嘉陵江流域整體設計洪水研究

李 立 平，高 玉 磊，李 妍 清

(1.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 2.中國長江三峽集團有限公司 流域樞紐運行管理中心，湖北 宜昌 443133)

設計洪水是流域開發治理方案與工程規模的基礎，也是水利工程設計與制定安全運用策略的重要依據[1]。國內外學者對受到梯級水庫影響的設計洪水開展了眾多的研究[2]。張文勝[3]綜述了國內外設計洪水計算方法并展望了設計洪水計算未來的研究重點和方向。李天元[4]提出了基于Copula函數的改進離散求和法，研究了清江梯級水庫下游設計洪水。閆寶偉[5]應用Copula函數構造了上游斷面與區間洪水的聯合分布，推導了設計洪水的地區組成。然而，以往的水庫、堤防等防洪工程的設計洪水研究多側重于壩址、控制點的局部河段，對于流域整體防洪層面總體考慮相對不足。根據最新批復的《2019年度長江流域水工程聯合調度運用計劃》[6]，聯合調度的水工程由2018年度的40座控制性水庫，進一步擴展至100座水工程，調度范圍也由上中游擴展至全流域[7]。因此，開展流域層面的整體設計洪水研究十分必要，且具有重要的現實意義。

本文以干支流較為復雜的嘉陵江流域為例，系統開展流域整體設計洪水研究。在分析骨干控制點洪水過程特性的基礎上，合理選擇多個不同類型的典型年洪水過程[8]，根據骨干控制點的典型洪水特性和具體防洪形勢，合理選擇不同控制時段，推求各控制節點不同組成和遭遇類型的典型年設計洪水過程，為梯級水庫群防洪調度決策和流域洪水資源化利用提供技術支撐。

1 研究區域及數據

嘉陵江是長江上游左岸的一級支流，位于東經102°30′～109°00′、北緯29°20′～34°33′之間，流經陜西、甘肅、四川、重慶4省(直轄市)，干流全長1 120 km，落差2 300 m，平均比降2.05‰。全流域面積15.98萬km2，占長江流域面積的9%。按流域地形及河道特征，將干流分為上、中、下游。廣元以上為上游，廣元至合川為中游，合川至河口為下游。嘉陵江水系發育，自上而下的主要支流有西漢水、白龍江、東河、西河、渠江、涪江等。流域內多年平均降雨量約960 mm，由于地形復雜，各地氣候條件的差異，降雨在地域分布上很不均勻，一般是盆地邊緣的降水大于盆地中部。流域內蒸發量因風力微弱，氣候濕潤，相對濕度大，年蒸發量為800～1 000 mm。

考慮嘉陵江的防洪需求，本次研究以嘉陵江干流北碚站作為骨干控制點，涪江小河壩站、渠江羅渡溪站、嘉陵江武勝站作為枝杈控制節點，碧口、寶珠寺、亭子口、草街等作為主要水庫節點，本次收集了各水文站點1954～2016年流量資料。嘉陵江流域主要水系及控制節點如圖1所示。

圖1 嘉陵江流域水系及控制站點示意Fig.1 River network and hydrological stations in the Jialing River Basin

2 嘉陵江流域暴雨洪水特性

因地形條件的差異，暴雨在嘉陵江干流區域的分布很不均勻。流域上游，地勢較高，多年平均暴雨日數不足1 d，中下游位于盆地腹部地區，暴雨也較盆地邊緣少，平均每年可發生2～3 d暴雨。

嘉陵江支流渠江上游地處著名的大巴山暴雨區，日雨量≥50 mm的暴雨日數平均每年達5 d以上。涪江上游位于盆地邊緣，為著名的川西暴雨區，年平均暴雨日數達6～7 d。

流域暴雨大多發生在4～10月，尤其以7～9月發生的概率最大，約占75%，上游武都、成縣以北地區甚至90%以上的暴雨發生在7～8月。渠江8月暴雨較少，表現出伏旱和秋季暴雨的特點。兩大暴雨區持續時間相差不大，單站暴雨可持續4 d之久。

暴雨走向大多自西向東或自西北向東南，但是也有少數暴雨自西南向東北方向移動。1 d暴雨籠罩面積可達4萬～5萬km2，最大時可籠罩整個流域中下游地區。

嘉陵江流域洪水主要由暴雨形成。洪水特性受流域下墊面和支流洪水加入影響。嘉陵江干流的大洪水主要由秦嶺南坡、四川盆地邊緣地區和丘陵接壤一帶的大暴雨造成，主雨區在陽平關、碧口以下至南部縣以上的廣大地區。每次大洪水時，陽平關、碧口至昭化一帶都發生大的暴雨，并且形成嘉陵江干流的大洪水。洪水在向下游演進時，若昭化以下繼續發生大暴雨，兩岸支流洪水的匯入洪峰向下游增大顯著；若昭化以下雨量不大，則洪峰向下游加大不多，甚至洪峰向下游有減少現象(如“81·7”洪水，上游金銀臺站“81·7”洪峰流量為31 000 m3/s，下游武勝站為28 900 m3/s；“81·8”洪水金銀臺站洪峰流量為23 000 m3/s，下游武勝站為18 400 m3/s；“98·8”洪水金銀臺站洪峰流量為22 700 m3/s，而下游武勝站為19 200 m3/s)。嘉陵江下游合川段渠江和涪江分別從左右岸匯入后，形成巨大的扇形水系，由于渠江和涪江均位于四川的暴雨區，因此極易形成大洪水。不同的暴雨時程分配和走向，使得干支流洪水的組成及遭遇情況各異。嘉陵江洪水過程多呈雙峰或多峰形，北碚站單峰3～5 d，復峰可達7～12 d，峰現持續時間約4 h左右。

3 嘉陵江洪水特性

3.1 洪水發生時間分布特征

根據1940～2016年北碚站流量資料分析北碚站的洪水發生時間分布特征。從年最大洪峰流量散點圖(見圖2)可見：北碚站年最大洪峰流量出現在5月中旬至10月上旬，7～9月為年最大洪峰出現的集中時段(87.0%)，最早為5月19日(1967年)，最晚為10月3日(1975年)。7月中旬出現的次數最多，占總數的18.2%，7月上旬次之。受秋汛影響，年最大洪水9月比8月出現的次數多。8月上中旬出現洪峰相對較少的空檔期，以后洪峰又增多。當西太平洋副高提前西移時，嘉陵江流域汛期即會提前，這種情況下嘉陵江6月底至7月上旬即可出現較大洪水，至8月份長江鋒面移入華北時，嘉陵江流域降雨減少，往往出現洪峰的低潮，至9月上中旬，極鋒南旋，常發生秋季洪水，甚至年最大洪水也會發生在該期內。

圖2 嘉陵江北碚站年最大洪峰散點圖Fig.2 Annual maximum instantaneous floods of Beibei Staiton

北碚站年最大洪峰流量量級一般為10 000～40 000 m3/s；小于10 000 m3/s有3次；大于40 000 m3/s僅有1次，出現在1981年7月；年最大洪峰流量在20 000 m3/s以上的占61.0%，在30 000 m3/s以上的占16.8%。

北碚站年最大3 d洪量最大為97.1億m3(1981年)，最小為11.8億m3，多年均值為49.0億m3；年最大7 d洪量最大為146.8億m3(1956年)，最小為22.2億m3，多年均值為81.9億m3；年最大15 d洪量最大為233.8億m3(1956年)，最小為44.4億m3，多年均值為125.4億m3。北碚站年最大3，7 d和15 d洪量時間分布特征與年最大洪峰散點圖類似。

3.2 洪水地區分布特征

根據北碚站1940～2016年流量資料，分析年最大洪峰流量Qm、3 d洪量W3d、7 d洪量W7d、15 d洪量W15d和30 d洪量W30d排序前3的年份可知，北碚站年最大洪水過程一般歷時5～10 d，因此北碚站洪水控制時段選擇為15 d。

根據干流武勝、渠江羅渡溪、涪江小河壩水文站1954～2016年同步洪水資料，分析了嘉陵江洪水地區分布特征(見表1)。

表1 嘉陵江北碚站以上洪水地區組成Tab.1 Flood region composition of Beibei Station

由表1可以看出：短時段3，7 d洪量3站中以處于大巴山暴雨區的羅渡溪站最大，均占北碚的40%以上，均大于其面積占比；武勝次之，3，7 d洪量占北碚的32%左右，小于面積占比；小河壩以上集水面積最小，洪量占比也小于其面積占比。15 d洪量組成中，武勝與小河壩占比有所增加，武勝與羅渡溪占北碚洪量的比重相當。

3.3 洪水遭遇分布規律

洪水遭遇主要考慮洪峰遭遇和洪水過程遭遇兩種情況[9-10]。若洪峰(日平均流量)同日出現，即為洪峰遭遇。洪水過程遭遇指時段洪量有超過一半時間重疊[11-13]。

嘉陵江流域位于川東的大巴山、秦嶺及龍門山之南，受地形及氣候因素影響，流域內暴雨區分東西兩處。東部位于大巴山南麓，渠江流域的南江、萬源一帶；西部位于龍門山南麓的涪江上游安縣、江油，嘉陵江的劍閣、廣元一帶。由于暴雨中心位置不同，洪水的組成遭遇也不同，涪江與嘉陵江干流常為同一雨區，洪水有明顯的同步性，洪水的遭遇機會也較多；涪江與渠江兩流域，東西相隔，暴雨發生的時間各不相同，洪水遭遇機會較少；嘉陵江干流與渠江雖屬相鄰，但雨區往往不一致。

涪江小河壩站、嘉陵江武勝站和渠江羅渡溪站距離北碚站較近，本次在分析其洪水遭遇特征規律時不考慮各站洪水傳播至北碚的時間差異。嘉陵江干支流年最大洪峰、最大3 d洪水過程、最大7 d洪水過程和最大15 d洪水過程遭遇情況如表2所列。

表2 1954～2016年北碚站干支流遭遇頻次、概率統計Tab.2 Frequency and probability of the flood process coincidence of Beibei Station from 1954～2016

北碚站1954～2016年系列中，上游干支流年最大洪峰共遭遇4次，其中干流與渠江遭遇(簡稱干渠遭遇)3次，三江遭遇1次；年最大3 d洪水過程有24 a發生遭遇，其中干流與涪江遭遇(簡稱干涪遭遇)概率與干渠遭遇概率相當，分別為17.5%和19.0%，三江遭遇概率較低，僅有1 a發生遭遇，概率為1.59%；年最大7 d洪水過程有38 a發生遭遇，其中干涪遭遇概率較高，為36.5%，干渠遭遇概率為15.9%，渠江與涪江遭遇(簡稱涪渠遭遇)概率較低，三江遭遇概率為6.35%；年最大15 d洪水過程有49 a發生遭遇，其中干涪遭遇概率較高，為33.3%，干渠遭遇概率為17.5%，三江遭遇概率為14.3%。

4 典型年分類選取

根據1954～2016年63 a北碚站洪水地區分布特征及小河壩站、羅渡溪站及武勝站洪水遭遇情況，以及4站實測年最大3，7 d和15 d洪量排位統計及各年洪水組成情況，綜合分析北碚站的大洪水特征。根據北碚站不同歷時洪量分布情形，重點分析年最大3 d和7 d洪量排序前6、年最大15 d洪量排序前5的大水年份，主要有1981，1975，1989，1956，2011，1984，2012，1958年和2010年等9個年份，各年最大3，7 d和15 d洪量及洪水地區組成情況如表3所列。

表3 北碚站大水年份洪量洪水地區組成匯總Tab.3 Flood region composition of Beibei Station in typical flood year

從北碚站洪水地區組成中可以看出，1981年7月北碚洪水洪峰排位第1，1981年8月北碚洪水年最大15 d洪量排位第2，因此，將1981年北碚站的兩場洪水分別進行分析。

根據北碚站的洪水成因，將各大水年份分為了干涪遭遇典型、干渠遭遇典型、三江遭遇典型和渠江來水較大典型。其中干涪遭遇典型僅有1958年洪水，渠江來水較大典型僅有1989年洪水，因此，分別選擇這兩個大水年份作為該類洪水的典型。

干渠遭遇導致北碚大水年份有1975，2011年和1984年。1975，2011年和1984年均是干渠遭遇后形成的“尖瘦型”洪水過程，區別在于1975年和2011年渠江來水較大，1984年渠江來水不大，1975年北碚站年最大3 d洪量排位第2，1984年北碚站最大3 d洪量排位第6，2011年北碚站年最大3 d洪量排位第5。因此，選擇1975年作為干渠遭遇后形成的“尖瘦型”洪水典型。

三江遭遇導致北碚大水的有1981年8月、2010年、1981年7月、1956年和2012年洪水。1981年7月，北碚是由三江遭遇形成的“尖瘦型”洪水，1981年三江洪峰同日出現且發生遭遇，形成的北碚洪峰排歷史第1位。因此，選擇1981年7月洪水作為三江遭遇后形成的“尖瘦型”洪水典型。1956年、1981年7月、1981年8月、2010年和2012年均是由三江遭遇形成的主峰在前的“肥胖型”洪水，1956年干流來水較大，三江遭遇后形成北碚最大15 d洪量排位第1。因此，選擇1956年作為三江遭遇后形成的主峰在前“肥胖型”洪水典型。北碚站各典型年洪水特性如表4所列。

5 嘉陵江整體設計洪水

根據長江流域防洪規劃等相關已有研究成果，北碚站采用的設計洪水成果如表5～6所示。

表4 北碚站典型年洪水特性一覽Tab.4 Flood features in typical years of Beibei Station

表5 嘉陵江北碚水文站設計洪水成果(Qm)Tab.5 Design flood results of Beibei Station(Qm)

表6 嘉陵江北碚水文站設計洪水成果(W24 h，W72 h，W168 h)Tab.6 Design flood results of Beibei Station(W24 h，W72 h，W168 h)

北碚站選取了1958，1975，1956，1989年及1981年7月等5次典型洪水。北碚以上整體設計洪水采用典型年法。整體設計洪水放大采用同倍比法，以保持典型樣本的原過程。根據北碚站各典型年洪水過程分別統計出Qm、W24 h、W72 h和W168 h，計算不同時段各典型年放大倍比系數，在選用放大倍比時，充分考慮控制站洪水過程的峰型、上游主要站放大后洪水量級的合理性等因素合理選定[14-15]。限于篇幅，以1981年7月洪水為例，北碚站該典型年放大倍比及采用情形見表7。以北碚站為控制點的“81·7”型嘉陵江整體設計洪水過程線(P=2%)如圖3所示。

注：Δt=6 h。圖3 以北碚為控制點的“81·7”型整體設計洪水過程(P=2%)Fig.3 Synthetic design flood of “81·7” (P=2%)in Jialing River Basin

表7 北碚站“81·7”洪水放大倍比Tab.7 Magnification coefficients of “81·7” flood in Beibei Station

6 結 論

本次研究以干支流較為復雜的嘉陵江為例，系統開展了流域整體設計洪水研究。以嘉陵江干流北碚站作為骨干控制點，涪江小河壩站、渠江羅渡溪站、嘉陵江武勝站作為枝杈控制節點，通過流量資料分析可以得到如下結論。

(1) 北碚站年最大洪水過程一般歷時5～10 d，因此北碚站洪水控制時段選擇為15 d。北碚站年最大洪峰流量出現在5月中旬至10月上旬，主要集中在7～9月(87.0%)，量級一般為10 000～40 000 m3/s，由于受秋汛影響，年最大洪水9月比8月出現的次數多。

(2) 北碚洪水組成中，短時段3，7 d洪量以羅渡溪站為最大，均占北碚的40%以上，大于其面積占比。15 d洪量組成中，武勝與小河壩占比有所增加，武勝與羅渡溪占北碚洪量的比重相當。

(3) 嘉陵江與涪江、渠江洪水遭遇的概率較高，渠江與涪江遭遇概率較低，隨著洪水時段的增加，三江遭遇的概率略有增加。

(4) 嘉陵江的洪水主要由干涪遭遇、干渠遭遇、三江遭遇和渠江來水較大造成。綜合分析各大水年的成因、洪水來源及峰形，分類選取了1958，1975年、1981年7月、1956年和1989年等5個洪水典型。