太湖流域典型洪水的降水和水位要素解析

胡庆芳 ，朱荣进，王银堂 ，李伶杰 ，李曦亭

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098)

太湖流域位于我国东南部，地处长三角核心地带，是著名的江南水网地区，人口密集、经济发达、城镇化程度高[1-3]。2019年太湖流域以占全国0.39%的国土面积，承载了4.4%的人口，创造了9.8%的GDP[4-5]。然而，受梅雨、台风和沿海沿江洪潮共同影响，太湖流域洪涝多发[6]，多次大洪水均造成了重大灾害损失[6-12]。已有文献对太湖流域典型洪涝事件多有研究。如陈家其[6]比较了太湖流域35场历史大洪水与1954年洪水，认为1954年洪水并非稀遇；吴浩云[7]对比了太湖流域1931年、1954年、1983年和1991年4次典型的梅雨型洪水及其灾害损失，强调了梅雨对太湖及河网高水位的主导性影响；贾锁宝等[8]分析了1999年梅雨期太湖出入湖水量及涨退水速度；太湖流域管理局对1991年和1999年两次大洪水中的降水、水位过程和洪水调度情况开展了系统总结[9-10]；王同生[11]指出由于太湖流域洪水防御能力的提升，2016年大洪水造成的直接经济损失占GDP之比远低于1991年和1999年，但仍需扩大洪水出路、优化防洪调度；王磊之等[12]对比分析了1991、2016年洪水期太湖流域降水、河湖水位和洪涝调度情况，指出2016年致洪降水在时程分布上较1991年对太湖流域防洪更为不利。

2020年6—7月受梅雨影响，太湖流域发生了21世纪以来最新的一次流域性洪水。该次洪水期间，太湖最高水位一度达到了4.79 m，居1954年以来第3位，太湖水位持续超警戒水位48 d、超保证水位9 d；同时河网水位也大范围超过保证水位，部分站点最高水位创历史新高。对2020年太湖流域大洪水加以分析总结，是科学认识全球气候变化和快速城镇化背景下太湖流域洪涝发展规律的重要基础性工作。鉴于此，本文针对2020年洪水与1991年、1999年、2016年3场历史典型洪水进行对比，从流域及区域降水、太湖及河网水位等方面比较4场洪水异同，为辨识太湖流域洪水运动规律、优化设计暴雨洪水计算、强化洪水科学调度提供科学依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

根据相关文献[4,9-10]及2020年报汛数据等，收集了1991年、1999年、2016年和2020年汛期太湖全流域及各水利分区逐日面雨量。根据太湖流域水文年鉴及有关报汛资料，收集了太湖及河网代表站逐日水位数据（水位采用85国家基面），其中太湖水位为大浦口、望亭（太）、洞庭西山、夹浦、小梅口等5个站的算术平均值；河网水位选取坊前、陈墅、湘城、嘉兴、杭长桥、青浦等6个站点分别作为湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、杭嘉湖区、浙西区和浦东浦西区的代表站。图1给出了太湖流域水利分区及相应代表站位置。其中A～G分别为湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、太湖区、杭嘉湖区、浙西区和浦东浦西区；A与F是太湖洪水主要来源区，A与B为太湖流域北部区域，C～G为太湖流域南部区域；DEM为地表数字高程。

图1 太湖流域水利分区及水位代表站分布Fig. 1 The sub-areas and water level representative gauges in the Taihu Lake Basin

1.2 研究方法

2020年等4场洪水属于梅雨型洪水，均具有降水总量大、历时长、波及范围广、太湖及河网水位高且持续时间长的特点，但降水和水位特性仍有一定差异。本文着重对太湖流域2020年和其他3场洪水对应的流域及各水利分区降水、太湖及河网水位过程进行比较。对于降水要素，分析日时间尺度上洪水期降水强度和集中性，并对比降水的区域分异性。对于水位要素，主要分析洪水期太湖、河网代表站最高水位及水位涨退过程的差异。本文所采用的降水、水位分析指标如表1所示。

表1 太湖流域降水和水位分析指标Tab. 1 Analysis indices of precipitation and water level in Taihu Lake Basin

2 致洪降水过程

2.1 流域降水过程

表2给出了太湖流域2020年等4场大洪水对应的降水过程简况，该表中的涨水期是指当年汛期太湖水位遇致洪降水起涨至达到最高水位的日期。

表2 太湖流域4场大洪水对应的降水过程概况Tab. 2 Overview of the rainfall process corresponding to the four floods in the Taihu Lake Basin

1991年导致太湖水位上涨并达到最高水位的两次降水过程全部发生在梅雨期，两次降水过程中间具有10 d的间歇期。其中第一次降水过程发生在6月8—19日，降水量266.7 mm、日均降水量22.2 mm；第二次降水过程发生在6月30日—7月14日，降水量285.1 mm、日均降水量19.0 mm。

1999年导致太湖水位上涨并达到最高水位的3次降水过程均位于梅雨期，各场降水之间约有5 d间隔期。其中第1次致洪降水过程发生在6月7—11日，降水量和日均降水量分别为182. 6和36.5 mm；第2次致洪降水过程位于6月15—17日，降水量和日均降水量分别为62.6和20.9 mm；第3次致洪降水过程位于6月23日—7月1日，降水量和日均降水量分别为370.3和41.2 mm。可见该年第3次降水过程的累积降水量和平均降水强度均十分突出。

2016年太湖流域致洪降水过程有3次，中间也具有明显间歇期。第1次和第2次降水过程均发生在入梅前。其中第1次致洪降水过程位于5月25日—6月3日，降水量和日均降水量分别为123.2和12.3 mm。第2次致洪降水过程位于6月11—12日，降水量和日均降水量分别为59.8和29.9 mm。第3次致洪降水过程发生在梅雨期的6月19日—7月7日，降水量和日均降水量分别为378.1和19.9 mm。因此，2016年和1999年致洪降水过程具有一定相似性，但降水集中性与后者相差甚远。

2020年形成太湖最高水位的降水过程时间（6月10日—7月21日，共42 d）与当年梅雨期（6月9日—7月21日）基本对应，累积降水量618.5 mm、日均降水量14.7 mm。因此，2020年太湖流域致洪降水时程与其他3个年份有明显不同。根据表2可知，2020年最大连续3日、7日和15日降水量较1999年有明显差距，也不及1991年和2016年，但涨水期降水总量仅低于1999年，超过其他两个年份，最大连续30日降水量与1991年接近、高于2016年。表3进一步给出了4场洪水过程对应的降水时程分布指标。从表3可知，2020年致洪降水过程均匀度最高、集中度最低。这是因为2020年涨水期降水连续，而其他3个年份降水过程具有明显间歇期，尤以1999年最为突出。

表3 4场洪水的涨水期降水时程分布特征值Tab. 3 Statistics of precipitation time distribution during the flood periods of the four floods

2.2 分区降水过程

由图2可知，1991年和2016年洪水期降水属于典型的“北部型”降水，太湖流域北部湖西区、武澄锡虞区降水量明显超过南部浙西、杭嘉湖等分区。1999年洪水期降水则正好相反，属典型的“南部型”降水。而2020年洪水期降水既不属于“北部型”，也不属于“南部型”，该年各分区雨量相对均匀，除浦东浦西区外，北部分区和南部区雨量较为接近，涨水期所有分区降水总量均在500 mm以上。表4给出了2020年等4场洪水涨水期分区降水特征值，表明2020年涨水期太湖流域降水在各分区的分布最均匀，而2016年最不均匀。1991年和2016年北部降水明显超过南部，北部与南部降水比值分别为1.51与1.30；1999年南部降水明显超过北部，北部降水仅为南部的3/4；2020年北部降水与南部基本相当，各分区雨量的极差在4个年份中是最小的。故从空间分布来看，2020年致洪降水代表了一种新的雨型。

表4 太湖流域4场洪水的涨水期分区降水特征值Tab. 4 Statistics of rainfall for the sub-areas during the flood rising periods in the Taihu Lake Basin

图2 太湖流域4场洪水典型区域特征降雨量Fig. 2 Statistics of daily precipitation corresponding to the four floods in the Taihu Lake Basin

2020年湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区涨水期降水总量超过了1999年，但除武澄锡虞区外的其他各分区最大连续3日、7日、15日、30日降水量均明显低于1999年。因此，2020年涨水期多数分区降水量虽高于1999年，但降水集中性明显低于后者。2020年涨水期太湖流域北部的湖西区、武澄锡虞区降水总量及各极值降水量明显低于1991年、2016年，而太湖区、浙西区、杭嘉湖区等分区则相反。

3 河湖水位过程

3.1 太湖水位

图3为2020年等4场洪水在涨水期开始至太湖水位消退至3.80 m期间对应的太湖逐日水位和流域逐日降水过程，表5为4场洪水对应的水位统计参数。1991年洪水期太湖起涨水位为3.37 m，受第1轮致洪降水影响，太湖水位上涨至4.20 m以上，但随后因10 d的降水间歇期（6月20—29日），太湖水位明显回落，在回落过程中又受第2轮降水影响而达到当年最高水位4.79 m。

表5 4场大洪水期间太湖水位过程Tab. 5 Water level process of Taihu Lake during the four floods

图3 4场洪水太湖水位与降水对应过程Fig. 3 Precipitation and water level of the Taihu Lake for the four floods

1999年洪水期太湖起涨水位为3.00 m，入梅后遭遇6月7—11日的第1次降水过程，水位明显上涨；但此后虽有6月15—17日的第2次降水，但雨量总体不大，太湖水位比较稳定；在6月23日—7月1日遭遇第3轮最主要的降水过程（降水量和日均降水量分别为370.3和41.2 mm），至7月8日达到年内最高水位4.97 m。

2016年4—5月太湖流域降水持续偏多，太湖以1954年以来的历史最高水位（3.51 m）入汛。之后太湖水位虽有2次回落，但回落幅度不大。自6月19日开始，太湖水位受连续强降水影响而不断上涨，至7月8日达到年内最高水位4.88 m。

2020年5月下旬起太湖流域遭遇连续性降水过程，太湖水位自6月9日的3.16 m持续上涨，至7月21日达到年内最高的4.79 m。与其他3个年份相比，2020年洪水期太湖水位具有洪水期起涨水位低、上涨持续时间长，洪水消退历时短、速度快的特点，这得益于太湖流域防洪治涝工程体系不断完善及洪水调度水平的提高。

表6为4场洪水的涨水期水位过程的不均匀系数、集中度指标。由表6可知，1999年和2020年涨水期水位过程最不均匀，水位变化最为集中，1991年和2016年则相对均匀。这是因为2020年和1999年最高水位与起涨水位相差较大（分别为1.63和1.97 m），且在上涨过程中均未出现回落现象，而1991年和2016年最高水位与起涨水位之差相对较小（均为1.42 m），且1991年太湖水位上涨过程中还出现回落，导致不均匀系数和集中度偏小。对流域和区域的行洪能力考验越大，造成的防洪压力也越大。因此，1999年和2020年面临的防洪形势更为严峻。

表6 4场洪水的涨水期水位时程分布特征值Tab. 6 Statistics of water level time distribution during the rising periods of the four floods

3.2 河网水位

表7为太湖流域坊前、陈墅、湘城、嘉兴、杭长桥、青浦等6个河网代表站汛期最高水位。可见，除青浦站外，4个年份各河网代表站最高水位均超过或大幅度超过保证水位。2020年南部浙西区杭长桥站最高水位明显高于1991年，杭嘉湖区嘉兴站、阳澄淀泖区湘城站与1991年基本持平，但北部武澄锡虞区陈墅站则明显低于1991年，这一方面是受降水空间分布影响，另一方面受当年洪水调度的影响。1991年洪水期间，由于洪水调度工程不完善，特别是太湖缺乏行洪通道，被迫采取了临时炸坝、水泵强排等措施；2020年洪水，在太湖即将发生超标准洪水之际，迅速编报了《2020年太湖超标洪水应急调度方案》，为超标准洪水防御赢得主动，洪水期间的错峰精细调度保证了东太湖洪水顺利下泄[17]。因此，尽管2020年洪水在涨水期降水量和时间连续性方面更加恶劣，但是除上游的浙西区以外，其他区域面临的防洪压力低于1991年。与2016年相比，2020年北部的坊前和陈墅最高水位低于前者，其他3个代表站均明显高于2016年，尤其是浙西区最为突出。与1999年相比，2020年各分区中杭嘉湖区最高水位高于前者，其他各分区均低于前者。

表7 4场洪水各水利分区代表站水位统计值Tab. 7 Water level statistics of representative gauges in each subarea of the four floods

图4为4个年份各代表站6—9月逐日水位过程。可见，由于各站水位过程受太湖洪水、区域致洪降水和河网水利工程调度等因素影响，因此涨落过程远较太湖水位复杂。武澄锡虞区是1991年、2016年洪水期太湖流域降水中心，陈墅站水位涨落过程代表区域的洪涝情势显然较2020年更为恶劣。

图4 太湖流域河网代表站6—9月水位过程Fig. 4 Water level process of representative gauges in the Taihu Lake Basin from June to September

由图4可知，4场洪水以1999年的洪涝情势最为严峻，2020年湘城站最高水位明显低于1999年，也低于1991年，同时高水位持续时间相对较短、退水较快，但与2016年相比，2020年湘城站水位显然要恶劣一些。

杭嘉湖区是1999年的降雨中心，其反映的区域洪涝情势较其他年份更恶劣[10]。尽管1991年降水集中在北部，受东太湖、运河东岸和太浦河北岸等闸门敞开泄水的影响，该年嘉兴站水位情势也较为严峻[9]。2020年嘉兴站最高水位与1991年相当，但2020年的防洪除涝应对措施准备充分，行洪排涝能力增加，故2020年嘉兴高水位持续时间明显短于后者。2016年嘉兴站水位过程最为平稳，区域防洪压力相对较小。

杭长桥站位于浙西区，其水位过程同时受太湖水位和上游山区来水影响。2020年杭长桥站不仅最高水位较接近1999年，而且涨落过程也较为相似，这说明该年浙西区河网水位情势相当恶劣。

4 结 语

本文开展了太湖流域2020年与2016年、1999年和1991年历史洪水的对比分析，解析了4场洪水对应的降水时空分布特征，比较了太湖及河网代表站水位过程的异同，主要结论如下：

（1）在降水时程分布上，1991年、1999年和2016年太湖涨水期流域降水过程有明显间歇期，而2020年太湖涨水期流域降水则可视为一次连续性降水过程，其集中性低于其他3个年份。在降水空间分布上，1991年和2016年洪水期降水为典型的“北部型”，1999年为典型的“南部型”，而2020年为“全流域”型，各水利分区降水总量和极值降水量相对较为均匀。

（2）受降水过程影响，1991年和2016年洪水期太湖水位上涨过程中均出现一定回落，1999年水位在上涨过程中有平缓期；2020年洪水期太湖水位表现为持续性上涨过程，其平均涨水速度高于1991年和2016年，但低于1999年。在退水方面，2020年退水时间最短、平均退水速率在4个年份中最高。

（3）除青浦站外，2020年太湖流域各河网代表站最高水位均超过或大幅度超过保证水位，各分区代表站中又以浙西区杭长桥站和杭嘉湖区嘉兴站洪水期水位情势较为恶劣。

总体而言，2020年洪水期太湖流域致洪降水时空分布的新特征导致洪水期太湖和河网水位不同于2016年等其他年份。2020年洪水期太湖流域降水总量大、持续性强且在各水利分区分布相对较为均匀，太湖和河网代表站水位持续且居高不下，故太湖和各分区同时面临较大防洪排涝压力。在今后设计暴雨洪水计算和洪水调度预案制订中，应考虑洪水的新特征。

尽管2020年洪水期间太湖及众多河网代表站水位大幅度超过保证水位，但当年直接灾害损失仅1.5亿元（来源于太湖流域管理局），不仅远低于1991年和1999年的洪水损失（直接经济损失分别为113.9亿元和141.0亿元），也明显低于2016年的损失（75.3亿元）[9-11]。其原因一方面在于2020年致洪降水过程较为均匀、各历时极值雨量相对较小；另一方面也得益于流域、区域和城市3个层级的防洪治涝工程体系不断完善及洪水调度管理水平的提高，使太湖及各分区能够更加有效地应对超保证水位的情况。但2020年洪水仍暴露了太湖及区域洪水出路不足、江南运河沿线集中排涝突出等问题。因此，应继续推进治太骨干工程后续建设，同时强化流域与区域防洪除涝协调性。