2020年長江螺山站水位流量關系分析

戴明龍 王立海 李立平 李妍清

摘要：螺山水文站的水位流量關系是制定長江中下游地區超額洪量分配和防洪總體方案的重要依據，但由于螺山站獨特的地理位置而導致其水位流量關系受多種因素的影響。在研究螺山站行洪能力時，往往需要先區分和消除其特殊水力要素的影響，將不同水力條件下的實測流量成果改正至同一水力條件，然后再來研究其行洪能力的變化特征。為此，根據1954～2020年間大水年的實測資料，分析了2020年螺山站水位流量關系的特點;基于分析結果，研究了該站的主要影響因素及其變化規律。研究結果表明：① 2020年，螺山站的水位流量關系受下游洪水頂托的影響，同流量條件下水位偏高，與1998年和2016年的情況類似，但整體變幅仍在1998年和2016年等大水年的變化范圍內。② 近年來，螺山站的水位流量關系在年內和年際間隨洪水特性的不同而上下擺動，但無趨勢性變化。③ 城陵磯河段的行洪能力尚無明顯變化。

關 鍵 詞：水位流量關系; 洪水頂托; 影響因素; 螺山站; 城陵磯地區; 長江中下游地區

中圖法分類號： P332

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.019

0 引 言

截至2021年，納入長江流域聯合調度范圍的水工程已總計達到了107座（處）[1]，長江中下游的防洪壓力因此而進一步得到改善。但是，長江巨大的洪水來量與河道安全泄量相對不足之間的矛盾依然存在，仍有大量超額洪量需要妥善安排[2]，其中，多數在城陵磯附近地區。目前，城陵磯地區防洪壓力仍然很大，是長江流域當前防洪問題最突出的河段。城陵磯地區的蓄滯洪區啟用的依據站是蓮花塘水位站，該站某一水位的泄量是查算其下游螺山站的水位流量關系而得，故螺山站水位流量關系實際上反映了城陵磯河段的泄流能力[3]。螺山站水位流量關系是長江中下游地區超額洪量分配和防洪總體方案制定的重要依據，它涉及到上下游、左右岸的相互關系[4]。

2020年入汛后，長江流域發生了多輪強降雨過程，形成了僅次于1954年和1998年的流域性特大洪水[5]。2020年7月，當蓮花塘站水位為34.40 m（凍結吳淞高程，下同）附近時，螺山站的過流量僅約為55 000 m3/s，遠小于《長江流域防洪規劃》[6]采用的65 000 m3/s，因而引起了很大的關注。以往有關這方面的研究主要是針對螺山站某一特殊年份的水位流量關系展開分析，缺少對其水位流量關系的整體研究。本文在以往研究的基礎上，重點分析了2020年螺山站水位流量關系主要影響因素，由分析結果可知：2020年螺山站的水位流量關系受下游洪水頂托的影響，同流量條件下水位偏高，呈左偏現象。這一研究成果可為城陵磯地區及長江中下游河道泄流能力的分析、長江流域的防洪規劃修編，以及長江中下游洪水的預報和防洪實時調度等提供參考依據。

1 螺山站及水位流量關系概況

螺山水文站位于湖北省洪湖市螺山鎮，為長江上游、清江以及洞庭湖來水匯合后的重要水情控制站。螺山站上距洞庭湖出口30.5 km，下距右岸入匯的陸水河47.0 km，距左岸入匯的漢江208.0 km。螺山站上下游水系及水文站點的分布如圖1所示。

螺山站的地理位置決定了其上承長江干流、洞庭湖水系的來水，下受漢江等眾多支流頂托的影響;加之長江流域洪水來源及其組成復雜，干支流洪水漲落不同步[7]，水力因素變化頻繁[8]，必然導致螺山站水流情勢多樣化[9]，常常會形成繩套形的水位流量關系[10]。螺山站的中心軸線隨不同規模的洪水而變化，而且年際與年內間的變幅較大，相互關系十分復雜[11-12]。

點繪出的螺山站1954，1968，1993，1996，1998，1999，2002，2016，2017年和2020年等大水年份的實測水位流量成果（凍結吳淞高程，下同），如圖2所示。由圖2可以看出：當螺山站的水位為33.00 m時，流量變化范圍大約在50 000～78 000 m3/s之間;當流量為60 000 m3/s時，水位變化范圍大約在32.00～34.50 m之間。

2 螺山站水位流量關系的影響因素

螺山站獨特的地理位置導致其水位流量關系的影響因素十分復雜。這些影響因素主要有下游變動引起的回水頂托[13]、洪水漲落率[14]、起漲水位[15]、干支流洪水地區組成[16]、河段沖淤[17]以及江湖關系[18]等。在大水年份，還會受其下游分洪潰口的影響[19-20]。

2.1 過流斷面變化

根據三峽水庫建庫前（2003年以前）實測斷面資料（見圖3），1954～2002年間，螺山站的過流斷面沖淤交替變化。大致變化趨勢為：在下荊江全面裁彎以前基本處于穩定狀態，水位32.00 m對應的過流面積在31 000 m2上下波動;1973年對下荊江裁彎后逐漸形成淤積，最大淤積量出現在1986年，水位32.00 m的過流面積僅為25 700 m2;1986年以后斷面呈沖刷狀態，1996年水位32.00 m的過流面積為32 000 m2，基本上與1954年的過流面積31 900 m2持平;1996～2002年略有淤積，但淤積量不大。

三峽水庫建庫后（2003年以后）螺山站的實測斷面變化情況如圖4所示。由圖4可以看出：螺山站的斷面形態在三峽水庫運行后變化較大，主要表現為左汊深槽沖刷、右汊邊灘淤積，但斷面過流面積變化不大，水位32.00 m對應的過流面積在29 000 m2上下波動。

2.2 河段落差變化

長江中下游干流各控制站的泄洪能力都毫無例外地受河段下游水位的制約，只是程度不同而已[21]。就螺山站而言，漢口站水位低，河段落差大，其泄洪能力就大;漢口站水位抬高，河段落差減小，則螺山站的泄洪能力就相應減小。

由于長江中下游河段落差較小，河道比降不大，直接進行河道比降觀測會導致較大的誤差。因此，對于河段水面比降適合以河段落差來描繪。

選用蓮花塘至石磯頭站水位來表征該河段落差變化關系。落差統計資料采用1991～2020年的資料，其中，高水期水面落差以6～9月的平均水位為代表，具體如圖5所示。

從該河段落差的歷年變化情況來看，三峽水庫建庫后，蓮花塘至石磯頭站的月平均水位相應落差總體上較建庫前有所增大，但年際間又有所變化。由于受洞庭湖來水組成以及下游支流頂托的影響，致使1998年和2016年洪水期的落差較其他年份要小。

2.3 荊南三口分流分沙變化

長江中游荊江河段有松滋、太平、藕池三口分長江水沙入洞庭湖。三峽水庫建庫前，由于洞庭湖和三口分洪道的淤積，荊南三口的入湖水量和沙量減少。通過對實測資料分析可知：三口的年分流比、洪峰流量比、分沙比從20世紀50年代的29%，41%和36%分別減少到20世紀90年代的14%，24%和19%。三口臨界過流水位有所抬高。

2003年三峽水庫蓄水運用后，三口分流量仍延續衰減的態勢。2003～2020年與1981～2002年相比，長江干流枝城站水量減少了308億m3（減幅為6.95%），三口分流量減小了206億m3（減幅為30.10%），分流比也由15%減小至12%。三口的年分沙量則由8 660萬t減小為835萬t，減幅為90.40%，分沙比基本不變。

三口分流量的減少使得荊江水量增大，洞庭湖出流量相應減少。由此表明，荊江對城陵磯的頂托作用有所增強，對螺山站的水位流量關系也產生了一定程度的影響。

2.4 洪水特性的影響

螺山站的水位流量關系除了前述的河道斷面、河段落差以及三口分流分沙影響因素以外，還與洪水特性密切相關。通過總結螺山站1980～2020年的實測水情數據（見圖6），呈現出如下特性。

（1） 起漲水位越高，同流量條件下的水位越高。2010年第2場洪水過程的起漲水位（29.73 m）較2007年的起漲水位（29.22 m）高，因此40 000 m3/s流量級以上，同流量條件下的2010年水位較2007年的水位高約0.5 m。

（2） 當長江上游或者洞庭四水的來水較大時，螺山站的水位流量關系易發生右偏情形。比如1981，1999，2002年和2017年。1981年宜昌站30 d洪量為992億m3，占螺山站總入流的83.1%，大于多年均值828億m3;1999年，洞庭四水年最大30 d洪量為482億m3;2002年，洞庭四水年最大30 d洪量為395億m3，遠大于多年均值278億m3;2017年，洞庭四水年最大15 d洪量為401億m3，為有記錄以來最大洪量。

（3） 長江中下游干支流洪水整體遭遇，發生流域（區域）性大洪水時，螺山站水位流量關系易出現左偏情形。比如2016年，螺山、漢口、湖口站水位較歷史同期偏高2 m左右，抬升中下游河湖底水，河段槽蓄能力減弱，上游洪水與中下游洪水嚴重遭遇，受其頂托影響，河段洪水宣泄不暢，水位被迫抬升，是三峽水庫蓄水后點據左偏最大的年份。1998年和2020年亦是同樣情形。

3 螺山站水位流量關系的改正

螺山站獨特的地理位置導致其水位流量關系年內、年際變幅較大，影響因素較多，不易定量分析各因素的作用。通常，在防洪體系布局研究、涉水工程設計等過程中，首先需要區分和消除特殊水力要素的影響，以將不同水力條件下的實測流量成果改正至同一水力條件，再來分析其行洪能力的變化特征。與一般水文站相似，高水期間，螺山站水位流量關系主要受洪水漲落率變化和下游支流來水頂托影響而呈不規則的繩套形[22]，因此需要對其實測資料進行洪水漲落率和洪水頂托的改正。

3.1 洪水漲落率改正

螺山站實測水位流量關系受洪水漲落率的影響，可采用校正因素法進行改正。計算公式如下：

Qc=Qn1+ΔZΔt·1UIc（1）

式中：Qc為螺山站經洪水漲落率改正后的穩定流量，m3/s;Qn為實測流量，m3/s;ΔZ為水位日變化值，m;Δt為時段，本文取86 400 s;1/UIc為校正因子，經優選取40 000。

3.2 下游頂托改正

螺山站下受漢江等眾多支流頂托的影響，對下游洪水頂托影響進行改正，計算公式如下：

Qd=Qm+kiqi（2）

式中：Qd為螺山站經頂托改正后的穩定流量，m3/s;Qm為實測流量，m3/s;qi為螺山至湖口站第i條支流的實測流量，m3/s;ki為螺山至湖口站第i條支流的頂托系數。

4 2020年螺山站水位流量關系分析

4.1 2020年水位流量關系擬定

采用上述方法，將螺山站歷史大水年和2020年的實測流量成果進行洪水漲落率和下游頂托改正，并將改正后的實測流量成果進行綜合，擬定2020年和各歷史大水年螺山站水位流量關系綜合線，成果如圖7所示。

經過改正后的水位、流量點據相較于實測點據更為集中，繩套變幅減小，擬定的水位流量關系線與點據配合較好。由圖7可以看出：2020年，螺山站的水位流量關系受下游頂托影響而有所左偏，同流量條件下水位偏高，與1998年和2016年的情況相似。

4.2 2020年水位流量左偏成因分析

經分析，2020年螺山站水位流量關系偏左主要是由以下幾個方面的原因造成的。

（1） 起漲水位偏高。2020年，長江流域前期降水較常年偏豐，加上上游水庫群汛前集中消騰庫容，中下游干流底水較高;6月下旬，螺山和漢口站旬平均水位較三峽水庫建庫前的歷史均值偏高約0.60 m和0.40 m;受強降水影響，7月上旬中下游河湖底水進一步抬高，螺山站和漢口站旬平均水位較歷史同期偏高約2.10 m和2.00 m，擠占了河段槽蓄量，致使河道調蓄能力減弱;2020年起漲流量遠大于1998年的起漲流量，水位約高7.30 m;起漲流量較2016年的起漲流量大16 800 m3/s，起漲水位高3.13 m。具體如表1所列。

（2） 上游多場次洪水與中下游區間洪水遭遇疊加，下游頂托嚴重，洪水宣泄不暢。2020年6～7月，長江中下游一帶發生持續性極端強降水，強降水帶長時間維持在長江中下游及兩湖水系等區域[23]。長江中下游6月1日至7月17日的累計雨量為505 mm，較同期均值偏多6成，排名1961年以來第1位，僅略小于1954年的雨量。長江中下游區間支流來水快速增加，中游與下游洪水發生遭遇，加上沿線泵站抽排影響，造成中下游干流及兩湖出口同日出峰。受其頂托影響，2020年7月螺山河段平均落差為2.87 m，小于多年均值，洪水宣泄不暢，水位被迫抬升。

（3） 干流來水過程矮胖，洞庭湖來水比重較大。城陵磯段洪峰流量約占螺山站洪峰流量的61.1%（見表2），洞庭湖旁側入流占比相對較大也導致該河段流速減小，同流量下水位偏高。

4.3 螺山站歷年水位流量關系變化分析

對螺山站2020年水位流量關系線與1999，2010，2016年和20世紀90年代大水綜合線進行了比較，結果表明：當螺山站流量為50 000 m3/s時，2020年的水位較1999，2010年和20世紀90年代大水綜合線分別抬升了0.23，0.29 m和0.53 m;左偏態勢較明顯，但左偏程度小于2016年中下游區域性大洪水期間的左偏程度。

當水位為33.00 m時，螺山站2020年過流量較1998年和20世紀90年代大水綜合線分別小800 m3/s和4 100 m3/s，較2016年大5 000 m3/s（見表3）。同20世紀90年代大水綜合線成果相比，31.00～33.00 m水位條件下，螺山站下泄流量減少了約1 800～4 100 m3/s。

三峽水庫蓄水運用以來，受其地理位置和水力條件影響，螺山站水位流量關系在一定范圍內變化，其高水漲落形勢、整體變幅仍在歷史大水年的變化范圍之內，尚無明顯性的趨勢變化。總體而言，近年來螺山站水位流量關系基本保持穩定。

5 結 論

結合斷面沖淤變化、河段落差變化、三口分流分沙及洪水特性的影響，分析了螺山站的水位流量關系影響因素以及2020年的水位流量關系左偏成因，并與歷史大水年水位流量關系進行了對比，從而得出以下結論。

（1） 螺山站獨特的地理位置決定了其水位流量關系必然受上壓下頂的影響，因而導致該站水流情勢多樣化，水位流量關系年際、年內間變幅較大。當長江上游或者洞庭湖來水較大時，螺山站水位流量關系易出現右偏現象;當中下游干支流整體遭遇，發生流域（區域）性大洪水時，螺山站水位流量關系易出現左偏情形。

（2） 2020年長江中下游干流前期水位偏高，加之干支流洪水遭遇，螺山站的水位流量關系受下游頂托影響，同流量下水位偏高，呈左偏現象，與1998年和2016年等年份的水情類似，高水漲落整體變幅也在1998年和2016年變化范圍內。

（3） 需要指出的是，對螺山站大水年的實測數據進行改正是為了消除特殊水力因素的影響，進而分析其綜合行洪能力的變化特征。在未來的中高洪水期間實時預報調度工作中，應根據其水雨情發展態勢和水力條件，選用適宜的水位流量關系。

（4） 三峽水庫蓄水運用以來，螺山站水位流量關系仍在歷史大水年變動范圍內變動，未發生明顯趨勢變化，螺山站水位流量關系整體上基本保持穩定。

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（編輯：趙秋云）

Analysis on relationship between water level and flow at Luoshan Station in Changjiang River in 2020

DAI Minglong，WANG Lihai，LI Liping，LI Yanqing

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The water level-flow relationship of Luoshan Station is a significant basis for the allocation of excess flood volume and the formulation of flood control scheme in the middle and lower reaches of Changjiang River.However，due to its unique geographical location，the water level-flow relationship is affected by many factors.Thus，when studying the flood discharge capacity of Luoshan Station，it is often necessary to distinguish and eliminate the influence of special hydraulic elements，and correct the measured flow results of different hydraulic conditions to the same hydraulic condition.In this paper，we analyzed the characteristic of the relationship between water level and flow of Luoshan Station in 2020 based on measured data in massive flood years from 1954 to 2020，exploring its main influence factors and variation laws.The results showed that the relationship between water level and flow of Luoshan Station in 2020 was affected by the flood backwater of downstream，leading to higher water level at the same discharge，similar to that in 1998 and 2016.The overall range of fluctuation of Luoshan Station in 2020 was within the scope of the massive flood years such as 1998 and 2016.In recent years，the water level-flow relationship of Luoshan Station has changed within a certain range mainly due to different intra-annual and inter-annual hydrological regimes，but there was no trend change，reflecting that there was no significant change in the flood discaharge capacity of Chenglingji reach.

Key words：

water level-flow relationship;flood backwater;influence factor;Luoshan Station;Chenglingji reach;middle and lower reaches of Changjiang River