪峰流量75 000 m3/s)?；仡櫄v史，比較發(fā)現(xiàn)1981年7月長江上游四川盆地廣大地區(qū)，同樣發(fā)生了較罕見強降雨過程，致使長江上游干流重慶至宜昌河段及四川省境內(nèi)的沱江、涪江、嘉陵江等出現(xiàn)了歷史上少見的洪水(以下簡稱“81·7”暴雨洪水)，重慶寸灘站洪峰流量高達85 700 m3/s[1]。初步發(fā)現(xiàn)“20·8”和“81·7”都是發(fā)生在長江上游偏北地區(qū)的兩次典型大洪水，具有一定的暴雨洪水特征異同點，深入對比分析這兩次長江上游型典型大洪水的成因和特點，可較好地提高對長江上游形成異常暴雨洪水規(guī)律的認識，有益于今后更好地開展水旱災(zāi)害防御工作。

本文“20·8”暴雨、洪水資料主要采用該年的實際水雨情的報汛數(shù)據(jù)庫，“81·7”洪水資料采用歷史洪水整編資料，雨量資料采用1981年長江上游共計282站的歷史雨量資料，其中，歷史單站小時雨量摘自《長江流域上游1981年7月暴雨洪水調(diào)查分析》報告。初步認為，文中長江上游面雨量統(tǒng)計值可能因站網(wǎng)差異會有所影響，但對本文主要分析觀點影響不大，在此一并解釋說明。

2 暴雨特征分析

2.1 暴雨發(fā)展過程

“20·8”典型致洪暴雨過程發(fā)生在2020年8月11～17日，長江流域的主雨帶位于長江上游金沙江中下游至嘉陵江一線，暴雨帶呈東北-西南向，強降雨時段集中在11～12日、15～17日共5 d時間內(nèi)。暴雨區(qū)由長江上游干流以北的岷江、沱江、涪江開始，不斷向東向南擴大至上游的嘉陵江、金沙江中下游、向家壩-寸灘區(qū)間；13日強雨區(qū)范圍縮小至金沙江中下游、涪江、嘉陵江，強度減弱為大雨；14日強雨區(qū)北移至岷沱江、涪江及嘉陵江；且于15日開始強度顯著加強，16～17日，暴雨區(qū)再次擴大并維持在金沙江中下游、岷沱江、涪江及嘉陵江。

“81·7”典型致洪暴雨過程發(fā)生在7月9～14日，主要由兩個降雨階段組成，第一段發(fā)生在9～11日，長江流域的主雨帶位于岷沱江、涪江、嘉陵江及長江中下游干流，主要暴雨中心位于長江中下游，上游暴雨強度和范圍均較??；第二段發(fā)生在12～14日，長江流域主雨帶發(fā)生在長江上游，暴雨帶呈東北-西南向，強降雨時段集中在12～13日2 d時間內(nèi)，暴雨區(qū)由岷江、沱江、涪江及嘉陵江的中上游開始，逐步擴大至雅礱江、向家壩-寸灘區(qū)間，14日降雨減弱，主雨帶位于金沙江中下游、三峽萬縣-宜昌區(qū)間。

2.2 暴雨空間分布及強度統(tǒng)計

2.2.1暴雨中心分布

對比兩次典型致洪暴雨過程空間分布(見圖1)，兩次典型暴雨過程的主雨帶分布基本一致，均出現(xiàn)在金沙江中下游、岷江、沱江、涪江、嘉陵江及向家壩-寸灘區(qū)間等一帶，岷江、沱江、涪江、嘉陵江是暴雨中心區(qū)域。其中，“20·8”強暴雨中心范圍更大，過程累計平均雨量超過250 mm的籠罩面積約為7萬km2，超過100 mm約為22萬km2；“81·7”暴雨過程籠罩面積超過250 mm約為3萬km2，大于100 mm約為15萬km2。

2.2.2暴雨強度統(tǒng)計

統(tǒng)計比較兩次典型暴雨過程各分區(qū)面雨量如表1所示。從表1可以看出：“20·8”暴雨過程涪江累積雨量最大，為389.6 mm，其次為沱江312.8 mm，再其次為岷江及嘉陵江，分別為140.2，147.5 mm；“81·7”降雨過程沱江累積面雨量最大，為228.9 mm，其次為涪江192 mm，嘉陵江119.6 mm。從上述分區(qū)面雨量統(tǒng)計，兩次致洪暴雨過程的降雨中心雨區(qū)分別位于涪江和沱江，主雨區(qū)分布區(qū)域一致；只是“81·7”降雨過程中，渠江降雨超過“20·8”。從點雨量強度分析來看(見表2)，除24 h雨強北川站(349 mm)小于“81·7”上寺站(418.5 mm)外，“20·8”的1,3,6,12 h及暴雨過程單點雨強均大于“81·7”降雨過程，尤其降雨過程北川站累積946 mm，遠大于上寺站489.6 mm。從暴雨強度分析來看，“20·8”暴雨強度要明顯強于“81·7”暴雨強度。

表1 兩次典型暴雨過程分區(qū)累計面雨量對比Tab.1 Cumulative surface rainfall of two typical rainfall in the upper reaches of Yangtze River

表2 兩次典型暴雨過程不同歷時單站降雨強度對比Tab.2 Rainfall intensity of single station with different duration of two typical rainfall in the upper reaches of Yangtze River

2.3 暴雨天氣成因

初步分析“20·8”致洪暴雨過程的天氣成因或影響條件因素，發(fā)現(xiàn)具有下述有利條件：

(1) 強大穩(wěn)定的西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)和臺風(fēng)配合，有利于強降雨區(qū)維持在長江上游偏北地區(qū)。2020年8月中旬，強大而穩(wěn)定的副高西進， 6號臺風(fēng)“米克拉”于8月11日早上登陸，臺風(fēng)頂托也有利于副高偏北偏西，副高較多年異常偏北、偏西、偏強，長江中下游大部地區(qū)被副高控制，四川盆地附近正處于副高邊緣，副高外圍充沛的水汽源源不斷輸入長江上游干流及以北地區(qū)。

(2) 強冷空氣活動頻繁，中低層切變線天氣系統(tǒng)穩(wěn)定少動，并伴有西南渦生成[2]。強降雨期間，中高緯地區(qū)存在西風(fēng)帶低壓槽系統(tǒng)，地面冷空氣較強，極地冷空氣經(jīng)過東歐平原-我國西北部翻過山脈輸送至四川盆地北部；同時，低空急流持續(xù)加強，且切變線和西南渦在四川盆地西部生成，天氣系統(tǒng)共同發(fā)展加劇了降雨強度。特別是副熱帶高壓西伸脊點偏西、脊線偏北，東部有臺風(fēng)環(huán)流，使得該暴雨天氣系統(tǒng)移動緩慢，穩(wěn)定維持在四川盆地西北部一帶[3]。

3 洪水分析

3.1 洪水發(fā)展過程

3.1.1“20·8”洪水發(fā)展過程

2020年8月中下旬，長江上游嘉陵江、岷江流域發(fā)生集中性持續(xù)強降雨。受強降雨影響，長江上游干支流洪水并發(fā)，在水庫群大幅攔蓄條件下，金沙江發(fā)生常遇洪水，岷江仍發(fā)生超實測記錄洪水，沱江、涪江、嘉陵江、長江干流朱沱至寸灘江段發(fā)生超保證洪水。因本次降雨過程兩輪降雨間歇時間短，且強降雨落區(qū)集中，受其影響，長江上游干支流各站洪水均呈現(xiàn)雙峰過程，岷江、沱江、嘉陵江及干流來水沿程疊加，其中朱沱站與北碚站來水幾乎全過程遭遇，導(dǎo)致干流寸灘站發(fā)生一次過程肥胖的復(fù)式洪水，相繼形成“長江2020年第4號洪水”和“長江2020年第5號洪水”，洪峰流量分別為59 400 m，74 600 m3/s，其中5號洪水期間的洪峰水位191.62 m，超保證水位8.12 m，僅次于歷年實測最高水位的1905 年。

3.1.2“81·7”洪水發(fā)展過程

“81·7”暴雨洪水，金沙江、岷江屬于非主雨區(qū)，發(fā)生一般性洪水。此次洪水的主雨區(qū)在沱江中上游、涪江中下游和嘉陵江中游，降雨歷時6 d，雨區(qū)順流擴展，大體呈現(xiàn)由西向東移動態(tài)勢，支流洪水與區(qū)間來水互相遭遇，造成洪峰流量沿河遞增，各支流從上到下峰、量增長，李家灣、小河壩、武勝等站發(fā)生實測記錄最大洪水[4]。渠江處于暴雨邊緣，羅渡溪站屬于常遇洪水，但因嘉陵江干流洪峰與渠江洪峰幾乎完全遭遇，加上涪江洪水在洪水的尾部同嘉陵江、渠江相遇，致使嘉陵江北碚站洪水演變成較肥胖的峰型，發(fā)生實測最大洪峰流量；長江干流納入岷江、沱江洪水后，水量激增，加之峰高量大的嘉陵江來水與干流朱沱洪峰遭遇，致使寸灘站5 d漲幅超過20 m，洪峰水位191.41 m，僅比1905年低0.49 m，流量為85 700 m3/s。

圖2分別展示了“20·8”及“81·7”洪水上游主要各站的來水過程。分析可知，“20·8”洪水呈現(xiàn)明顯復(fù)式雙峰過程，漲水歷時較長，峰型偏胖，岷江和嘉陵江是其主源；而“81·7”洪水呈現(xiàn)單峰過程，洪水歷時短，峰型尖瘦，嘉陵江、岷江和涪江是其主源。

圖2 20·8”與“81·7”長江上游典型洪水主要站來水過程Fig.2 Flooding processes of two typical floods in the upper reaches of Yangtze River

3.2 洪峰特征及洪水組成

3.2.1洪峰排序及重現(xiàn)期

從洪峰實況、歷史排位、重現(xiàn)期等方面統(tǒng)計分析“20·8”與“81·7”洪水中長江上游主要站的洪峰特征，如表3所示。就洪峰流量而言，“20·8”洪水期間，岷江高場、沱江富順、涪江小河壩、嘉陵江北碚和干流朱沱、寸灘站洪峰流量分別列歷史第1位、第3位、第2位、第11位、第5位、第5位，重現(xiàn)期為5～50 a；“81·7”洪水期間，富順、小河壩、武勝、北碚、寸灘等站的洪峰流量均居歷史第1位，高場、朱沱站均位居第11位，重現(xiàn)期5～130 a。就洪峰水位而言，“20·8”洪水期間，各站洪峰水位超保證幅度0.08～8.12 m，其中高場、北碚站均居歷史第1位，寸灘站最高洪峰水位191.62 m(超保證8.12 m)，位居歷史最高水位第2位，超過1981年的191.41 m；“81·7”洪水期間，武勝、北碚站洪峰水位位居歷史第1位，其余各站均低于“20·8”洪水。

表3 “20·8”與“81·7”洪水洪峰實況比較Tab.3 Comparison of flood peak of two typical floods in the upper reaches of Yangtze River

3.2.2洪水地區(qū)組成

比較分析“20·8”和“81·7”洪水的寸灘站(實測)最大7 d洪量組成統(tǒng)計(見表4)來看，呈現(xiàn)如下特征：

(1) “20·8”洪水寸灘站7 d洪水總量為359.2億m3，嘉陵江、岷江兩江總量為268.6億m3，占寸灘總量的74.8%，且單獨占比均超過30%，其次為金沙江、沱江，向家壩-寸灘區(qū)間占比最小。其中金沙江來水占比顯著小于其面積比，偏小幅度42.1%，向家壩-寸灘區(qū)間來水亦偏小7.2%，而嘉陵江、岷江和沱江來水占比則大于其面積比，偏大幅度分別為25.2%，16.0%，8.2%。

(2) “81·7”洪水寸灘站7 d洪水總量為330.6億m3，嘉陵江、金沙江、岷江占據(jù)洪水來源前三位，三江來水總量為274.1億m3，占寸灘總量的83.0%，其次為沱江，向家壩-寸灘區(qū)間占比最小。其中金沙江來水占比相對其面積比，偏小幅度32.5%，向家壩-寸灘區(qū)間來水亦偏小1.3%，嘉陵江、沱江和岷江來水占比則大于其面積比，偏大幅度分別為21.4%，8.0%，4.5%。綜上所述，相較于“81·7”洪水，“20·8”洪水的7 d洪量偏大28.6億m3，其中岷江來水量偏大47.1億m3，占比偏多11.5%，嘉陵江偏大24.9億m3，占比偏多3.8%，沱江基本相當(dāng)，金沙江、向家壩-寸灘區(qū)間則分別偏少26.1億，19.4億m3，占比分別偏少9.2%，5.9%。

表4 “20·8”和“81·7”洪水寸灘站最大7 d洪量地區(qū)組成統(tǒng)計Tab.4 Statistics of maximum 7 d flood at Cuntan Station of two typical floods in the upper reaches of Yangtze River

3.3 寸灘站水位流量關(guān)系

寸灘水文站位于長江干流與嘉陵江匯合口以下7.5 km，是長江與嘉陵江匯合后的控制站，也是三峽水庫的入庫控制站。寸灘水文站水位流量關(guān)系變化不僅影響重慶附近防洪形勢，亦關(guān)系到三峽水庫入庫洪峰和水量的準(zhǔn)確計算。寸灘站水位流量關(guān)系主要受斷面面積變化、銅鑼峽卡口、洪水形態(tài)以及三峽水庫回水等多因素影響。分析“20·8”洪水期間的寸灘站水位流量關(guān)系線變化，并與綜合線、“81·7”洪水進行比較(見圖3)。

圖3 寸灘站水位流量關(guān)系線比較Fig.3 The relationship between water level and flow of Cuntan Station

由圖3可分析：“81·7”洪水，寸灘站水位流量關(guān)系線總體在綜合線附近，繩套帶寬較?。欢?0·8”洪水期間，長江2020年第4號洪水過程實測點連時序線相對綜合線偏幅不大，但長江2020年第5號洪水過程中，受到復(fù)式洪水、寸灘高水位斷面縮小、三峽攔洪運用等因素不同程度影響，實測點連時序線則較4號洪水及綜合線明顯左偏，且繩套帶寬較大，與過程洪量大、峰型肥胖有密切關(guān)系。

4 “20·8”與“81·7”暴雨洪水比較分析

4.1 暴雨方面

(1) 強雨區(qū)和持續(xù)時間。初步比較發(fā)現(xiàn)，兩次致洪暴雨過程，主雨帶區(qū)均呈東北-西南向分布，強度均為暴雨-大暴雨；暴雨中心雨區(qū)均位于干流及以北，尤其岷江、沱江、涪江及嘉陵江一帶，其間，均有新冷空氣補入，降雨發(fā)展過程中均又有增強階段。不同之處在于暴雨過程起訖時間長度、強降雨持續(xù)時間及主雨帶移動過程?！?1·7”暴雨過程持續(xù)6 d，強降雨集中在2 d； “20·8”暴雨過程則持續(xù)7 d，強降雨集中在5 d?！?1·7”暴雨過程主雨區(qū)前期位于長江上游干流以北及中下游干流，而后主要位于至長江上游干流及以北地區(qū)；“20·8”暴雨過程主雨帶一直維持在長江上游干流及以北地區(qū)。

(2) 天氣影響成因。引起兩次暴雨過程的天氣系統(tǒng)基本相同，均為低壓槽、切變線、西南渦、低空急流及冷空氣等天氣系統(tǒng)，且太平洋副熱帶高壓強度偏強、西伸脊點偏西等相似背景[5-7]?！?1·7”暴雨過程有500 hPa西風(fēng)帶低壓槽與原在川西高原的切變線相遇合并，并在川西高原出現(xiàn)低渦；低空西南低渦劇烈發(fā)展和移出；盆地東部出現(xiàn)低空急流；以及冷空氣南下入川與暖濕空氣在盆地西北部對峙。但很明顯“81·7”暴雨過程中副高脊線位置較“20·8”要明顯偏南，其間也無臺風(fēng)登陸活動影響，強雨區(qū)難以穩(wěn)定持續(xù)維持，故該次暴雨過程的強降雨持續(xù)時間相對偏短，降雨強度相對較弱。

4.2 洪水方面

(1) 洪峰特征及洪水組成。受水庫群攔蓄影響，“20·8”洪水中寸灘站最大流量為74 600 m3/s，較1981年偏小，位居歷史第5位，但因復(fù)式洪峰、峰型肥胖以及河道附近工程建設(shè)、三峽水庫攔洪運用等綜合因素影響，導(dǎo)致寸灘站水位流量關(guān)系線逐漸左偏且呈現(xiàn)較大的繩套帶寬，水位偏高，洪峰水位191.62 m，位居歷史第2位，僅次于實測記錄最高的1905年，較1981年洪峰水位高0.21 m?！?0·8”洪水的寸灘洪水組成中，嘉陵江來水占主導(dǎo)地位，金沙江、岷江次之，“81·7”洪水則是嘉陵江、金沙江、岷江來量占據(jù)前三位，相較于“81·7”洪水，“20·8”洪水的7 d總洪量偏大28.6億m3，其中岷江、嘉陵江偏大，沱江基本相當(dāng)，金沙江、向家壩-寸灘區(qū)間則偏少。

(2) 洪水特點及成因?！?1·7”洪水的特點為洪水過程尖瘦、漲水歷時短、洪峰流量大、洪峰稀遇程度高于洪量，寸灘站洪峰重現(xiàn)期為70 a，但7 d洪量重現(xiàn)期僅為15 a；“20·8”洪水則呈現(xiàn)復(fù)式洪峰、洪水過程肥胖、人類活動影響較大、洪峰水位較高的特點，寸灘站實況洪峰流量重現(xiàn)期約20 a，7 d洪量則為約40 a一遇。“20·8”洪水期間，長江上游水庫群實施聯(lián)合調(diào)度，累計攔蓄約82億m3，其攔蓄運用降低李莊、瀘州、朱沱、寸灘站洪峰水位分別約3.2, 2.9, 3.3, 3.0 m，將上游寸灘站約90 a(洪峰)-130 a(洪量)一遇的特大洪水削減為約20a(洪峰)-40a(洪量)一遇的大洪水。

5 結(jié) 論

(1) “20·8”和“81·7”兩次長江上游型大洪水對應(yīng)的致洪暴雨過程均持續(xù)時間長(6～7 d)，暴雨強度大，范圍廣。主雨帶位置主要發(fā)生在金沙江中下游、岷江、沱江至嘉陵江一線，且暴雨中心落區(qū)分布在岷江、沱江、涪江、嘉陵江一線，降雨強度大，為暴雨-大暴雨，暴雨持續(xù)時間為2 d及以上，主雨區(qū)累計平均降雨量及中心單站日雨量可達400 mm左右。在穩(wěn)定的中高緯大氣環(huán)流形勢配合下，西南渦、低空急流及冷空氣等強天氣系統(tǒng)共同發(fā)展是引起上游強降雨的主要成因；西太平洋副熱帶高壓的脊線位置異常偏北，且西伸脊點偏西，則可能是更有利于暴雨中心穩(wěn)定維持在長江上游的原因。

(2) “20·8”與“81·7”洪水均發(fā)生在長江上游，且主要由岷江、沱江及嘉陵江來水遭遇形成，但從洪水發(fā)展過程、洪峰特征及洪水組成、寸灘站水位流量關(guān)系等方面對比，兩者在洪水特征上呈現(xiàn)明顯的差異：“81·7”洪水過程尖瘦、漲水歷時短、洪峰流量更大、洪峰稀遇程度高于洪量，“20·8”洪水則呈現(xiàn)復(fù)式洪峰、洪水過程肥胖、受人類活動影響較大、洪峰水位更高的特點。

(3) 從“20·8”和“81·7”兩次上游型大洪水實況資料進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者在暴雨洪水特征方面均具有一定的異同點，但很明顯兩次大洪水發(fā)生時流域氣候、地表狀況、監(jiān)測站網(wǎng)和人類活動影響等方面存在不一致，造成實際的洪澇程度也顯然差異大，具體造成兩次大洪水各自內(nèi)在影響差異等，以及更全面的認識上游暴雨洪水發(fā)生成因，還有待后期深入開展還原分析和深入探討，進一步揭示長江上游型大洪水發(fā)生的暴雨洪水規(guī)律。

說 明

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