遇特大型洪水荊江河段洪水演進特性實體模型試驗研究

朱勇輝，盧金友，李發政，姚仕明，范北林

遇特大型洪水荊江河段洪水演進特性實體模型試驗研究

朱勇輝，盧金友，李發政，姚仕明，范北林

（長江科學院水利部江湖治理與防洪重點試驗室，武漢 430010）

利用長江防洪實體模型進行了2002年10月地形條件下長江荊江河段遭遇“54年型”和“98年型”特大型洪水時的洪水演進特性實體模型試驗研究。研究表明：試驗條件下洪峰從枝城傳播至監利需14～21 h，平均傳播速度3．2～4．8 m／s。當遭遇“54年型”洪水且不考慮三峽水庫調蓄時，各站試驗洪峰水位與1954年實際洪水相比普遍升高，荊江面臨極其嚴峻的防洪形勢，沙市站洪峰水位超過堤防設計水位約1．60 m，石首、監利和城陵磯等站超過設計堤頂高程達0．4～1．23 m；考慮三峽水庫調蓄后，各站試驗洪峰水位較不考慮調蓄情況明顯降低，防洪形勢有明顯緩解，但依然不容樂觀，其中沙市站洪峰水位超過堤防設計水位0．30 m，蓮花塘站超過設計堤頂高程0．28 m。當遭遇“98年型”洪水且不考慮三峽水庫調蓄時，各站試驗洪峰水位與1998年實際洪水相比普遍升高，荊江防洪形勢嚴峻，其中沙市、石首、監利和蓮花塘站分別超出堤防設計水位達1．20，1．25，1．73，1．68 m。

荊江；洪水演進；防洪形勢；54年型洪水；98年型洪水；實體模型試驗

1 概 述

荊江河段上起湖北枝城、下至湖南城陵磯，長約347 km。河段內河道蜿蜒曲折，洪水宣泄不暢，汛期洪水往往高于地面10余m，自古以來就有“萬里長江，險在荊江”之說，近百年來已發生多次特大洪水。經過幾十年的防洪建設，特別是1998年長江大洪水后的大規模堤防與護岸工程建設，荊江河段防洪能力大為提高。但是，洞庭湖因圍墾及泥沙淤積調蓄容積大大減少；荊南四口分流能力不斷下降（調弦口于1959年建閘控制）；荊江河段洪水來量遠遠超過安全泄量；蓄滯洪區計劃分洪困難、分洪代價大；湖區及支流堤防工程仍存在薄弱環節和隱患等。總體而言，在遭遇特大洪水條件下，荊江防洪形勢仍然嚴峻。

對于荊江河段的洪水特性及防洪形勢，長期以來已有學者進行了眾多研究，取得了大量成果，為各個時期的防洪減災以及保障社會經濟的可持續發展做出了重要貢獻［1－4］。總體而言，這類研究成果大多是基于數學模型計算，或是通過對歷史洪水和現狀資料進行分析得到，但利用實體模型試驗開展相關研究的成果還非常少見。

實體模型可以在不同邊界條件下對不同量級的洪水進行演進，并對沿程洪水位和洪峰流量等進行預報，可以直觀、便捷地觀察和認識洪水演進規律，分析防洪形勢。本研究利用長江防洪實體模型研究荊江河段在2002年10月地形條件下遭遇“54年型”和“98年型”特大洪水時的洪水演進特性及防洪形勢，其成果對進一步認識洪水規律、合理進行洪水調度和指導防洪決策等具有重要意義。

除特別注明外，本文中水位和地形高程均采用1985年國家高程基準。

2 模型概況與試驗條件

本試驗是在已有的長江防洪實體模型（含長江干流枝城至螺山河段及洞庭湖區和四水尾閭）上進行的，模型基本情況簡單介紹如下［5］。

2．1 模型比尺

本次試驗是研究荊江河段的洪水演進等水力學問題，因此以下僅介紹模型幾何相似和水流運動相似條件。模型的各項比尺詳見表1。

表1 模型主要比尺值Table 1 Summary of themodel scales

2．2 模型范圍及模型制作

本試驗僅模擬長江干流，模擬范圍上起枝城水文站上游10 km的梅子溪，下至螺山水文站下游10 km，全長約400 km。河床地形依據2002年10月實測1∶10 000地形圖，采用斷面法制作，模型表面采用水泥砂漿刮制而成。

2．3 模型控制及量測

模型進、出口邊界條件均采用計算機自動控制。其中模型進口和城陵磯匯流采用流量控制，模型出口采用水位控制，三口分流依據三口控制斷面的水位流量關系控制自動分流。經檢驗，模型進口流量控制、尾門水位控制、城陵磯匯流流量控制和三口分流流量控制跟蹤性好、精度高，滿足模型試驗要求。

2．4 試驗條件

本試驗主要研究在2002年10月河道地形條件下，不考慮沿程分洪潰口，若發生“54年型”和“98年型”洪水時的荊江河段洪水演進規律。試驗共分3組，各試驗組次及特征統計見表2。

表2 試驗組次及試驗特征統計Table 2 Features and Series of the experiment

3 試驗結果分析

3．1 洪峰水位

表3為“54年型”洪水在試驗1、試驗2條件下荊江河段各主要測站洪峰水位模型試驗值與1954年實測值的比較。表4為“98年型”洪水在試驗3條件下各站洪峰水位模型試驗值與1998年實測值的比較。

由表3可見，在試驗1條件下，洪峰水位試驗值與1954年實測值相比普遍升高，升高幅度為0．62～3．68 m。就不同位置而言，下荊江各站升高幅度大于上荊江，且越往上游升高幅度越小，其中枝城站僅升高0．62 m，而石首及以下各站水位升高都在2．4 m以上。分析認為上述現象的出現主要受分洪潰口、洞庭湖萎縮、四口分流變化和河道沖淤等因素影響所致［6］。由表3還可看出，考慮三峽水庫調蓄后，荊江各主要站洪峰水位試驗值明顯降低，降低幅度為0．69～1．70 m。

表3 “54年型”洪水荊江河段洪峰水位模型試驗值與實測值對比Table 3 Comparisons between experimental results and prototype data of the flood peak stage for the“1954 floods”

表4 荊江河段“98年型”洪水演進試驗洪峰水位成果Table 4 Experimental results of the flood peak stage for the“1998 floods”at Jingjiang Reach

由表4可見，與1998年實測洪峰水位相比，在2002年10月地形條件下，不考慮沿程分洪潰口和三峽水庫調蓄，試驗所得洪峰水位普遍升高，其中沙市站升高幅度最大，為0．98 m。城陵磯及以下各站受模型尾門控制影響，洪峰水位模型試驗值與原型實測值相比升高幅度較小。

3．2 洪峰傳播

洪峰在平原河流中的傳播時間不僅與河道的形狀、槽蓄能力及糙率有關，還與洪水流量的大小、洪水起漲時刻的河槽蓄水量（河槽底水）等有關。現分別以試驗1和試驗3結果為例說明荊江河段遇“54年型”和“98年型”特大洪水時的洪峰傳播特征，見圖1及圖2。

圖1 荊江沿程洪峰水位及峰現時間（試驗1，“54年型”洪水）Fig．1 The experimental flood peak stage and its occurrence time（Test 1，the“1954 floods”）

圖2 荊江沿程洪峰水位及峰現時間（試驗3，“98年型”洪水）Fig．2 The experimental flood peak stage and its occurrence time（Test 3，the“1998 floods”）

由圖1可見，試驗1條件下洪峰從枝城（8月7日04：00）傳播至監利（8月7日20：00）僅用時16 h，平均傳播速度4．2 m／s，其中上荊江平均傳播速度約5．4 m／s，下荊江石首至監利平均傳播速度約2．6 m／s。下荊江鹽船套、蓮花塘及下游螺山等站洪峰水位出現時間均早于上游監利站，究其原因應當為受洞庭湖出流影響所致。1954年洞庭湖出口控制站七里山流量從7月21日開始一直上漲，至8月2日達到峰值43 300 m3／s，此后逐漸減小，8月6日及7日間略有回升，7日后又迅速減小。受此影響，干流鹽船套、蓮花塘及螺山等站洪峰水位出現時間均有所提前。以蓮花塘站為例，受七里山站持續大流量入匯的影響，蓮花塘站提前于8月7日4：00達到洪峰水位35．63 m，此后因七里山入匯流量又快速減小，蓮花塘站水位也隨之下降。此外，下荊江由于受洞庭湖出流頂托影響，河段平均洪峰傳播速度有所減小。

由圖2可見，試驗3條件下洪峰從枝城（8月17日04：00）傳播至監利（8月18日01：00）用21 h，平均傳播速度3．2 m／s，其中上荊江平均傳播速度約4．1 m／s，下荊江石首至監利平均傳播速度約2．6 m／s。下荊江鹽船套、城陵磯及下游螺山等站洪峰水位出現時間均大大晚于上游監利站，究其原因也為受洞庭湖出流影響所致。1998年8月13－17日洞庭湖出口控制站七里山流量相對平穩，介于24 000～25 000 m3／s，但從8月18日起七里山流量突然迅速增大，受此頂托影響，干流鹽船套、蓮花塘及螺山等站水位也迅速升高，洪峰水位出現時間因此延后。此外，下荊江由于受洞庭湖出流頂托影響，河段平均洪峰傳播速度有所減小。

此外，分析試驗2的結果可知，經三峽水庫調節后，下游各站洪峰流量變小，加之受洞庭湖匯流頂托，至下荊江下段洪峰特征已不明顯。如僅統計至監利站，則洪峰在荊江河段（枝城－監利）的傳播時間約需14 h，平均傳播速度4．8 m／s。

3．3 沿程水面比降

圖3顯示“54年型”洪水演進試驗荊江河段洪峰水位沿程變化情況。圖中各站距枝城距離均為下荊江裁彎實施以后的數值。由圖可見，除試驗2中陳家灣以上河段外，洪峰水位試驗值與1954年原型實測值相比普遍升高，而沿程水面縱比降變化趨勢大體類似，其中枝江－陳家灣河段比降最大，陳家灣－沙市河段比降最小，沙市－郝穴一段比降又轉大。總體上看下荊江水面縱比降小于上荊江，其原因可能為上荊江三口分流增大水面比降，而下荊江受洞庭湖來水頂托影響水面縱比降減小。

圖3 “54年型”洪水演進試驗荊江河段洪峰水面線對比圖Fig．3 Com parisons between the experimental results and the prototype data of the flood peak water surface profile along the Jingjiang Reach for the“1954 floods”

洪水漲落過程中伴隨沿程水面比降的變化。表5為試驗3中“98年型”洪水在荊江河段不同漲、落時刻的水面比降變化情況。由表可見，上荊江陳家灣－沙市河段水面比降最小，僅為0．008‰～0．020‰；郝穴－石首河段水面比降也比較小，為0．023‰～0．031‰；除此之外上荊江河段水面比降均較大，其中枝城－枝江0．050‰～0．063‰，枝江－陳家灣0．051‰～0．071‰，沙市－郝穴0．042‰～0．064‰。與上荊江相比，下荊江水面比降明顯減小，其中石首－調關0．030‰～0．043‰，調關－監利0．020‰～0．037‰，監利－城陵磯0．022‰～0．039‰。江湖水流匯合后城陵磯以下河段水面比降稍有增大，城陵磯－螺山為0．032‰～0．040‰。由表還可看出，試驗中漲水過程各河段水面比降普遍大于落水過程，如枝江－陳家灣河段，漲水過程中水面比降最小值為0．059‰，最大值為0．071‰，而落水過程中水面比降最小值為0．051‰，最大值為0．062‰。下荊江調關以下河段及城陵磯－螺山河段水面比降受洞庭湖匯流變化影響明顯，水面比降隨漲水與落水變化規律不明顯。

3．4 防洪形勢分析

表6為洪峰水位試驗結果與《長江流域防洪規劃》中所批準的荊江河段堤防設計水位的比較。圖4和圖5為各試驗條件下主要控制站沙市和蓮花塘試驗洪水位與防汛特征水位間的比較。

由圖4可見，在“54年型”洪水演進試驗中，對沙市站，試驗 1洪水幾乎全程超設防水位（42．00 m）；其中超警戒水位（43．00 m）33 d（7月10日至7月12日、7月20日至8月14日和8月17日至8月20日），比1954年實際洪水多4 d；超堤防設計水位（45．00 m）14 d（7月29日至8月11日），其中 8月7日洪峰水位時超過堤防設計水位1．63 m。試驗2洪水幾乎全時段超設防水位（42．00 m）；除7月14日至7月20日7 d外，其余時段均超警戒水位（43．00 m）；其中7月25日、26日，8月6日至8月21日期間試驗洪水過程超堤防設計水位（45．00 m），最大超過值0．30 m。1954年實際洪水中沒有超45．00 m堤防設計水位情況發生。對蓮花塘站，試驗1洪水在試驗時段內全程超警戒水位（32．00 m），其中7月10日至8月15日共36 d內幾乎全部超堤防設計水位（34．40 m），其間7月28日至8月11日共15 d內更是超設計堤頂高程（36．40 m）；8月7日洪峰水位時超堤防設計水位3．27 m，超設計堤頂高程1．23 m。試驗2全過程均在堤防設計水位以上，最大超過值為2．28 m，其中洪峰水位甚至超過設計堤頂高程0．28 m。1954年實際洪水中8月3日洪峰水位34．37 m，沒有超過34．40 m的堤防設計水位。

由圖5可見，在“98年型”洪水演進試驗中，對沙市站，試驗洪水幾乎全程超設防水位（42．00 m），其中超警戒水位（43．00 m）36 d（7月12日至7月27日和8月4日至8月23日）；超堤防設計水位（45．00 m）8 d（8月12日至8月14日及8月16日至8月20日），其中8月17日洪峰水位時超過堤防設計水位約1．20 m。對蓮花塘站，試驗洪水全程超警戒水位（32．00 m），其中在7月24日至8月23日期間共31 d內超堤防設計水位（34．40 m）；8月20日洪峰水位時超過堤防設計水位1．68 m，距設計堤頂高程（設計水位＋超高）僅差0．32 m。

表5 不考慮三峽水庫調節“98年型”洪水演進試驗荊江河段瞬時水面比降Table 5 Water surface slope along the Jingjiang Reach during Test 3（“1998”floods without TGP storage operation）

表6 荊江河段洪峰水位試驗值與干流堤防設計水位比較（凍結吳淞基面）Table 6 Comparisons between experimental flood peak stage and characteristic stages for themain stream dike of the Jingjiang Reach（W oosung stationery datum） m

圖4 “54年型”洪水演進試驗洪水位與防汛特征水位比較（凍結吳淞基面）Fig．4 Com parisons between experimental floods and characteristic stages of the dike along the Jingjiang Reach for the“1954 floods”（W oosung stationery datum）

圖5 “98年型”洪水演進試驗洪水位與防汛特征水位比較（凍結吳淞基面）Fig．5 Comparisons between experimental floods and characteristic stages of the dike along the Jingjiang Reach for the“1998 floods”（W oosung stationery datum）

綜上，在2002年10月地形條件下，不考慮三峽水庫調蓄和沿程分洪潰口，如荊江河段遇“54年型”洪水，石首－蓮花塘河段防洪形勢險惡。荊江幾乎全河段洪水位都長時間超堤防設計水位，其中沙市站洪峰水位超過防洪規劃堤防設計水位約1．60 m，石首、監利和蓮花塘等站洪峰水位超過設計堤頂高程達0．4～1．27 m。可以預見，如此巨大的超額洪水如不主動尋求分洪，則必將在荊江沿岸造成大量的圩垸潰決和嚴重的人員財產損失。

經過三峽水庫運行調節后，遇“54年型”洪水荊江河段各站洪峰水位與不考慮三峽水庫調節情況相比顯著降低，防洪形勢明顯緩解，但依然不容樂觀。河段各主要控制站的洪峰水位都較大幅度地超警戒水位，其中沙市、石首、監利、蓮花塘和螺山的洪峰水位都較大幅度地超過堤防設計水位；沙市水位一度達到45．30 m，超過堤防設計水位0．30 m；蓮花塘站洪峰水位試驗值更是超出設計堤頂高程0．28 m。大堤在高洪水位下長時間浸泡，出險的概率大幅度增加，將進一步加劇防洪形勢。

在2002年10月地形條件下，不考慮三峽水庫調蓄和沿程分洪潰口，如荊江河段遭遇“98年型”洪水時防洪形勢依然嚴峻，其中尤以石首－蓮花塘河段為甚。試驗條件下河段各主要控制站的洪峰水位都較大幅度地超警戒水位，其中沙市、石首、監利、蓮花塘和螺山站的洪峰水位都超過堤防設計水位，沙市站洪峰水位超過堤防設計水位約1．20 m；石首、監利和蓮花塘三站的洪峰水位試驗值分別超出堤防設計水位達1．25，1．73，1．68 m，距設計堤頂高程（設計水位＋超高）分別僅差0．25，0．27，0．32 m。

4 結 語

不考慮沿程分洪潰口，并依據三峽水庫調蓄考慮與否，利用長江防洪實體模型在2002年10月地形條件下對荊江河段遭遇“54年型”和“98年型”洪水時的洪水演進特性進行了3個組次的實體模型試驗研究，主要結論如下。

（1）遇“54年型”洪水時，與1954年實際洪水過程相比，試驗1洪峰水位普遍升高，升高幅度0．62～3．68 m；試驗2各站洪峰水位較試驗1顯著降低，其中枝城、沙市、監利和蓮花塘站分別降低1．70，1．33，1．03，0．95 m。

（2）遇“98年型”洪水時，與1998年實際洪水過程相比，試驗所得洪峰水位普遍升高，升高幅度最大為0．98 m（沙市）。

（3）試驗中洪峰從枝城傳播至監利用時14～21 h，平均傳播速度3．2～4．8 m／s；上荊江洪峰傳播速度大于下荊江。

（4）試驗中沿程水面縱比降以枝江－陳家灣河段最大，陳家灣－沙市河段最小，且總體上看下荊江水面縱比降小于上荊江。此外，漲水過程各河段水面比降普遍大于落水過程。

（5）當不考慮三峽水庫調蓄時，荊江遭遇“54年型”洪水時（試驗1）整個河段面臨極其嚴峻的防洪形勢，其中石首－蓮花塘河段防洪形勢尤其險惡。沙市站洪峰水位超過堤防設計水位約1．60 m，石首、監利和蓮花塘等站洪峰水位超過設計堤頂高程達0．4～1．23 m。

（6）考慮三峽水庫調蓄后，荊江遭遇“54年型”洪水時（試驗2）防洪形勢明顯緩解，但依然不容樂觀。沙市、石首、監利和蓮花塘的洪峰水位都較大幅度地超過堤防設計水位；沙市水位一度達到45．30 m，超過堤防設計水位0．30 m；蓮花塘站洪峰水位更是超出設計堤頂高程0．28 m。

（7）當不考慮三峽水庫調蓄時，荊江遭遇“98年型”洪水時荊江河段防洪形勢依然嚴峻，其中尤以石首－蓮花塘河段為甚。各主要控制站的洪水過程都較長時間地超警戒水位，其中沙市、石首、監利和蓮花塘的洪峰水位都超過堤防設計水位：沙市洪峰水位超過堤防設計水位約1．20 m，而石首、監利和蓮花塘三站更是分別超出堤防設計水位達1．25，1．73，1．68 m。

［1］ 韓其為．江湖流量分配變化導致長江中游新的洪水形勢［J］．泥沙研究，1999，（5）：1－12．（HAN Qi-wei．Changes of Flood Situation along the Middle Reaches of Yangtze River［J］．Journal of Sediment Research，1999，（5）：1－12．（in Chinese））

［2］ 盧金友，羅恒凱．長江與洞庭湖關系變化初步分析［J］．人民長江，1999，30（4）：24－26，48．（LU Jin-you，LUO Heng-kai．Preliminary Analysis on Variation of the Relation Between Yangtze River and Dongting Lake［J］．Yangtze River，1999，30（4）：24－26，48．（in Chi-nese））

［3］ 胡四一，施 勇，戚 晨，等．1998年長江中游洪水系統反演及高洪水位形成原因探討［J］．水科學進展，1999，10（3）：242－250．（HU Si-yi，SHI Yong，QI Chen，et al．Systematic Analyses on Abnormally High Flood Stages of Middle Reaches of Yangtze River in 1998［J］．Advances in Water Science，1999，10（3）：242－250．（in Chinese））

［4］ 余文疇，盧金友．長江河道演變與整治［M］．北京：中國水利水電出版社，2005．（YUWen-chou，LU Jin-you．Evolution and Regulation of the River Channel of Yangtze River［M］．Beijing：Water Resources＆Hydropower Press，China．2005．（in Chinese））

［5］ 長江科學院．長江防洪模型利用世界銀行貸款項目初步設計報告［R］．武漢：長江科學院，2002．（CRSRI．Preliminary Design of the World Bank Loan Project of the Changjiang River Flood Protection Physical Model［R］．Wuhan：The Changjiang River Scientific Research Institu-te，2002．（in Chinese））

［6］ 長江科學院．荊江河段洪水演進特性試驗研究［R］．武漢：長江科學院，2008．（CRSRI．Experimental Study on Flood Routing in the Jingjiang Reach of the Yangtze River［R］．Wuhan：The Changjiang River Scientific Research Institute，2008．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Physical M odeling of Propagation Features of Extreme Floods in Jingjiang Reach of Yangtze River

ZHU Yong-hui，LU Jin-you，LIFa-zheng，YAO Shi-ming，FAN Bei-lin
（Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Adopting the Yangtze River Flood Protection Physical Model，experimental study on the propagation fea-tures of the 1954 and 1998 floods in the Jingjiang Reach of the Yangtze River have been conducted under the topo-graphical condition of Oct．2002．The experimental results reveal that it takes 14～21 hours for the flood peak to transport from Zhicheng to Jianliwith an averaged speed of 3．2～4．8 m／s．When experiencing the 1954 floods，the experimental flood peak stages（FPS）are generally higher comparingwith the prototype floods in 1954 when operation of the Three Gorges Project（TGP）is not considered．The flood situation of the reach is extremely severe：the FPSat Shashi exceeds the design stage of the dike by 1．60 m，and the FPS at Shishou，Jianli and Lianhuatang exceed the design crest level of the dike by 0．40～1．23 m．After consideration of the TGP the experimental FPSdrop considera-bly．The flood protection situation of the reach is relaxed substantially，however，not enough to be optimistic．The FPS at Shashi exceeds the design stage of the dike by 0．3 m，and that at Lianhuatang exceeds the design crest level of the dike by 0．28 m．When experiencing the1998 floods，the experimental FPSare generally higher comparingwith the prototype floods in 1998 when operation of the TGP is not considered．The flood protection situation of the reach is still severe：the FPS at Shashi，Shishou，Jianli and Lianhuatang exceed the design stage of the dike by 1．20 m，1．25 m，1．73 m and 1．68 m respectively．

the Jingjiang Reach；flood propagation；flood situation；1954 floods；1998 floods；physicalmodel tests

TV149．2

A

1001－5485（2011）03－0081－06

2011-01-06

水利前期研究項目“三峽工程運用初期荊江河道演變與治理研究”（QQ0871／HL15）；水利部公益性行業科研專項經費項目資助（200901004）；中央級公益性科研院所基本科研業務費資助項目（CKSF2010002）

朱勇輝（1975-），男，湖南道縣人，博士，高級工程師，主要從事防洪減災、水流泥沙運動基本規律、江湖演變與治理等方面的研究工作，（電話）027-84237931（電子信箱）yhzhu75＠yahoo．com。