Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 12: 29 - 39

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240751

Water Resources

Variation Trend and Causes of Stage-Discharge Relationship at Luoshan Station in Typical Years

  • CHEN Zhi-yuan , 1, 2, 3 ,
  • MEI Han-lin 3 ,
  • JIN Guang-qiu 1, 2 ,
  • GUO Chao 3 ,
  • JIN Zhong-wu , 3
Expand
  • 1 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • 2 National Key Laboratory of Water Disaster Prevention, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • 3 KeyLaboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of MWR,Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-07-16

  Revised date: 2024-07-31

  Online published: 2024-12-24

Fold

Abstract

Luoshan hydrological station serves as a crucial flood control base in the middle reaches of the Yangtze River as it is located at the confluence of mainstream Yangtze River and the outflow of Dongting Lake with complex stage-discharge relationship. We analyzed the trends and influencing factors of stage-discharge relationship at Luoshan Station under erosion conditions by employing the M-K test method, Theil-Sen Median method, and a comprehensive correction approach for stage-discharge relationship based on measured water level and discharge data from 1990 to 2021 and typical river section data for selected years. Our key findings are as follows: 1) The water levels at Luoshan Station for low and medium discharges significantly decreased, which was consistent with the decline of the centroid elevation of low water-level channel and basic channel. Conversely, the water level at flood discharges exhibited large fluctuation range, yet with a non-significant upward trend. 2) The operation of the Three Gorges Reservoir has narrowed the fluctuation range of water level differences between Luoshan Station and Hankou Station, leading to an overall increase in the average water level difference. However, after 2013, the water level difference within flood flow intervals reduced, potentially exacerbating topwater conditions at Luoshan station during the flood season. During continuous flooding events in 2016 and 2020, contributions from topwater elevation, fluctuation rate, and other influencing factors at Luoshan Station averaged 34.8%, 23.8%, 41.4% and 31.4%, 50.6%, and 18.0% respectively; indicating that topwater elevation and fluctuation rate are primary influencing factors on water levels while other contributing factors may have larger proportions in certain years.

Key words： stage-discharge relationship; downstream jacking; rate of fluctuation; channel geometry adjustment; Luoshan station

Cite this article

CHEN Zhi-yuan , MEI Han-lin , JIN Guang-qiu , GUO Chao , JIN Zhong-wu . Variation Trend and Causes of Stage-Discharge Relationship at Luoshan Station in Typical Years[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(12) : 29 -39 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240751

0 引言

冲刷条件下,河流的洪、枯水位变化是影响河流的河势稳定、供水保障、通航能力及生态环境等的重要因素[1⇓-3]。大型水库建设和运用过程中,由于水库淤积、坝下游泥沙减少,导致其下游河道往往呈现出冲刷情况并显著引起了中低水水位调整。尼罗河阿斯旺大坝[4]、密苏里河福特佩克大坝[4]、科罗拉多河哥伦峡大坝[5]和长江三峡大坝[6-7]等运行后因下游来沙减少在一定距离的河道引起了同流量-枯水位的下降趋势。河流同流量-洪水位的变化趋势则不完全相同,三峡工程运行以来长江中游最高水位有所下降,但同流量-洪水位几乎不变或略有波动[7-8]。在水沙条件变换复杂的冲积河流中,水位-流量关系在各级河槽间的变化趋势不尽相同, 表明不同流量级下的水位变化成因仍需进一步研究阐明。
螺山站位于长江中游的城陵矶—汉口河段距洞庭湖出流口约30.5 km处,是长江干流荆江段和洞庭湖出流的汇口水文站,也是长江中游水位-流量关系最为复杂的站点之一。在现有防洪规划下,荆江河段承载着长江上中游汛期大量超额洪量的应对压力,螺山站的泄流能力影响洞庭湖出口城陵矶水位站的泄流能力。现有研究[9-10]指出了螺山站中低流量对应水位出现了下降情况,且主要由三峡运行导致的长期冲刷引起;但由于该站还同时受到上游汇流、洞庭湖出流、站下游来水顶托等影响,其汛期水位-流量关系通常呈现出较显著的绳套曲线[11],且不同年份之间主要影响因素也不尽相同[12],这对防洪调度造成了显著的不确定性。
本文基于三峡水库运行导致的长期冲刷条件背景,进一步研究螺山站的水位-流量关变化趋势,并定量分析了不同流量级下长时段和典型年内主要影响因素的占比,研究成果可为防洪调度方案的制定提供依据。

1 数据及研究方法

1.1 研究区域及数据来源

研究区域主要为螺山站及与其相邻的荆江河段和城陵矶—汉口河段,范围内自上而下主要有沙市、监利、螺山和汉口站4个干流站点以及城陵矶七里山站这一洞庭湖出口站点(图1)。其中,沙市和监利站的流量主要受到三口分流的影响,螺山站主要受到洞庭湖入汇影响,汉口站主要受到汉江等入汇的影响。
图1 三峡水库下游主要水文站点位置

Fig.1 Location of main hydrological stations downstream of Three Gorges Reservoir

本文收集了1990—2021年沙市站、监利站、城陵矶七里山站、螺山站和汉口站的逐日水位流量数据,2006年、2016年和2021年螺山站实测固定断面的资料,上述资料均来源于水利部长江水利委员会水文局。现有研究普遍将三峡水库蓄水运行的2003年作为研究分界点,考虑到三峡水库于2008年开始中小洪水调度且2013年起受到上游梯级水库群蓄水导致的进一步冲刷影响,因此以2003年、2008年和2013年为分界点,将研究时段主要分为了4个部分。研究高程均采用85吴淞冻结基面高程。

1.2 研究方法

1.2.1 实测同流量水位变化趋势分析

Mann-Kendall(简称M-K)检验法[13]是水文要素检验中较为常见的方法,不要求数据是正态分布,也不要求变化趋势为线性。本文采用非参数的M-K检验法对实测水位数据的时间序列进行分析,定量反映变化趋势的显著性。设时间序列数据X=(x1,x2, …, xn ) 是 n 个独立随机变量同分布的样本,定义检验统计变量S,并计算出标准正态系统Z,即
Z = S - 1 σ s , S > 0 ; 0 , S = 0 ; S + 1 σ s , S < 0 。
其中: S = ∑ i = 2 n ∑ j = 1 i - 1 s i g n x i - x j 。
式中: 1 ≤ j < i ≤ n;S近似服从正态分布;σs为标准差。可以通过Z判断趋势的变化,其中Z > 0表明序列呈上升趋势,Z < 0则呈下降趋势。给定显著性水平α=0.05,相应 Z 1 - α / 2 = ± 1.96,如果 Z > 1.96则可认为水文序列变化趋势显著。
同时采用Theil-Sen Median方法计算倾斜度β以衡量数据呈现趋势的剧烈程度,其表示单位时间内的变化量,β > 0为上升,β < 0为下降,β值表征平均变化率:
β = m e d i a n x i - x j i - j , ∀ j < i , 1 < j < i < n 。

1.2.2 水位-流量关系分析

长江中游站点普遍同时受到洪水涨落和区间来水顶托的影响,其水位-流量关系的绳套曲线通常成因复杂,因此本文采用丁佩等[14]提出的综合校正法确定水位-流量关系,该方法结合了现有研究广泛应用的校正因素法[15-16]和落差指数法[3,17-18],校正了洪水涨落和区间来水顶托的影响,相较传统的单值型水位-流量关系[19⇓-21]有较大的优势。该方法得到的水位-流量关系为
Q = k Z b Δ Z d e 1 + n Δ Z z l Δ t 　 。
式中:Q为流量(m3/s);Z为水位(m);ΔZd为受区间来水顶托时的上下游水位差(m);ΔZzl为1 d内水位的涨落值(m);Δt为时段,取1 d,即为86 400 s;k、b、e、n均为校正系数。

1.2.3 影响因素量化分析

(1)本文采用李明等[22]提出的断面形心深度分析法,该方法提出了以相对形心深度Hc/Hm,即断面形心深度Hc与平均深度Hm的比值,来说明形心的上浮和下沉,分析因岸滩控制工程而导致河宽变化受限的河道时,能更准确地反映断面垂向空间上的冲淤分布。其中断面平均深度Hm表征河道中水体的平均深度,其计算方法为
H m = A / B 　 。
式中:A为过流断面面积(m2);B 为水面宽度(m)。
该方法假设断面节点间距较短时,节点可将断面分割为若干个矩形条,因此断面形心深度Hc的计算式为
H c = ∑ h i 2 Δ A i ∑ Δ A i 　
式中:hi为单个矩形条的平均深度;Ai为单个矩形条的面积。
(2)综合校正法运用式(3)拟合的水位-流量关系可记为 Z = f ( Q , Δ Z d , Δ Z z l ),在分析各因素对水位产生的拟合影响时,可通过计算上下游水位差ΔZd与对应流量下上下游平均水位差Δ Z ¯ d的拟合水位值之差来量化螺山站受到顶托或消落作用的程度;而涨落率的影响值则可采用实际日涨落率值与涨落率为0的拟合水位值之差来量化。日拟合水位中顶托影响值Hd和涨落影响值Hzl的计算式分别为:
H d = f Q , Δ Z d , Δ Z z l - f Q , Δ Z ¯ d , Δ Z z l ,
H z l = f Q , Δ Z d , Δ Z z l - f Q , Δ Z d , 0 　 。
由于模型仅考虑了流量、下游回水或汇流顶托及涨落率的影响,因此拟合水位残差可近似代表如短期河道冲淤、洪水流量组成、区间入汇和模型误差等因素影响的总和,本文统称为其他因素影响值Hr。值令各影响因素绝对值之和为水位的综合波动值,则可定义各项影响因素对水位波动的贡献率为:
ρ d = H d H d + H z l + H r × 100 % 　 ; ρ z l = H z l H d + H z l + H r × 100 % 　 ; ρ r = H r H d + H z l + H r × 100 % 　 。

1.2.4 特征流量选取方法

长江中游站点受两湖和众多支流入汇等影响,流量差距较大,因此对不同站点需选取不同的特征流量以作为各流量级的代表流量。且由于三峡水库蓄水后,长江中游站点流量过程在调度下呈现出明显的坦化情况,部分研究直接选取固定流量作为特征流量的方法可能无法适用于新的来水过程。因此本文结合2003—2021年日均径流量的累积频率曲线,选取曲线对应Q30%、Q60%和Q90%的流量作为枯水、中水和洪水对应的流量,以保证选取的特征流量更为合理,最终提取沙市、监利、螺山和汉口站的洪、中和枯水流量如表1所示。
表1 长江中游各水文站流量级选取

Table 1 Flow level of each hydrographic station inthe middle reaches of the Yangtze River

时期 流量/(m3·s-1)
沙市站 监利站 螺山站 汉口站
枯水期 6 130 6 250 10 370 11 500
中水期 11 150 10 830 18 700 20 600
洪水期 20 900 19 400 33 600 37 600
根据选取的特征流量还可得到Ⅰ—Ⅳ 四个流量区间,流量Q的范围分别是:<10 370、[10 370, 18 700)、[18 700, 33 600)、≥33 600 m3/s,4个流量区间可分别表征枯水、中低水、中高水和洪水流量情况,其中中低水和中高水流量可统一视为中水流量情况。

2 螺山站水位-流量关系变化

2.1 不同阶段下水位-流量情况对比

三峡水库运行前后螺山站的流量和水位年均和年内变化过程如图2所示。由图2可知,平均流量2005年以前累积距平主要为正,来水呈现出波动上升的情况,1998年是该时期的主要拐点;2006—2011年累积距平曲线下降迅速,上游来水连续下降;2012年至今,上游来水又呈现出波动上升的情况,其中2020年来水最丰。平均水位变化情况基本与流量类似,但由于平均水位呈现整体下降情况,累积距平为负的时间跨度较短。总体而言,螺山站来水年际间存在一定波动,年均流量基本未受到三峡水库调蓄影响,而年均水位则在三峡水库运行后随时间呈现出一定下降。
图2 螺山站年均和年内水位流量变化过程

Fig.2 Annual and monthly variation processes of water level and discharge at Luoshan Station

以2003年和2012年为界,进一步统计了不同时间段内螺山站的月均水位和流量变化率。从年内月均水位-流量变化特征来看(图2(b)),三峡水库蓄水使枯季流量增大而洪季流量减小,增幅主要集中在1—3月份的枯水期而减幅则集中于7、8、10月份,这主要是枯水期补偿调度以及夏季防洪需要导致,而10月份的降幅则主要是由于汛期后的蓄水导致。对比三峡水库运行后的不同阶段可以发现,在上游水库群参与联合调度以后,1—3月份月均流量提升幅度达24%~ 36%,且较少出现日均流量低于8 000 m3/s的情况,在枯水期的补水作用进一步增强;而洪季的月均流量相较三峡水库运行初期有所降低,这主要是三峡水库运行初期来水偏枯导致的。月均水位方面则呈现出略有不同的规律,水位变幅在显著小于流量变幅的基础上,在11、12月份月均流量上涨的情况下,月均水位还出现了下降情况,体现了由河道冲刷引起的枯水位下降趋势。

2.2 同流量-水位变化趋势

选取螺山站和与其相近干流水文站沙市、监利和汉口站作为分析站点,点绘1990—2021年四站的水位-流量关系散点,并以三峡运行为节点分别拟合单值型水位-流量关系曲线如图3所示。根据散点分布情况可知三峡蓄水后极枯和极洪流量出现情况大幅减少,沙市、监利、螺山和汉口站年均中水流量天数分别增加约70、72、27、32 d,增幅分别达35.5%、37.9%、12.6%、13.9%,在荆江段“削峰补枯”调度作用明显。由三峡水库运行前后4个站点水位-流量关系趋势线可知,在流量较小时,拟合曲线呈现出明显的右偏情况,表明同流量水位的降低;随着流量的增大,2条拟合曲线逐渐靠近,并在中等流量处交汇,表明随着流量的增大,水位的降幅有所减小;而在流量较大时,蓄水后的曲线相较蓄水前略有左偏,这与洪水地区组成不同有关,中游支流来水、鄱阳湖水系来水大时,呈现出了同流量水位偏高的一定程度的水位上涨情况,但并不存在系统、显著的上升趋势。
图3 1990—2021年沙市、监利、螺山和汉口站水位-流量关系

Fig.3 Relationship between water level and discharge at Shashi, Jianli, Luoshan and Hankou stations from 1990 to 2021

4个站点各流量级对应水位(特征流量级±5%范围内的水位平均值)随时间变化情况如图4所示,在三峡水库运行后,沙市站呈现出全流量级水位下降,而监利、螺山和汉口站呈现出枯水位和中水位下降、洪水位波动的变化情况。其中在枯水流量级下,沙市、监利、螺山和汉口4个站点于2003年起水位累计降幅达2.603、0.969、1.612、1.514 m,年均降幅分别为15.31、5.70、9.48、8.91 cm/a,螺山和汉口站变化趋势较为接近;在中水流量级下,4个站点的水位累积降幅分别为2.505、1.394、0.784、1.466 m,年均降幅分别为13.18、7.34、4.13、7.72 cm/a,螺山站的降幅显著小于其他3个站点;在洪水流量级下,4个站点的水位累积降幅则分别为1.514、1.542、-0.007、0.226 m,年均降幅分别为7.97、8.12、-0.037、1.19 cm/a,可见沙市和监利站的冲刷延续到了洪水河槽,而螺山站和汉口站在该部分则变化不明显。由此可知,沙市站和监利站的冲刷在各级河槽均有体现,螺山站和汉口站则仅存在较显著的中枯水位下降,其中螺山站的洪水位变化最小,呈现累计上升不足1 cm情况。
图4 各站点特征流量下水位变化情况

Fig. 4 Characteristic stage-discharge changes at each station

为进一步探究三峡水库运行对于各站水位变化趋势的影响,选取3个特征流量对三峡建库前后沙市站、监利站、螺山站和汉口站的水位进行单变量M-K趋势分析。从表2可知,三峡水库蓄水前后各级流量级下水位变化情况不尽相同。三峡水库蓄水前仅监利站变化趋势较为明显,其他站Z值的绝对值均<1.96,呈非显著变化趋势。三峡水库蓄水后,仅沙市站在3种流量级下Z值均<-1.96,β值均为负,呈现出整体水位显著下降趋势,其他3个站点则仅有枯水和中水流量级下降趋势显著,而洪水流量级下Z>0,且趋势不显著。
表2 沙市、监利、螺山和汉口站各流量级下水位统计量特征值

Table 2 Characteristic values of water level statistics at Shashi, Jianli, Luoshan and Hankou stations

流量级 年限 Z β
沙市站 监利站 螺山站 汉口站 沙市站 监利站 螺山站 汉口站
Q30% 1990—2002年 -0.915 -2.318* -0.305 1.281 -0.015 -0.058 -0.010 0.014
2003—2021年 -5.232* -3.337* -4.338* -5.318* -0.150 -0.036 -0.091 -0.071
Q60% 1990—2002年 -0.183 1.403 0.305 1.403 -0.002 0.048 0.010 0.028
2003—2021年 -5.528* -2.274* -4.198* -3.219* -0.135 -0.071 -0.068 -0.052
Q90% 1990—2002年 0.793 1.769 -0.183 0.183 0.027 0.117 -0.052 0.016
2003—2021年 -3.429* 1.679 0.350 0.560 -0.073 0.047 0.005 0.030

注:*表示趋势显著,p<0.05。

3 三峡水库蓄水以来螺山站水位-流量关系变化成因

3.1 河道形态调整影响

三峡水库运行以来,长江中游河段78.9%的河道呈现冲刷态势[23],出现了局部河段展宽[24-25]、深泓下切[26]和河道窄深化[27]等影响。现有研究[28⇓-30]通常选取宜昌站流量5 000、10 000、30 000 m3/s和螺山站流量7 000、20 000、35 000 m3/s对应的沿程水面线来划分“枯水河槽” “基本河槽” “平滩河槽”,本文采用多年实测螺山站对应流量下的水位19.15、24.71、28.86 m分别表示螺山站对应断面的河槽高程,并以此分析各级河道的形心深度变化情况。
三峡水库建成后,螺山站的实测断面情况如图5(a)所示,河道整体呈现“W”形,并根据水库运行时间累积,在2006—2016年间河道主过流部分存在明显的下切情况,中间则存在一定的淤积,右侧深泓则变化不大。各级河槽的形心相对深度变化情况则有所不同(图5(b)),枯水河槽基本可视为两“V”形河槽,由于主要为左侧冲深且平均水深较小,因此2006—2016年间Hc/Hm有所增大,而相比2016年,2021年除局部冲深外还存在浅滩淤积等情况,因此Hc/Hm小于2016年的相应值;基本河槽和平滩河槽则由于深槽冲刷占比大于淤积而呈现出了Hc/Hm单调平稳增加的情况,且平滩河槽的形心下降速率有随着冲刷情况加剧而增大的倾向。
图5 三峡水库运行后螺山站实测断面及各级河槽形心变化

Fig.5 Changes of measured section and channel centroid at Luoshan Station after the operation of Three Gorges Reservoir

各级河槽形心高程和对应流量级水位的变化情况如表3所示,由于持续冲刷影响,断面形心高程在各级河槽均呈现持续下降趋势,其中枯水和基本河槽形心降幅与对应流量级水位降幅相近,平滩河槽形心和对应流量级水位变化趋势则存在较大不同,因此枯水和中水流量级对应水位下降主要是由于河道过流断面形心的整体下降导致,而洪水流量级对应水位则受其他因素影响较大。
表3 各级河槽形心高程及对应流量级水位变化

Table 3 Changes of centroid elevation and corresponding water level of channels at various flow rates

年份 形心高程/m 对应流量级水位/m
枯水
河槽		 基本
河槽		 平滩
河槽		 枯水
河槽		 基本
河槽		 平滩
河槽
2006 14.469 17.890 20.157 20.860 24.635 28.322
2016 13.462 16.918 19.360 20.045 23.857 28.608
2021 13.134 16.798 19.328 19.652 23.735 28.799
2016年与
2006年差值		 -1.007 -0.972 -0.797 -0.815 -0.778 0.286
2021年与
2016年差值		 -0.328 -0.12 -0.032 -0.393 -0.122 0.191

3.2 上下游水位差影响

螺山站主要受汉口站顶托影响,两站水位差大则泄流能力大,顶托影响较小;两站水位差小则泄流能力不足,顶托影响明显。由上文可知,在1990—2021年期间,螺山站和汉口站在特征流量下的实测水位变化趋势总体相近,但变幅存在一定的差距。为了量化这一差距的影响,按照上文提取的4个流量区间对实测数据进行划分,并以2003年和2013年为界,绘制不同时期内4个流量区间对应的上下游水位差箱线图(图6)。
图6 各时期不同流量级下上下游水位差箱线图

Fig.6 Boxplot of water level difference between upstream and downstream at different flow rates in different periods

在三峡工程不同运行时期,上下游水位差波动幅度分别为4.10、2.62、1.98 m,呈现出减小的趋势;且除流量区间Ⅱ波动幅度呈现先增大后减小的趋势外,其他情况下水位差波动幅度均有所减小,螺山站和汉口站水位变化过程的一致性有所增强。在中、枯水流量区间内,水位差的均值随时期变化呈现出递增情况,且流量越小,增加幅度越大;而在洪水流量区间内,水位差变化情况略有不同,呈现出先增大后减小的情况。由此可知,随着三峡水库的运行,上下游水位差波动范围减小,且各流量区间的水位差均值主要呈增大趋势,但2013年后的洪水流量区间内则呈现缩小趋势,可能导致该时期的汛期内螺山站的水位顶托加剧,但这与不同年份的洪水的组成相关性大,如2016年是中下游区域性大洪水,上下游水位小,2017年是中游洞庭湖水系大洪水,上下游水位差大。

3.3 洪水涨落过程影响

洪水涨落过程中,因洪水波传播引起的比降变化会导致断面通过流量较同水位稳定流量偏大或偏小[31],并形成水位-流量关系的逆时针绳套曲线[11],而涨落率的大小则会影响绳套曲线轴线摆动幅度,即绳套的大小。采用校正因素法可得到受涨落率影响后的等效稳定流量如表4所示,在涨落率绝对值>0.4 m/d时,其等效流量的变化率绝对值>5.5%,该涨落率在汛期及洪水消落期出现频率较为普遍,且易在洪水持续上涨或消落期内产生累积影响,使绳套曲线轴线持续偏移,各项影响影响局部时间段内的拟合预测精度。
表4 涨落率校正后螺山站的水位-流量关系

Table 4 Stage-discharge relationship at Luoshan Station after correction of fluctuation rate

水位/m 螺山站不同涨落率校正后的流量/(m3·s-1)
-0.5 m/d -0.4 m/d -0.3 m/d -0.2 m/d -0.1 m/d 0 m/d 0.1 m/d 0.2 m/d 0.3 m/d 0.4 m/d 0.5 m/d
20 9 180 9 330 9 480 9 620 9 760 9 900 10 040 10 170 10 300 10 440 10 570
22 13 170 13 380 13 590 13 800 14 000 14 200 14 400 14 600 14 780 14 970 15 160
24 18 180 18 470 18 760 19 050 19 320 19 600 19 880 20 140 20 400 20 670 20 900
26 22 350 22 710 23 070 23 420 23 760 24 100 24 430 24 760 25 090 25 410 25 740
28 28 850 29 310 29 770 30 220 30 670 31 100 31 530 31 960 32 380 32 790 33 200
30 37 850 38 450 39 050 39 650 40 230 40 800 41 370 41 930 42 480 43 020 43 600
32 42 670 43 360 44 030 44 700 45 350 46 000 46 600 47 270 47 900 48 500 49 100
34 55 100 56 000 56 900 57 700 58 570 59 400 60 220 61 000 61 840 62 630 63 400
选用1990—2021年期间长江汛期(6—8月)的月均涨落率数据以表征月内洪水涨落速率,具体如图7所示(其中点划线为不同时期内对应月份均值)。从螺山站涨落率的历年变化情况来看,三峡水库运行后螺山站汛期不同月份的月均涨落率有所变化,其中6月份涨落率大多为正,且均值随时期变化呈现总体下降趋势,7月份涨落率处于0附近但偏正年份有所增多,而8月份涨落率大多为负且出现了明显的下降趋势,反映出汛期水位上涨过程加长而下降过程缩短的变化情况。三峡水库运行以来仅存在部分年份(2017年、2020年等)受洞庭湖来水组成等影响,涨水速率较其他年份偏小。
图7 螺山站6—8月份涨落率变化趋势

Fig.7 Variation trend of fluctuation rate at Luoshan Station from June to August

4 典型年螺山站水位-流量关系变化影响权重

螺山站洪水流量级下的水位年际间变化并不显著,且与河道形态的变化趋势也并不一致,这是由于在实际的洪水过程中,水位-流量关系主要受下游顶托和洪水涨落等因素影响,短期内河道形态变化影响并不显著,因此需要通过拟合其洪水期来水过程,并以此量化各主要影响因素贡献率。2016年和2020年是近年来长江全流域典型洪水年,螺山站也均出现了的水位超警情况,现有研究[32]指出长江中游河段普遍受到顶托影响导致水位偏高。因此,本文选取2016年和2020年2个典型年汛期(6—8月份)实测数据(图8),结合模型拟合结果计算各因素影响贡献值以定量分析各因素在洪水过程中对水位产生的影响。
图8 2016年和2020年6—8月螺山站和汉口站水位及两站水位差过程

Fig.8 Processes of water level at Luoshan and Hankou stations and their water level difference in June-August of 2016 and 2020

由图8中螺山站和汉口站2016年和2020年6—8月期间水位和两站水位差的变化过程及其多年同期平均过程(2008—2021年)曲线可知,螺山站和汉口站水位起涨时间均为6月下旬,并在7月长时间处于警戒水位以上,直到8月才有所回落,期间水位均超同期均值0~4.67 m。其中2016年7月起汉口站水位涨速很快,且洪峰到达时间较螺山站略微提前,表明期间入汇影响较大,期间两站水位差较往年同期也持续偏小,下游对螺山站的顶托持续时间长;而2020年前期螺山站和汉口站起涨水位更低但涨速较快,水位变化趋势几乎一致,仅在8月下旬螺山站水位再次超警后,两站水位差较2016年提前增大,汉口站对螺山站的顶托也因此减小。
采用式(3)、式(6)—式(8)拟合2016年和2020年螺山站水位-流量关系,并计算各因素在洪水期(6—8月)内对螺山站水位影响值和贡献率,得到各特征项结果如表5所示。2次洪水过程的极大流量和极高水位则分别出现在同一日,表明2次洪水过程的水位和流量的峰值匹配情况较为良好,因此导致水位达到极大值的主要原因为流量的增大。在洪水过程中,当上下游水位差远小于年均水位差时,顶托作用对水位影响的贡献率通常较大,占综合影响的比重分别高达66.15%和74.96%;而由于涨落率本身为水位相关项,因此涨落率最大时,水位的综合影响值也较大,分别高达1.507 m和2.004 m。
表5 螺山站水位受特征条件影响结果

Table 5 Influence of characteristic conditions on water level of Luoshan Station

年份 螺山站水位/
m		 螺山站流量/
(m3·s-1)		 汉口站水位/
m		 涨落率/
(m·d-1)		 拟合水位/
m		 水位综合波
动值/m		 顶托贡献
率/%		 涨落贡献
率/%		 其他贡献
率/%
2016 33.35 51 800 28.27 -0.08 33.204 0.277 22.02 25.27 52.71
25.87 21 300 21.54 -0.39 25.851 0.863 66.15 31.59 2.26
32.01 43 900 27.18 0.63 31.179 1.507 11.98 32.87 55.16
2020 33.63 55 900 28.47 0.09 33.456 0.818 28.31 50.38 21.32
33.05 48 000 28.45 -0.20 32.885 0.883 74.96 6.35 18.70
24.83 25 000 19.05 0.56 24.721 2.004 42.37 52.17 5.46

注:2016年和2020年最大日均流量、最高日均水位代表日期分别为7月8日和7月28日,最小上下游水位差代表日期分别为8月31日和7月15日,最大单日涨落率代表日期分别为7月4日和6月4日。

各因素对螺山站水位-流量关系影响贡献率的连续过程如图9所示。顶托影响、涨落率影响和其他因素影响的贡献率均值在2016年洪水期间分别为34.76%、23.82%和41.42%,而在2020年同期则为31.38%、50.62%和18.00%。洪水过程中,顶托影响贡献率与图8中水位差变化趋势呈现出一定的负相关,而涨落率影响贡献率则主要在洪水上涨和下落阶段,即6月下旬和8月上旬占比较大;其他因素则在水位变化达到局部极大或极小值时会出现陡增情况,在水位单调上升或下降过程中作用不明显。
图9 2016和2020年螺山站洪水期水位受各因素影响贡献率

Fig.9 The contribution rate of each factor to the water level of Luoshan Station in flood period in 2016 and 2020

综上所述,2016年和2020年汛期螺山站水位主要受顶托和涨落作用影响,其中2020年两项之和可达82%以上。对比2016年和2020年各项占比可知,顶托影响占比仅相差3.38%,但其他两项差距分别为26.80%和23.42%,可能与2016年汛期存在降雨量大[33]、洪水涨落速度过快及洞庭湖水系、鄂东北、鄱阳湖水系来水大[34]等其他因素影响有关。当出现以上影响螺山站和下游汉口站洪水过程一致性的因素时,其他因素的占比将显著增大,并影响涨落率修正计算,现有综合校正模型的预测精度也将下降,因此关于区间降雨、入汇或者流量组成等因素的影响还有待进一步分析。

5 结论

本文基于1990—2021年长江中游螺山站及其他相关站点的水位-流量关系变化情况,主要采用了M-K检验法、Theil-Sen Median方法和水位-流量关系综合校正法等方法,通过分析沙市、监利、螺山和汉口站的水位、流量和实测螺山站典型大断面数据,以及同期的水位差和涨落率等数据,主要得到以下结论:
(1)1990—2021年螺山站与其他中游站点在枯、中水流量级对应水位均呈显著下降趋势,但螺山站在中水流量级的水位下年均降幅仅为4.13 cm/a,为4个站点中最小,且洪水流量级对应水位无显著变化趋势。
(2)螺山站所在河段枯水、基本和平滩河槽的断面形心降幅在2006—2016年间分别为1.007、0.972、0.797 m,在2016—2021年间则减小为0.328、0.120、0.032 m,且螺山站枯水和中水流量级的水位下降幅度与其断面的枯水和基本河槽的形心下降幅度接近,但洪水流量级的水位和平滩河槽形心的变化趋势则并不相同,表明河道形态变化仅能在一定程度上代表平滩河槽以下的水位变化成因。
(3)三峡水库的运行使得螺山站和汉口站的水位变化一致性增强,水位差波动范围缩小,平均水位差总体增大,但2013年后的洪水流量区间内呈现缩小趋势,可能导致该时期的汛期内螺山站的水位受顶托加剧。
(4)螺山站在2016年和2020年两典型年的洪水连续过程中受顶托影响、涨落率影响和其他因素影响的贡献率均值分别为34.76%、23.82%、41.42%和31.38%、50.62%、18.00%,表明顶托和涨落率是影响汛期水位的主要因素,但其他影响因素的占比在部分年份可能受流量组成不同或其下游区间入汇等因素导致偏大。

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