湘江湘潭站洪水變異規律及預報方案研究

王 珊 陳術兵 李海年

湖南省湘潭水文水資源勘測局，湖南湘潭 411100

1 研究區概況

湘江流域發源于湖南省永州市藍山縣紫良瑤族鄉野狗嶺南麓，流經湖南省的永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙，至湘陰縣濠河口注入洞庭湖。湘江濠河口以上干流長948km，流域面積94714km2。湘潭水文站系湘江注入洞庭湖的一類精度總控制站，干流長754km，距河口102km，集水面積81638km2。

20世紀80年代以來，受湘江流域非法挖沙和干流水利工程修建等人類活動影響，湘江湘潭站的洪水規律發生很大改變，原有的人工預報方案已不再適用，不利于水文工作的開展。為進一步提高預報精度，為地方政府和防汛部門提供可靠的決策依據，減少損失，本文結合單一要素系列和多要素系列進行變異分析，并根據分析成果重新編制洪水預報方案。

2 洪水變異規律分析

2.1 單一水文序列變異診斷

前期研究中已利用簡化的水文變異診斷系統[1]分析了湘江湘潭站1970～2015年的年、月均值流量和水位系列的變化趨勢和變異點。診斷結果表明：湘江湘潭站的各均值流量系列不存在明顯的變異趨勢，水位序列存在顯著性減小趨勢，其最顯著變異點集中在2003、1997年左右，受水利工程影響明顯。因此，湘江湘潭站的水位流量關系發生了變異，最可能變異點為2003年和1997年左右。

2.2 多要素系列變異分析

為了更好地研究湘江湘潭站的洪水變異規律，基于單一水文序列變異診斷結果，對水位流量關系的多要素系列進行變異分析。本文選用湘潭站1959～2017年有代表性地中高洪水的洪峰點進行分析，共計230個，其中加入有高水發生的2017年，保證正確的高水趨勢。

經分析湘潭站洪峰水位流量關系隨時間變化可劃分為6個系列，即1959～1995年、1996～2002年、2003～2005、2006～2007年、2008～2014年和2015～2017年，對各系列數據建立關系線，見圖1。可知：湘潭站在1959～2017年，當洪水的洪峰水位達到41m及以上時，所有系列的水位流量關系合并成一條線，說明其關系未發生改變。而在低于41m的中高水中：系列1～5在同級洪峰流量下，相應的洪峰水位逐漸變低，降低幅度基本呈逐漸增大趨勢；系列6的關系線與其他系列呈反曲，即5000m3/s左右洪峰流量的相應洪峰水位高于系列5，10000m3/s洪峰流量的相應洪峰水位低于系列5。

因上述分析只是反映水位流量關系的變化現象，如需將其規律數值化需使用泛函分析，但此方法較復雜，即使在高校數學系也很少有人使用，故只能從側面分析說明。

圖1 湘潭站1959～2016年洪峰水位流量關系分布圖

2.3 物理成因分析

水位流量關系變化的成因分析主要從下墊面進行分析，由于資料收集困難，無法收集到歷年河道縱斷面及其他斷面數據，故選用湘潭站本斷面及水利工程資料從側面分析。

2.3.1 斷面變化分析

根據收集到的湘潭站斷面數據系列，采用長期（系列1：1965～2015年逢0逢5年份）和近期（2000、2003～2016年）兩個系列進行分析。對系列1和系列2分別采用湘潭站低水（28.73m）、中水（30.95m）、高水（36.28m）、警戒水位（38.00m）和保證水位（39.50m）統計相應過水斷面面積、水面寬及斷面平均水深（統計表因篇幅限制不列入），并繪制各系列的斷面水位面積關系圖（以系列1為例，見圖2），分析斷面的變化規律。

圖2 湘潭站大斷面系列1水位面積關系線

對系列1分析可知：（1）各級水位的平均水深從1980年以后逐漸增大，且增長幅度從2010變小；水位級越高，平均水深的變幅越小。2015年相較1956年增幅最大、最小分別為2.0m和1.4m。（2）水位面積關系線從1980年開始改變，同級水位下斷面面積不斷增大，增幅最大的為1995、2000和2010年。

同理對系列2分析可知：（1）2010年以來湘潭站斷面變化分為5個數據系列，即2000、2003～2007、2008、2009～2013和2014～2016年。各個數據系列內的斷面基本無變化，斷面穩定。（2）各數據系列之間的變化規律同系列1，其中，2016年相較于2000年的斷面平均水深均增大0.7～0.8m，2008年的水位面積關系線為過渡線，中低水與2009～2013系列一致，高水及以上部分與2003～2007系列一致。

2.3.2 水利工程及挖沙影響

湘江流域從19世紀80年代開始河道挖沙，90年代之后在干流修建大量的水利工程，其中對湘江湘潭站影響最大的是上游的大源渡航電樞紐、株洲航電樞紐和下游的湘江長沙綜合樞紐。根據分析可知，非法挖沙和三座航電樞紐修建運行的時間節點與湘江湘潭站的洪水變異規律基本吻合，為突變節點的確定提供了有力的證據支撐。

2.4 綜合分析

綜合單一水文序列、多要素序列和物理成因分析可知：湘江湘潭站的洪水規律變異點為2003、1997和2014年左右。受非法挖沙與水利工程影響，同級流量下相應水位隨時間不斷降低，而2014年的中高水部分同級流量下相應水位有所提升，改變。

3 洪水預報方案

湘潭站目前使用的預報方案[2]主要有兩種方式：一是采用國家水文局基于新安江模型等開發的中國洪水預報系統進行降水徑流預報；另一種是采用合成流量法的人工預報方案。由于原有人工預報方案已無法使用，故結合分析洪水變異規律，對人工預報方案進行重新編制。

新的人工預報方案利用上游大源渡和株洲航電樞紐在7000m3/s及以上洪水不進行洪水調節，結合洪水變異規律，采用衡陽及甘溪合成流量（大于7000m3/s的洪水場次）與湘潭站洪峰水位相關，并以湘潭同時水位為參數，預報湘潭站洪峰水位的方法進行預報方案的制定。人工預報方案采用2003～2014年共19場中高水資料編制中高水洪水預報方案，采用實測水位變幅的0.2倍作為許可誤差，當許可誤差小于0.1m時，取0.1m；采用2015～2016年共8場中高水資料進行驗證。

經評定，新編制的人工預報方案精度評定19場洪水有14場合格，合格率73.7%，達到乙等方案要求；方案檢驗8場洪水有5場合格，合格率62.5%，達到丙級方案要求。因此，需降級為丙等方案使用，僅作參考依據，但較原方案精度大大提高。由于湘江樞紐工程蓄水運行后，水位流量關系發生突變后的資料年限不長，可采用的洪水資料有限，有待收集更多洪水資料的進一步檢驗，并針對預報方案進行更深入的研究分析。

4 結語

（1）湘江湘潭站的水位流量關系發生改變，隨著時間推移，同一流量級的相應水位不斷降低。其中2014年以后的關系線與以往年份呈現反曲趨勢。

（2）通過分析可知，湘潭站的洪水變異點為1997、2003和2014年左右。洪水變異的主要原因初步推測為河道下切、各航電樞紐工程影響，但其影響大小有待進一步收集資料分析。

（3）結合洪水變異規律對湘潭站人工預報方案進行重新編制和檢驗，精度評定為乙等，方案檢驗為丙等，故降級為丙等方案，僅做參考依據，但原有方案精度已大大提高。湘江樞紐工程蓄水運行后，水位流量關系發生突變后的資料年限不長，可采用的洪水資料有限，有待于收集更多洪水資料的進一步檢驗和預報方案的深入研究。