戴明龙 王立海 李立平 李妍清

摘要：螺山水文站的水位流量关系是制定长江中下游地区超额洪量分配和防洪总体方案的重要依据，但由于螺山站独特的地理位置而导致其水位流量关系受多种因素的影响。在研究螺山站行洪能力时，往往需要先区分和消除其特殊水力要素的影响，将不同水力条件下的实测流量成果改正至同一水力条件，然后再来研究其行洪能力的变化特征。为此，根据1954～2020年间大水年的实测资料，分析了2020年螺山站水位流量关系的特点;基于分析结果，研究了该站的主要影响因素及其变化规律。研究结果表明：① 2020年，螺山站的水位流量关系受下游洪水顶托的影响，同流量条件下水位偏高，与1998年和2016年的情况类似，但整体变幅仍在1998年和2016年等大水年的变化范围内。② 近年来，螺山站的水位流量关系在年内和年际间随洪水特性的不同而上下摆动，但无趋势性变化。③ 城陵矶河段的行洪能力尚无明显变化。

关 键 词：水位流量关系; 洪水顶托; 影响因素; 螺山站; 城陵矶地区; 长江中下游地区

中图法分类号： P332

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.019

0 引 言

截至2021年，纳入长江流域联合调度范围的水工程已总计达到了107座（处）[1]，长江中下游的防洪压力因此而进一步得到改善。但是，长江巨大的洪水来量与河道安全泄量相对不足之间的矛盾依然存在，仍有大量超额洪量需要妥善安排[2]，其中，多数在城陵矶附近地区。目前，城陵矶地区防洪压力仍然很大，是长江流域当前防洪问题最突出的河段。城陵矶地区的蓄滞洪区启用的依据站是莲花塘水位站，该站某一水位的泄量是查算其下游螺山站的水位流量关系而得，故螺山站水位流量关系实际上反映了城陵矶河段的泄流能力[3]。螺山站水位流量关系是长江中下游地区超额洪量分配和防洪总体方案制定的重要依据，它涉及到上下游、左右岸的相互关系[4]。

2020年入汛后，长江流域发生了多轮强降雨过程，形成了仅次于1954年和1998年的流域性特大洪水[5]。2020年7月，当莲花塘站水位为34.40 m（冻结吴淞高程，下同）附近时，螺山站的过流量仅约为55 000 m3/s，远小于《长江流域防洪规划》[6]采用的65 000 m3/s，因而引起了很大的关注。以往有关这方面的研究主要是针对螺山站某一特殊年份的水位流量关系展开分析，缺少对其水位流量关系的整体研究。本文在以往研究的基础上，重点分析了2020年螺山站水位流量关系主要影响因素，由分析结果可知：2020年螺山站的水位流量关系受下游洪水顶托的影响，同流量条件下水位偏高，呈左偏现象。这一研究成果可为城陵矶地区及长江中下游河道泄流能力的分析、长江流域的防洪规划修编，以及长江中下游洪水的预报和防洪实时调度等提供参考依据。

1 螺山站及水位流量关系概况

螺山水文站位于湖北省洪湖市螺山镇，为长江上游、清江以及洞庭湖来水汇合后的重要水情控制站。螺山站上距洞庭湖出口30.5 km，下距右岸入汇的陆水河47.0 km，距左岸入汇的汉江208.0 km。螺山站上下游水系及水文站点的分布如图1所示。

螺山站的地理位置决定了其上承长江干流、洞庭湖水系的来水，下受汉江等众多支流顶托的影响;加之长江流域洪水来源及其组成复杂，干支流洪水涨落不同步[7]，水力因素变化频繁[8]，必然导致螺山站水流情势多样化[9]，常常会形成绳套形的水位流量关系[10]。螺山站的中心轴线随不同规模的洪水而变化，而且年际与年内间的变幅较大，相互关系十分复杂[11-12]。

点绘出的螺山站1954，1968，1993，1996，1998，1999，2002，2016，2017年和2020年等大水年份的实测水位流量成果（冻结吴淞高程，下同），如图2所示。由图2可以看出：当螺山站的水位为33.00 m时，流量变化范围大约在50 000～78 000 m3/s之间;当流量为60 000 m3/s时，水位变化范围大约在32.00～34.50 m之间。

2 螺山站水位流量关系的影响因素

螺山站独特的地理位置导致其水位流量关系的影响因素十分复杂。这些影响因素主要有下游变动引起的回水顶托[13]、洪水涨落率[14]、起涨水位[15]、干支流洪水地区组成[16]、河段冲淤[17]以及江湖关系[18]等。在大水年份，还会受其下游分洪溃口的影响[19-20]。

2.1 过流断面变化

根据三峡水库建库前（2003年以前）实测断面资料（见图3），1954～2002年间，螺山站的过流断面冲淤交替变化。大致变化趋势为：在下荆江全面裁弯以前基本处于稳定状态，水位32.00 m对应的过流面积在31 000 m2上下波动;1973年对下荆江裁弯后逐渐形成淤积，最大淤积量出现在1986年，水位32.00 m的过流面积仅为25 700 m2;1986年以后断面呈冲刷状态，1996年水位32.00 m的過流面积为32 000 m2，基本上与1954年的过流面积31 900 m2持平;1996～2002年略有淤积，但淤积量不大。

三峡水库建库后（2003年以后）螺山站的实测断面变化情况如图4所示。由图4可以看出：螺山站的断面形态在三峡水库运行后变化较大，主要表现为左汊深槽冲刷、右汊边滩淤积，但断面过流面积变化不大，水位32.00 m对应的过流面积在29 000 m2上下波动。

2.2 河段落差变化

长江中下游干流各控制站的泄洪能力都毫无例外地受河段下游水位的制约，只是程度不同而已[21]。就螺山站而言，汉口站水位低，河段落差大，其泄洪能力就大;汉口站水位抬高，河段落差减小，则螺山站的泄洪能力就相应减小。

由于长江中下游河段落差较小，河道比降不大，直接进行河道比降观测会导致较大的误差。因此，对于河段水面比降适合以河段落差来描绘。

选用蓮花塘至石矶头站水位来表征该河段落差变化关系。落差统计资料采用1991～2020年的资料，其中，高水期水面落差以6～9月的平均水位为代表，具体如图5所示。

从该河段落差的历年变化情况来看，三峡水库建库后，莲花塘至石矶头站的月平均水位相应落差总体上较建库前有所增大，但年际间又有所变化。由于受洞庭湖来水组成以及下游支流顶托的影响，致使1998年和2016年洪水期的落差较其他年份要小。

2.3 荆南三口分流分沙变化

长江中游荆江河段有松滋、太平、藕池三口分长江水沙入洞庭湖。三峡水库建库前，由于洞庭湖和三口分洪道的淤积，荆南三口的入湖水量和沙量减少。通过对实测资料分析可知：三口的年分流比、洪峰流量比、分沙比从20世纪50年代的29%，41%和36%分别减少到20世纪90年代的14%，24%和19%。三口临界过流水位有所抬高。

2003年三峡水库蓄水运用后，三口分流量仍延续衰减的态势。2003～2020年与1981～2002年相比，长江干流枝城站水量减少了308亿m3（减幅为6.95%），三口分流量减小了206亿m3（减幅为30.10%），分流比也由15%减小至12%。三口的年分沙量则由8 660万t减小为835万t，减幅为90.40%，分沙比基本不变。

三口分流量的减少使得荆江水量增大，洞庭湖出流量相应减少。由此表明，荆江对城陵矶的顶托作用有所增强，对螺山站的水位流量关系也产生了一定程度的影响。

2.4 洪水特性的影响

螺山站的水位流量关系除了前述的河道断面、河段落差以及三口分流分沙影响因素以外，还与洪水特性密切相关。通过总结螺山站1980～2020年的实测水情数据（见图6），呈现出如下特性。

（1） 起涨水位越高，同流量条件下的水位越高。2010年第2场洪水过程的起涨水位（29.73 m）较2007年的起涨水位（29.22 m）高，因此40 000 m3/s流量级以上，同流量条件下的2010年水位较2007年的水位高约0.5 m。

（2） 当长江上游或者洞庭四水的来水较大时，螺山站的水位流量关系易发生右偏情形。比如1981，1999，2002年和2017年。1981年宜昌站30 d洪量为992亿m3，占螺山站总入流的83.1%，大于多年均值828亿m3;1999年，洞庭四水年最大30 d洪量为482亿m3;2002年，洞庭四水年最大30 d洪量为395亿m3，远大于多年均值278亿m3;2017年，洞庭四水年最大15 d洪量为401亿m3，为有记录以来最大洪量。

（3） 长江中下游干支流洪水整体遭遇，发生流域（区域）性大洪水时，螺山站水位流量关系易出现左偏情形。比如2016年，螺山、汉口、湖口站水位较历史同期偏高2 m左右，抬升中下游河湖底水，河段槽蓄能力减弱，上游洪水与中下游洪水严重遭遇，受其顶托影响，河段洪水宣泄不畅，水位被迫抬升，是三峡水库蓄水后点据左偏最大的年份。1998年和2020年亦是同样情形。

3 螺山站水位流量关系的改正

螺山站独特的地理位置导致其水位流量关系年内、年际变幅较大，影响因素较多，不易定量分析各因素的作用。通常，在防洪体系布局研究、涉水工程设计等过程中，首先需要区分和消除特殊水力要素的影响，以将不同水力条件下的实测流量成果改正至同一水力条件，再来分析其行洪能力的变化特征。与一般水文站相似，高水期间，螺山站水位流量关系主要受洪水涨落率变化和下游支流来水顶托影响而呈不规则的绳套形[22]，因此需要对其实测资料进行洪水涨落率和洪水顶托的改正。

3.1 洪水涨落率改正

螺山站实测水位流量关系受洪水涨落率的影响，可采用校正因素法进行改正。计算公式如下：

Qc=Qn1+ΔZΔt·1UIc（1）

式中：Qc为螺山站经洪水涨落率改正后的稳定流量，m3/s;Qn为实测流量，m3/s;ΔZ为水位日变化值，m;Δt为时段，本文取86 400 s;1/UIc为校正因子，经优选取40 000。

3.2 下游顶托改正

螺山站下受汉江等众多支流顶托的影响，对下游洪水顶托影响进行改正，计算公式如下：

Qd=Qm+kiqi（2）

式中：Qd为螺山站经顶托改正后的稳定流量，m3/s;Qm为实测流量，m3/s;qi为螺山至湖口站第i条支流的实测流量，m3/s;ki为螺山至湖口站第i条支流的顶托系数。

4 2020年螺山站水位流量关系分析

4.1 2020年水位流量关系拟定

采用上述方法，将螺山站历史大水年和2020年的实测流量成果进行洪水涨落率和下游顶托改正，并将改正后的实测流量成果进行综合，拟定2020年和各历史大水年螺山站水位流量关系综合线，成果如图7所示。

经过改正后的水位、流量点据相较于实测点据更为集中，绳套变幅减小，拟定的水位流量关系线与点据配合较好。由图7可以看出：2020年，螺山站的水位流量关系受下游顶托影响而有所左偏，同流量条件下水位偏高，与1998年和2016年的情况相似。

4.2 2020年水位流量左偏成因分析

经分析，2020年螺山站水位流量关系偏左主要是由以下几个方面的原因造成的。

（1） 起涨水位偏高。2020年，长江流域前期降水较常年偏丰，加上上游水库群汛前集中消腾库容，中下游干流底水较高;6月下旬，螺山和汉口站旬平均水位较三峡水库建库前的历史均值偏高约0.60 m和0.40 m;受强降水影响，7月上旬中下游河湖底水进一步抬高，螺山站和汉口站旬平均水位较历史同期偏高约2.10 m和2.00 m，挤占了河段槽蓄量，致使河道调蓄能力减弱;2020年起涨流量远大于1998年的起涨流量，水位约高7.30 m;起涨流量较2016年的起涨流量大16 800 m3/s，起涨水位高3.13 m。具体如表1所列。

（2） 上游多場次洪水与中下游区间洪水遭遇叠加，下游顶托严重，洪水宣泄不畅。2020年6～7月，长江中下游一带发生持续性极端强降水，强降水带长时间维持在长江中下游及两湖水系等区域[23]。长江中下游6月1日至7月17日的累计雨量为505 mm，较同期均值偏多6成，排名1961年以来第1位，仅略小于1954年的雨量。长江中下游区间支流来水快速增加，中游与下游洪水发生遭遇，加上沿线泵站抽排影响，造成中下游干流及两湖出口同日出峰。受其顶托影响，2020年7月螺山河段平均落差为2.87 m，小于多年均值，洪水宣泄不畅，水位被迫抬升。

（3） 干流来水过程矮胖，洞庭湖来水比重较大。城陵矶段洪峰流量约占螺山站洪峰流量的61.1%（见表2），洞庭湖旁侧入流占比相对较大也导致该河段流速减小，同流量下水位偏高。

4.3 螺山站历年水位流量关系变化分析

对螺山站2020年水位流量关系线与1999，2010，2016年和20世纪90年代大水综合线进行了比较，结果表明：当螺山站流量为50 000 m3/s时，2020年的水位较1999，2010年和20世纪90年代大水综合线分别抬升了0.23，0.29 m和0.53 m;左偏态势较明显，但左偏程度小于2016年中下游区域性大洪水期间的左偏程度。

当水位为33.00 m时，螺山站2020年过流量较1998年和20世纪90年代大水综合线分别小800 m3/s和4 100 m3/s，较2016年大5 000 m3/s（见表3）。同20世纪90年代大水综合线成果相比，31.00～33.00 m水位条件下，螺山站下泄流量减少了约1 800～4 100 m3/s。

三峡水库蓄水运用以来，受其地理位置和水力条件影响，螺山站水位流量关系在一定范围内变化，其高水涨落形势、整体变幅仍在历史大水年的变化范围之内，尚无明显性的趋势变化。总体而言，近年来螺山站水位流量关系基本保持稳定。

5 结 论

结合断面冲淤变化、河段落差变化、三口分流分沙及洪水特性的影响，分析了螺山站的水位流量关系影响因素以及2020年的水位流量关系左偏成因，并与历史大水年水位流量关系进行了对比，从而得出以下结论。

（1） 螺山站独特的地理位置决定了其水位流量关系必然受上压下顶的影响，因而导致该站水流情势多样化，水位流量关系年际、年内间变幅较大。当长江上游或者洞庭湖来水较大时，螺山站水位流量关系易出现右偏现象;当中下游干支流整体遭遇，发生流域（区域）性大洪水时，螺山站水位流量关系易出现左偏情形。

（2） 2020年长江中下游干流前期水位偏高，加之干支流洪水遭遇，螺山站的水位流量关系受下游顶托影响，同流量下水位偏高，呈左偏现象，与1998年和2016年等年份的水情类似，高水涨落整体变幅也在1998年和2016年变化范围内。

（3） 需要指出的是，对螺山站大水年的实测数据进行改正是为了消除特殊水力因素的影响，进而分析其综合行洪能力的变化特征。在未来的中高洪水期间实时预报调度工作中，应根据其水雨情发展态势和水力条件，选用适宜的水位流量关系。

（4） 三峡水库蓄水运用以来，螺山站水位流量关系仍在历史大水年变动范围内变动，未发生明显趋势变化，螺山站水位流量关系整体上基本保持稳定。

参考文献：

[1] 长江水利委员会.2021年长江流域水工程联合调度运用计划[R].武汉：长江水利委员会，2021.

[2] 宁磊.长江中下游防洪形势变化历程分析[J].长江科学院院报，2018，35（6）：1-5，18.

[3] 宁磊，王翠平.对城陵矶防洪设计水位的辨析[J].人民长江，2006，37（9）：45-50.

[4] 刘宁.对长江流域防洪规划的认识[J].人民长江，2006，37（9）：1-5.

[5] 马建华.2020年长江流域防洪减灾工作实践及思考[J].人民长江，2020，51（12）：1-7.

[6] 水利部长江水利委员会.长江流域防洪规划[R].武汉：水利部长江水利委员会，2008.

[7] 葛守西，王俊，熊明.1998年长江中游干流高水位成因分析[J].人民长江，1999，30（2）：29-31.

[8] 秦智伟，张冬冬，熊莹，等.2016年长江中下游干流高水位成因及特点[J].水资源研究，2017，6（4）：349-356.

[9] 李世强，邹红梅.长江中游螺山站水位流量关系分析[J].人民长江，2011，42（6）：87-89.

[10] 郭小虎，渠庚，朱勇辉.三峡工程蓄水运用以来荆江水位流量关系变化分析[J].长江科学院院报，2011，28（7）：82-86.

[11] 施修端.长江螺山汉口大通三站水位流量关系历年变化分析[J].人民长江，1993，24（7）：43-48.

[12] 熊明，徐彬华，梁玉华.1998年长江城陵矶-螺山河段高水成因分析[J].水利水电快报，1999，20（18）：13-16.

[13] 门玉丽，夏军，叶爱中.水位流量关系曲线的理论求解研究[J].水文，2009，29（1）：1-3.

[14] 高兵役，李正最.洪水期水位流量关系绳套曲线的直接拟合[J].水文，1998，18（5）：27-30.

[15] 戴凌全，戴会超，蒋定国，等.基于最小二乘法的河流水位流量关系曲线推算[J].人民黄河，2010，32（9）：37-39.

[16] 巢中根，李正最.水位流量关系分析中落差指数的直接解算[J].水文，2000，20（3）：18-20.

[17] 张旭臣，卢全海.基于分段二次样条函数的水位流量关系曲线拟合方法研究[J].水文，2010，30（4）：59-62.

[18] 李厚永，張潮，吴琼.水位流量关系单值化分析综合模型研究及应用[J].水文，2011，31（增1）：152-153.

[19] 郭希望，陈剑池，邹宁，等.长江中下游主要水文站水位流量关系研究[J].人民长江，2006，37（9）：68-71.

[20] 邹冰玉，李世强.大湖演算模型在螺山站单值化后的适应性分析[J].水文，2011，31（12）：140-142.

[21] 安申义，郭履炽.对城陵矶（螺山站）泄洪能力的商榷[J].红水河，2005，24（4）：1-4.

[22] 洪庆余，罗钟毓.长江防洪与“98”大洪水[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[23] 邴建平，邓鹏鑫，徐高洪，等.2020年长江中下游干流高洪水位特点及成因分析[J].水利水电快报，2021，42（1）：10-16.

（编辑：赵秋云）

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