水庫汛期分期的關鍵問題研究

李 林，梁國華

（1.水利部水利水電規劃設計研究總院，北京100120；2.大連理工大學建設工程學部水利工程學院，遼寧大連116023）

?

水庫汛期分期的關鍵問題研究

李 林1，梁國華2

（1.水利部水利水電規劃設計研究總院，北京100120；2.大連理工大學建設工程學部水利工程學院，遼寧大連116023）

摘要：針對我國暴雨洪水的季節性變化規律在不同地區存在明顯差異特點以及汛期分期的難點問題，結合《水庫汛期水位動態控制方案編制關鍵技術研究》課題，以水庫汛限水位動態控制研究試點水庫為背景，在深入分析暴雨洪水在汛期內的變化特征及地區分布規律的基礎上，采用成因分析法和數理統計等方法開展汛期分期的指標、數量以及相鄰分期分界點等關鍵問題研究，并提出了水庫汛期分期宜采用的方法、指標及其分解點判斷標準。

關鍵詞：水庫；汛期分期；分期方法；分期指標；分界點

1　問題提出

我國已建水庫8萬多座，其中大中型水庫3500余座，多數大中型水庫具有防洪與興利的雙重任務。大多水庫興建于20世紀50～70年代，受當時的發展水平、技術條件、水文設計資料系列短缺的限制，未能結合當地暴雨洪水的季節性變化規律，對汛期進行合理劃分，水庫在整個汛期采用固定的汛期限制水位度汛，其結果往往出現水庫汛期不敢蓄水且棄水較多、汛后卻難以蓄滿的不合理現象，一定程度上影響了水庫綜合利用效益的發揮［1-3］。

為提高洪水資源利用率與水庫的蓄滿率，有效發揮現有水庫工程的綜合利用效益，2001年底，國家防汛抗旱總指揮部辦公室布置開展了水庫汛限水位設計與運用專題研究。通過研究各方的共同努力，基礎理論研究取得了一定突破，系統總結了我國水庫汛限水位設計與運用的理論與實踐經驗，初步形成了我國水庫汛期分期與分期洪水設計方法、洪水預報調度規劃設計、分期汛限水位確定、汛限水位實時動態調度運用等相關領域的部分實際運用成果，也獲得了較好的社會與經濟效益。針對我國暴雨洪水的季節性變化規律在不同地區存在明顯差異特點，眾多學者競相開展汛期分期的研究，提出了成因分析法、數理統計法和模糊統計法等汛期分期方法［4-7］，但如何確定汛期的分期指標、分期數量以及相鄰分期分界點，仍是困擾水庫汛期分期的難點。為規范水庫汛期分期的原則、方法以及指標，2012年1月，水利部國際合作與科技司委托水利部水利水電規劃設計總院和大連理工大學聯合開展《水庫汛期水位動態控制方案編制關鍵技術研究》子課題《分期洪水及防洪調度研究》的研究工作，該子課題重點研究水庫汛期洪水分期方法、汛期分期分界點選取的原則和適用條件。

2　研究思路

2.1 研究思路

首先分析總結了水庫汛期分期的研究成果和國家防汛抗旱總指揮部辦公室開展水庫汛限水位動態控制研究的兩批23座試點水庫的應用成果（第一批試點水庫12座分別為察爾森水庫、寑窩水庫、新立城水庫、碧流河水庫、密云水庫、門樓水庫、東武仕水庫、故縣水庫、白龜山水庫、漳河水庫、五強溪水庫、合浦水庫等；第二批試點水庫11座分別為大伙房水庫、潘家口水庫、黃壁莊水庫、萬家寨水庫、漳澤水庫、板橋水庫、隔河巖水庫、大橋水庫、巖灘水庫、水口水庫、萬安水庫等）；其次針對不同區域暴雨洪水在汛期內的變化特征及地區分布規律，結合全國50多個水庫汛期分期的具體情況，分別采用數理統計法、成因分析法和模糊統計法對不同地區的重點水庫（東北地區選取大伙房水庫、尼爾基水庫和碧流河水庫，華北地區選取密云水庫和于橋水庫，中部地區選取板橋水庫和五強溪水庫，南方地區選取水口水庫等）其進行汛期分期研究，研究主要采用降雨量、入庫流量和洪峰等指標；最后通過綜合分析比較，確定汛期的分期指標及其分界點確定的指標值。

2.2 研究步驟

針對不同地區的水庫，首先要分析其暴雨洪水在汛期內的變化特征及地區分布規律和暴雨洪水的天氣成因及洪水時空分布，然后再進行汛期分期。其步驟如下：

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

（2）從成因分析角度尋找這些指標與天氣系統、大氣環流之間的相關程度。統計水庫及其下游防洪控制斷面產生歷史暴雨洪水的主要天氣系統，結合大氣環流演變規律，分析暴雨的物理成因與時空分布特性；分析主要天氣系統在汛期各階段的演化特征，總結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，為汛期分期論證提供物理依據。

（3）結合流域具體情況，可采用日降雨、日流量、旬平均降雨及平均流量、入庫洪峰流量和水庫水位等多種分期指標，繪制該指標或指標超過某一量級的時程分布散點圖，分析指標在年內的變化規律，如集中程度、季節變化、各時段出現頻率等，當指標相對變化值突變到某一量值時，則認為該點為汛期分期的分界點。

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

3　研究成果

基于不同地區水庫的汛期分期成果的統計分析成果，以及采用不同指標和不同分期方法對典型水庫的實例研究，提出了汛期分期方法、指標和標準。

3.1 汛期分期方法

汛期分期方法有成因分析法、數理統計法、模糊統計法、分形分析法、模糊集合分析法、系統聚類法、均值變點和概率變點等。除了成因分析法以外，其他方法實質也是數理統計方法，從研究結果看，跟常規的數理統計方法相近。因此，為具有可操作性，分期方法應以成因分析法和數理統計方法為主，也可輔以其它方法。成因分析法確定的主汛期一般較長，需結合數理統計方法確定指標值的突變點和相鄰兩期的分界點。成因分析法、數理統計法具體應用如下：

（1）成因分析法

成因分析應主要根據汛期不同時期的副熱帶高壓活動、西風帶活動、熱帶環流、大氣中的水汽等因素影響流域降水的動力條件和水汽供應條件進行分析，如分析西風帶長波槽時空變化，南支急流時空變化，熱帶氣旋或臺風移動路徑、強度，太平洋副熱帶高壓脊位置變化，高空或地面比濕線時空分布等。

應選取流域某一量級暴雨量、設計防洪斷面洪峰和泄量、河道水位高度等指標，分析其在汛期的變化規律，尋求其與天氣系統、大氣環流之間的相關密切程度，并根據成因分析結果，以突變點作為汛期分期的劃分點。

（2）數理統計法

采用數理統計法分析時，應利用實測歷史流量、雨量等資料，分析其在汛期的變化規律。

汛期分期的劃分點應根據統計描述汛期的指標、點繪指標的散布圖取外包線或頻率分析確定。

3.2 汛期分期指標和標準

汛期分期分界點分析的主要指標包括統計時段（月、旬、侯）的平均降雨量、平均流量和年最大洪峰流量發生頻次以及日降雨量大于某一量級的比例等，指標系列長度不應小于30年。當某一分期分界點指標的統計值或相對值在前后兩個統計時段（月、旬、侯）有明顯變化時，則該時間交點為此分期指標前后兩期的分界點。指標量化標準如下：

（1）汛期各旬（候）歷年調查和實測最大洪峰流量，若某旬（候）發生年最大洪峰流量的量級明顯大于鄰期，或該旬（候）內發生年最大洪峰流量次數占整個汛期發生次數的比例大于10%～15%時，可認為該時段處于主汛期。

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

（3）汛期各月、旬（候）暴雨（洪水）天數，各旬（候）日降雨大于大雨（或暴雨）量級的天數占整個汛期總發生的天數超過10%時，可認為該時段處于主汛期。

（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，則可認為時段處于主汛期。

4　結語

（1）上述研究結論是在統計分析56座水庫的汛期分期成果和23座試點水庫的分期研究成果的基礎上得到的。

（2）考慮到暴雨洪水的季節性變化規律在不同地區存在明顯差異，在進行汛期分期時，應采用多種汛期分期指標分析暴雨洪水在汛期內的變化規律與暴雨洪水的天氣成因的關系，綜合確定汛期分期的分界點。同時，應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）本次進行實例研究的水庫中，由于資料問題，北方地區的水庫較多，南方地區的水庫數量較少，今后隨著南方典型水庫的增加，可進一步復核本次擬定的汛期分期的指標和標準。

參考文獻

［1］邱瑞田，王本德，周惠成.水庫汛期限制水位控制理論與觀念的更新探討［J］.水科學進展，2004（01）.

［2］劉克琳，王銀堂，胡四一.水庫汛期分期定量分析方法的應用比較研究［J］.水利水電技術，2006（09），76-78，82.

［3］蔣云鐘，周惠成，王本德，等.北方水庫汛期描述的綜合分析方法［J］.水電能源科學，1995（03）.

［4］安宵，王本德，張東方，等.于橋水庫汛期分期研究［J］.海河水利，2007（01），30-33.

［5］王本德，周惠成，等.水庫汛限水位動態控制理論與方法及其應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

作者簡介：李 林（1975—），男，高級工程師。

基金項目：國家水利行業公益性科研項目：《水庫汛期水位動態控制方案編制關鍵技術研究》（201201054）。

收稿日期：2016-01-19

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.015

中圖分類號：TV213

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2469（2016）02-0041-02