1. 前言
1.1. 2016年长江暴雨洪水特征
2016年汛期，长江流域梅雨期长、梅雨量大，降雨集中、雨带稳定，暴雨强度大、暴雨极值多。3~6月，流域降雨量较常年偏多1成，其中汉江、长下干偏多4~5成，乌江偏多3成，嘉陵江、长上干偏多2成，长中干、鄱阳湖偏多1成左右，金沙江、岷沱江、洞庭湖基本正常。
长江中下游地区发生区域型大洪水，部分支流发生特大洪水。6月下旬，长江下游水阳江、西河等支流率先出现超警洪水，洪水迅速汇入长江，并与涨潮期潮流遭遇。6月30日~7月6日为入汛以来最强一次暴雨过程，强降雨自长江上游开始，在长江中下游长时间维持，导致长江中下游水位持续上涨。干流城陵矶以下江段和洞庭湖、鄱阳湖湖区主要站水位列有水文记录以来的第5、6位；清江、资水、鄂东北诸支流、巢湖水系和梁子湖等发生特大洪水，修水、饶河、水阳江等发生大洪水。本次洪水呈现出中下游干流水位高、高水持续时间长，河湖超警站点多、超警时间长，多条支流发生特大洪水，城市内涝渍水严重等主要特征。
2016年汛期最强的一次降雨过程与1996年7月降雨较为相似，但分析2016年长江中下游干流主要站螺山、汉口、大通不同时段(7 d, 15 d, 30 d)洪量地区组成，与1996年洪水相比明显不同。同1996年洪水相比，2016年螺山站和汉口站各时段洪量略偏小，大通站最大7 d、最大15 d洪量略偏大，最大30 d洪量略偏小。以螺山站最大7 d洪量为例，2016年的长江上游、清江、湖区来水占比分别为59%、2.6%和4.5%，明显大于1996年，而洞庭湖“四水”占比为34.1%，小于1996年。以汉口站最大7 d洪量为例，2016年螺山来水占比为90.7%，清江来水占比大于1996年，而洞庭湖水系来水占比显著小于1996年。以大通站最大7 d洪量为例，2016年的鄱阳湖水系来水、汉口–大通区间来水占比分别为12.4%和20.8%，而汉口来水占比为66.7%。鄱阳湖水系来水汉口–湖口区间、湖口–大通区间明显大于1996年，汉口来水占比显著小于1996年。
1.2. 遭遇分析方法及洪水传播时间
洪水遭遇可以分为洪峰遭遇和过程遭遇两种情况。洪峰遭遇一般是指若干洪源控制站的洪峰在同日出现；过程遭遇指洪水过程重叠时间在一半以上 [1] 。在分析过程中，若两个河段的洪水传播至同一控制断面的洪峰(Qm，用最大日平均流量代替)同日出现，即为洪峰遭遇；若最大7 d过程(W7d)或最大15 d过程(W15d)超过1/2时间重叠，即为洪水过程遭遇 [2] [3] [4] [5] [6] 。
根据长江干支流控制站的地理位置，本文采用《长江流域洪水预报方案汇编》中控制站点间的洪水传播时间成果见表1。
本文利用数理统计方法，根据洪峰、洪量遭遇的时间统计特征，分析2016年长江干支流洪水的遭遇情况。同时考虑梯级水库群调节作用，分析比较还原前、后的洪水遭遇情况。
Table 1. The flood propagation time among stations
表1. 各站点间洪水传播时间
2. 2016年洪水实况遭遇分析
2.1. 长江上游干支流洪水遭遇
已有研究成果表明，金沙江与岷江、长江干流与嘉陵江，以及长江干流与乌江洪水遭遇的年份绝大多数不同，长江上游干支流洪水同时发生遭遇的概率很小。3种两江洪水遭遇均表现为，随着洪量时段的增长、洪水发生遭遇概率也增大。从洪水遭遇的频率分析(以7 d洪量为代表)，长江与嘉陵江遭遇概率为21.8%，岷江与金沙江的遭遇概率为16.1%，长江与嘉陵江、岷江遭遇概率较高；长江与乌江洪水遭遇概率为5.2%，遭遇概率较低 [4] 。
2016年金沙江向家坝站洪峰流量出现在6月30日，最大7 d洪水过程发生在7月26日~8月1日；岷江高场站洪峰流量出现在7月6日，最大7 d洪水过程发生在7月6日~7月12日；嘉陵江北碚站洪峰流量出现在7月1日，最大7d洪水过程发生在7月25日~7月31日；乌江武隆站洪峰流量出现在6月29日，最大7 d洪水过程发生在6月26日~7月2日。宜昌最大洪峰流量出现在7月2日，入汛以来最强降雨过程期间，该场洪水过程为6月24~7月9日。宜昌最大7 d洪水过程发生在6月28日~7月4日，15 d洪水过程出现在第二大场次洪水期间，为7月25日~8月8日。
考虑洪水传播时间，可以看出金沙江向家坝站与岷江高场站洪水未发生遭遇，金沙江向家坝站与嘉陵江北碚站最大洪峰、3 d、7 d洪量均发生遭遇，金沙江向家坝站与乌江武隆站洪水未遭遇。整体而言，6~7月份长江上游干支流洪水均为中小流量级，虽有遭遇，峰量有所叠加，但仍为中小量级的洪水。
2.2. 长江中游干支流洪水遭遇
以宜昌站资料代表长江来水，传播到汉口站约81 h，折合约3 d。由于统计日时段的洪水遭遇情况，对于洪水峰值遭遇，先不演算，如采用数理统计方法计算的峰现时间，宜昌(清江高坝洲站)比汉口(汉江皇庄站)滞后3 d则近似认为是遭遇的。
清江最大3 d洪量发生时间为7月21日~23日，汉江为7月20日~22日，宜昌站为6月30日~7月2日，可以看出清江、汉江洪水均未与长江干流洪水遭遇，但清江与汉江最大3d洪水过程发生遭遇，因此清江与汉江洪水一定程度遭遇。
鄂东北诸支流包括府澴河、滠水、倒水、举水、巴河，位于湖北省东北部、长江中游北岸。2016年梅雨期内，鄂东北连遭强暴雨袭击，鄂东北诸支流发生大洪水。府澴河控制水文站卧龙潭站2016年的洪峰流量为9300 m3/s，重现期为140年。巴河控制水文站马家潭站2016年的洪峰流量为7460 m3/s，是1896年以来的次大值，重现期从1896年考证，确定为60年。滠水控制水文站长轩岭站2016年的洪峰流量为3310 m3/s，重现期约为30年一遇。倒水河控制水文站李家集站洪峰流量为3070 m3/s。举水控制水文站柳子港站洪峰流量为2010 m3/s。7月2日8时，鄂东北诸支流合成流量26,400 m3/s，超历史记录，主要受其顶托影响，汉口站日涨幅1.31 m，创历史记录。
考虑到汛期水流流速快，且实测站点距离水流汇合处相对较近，对汉口与鄂东北诸支流的洪水遭遇没有考虑洪水传播时间。如表2和图1所示，府澴河卧龙潭站、滠水河长轩岭站、倒水河李家集、巴河马家潭、举水柳子港、浠水白莲河、蕲水西河驿站洪峰流量均出现在7月2日。2016年7月上旬，鄂东北诸支流府澴河、倒水河、举水、浠水、富水均与长江干流汉口最大15d洪水过程发生遭遇。
2.3. 长江下游干支流洪水遭遇
长江下游主要支流(青弋江、水阳江、滁河、巢湖水系等)来水自6月底起逐步上涨，各支流主要控制站水位相继超警，并在7月上旬出现洪峰，其中部分站点发生超保或超历史洪水。受其顶托及干流来水双重影响，长江下游干流南京、大通站分别于7月2日6时、3日3时超警，在长江中下游干流(南京以上江段)及两湖出口控制站超警起始时间中分别列第1位和第2位。
考虑到汛期水流流速快，且实测站点距离水流汇合处相对较近，对大通与长江下游主要支流巢湖和水阳江的洪水遭遇没有考虑洪水传播时间。巢湖闸下站最大洪峰流量出现在7月2日，最大7 d洪水过程发生在7月2日~8日；水阳江新河庄站和青弋江西河镇站洪峰流量分别出现在7月4日和7月3日，最大7 d洪水过程均发生在7月3日~9日；干流大通站最大7 d洪水过程发生在7月8日~14日。可以看出长江下游支流巢湖闸下裕溪河和水阳江、青弋江最大场次3 d、7 d、15 d洪量全面遭遇，仅峰现时间有前后两天差别，而长江下游干流与支流洪水未发生遭遇。
2.4. 两湖水系
2.4.1. 洞庭湖水系洪水遭遇
考虑到汛期水流流速快，且实测站点距离水流汇合处相对较近，对洞庭湖流域内的洪水遭遇没有考虑洪水传播时间，均指实测资料最大值(或过程)的同日出现，并非是水流确切的现实汇合。
如图2所示，2016年汛期洞庭湖水系湘江最早出现最大洪水过程，洪峰出现在6月16日。澧水石门站和沅江桃源站最大洪峰分别出现在6月28日和29日，而资水峰现时间较晚，资水桃江站最大洪峰出现在7月4日，洪峰水位43.29 m (相应流量9250 m3/s)，超过警戒水位4.09 m。同期沅江、湘江均发生第二大场次洪水过程，洞庭“四水”7月5日20时出现最大合成流量27,000 m3/s，沅江桃源站和湘江湘潭站第二大洪峰流量分别
Table 2. The occurrence time of maximum flood peak and flood volume in the tributaries in the northeast of Hubei Province
表2. 鄂东北诸支流控制站年最大洪峰、洪量发生时间
出现在7月5日和6日。沅江五强溪水库
7 月 5 日 9 时
出现最大入库流量22,300 m3/s，经水库调蓄后，最大出库流量为10,700 m3/s (7月5日8时)，削峰11,600 m3/s，削峰率约52%。
2016年资水桃江站和沅江桃源站最大7 d洪水过程均发生在7月3日~9日，资水与沅江最大3 d和7 d洪量遭遇，同时与湘江第二大场次洪水遭遇。由此可见资水、沅江、湘江发生一定程度的洪水遭遇。
2.4.2. 鄱阳湖水系洪水遭遇
根据鄱阳湖五河6个控制站点的洪水过程统计(如图3所示)，可以看出赣江、府河、信江最大洪峰出现时间较早，分别在5月中下旬，赣江最大15d洪量出现在4月中下旬。饶江安乐河和昌江最大洪峰分别出现在6月4日和6月20日，饶河昌江渡峰坑水文站6月20日5时48分出现洪峰水位33.89 m，超警戒5.39 m，涨幅9.35 m，排历史第二位，仅次于1998年6月26日的34.27 m；洪峰流量7400 m3/s，排历史第四位(次于1998年8600 m3/s、1955年7920 m3/s、1999年7600 m3/s)，其重现期约为15年一遇。受7月份降雨影响，修水虬津站最大洪峰发生在7月5日。柘林水库2016年7月4日3时出现最大入库流量7000 m3/s，其重现期约25年。由此分析得到，2016年汛期修水与饶河分别于7月和6月发生较大洪水，但鄱阳湖五河未发生明显遭遇。
Figure 1. The flood hygrograph of Hankou station and the tributaries in the northeast of Hubei Province
图1. 汉口与鄂东北支流洪水过程
Figure 2. The flood hydrograph of four rivers in Dongting Region
图2. 洞庭四水洪水过程
Figure 3. The flood hydrograph of five rivers in Poyang Region
图3. 鄱阳湖五河控制站洪水过程
2.4.3. 洞庭湖、鄱阳湖与干流遭遇
采用洞庭湖四水合成流量资料代表洞庭湖洪水，以宜昌站资料代表长江来水，宜昌站传播到城陵矶站约81 h，折合约3 d。如采用数理统计方法计算的峰现时间，宜昌比四口水系合成的洪水过程滞后2~3 d则近似认为是遭遇的。根据洪水过程统计结果分析，洞庭湖与长江干流不存在洪水遭遇。
采用湖口站资料代表鄱阳湖洪水，汉口站资料代表长江来水。汉口站洪水传播到鄱阳湖出口处约34 h，折合1.5 d。如汉口比湖口滞后1 d或者2 d均认为是遭遇。分析汉口与湖口站洪水过程，可以看出鄱阳湖在主汛期出现明显的长江洪水倒灌现象，最大倒灌流量9100 m3/s，居历年最大倒灌流量排序(由大到小)中第四位。根据洪水过程统计结果分析，鄱阳湖与长江干流也不存在洪水遭遇。
3. 2016年天然洪水遭遇分析
3.1. 洪水还原方法
2016年7月洪水期间，以三峡为核心的梯级水库群发挥了巨大的防洪作用。本次以水量平衡为理论基础，根据水库的坝上水位、出库流量和水位库容曲线开展洪水还原计算，还原计算的时段视各处的洪水过程特性和基础资料条件，选择3 h、6 h或1 d。还原时间自梯级水库群开始消落起，为2016年4月1日~7月31日。依据我局建立的长江中下游一维水流数学模型，还原中下游干流控制站的水位、流量过程。洪水演算的方法主要采用在水情预报和水文分析计算中广泛应用的长办汇流曲线、马斯京根法。
综合考虑长江流域的水库类型、坝址控制面积、调节库容大小等因素及2016年实际调度情况，本次还原时考虑的水库共36座，其中长江上游21座、清江3座、洞庭湖水系4座、鄱阳湖水系3座、汉江5座。本次还原对象为长江干流上的宜昌、沙市、莲花塘、螺山、汉口、九江、大通等站及支流上金沙江的向家坝、岷江的高场、嘉陵江的北碚、乌江的武隆、清江的高坝洲、汉江的皇庄、洞庭水系资水桃江、沅江桃源、澧水石门、鄱阳湖水系赣江外洲、抚河李家渡、修水虬津站等主要水文站。
3.2. 长江中下游还原洪水遭遇分析
根据还原后的长江干支流洪水过程，推求长江干流螺山、汉口、大通站三个沿程控制站的2016年总入流洪水过程，统计三站的不同时段洪量特征值，还原计算后得到的螺山、汉口、大通三大站不同洪量重现期在5~10年之间。由于长江上游干支流洪水未发生遭遇，本次仅重点分析还原后天然情况下，实测洪水发生遭遇的长江中游干支流洪水和洞庭湖及鄱阳湖水系的洪水遭遇情况。
3.2.1. 长江中游干支流洪水分析
根据汉口站还原结果，2016年7月最大洪峰发生在2016年7月8日，汉口站实测洪峰61,300 m3/s，考虑长江上游梯级水库群还原后的螺山最大洪峰流量为56,900 m3/s，相差4400 m3/s。实测洪水较还原洪水的最大3 d洪量减少11.5亿m3，最大7 d洪量减少25.2亿m3，最大15 d、30 d洪量分别减少57.1亿m3和137.0亿m3。
如图4所示，从还原后的汉口站洪水过程和鄂东北支流控制站洪水过程可以分析得到，若无汉口以上梯级水库蓄水调控，除15 d洪量遭遇外，府澴河、滠水、倒水河、举水、巴河、浠水最大7 d洪水过程均将与长江干流汉口发生遭遇，长江中游鄂东北地区洪水遭遇情况将更为恶劣。经过洪水还原计算后，莲花塘至大通河段水位超警戒时间为26~28天，莲花塘和螺山站分别出现9天和3天超保证水位情况。还原后莲花塘、九江站超警戒水位时间最长，为28天，莲花塘站超警戒水位最高达2.54 m。
3.2.2. 洞庭湖水系还原洪水分析
桃江站洪水还原主要考虑上游柘溪水库调节的影响，还原前后桃江站最大洪峰变化较大，还原后最大洪峰流量为17,300 m3/s，实测洪峰比还原洪峰小8280 m3/s，占还原洪峰的近一半，还原前后最大3 d洪量相差13.5亿m3。柘溪水库对2016年7月洪水的拦蓄作用明显。
沅江流域已建大型水利工程较多，其中五强溪水电站库容较大，调节能力强，对桃源站洪水过程影响较大，还原前后桃源站最大洪峰变化较大，还原后最大洪峰流量为17,700 m3/s，实测洪峰比还原洪峰小5300 m3/s，占还原洪峰的近30%，还原前后最大3 d洪量相差9.0亿m3。
澧水干流石门站的流量还原考虑江垭和皂市两座水库，还原前后石门最大洪峰变化较小，还原后最大洪峰流量为8190 m3/s，实测洪峰比还原洪峰小230 m3/s，实测洪水与还原洪水的最大7 d洪量相当；而由于皂市水库的拦蓄，还原后第二大洪峰流量为7750 m3/s，相应的实测值比还原前小2910 m3/s。
澧水、沅江、资水控制站实测洪水还原后天然洪水过程如图5所示，得到的沅江和资水洪峰、3 d、7 d、15 d洪水过程全面遭遇。
3.2.3. 鄱阳湖水系还原洪水分析
赣江外洲水文站上游建成运行的万安水库具有较大的调蓄能力，根据还原结果可以看出，万安水库调节作用较明显，还原前后流量最大变化值为1990 m3/s。比较还原前、后的外洲站流量过程，最大日平均流量减小值
Figure 4. The natural flood hydrograph of the tributaries in the northeast of Hubei Province
图4. 还原后的鄂东北支流控制站洪水过程
Figure 5. The flood hydrograph of four rivers in Dongting Region
图5. 洞庭四水洪水过程
为1100 m3/s，占比为8.9%，实测洪水较还原洪水的最大7d洪量减小6.0亿m3，占比为10.4%，由此可见赣江梯级水库对拦蓄洪量发挥了积极作用。
抚河李家渡水文站还原主要考虑廖坊水库，还原前后流量最大变化值为594 m3/s。比较还原前、后的李家渡站流量过程，最大日平均流量减小值为520 m3/s，占比为7.7%，实测洪水较还原洪水的最大7d洪量减小0.2亿m3，占比为0.9%，由此可见抚河梯级水库对拦蓄洪量发挥了积极作用。
修水虬津水文站还原主要考虑柘林水库，还原前后流量最大变化值为3990 m3/s，最大日平均流量减小值为2360 m3/s，占比为47.9%，实测洪水较还原洪水的最大7 d洪量减小4.4亿m3，占比为30.9%，由此可见柘林水库对拦蓄洪量发挥了显著的积极作用。
将鄱阳湖水系主要控制站洪水过程还原后，2016年汛期鄱阳湖五河未发生明显遭遇，仅修水洪水量级有明显变化。
4. 结论
本文利用水文数理统计方法，根据洪峰、洪量遭遇的时间统计特征，分析了2016年长江干支流洪水的遭遇情况。同时考虑梯级水库群调节作用，分析比较了还原前、后的洪水遭遇情况。
根据2016年实况洪水遭遇分析，2016年汛期5~6月份长江上游干支流洪水为中小量级，未发生明显洪水遭遇。受强降雨影响，洞庭湖水系资水、沅江、澧水，长江中游干流附近地区、清江、鄂东北诸支流，鄱阳湖水系修水及长江下游水阳江、滁河等支流均发生较大洪水，导致长江中游、下游干流区间来水快速增加，中游洪水与下游洪水严重遭遇，具体为清江与汉江、洞庭湖沅江和资水、长江干流与鄂东北支流、长江下游主要支流(青弋江、水阳江、巢湖水系等)发生遭遇。
还原后的天然洪水遭遇分析结果表明，若无梯级水库蓄水调控，长江中游鄂东北地区洪水遭遇情况将更为恶劣，沅江和资水洪水过程将全面遭遇。对比分析结果反映了长江流域梯级水库群的联合调洪对于减轻长江流域洪水遭遇的积极作用。
建议在已经实施的长江上游21座水库群联合调度基础上，纳入其他防洪库容较大的水库，逐步实现全流域大型水库的统一调度，进一步降低长江流域防洪风险。
基金项目
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0402202)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201501002)。