水庫(kù)汛期分期的關(guān)鍵問(wèn)題研究

李 林，梁國(guó)華

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，北京100120；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧大連116023）

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水庫(kù)汛期分期的關(guān)鍵問(wèn)題研究

李 林1，梁國(guó)華2

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，北京100120；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧大連116023）

摘要：針對(duì)我國(guó)暴雨洪水的季節(jié)性變化規(guī)律在不同地區(qū)存在明顯差異特點(diǎn)以及汛期分期的難點(diǎn)問(wèn)題，結(jié)合《水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制關(guān)鍵技術(shù)研究》課題，以水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究試點(diǎn)水庫(kù)為背景，在深入分析暴雨洪水在汛期內(nèi)的變化特征及地區(qū)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法開(kāi)展汛期分期的指標(biāo)、數(shù)量以及相鄰分期分界點(diǎn)等關(guān)鍵問(wèn)題研究，并提出了水庫(kù)汛期分期宜采用的方法、指標(biāo)及其分解點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；汛期分期；分期方法；分期指標(biāo)；分界點(diǎn)

1　問(wèn)題提出

我國(guó)已建水庫(kù)8萬(wàn)多座，其中大中型水庫(kù)3500余座，多數(shù)大中型水庫(kù)具有防洪與興利的雙重任務(wù)。大多水庫(kù)興建于20世紀(jì)50～70年代，受當(dāng)時(shí)的發(fā)展水平、技術(shù)條件、水文設(shè)計(jì)資料系列短缺的限制，未能結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯旰樗募竟?jié)性變化規(guī)律，對(duì)汛期進(jìn)行合理劃分，水庫(kù)在整個(gè)汛期采用固定的汛期限制水位度汛，其結(jié)果往往出現(xiàn)水庫(kù)汛期不敢蓄水且棄水較多、汛后卻難以蓄滿的不合理現(xiàn)象，一定程度上影響了水庫(kù)綜合利用效益的發(fā)揮［1-3］。

為提高洪水資源利用率與水庫(kù)的蓄滿率，有效發(fā)揮現(xiàn)有水庫(kù)工程的綜合利用效益，2001年底，國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室布置開(kāi)展了水庫(kù)汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用專題研究。通過(guò)研究各方的共同努力，基礎(chǔ)理論研究取得了一定突破，系統(tǒng)總結(jié)了我國(guó)水庫(kù)汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步形成了我國(guó)水庫(kù)汛期分期與分期洪水設(shè)計(jì)方法、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)劃設(shè)計(jì)、分期汛限水位確定、汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度運(yùn)用等相關(guān)領(lǐng)域的部分實(shí)際運(yùn)用成果，也獲得了較好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)我國(guó)暴雨洪水的季節(jié)性變化規(guī)律在不同地區(qū)存在明顯差異特點(diǎn)，眾多學(xué)者競(jìng)相開(kāi)展汛期分期的研究，提出了成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和模糊統(tǒng)計(jì)法等汛期分期方法［4-7］，但如何確定汛期的分期指標(biāo)、分期數(shù)量以及相鄰分期分界點(diǎn)，仍是困擾水庫(kù)汛期分期的難點(diǎn)。為規(guī)范水庫(kù)汛期分期的原則、方法以及指標(biāo)，2012年1月，水利部國(guó)際合作與科技司委托水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院和大連理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展《水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制關(guān)鍵技術(shù)研究》子課題《分期洪水及防洪調(diào)度研究》的研究工作，該子課題重點(diǎn)研究水庫(kù)汛期洪水分期方法、汛期分期分界點(diǎn)選取的原則和適用條件。

2　研究思路

2.1 研究思路

首先分析總結(jié)了水庫(kù)汛期分期的研究成果和國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室開(kāi)展水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究的兩批23座試點(diǎn)水庫(kù)的應(yīng)用成果（第一批試點(diǎn)水庫(kù)12座分別為察爾森水庫(kù)、寑窩水庫(kù)、新立城水庫(kù)、碧流河水庫(kù)、密云水庫(kù)、門(mén)樓水庫(kù)、東武仕水庫(kù)、故縣水庫(kù)、白龜山水庫(kù)、漳河水庫(kù)、五強(qiáng)溪水庫(kù)、合浦水庫(kù)等；第二批試點(diǎn)水庫(kù)11座分別為大伙房水庫(kù)、潘家口水庫(kù)、黃壁莊水庫(kù)、萬(wàn)家寨水庫(kù)、漳澤水庫(kù)、板橋水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)、大橋水庫(kù)、巖灘水庫(kù)、水口水庫(kù)、萬(wàn)安水庫(kù)等）；其次針對(duì)不同區(qū)域暴雨洪水在汛期內(nèi)的變化特征及地區(qū)分布規(guī)律，結(jié)合全國(guó)50多個(gè)水庫(kù)汛期分期的具體情況，分別采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、成因分析法和模糊統(tǒng)計(jì)法對(duì)不同地區(qū)的重點(diǎn)水庫(kù)（東北地區(qū)選取大伙房水庫(kù)、尼爾基水庫(kù)和碧流河水庫(kù)，華北地區(qū)選取密云水庫(kù)和于橋水庫(kù)，中部地區(qū)選取板橋水庫(kù)和五強(qiáng)溪水庫(kù)，南方地區(qū)選取水口水庫(kù)等）其進(jìn)行汛期分期研究，研究主要采用降雨量、入庫(kù)流量和洪峰等指標(biāo)；最后通過(guò)綜合分析比較，確定汛期的分期指標(biāo)及其分界點(diǎn)確定的指標(biāo)值。

2.2 研究步驟

針對(duì)不同地區(qū)的水庫(kù)，首先要分析其暴雨洪水在汛期內(nèi)的變化特征及地區(qū)分布規(guī)律和暴雨洪水的天氣成因及洪水時(shí)空分布，然后再進(jìn)行汛期分期。其步驟如下：

（1）確定表征水庫(kù)“汛期”或“主汛期”確切涵義的主要特征指標(biāo)，如某一量級(jí)暴雨量、入庫(kù)洪峰與洪量、日降雨、日流量、旬平均降雨及平均流量和水庫(kù)水位等。

（2）從成因分析角度尋找這些指標(biāo)與天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流之間的相關(guān)程度。統(tǒng)計(jì)水庫(kù)及其下游防洪控制斷面產(chǎn)生歷史暴雨洪水的主要天氣系統(tǒng)，結(jié)合大氣環(huán)流演變規(guī)律，分析暴雨的物理成因與時(shí)空分布特性；分析主要天氣系統(tǒng)在汛期各階段的演化特征，總結(jié)歸納由其所形成的暴雨洪水特征在汛期各階段的變化趨勢(shì)，為汛期分期論證提供物理依據(jù)。

（3）結(jié)合流域具體情況，可采用日降雨、日流量、旬平均降雨及平均流量、入庫(kù)洪峰流量和水庫(kù)水位等多種分期指標(biāo)，繪制該指標(biāo)或指標(biāo)超過(guò)某一量級(jí)的時(shí)程分布散點(diǎn)圖，分析指標(biāo)在年內(nèi)的變化規(guī)律，如集中程度、季節(jié)變化、各時(shí)段出現(xiàn)頻率等，當(dāng)指標(biāo)相對(duì)變化值突變到某一量值時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)為汛期分期的分界點(diǎn)。

（4）考慮到不同地區(qū)地形及下墊面條件的影響導(dǎo)致匯流時(shí)間有所差別，在實(shí)際應(yīng)用中，單靠某一種方法和單一指標(biāo)確定分界點(diǎn)都是不可取的，應(yīng)采用多種方法進(jìn)行降雨量和流量多個(gè)指標(biāo)綜合分析論證，在保證防洪安全的前提下確定汛期分期。

3　研究成果

基于不同地區(qū)水庫(kù)的汛期分期成果的統(tǒng)計(jì)分析成果，以及采用不同指標(biāo)和不同分期方法對(duì)典型水庫(kù)的實(shí)例研究，提出了汛期分期方法、指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 汛期分期方法

汛期分期方法有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模糊統(tǒng)計(jì)法、分形分析法、模糊集合分析法、系統(tǒng)聚類法、均值變點(diǎn)和概率變點(diǎn)等。除了成因分析法以外，其他方法實(shí)質(zhì)也是數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，從研究結(jié)果看，跟常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相近。因此，為具有可操作性，分期方法應(yīng)以成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法為主，也可輔以其它方法。成因分析法確定的主汛期一般較長(zhǎng)，需結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定指標(biāo)值的突變點(diǎn)和相鄰兩期的分界點(diǎn)。成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法具體應(yīng)用如下：

（1）成因分析法

成因分析應(yīng)主要根據(jù)汛期不同時(shí)期的副熱帶高壓活動(dòng)、西風(fēng)帶活動(dòng)、熱帶環(huán)流、大氣中的水汽等因素影響流域降水的動(dòng)力條件和水汽供應(yīng)條件進(jìn)行分析，如分析西風(fēng)帶長(zhǎng)波槽時(shí)空變化，南支急流時(shí)空變化，熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑、強(qiáng)度，太平洋副熱帶高壓脊位置變化，高空或地面比濕線時(shí)空分布等。

應(yīng)選取流域某一量級(jí)暴雨量、設(shè)計(jì)防洪斷面洪峰和泄量、河道水位高度等指標(biāo)，分析其在汛期的變化規(guī)律，尋求其與天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流之間的相關(guān)密切程度，并根據(jù)成因分析結(jié)果，以突變點(diǎn)作為汛期分期的劃分點(diǎn)。

（2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法分析時(shí)，應(yīng)利用實(shí)測(cè)歷史流量、雨量等資料，分析其在汛期的變化規(guī)律。

汛期分期的劃分點(diǎn)應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)描述汛期的指標(biāo)、點(diǎn)繪指標(biāo)的散布圖取外包線或頻率分析確定。

3.2 汛期分期指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

汛期分期分界點(diǎn)分析的主要指標(biāo)包括統(tǒng)計(jì)時(shí)段（月、旬、侯）的平均降雨量、平均流量和年最大洪峰流量發(fā)生頻次以及日降雨量大于某一量級(jí)的比例等，指標(biāo)系列長(zhǎng)度不應(yīng)小于30年。當(dāng)某一分期分界點(diǎn)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值或相對(duì)值在前后兩個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段（月、旬、侯）有明顯變化時(shí)，則該時(shí)間交點(diǎn)為此分期指標(biāo)前后兩期的分界點(diǎn)。指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）汛期各旬（候）歷年調(diào)查和實(shí)測(cè)最大洪峰流量，若某旬（候）發(fā)生年最大洪峰流量的量級(jí)明顯大于鄰期，或該旬（候）內(nèi)發(fā)生年最大洪峰流量次數(shù)占整個(gè)汛期發(fā)生次數(shù)的比例大于10%～15%時(shí)，可認(rèn)為該時(shí)段處于主汛期。

（2）汛期各月、旬（候）年平均流量，若連續(xù)旬（候）平均流量明顯大于汛期平均流量時(shí)，可認(rèn)為該時(shí)段處于主汛期。

（3）汛期各月、旬（候）暴雨（洪水）天數(shù)，各旬（候）日降雨大于大雨（或暴雨）量級(jí)的天數(shù)占整個(gè)汛期總發(fā)生的天數(shù)超過(guò)10%時(shí)，可認(rèn)為該時(shí)段處于主汛期。

（4）汛期各月、旬（候）降雨量，若旬（候）多年平均降雨量大于汛期多年平均旬降雨量，則可認(rèn)為時(shí)段處于主汛期。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）上述研究結(jié)論是在統(tǒng)計(jì)分析56座水庫(kù)的汛期分期成果和23座試點(diǎn)水庫(kù)的分期研究成果的基礎(chǔ)上得到的。

（2）考慮到暴雨洪水的季節(jié)性變化規(guī)律在不同地區(qū)存在明顯差異，在進(jìn)行汛期分期時(shí)，應(yīng)采用多種汛期分期指標(biāo)分析暴雨洪水在汛期內(nèi)的變化規(guī)律與暴雨洪水的天氣成因的關(guān)系，綜合確定汛期分期的分界點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)參考參照工程上下游和鄰近流域工程洪水分期的劃分成果。

（3）本次進(jìn)行實(shí)例研究的水庫(kù)中，由于資料問(wèn)題，北方地區(qū)的水庫(kù)較多，南方地區(qū)的水庫(kù)數(shù)量較少，今后隨著南方典型水庫(kù)的增加，可進(jìn)一步復(fù)核本次擬定的汛期分期的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李 林（1975—），男，高級(jí)工程師。

基金項(xiàng)目：國(guó)家水利行業(yè)公益性科研項(xiàng)目：《水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制關(guān)鍵技術(shù)研究》（201201054）。

收稿日期：2016-01-19

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.015

中圖分類號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0041-02