基于多因素方法的遼寧省汛期分期研究

馮 琳

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

1 背景及意義

汛期是指江河、湖泊洪水在一年中明顯集中出現，容易形成洪澇災害的時期。汛期分期是科學防汛決策的前提，是流域防汛調度管理工作的基礎。合理的流域汛期劃分，對防汛調度管理和流域水資源優化調配工作意義重大。

遼寧省洪澇災害嚴重，受降水時空分布不均影響，水旱災害頻繁發生。在系統開展項目研究以前，遼寧省汛期分期主要有氣象意義上基于大氣環流特征的汛期分期和基于水文要素的汛期分期。氣象汛期分期存在動態性的特點，需根據氣象觀測分析后發布，因此每年的汛期起止時間都在變化，不利于防汛調度組織管理和編制水利工程控制運行預案。而過去基于水文要素汛期特性的汛期分期是利用年最大洪峰流量散布圖外包線法及旬降水量變化相對系數法，通過6～14個代表站2005年以前的資料系列分析的成果，存在資料系列短、代表站少、分析方法理論依據不足的問題。在此背景下，遼寧省陸續啟動了遼寧省汛期分期的研究工作，發動全省各級防辦部門和全省14個水文分局的力量，相繼開展了全省防汛管理工作調研、多種模型分析方法的研究等工作，研究成果已應用于省防汛抗旱指揮調度管理工作，并取得顯著的經濟和社會效益。

2 主要研究內容

2.1 汛期分期問題分析

從遼寧省洪澇災害嚴重的客觀情況、有關法律法規規定、防汛管理要求等方面闡述了汛期分期的重要意義和必要性，系統回顧了遼寧省汛期分期的歷史沿革及現狀，在此基礎上提出目前遼寧省汛期分期存在的問題。

2.2 防汛區域劃分研究

在系統分析遼寧省地形、產匯流特征的空間差異及降水量空間分布特征的基礎上，提出遼寧省防汛區域劃分，闡明了各區域的地形、降水、產匯流特點、相互關系及其對汛期分期的影響。

2.3 基于多要素、多方法的分期研究

按照原因—現象—結果的分析思路，分別基于降水、河道徑流、歷史洪災三要素為研究對象，應用數理統計、模糊集合、一階差分處理、滑動t檢驗等方法，對各防汛區域分別進行汛期劃分。

3 主要研究方法

3.1 基于降水要素的汛期分期

選取水文資料整編的120個常年報汛的雨量站及水文站1956～2010年的日降水量資料進行分析。利用連續兩日累積降水量代替場次降水量，西部、中北部以場次雨量大于40mm、東南部以大于50mm為入汛和出汛標準，借助模糊集理論確定單站汛期起止時間，進而利用外包線來確定區域汛期的開始與結束時間。提出以超過年最大場次降水量多年平均值的場次降水稱為“強場次降水”，主汛期以控制80%以上的“強場次降水”來確定時段，對單站和區域汛期、主汛期起止時間的確定，分別以時間和空間為樣本，采用模糊集合方法分析各日汛期隸屬度。

3.2 基于河道徑流要素的汛期分期

選取68個水文站1956～2010年的年鑒整編資料中的徑流量及洪水資料進行分析。根據遼寧省河道徑流量有明顯的起漲和消落過程的特征，對河道徑流多年平均日流量進行一階差分處理，結合滑動t檢驗方法，確定單站汛期時間，利用模糊集理論確定各區域汛期時間。主汛期以控制80%以上的“大洪水”原則，結合模糊集理論確定單站和各區域的主汛期時間。

3.3 基于歷史洪災要素的汛期分期

從1956～2010年的歷史洪災資料中共摘錄洪災44次，其中一般災害27次，嚴重災害17次。根據各候一般災害和嚴重災害次數，確定遼寧省汛期和主汛期時段。

3.4 主要分析方法

3.4.1 基于降水要素的分析方法

(1)方法一：單站滑動累加距法結合區域隸屬度

先采用滑動累加距法，對單站統計包含80%強場次降水次數的最短時段，則時段的起、止點為單站主汛期的開始、結束時間。再將120個代表站按東南部、中北部、西部分區，利用模糊集理論對各區做隸屬度函數，選U(t)=0.2對應的時間為主汛期開始與結束的時間，即各區域有20%的站進入主汛期就認為該區域進入主汛期?；瑒永奂泳喾ù_定汛期起止時間的步驟如下(見圖1)：

①根據多年“強場次降水”資料系列，統計單站各日發生“強場次降水”的次數；②對一定的時間跨度，逐日滑動計算時間跨度內包括的“強場次降水”發生次數；③以1日為時間步長，逐日增加時間跨度，進行步驟2)；④當某一時間跨度下，累積“強場次降水”發生次數達到80%，即停止，該時段起止時間段即主汛期的開始與結束時間。

(2)方法二：區域內單站匯總結合滑動累加距法

單站“強場次降水”次數統計完以后，先將120個代表站分成東南部、中北部、西部三個區；然后在各區內，統計各日發生“強場次降水”的站年數；根據基于降水要素的主汛期分期概念，利用滑動累加距法選取“強場次降水”站年數占總站年數80%的時段，即為各區主汛期的時段，該時段起、止時間為主汛期的開始、結束時間。

圖1 滑動累加距法示意圖

3.4.2 基于徑流要素的分析方法

考慮到徑流起漲和消退的變化特征，做徑流過程的一階差分序列qi：，qi=Qi-Qi-1。由此，可利用流量一階差分的變幅大小作為汛期開始和結束時間的判斷依據。該研究首先對一階差分取絕對值，然后進行滑動t檢驗，以確定突變點，即汛期起止時間?；瑒觮檢驗的基本思想是把某一序列中兩段子序列均值有無顯著差異看做來自兩個總體均值有無顯著差異的問題來檢驗。如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著水平，可以認為均值發生了質變，有突變發生。

以東白城子站為例，其10日滑動t檢驗的t值如圖2所示，由圖可知非汛期向汛期過度期在5月下旬至6月中上旬，6月8日t值為絕對值最大，故該日為汛期開始時間。根據同樣的思路，可以確定汛期結束時間為9月10日。

圖2 東白城子站平均流量一階差分絕對值10日滑動t檢驗成果圖

采用模糊理論進行單站汛期分期。按照模糊理論，選一年時間作為論域T，將汛期看作論域T中的一個模糊子集{A}，非汛期亦是一個模糊子集{A-}。用隸屬函數Ua(t)來描述在時刻t(t∈T)隸屬于汛期的程度，用Ua-(t)描述隸屬于非汛期的程度。

就單站的上述多年資料系列而言，隸屬函數等于隸屬于某一時刻t的樣本數(年份數)占總樣本數(單站統計年數)的比例。隸屬函數的取值范圍：0≤Ua(t)≤1，0≤Ua-(t)≤1。

利用隸屬函數Ua(t)確定汛期開始與結束時間的原則為：選擇Ua(t)=0.2處對應的時間為該站汛期的開始時間與結束時間，也就是說，對于某一單站，其20%的年份進入汛期，即認為該站進入汛期，20%的年份汛期結束，則認為該站汛期結束。

以荒溝站為例，隸屬函數圖如圖3所示，據此確定荒溝站汛期的開始時間為5月28日，結束時間為9月8日。

圖3 荒溝站歷年連續兩日累積降水量大50mm隸屬度

類似地，統計分析完120個代表站汛期的開始與結束時間。

4 研究成果

4.1 防汛區域劃分研究成果

基于遼寧省地貌特征和雨季旬、月降雨量時空分布特征，對遼寧省防汛區域劃分進行了研究。按地貌形態特征，全省分為遼東山地丘陵、遼西低山丘陵、遼北波狀平原和下遼河平原4個基本地貌單元。全省雨季降水量自東向西呈遞減趨勢。綜合地貌和降雨空間分布，將遼寧省防汛區域應劃分為3大部分，即西部地區、東南部地區和中北部地區。遼東山地丘陵區與遼西低山丘陵區為兩大暴雨中心，構成了遼寧省防汛的兩大重點區域；在兩大防汛區域中間是遼北波狀平原和下遼河平原，年降水量都在650mm左右，與遼河干流及渾太河中下游具有相似的防汛抗旱特征。這為遼寧省防汛抗旱研究及汛期分期提供了重要依據。

4.2 基于降水因素的汛期劃分成果

(1)應用“方法一”，從降水與產流的關系入手，根據遼寧降雨過程特征及降雨產量關系，提出了用連續兩日累積降水量代替場次降水的新思路，結合模糊集理論，確定遼寧省基于降水要素的汛期分期為：東南部地區，5月28日～9月9日；中北部地區，5月31日～9月16日；西部地區，6月4日～9月16日。

(2)應用“方法二”，提出基于降水要素的主汛期分期可以用該地區場次降水發生的頻率來反映。遼寧省基于降水要素確定的主汛期為：東南部地區，7月11日～8月21日；中北部地區，7月13日～8月21；西部地區，7月2日～8月21日。

4.3 基于徑流因素的汛期劃分成果

(1)利用河道日徑流量過程資料確定汛期起止時間時，根據遼寧省河道徑流量有明顯的起漲和消落過程的特征，采用前后兩個10日的日徑流量(多年系列)一階差分系列方差的差異程度作為判斷汛期開始與結束的標志，結合模糊集理論，確定遼寧省基于河道徑流量的汛期分期為：東南部地區，6月1日～9月15日；中北部地區，5月31日～9月18日；西部地區，5月27日～9月20日。

(2)基于主汛期“控制80%以上的‘大洪水’”的原則，結合模糊集理論，遼寧省基于河道徑流要素確定的主汛期為：東南部地區，7月20日～8月20日；中北部地區，7月21日～8月25日；西部地區，7月12日～8月29日。

4.4 基于歷史洪水的汛期劃分成果

洪澇災害的發生與汛期和主汛期分期有密切的關系。該研究選取1956～2010年歷史洪澇災害記錄資料，統計各候內一般災害和嚴重災害洪災發生次數，在此基礎上確定汛期、主汛期。統計結果表明，所有災害都發生在6月11日至9月5日之間；79%的一般災害和100%的嚴重災害均發生在7月11日至8月20日。因此，基于歷史洪澇災害統計，確定遼寧省汛期為6月11日～9月5日，主汛期為7月11日～8月20日。

4.5 綜合分析結果

綜合基于降水量、河道徑流量、歷史洪災等要素的遼寧省不同防汛區域汛期、主汛期劃分結果，并根據1955年及以前的河道徑流、近10年大型水庫日平均入庫流量資料以及洪澇災害資料對汛期、主汛期分期結果的驗證，同時考慮防汛管理實踐，綜合確定遼寧省汛期統一為6月1日～9月20日，共112天，主汛期為7月10日至8月20日，共42天。

5 結語

根據全省120個代表站多年平均日降雨量統計，汛期(6月1日至9月20日)降水量占全年降水量的70%左右；主汛期(7月10日至8月20日)降水量占全年降水量的40%左右；主汛期降水量占汛期降水量的55%左右。對于上述規律，全省東南部地區、中北部地區、西部地區均具有一致性。

汛期分期對防汛管理的科學化意義重大。進行汛期分期研究明確了非汛期、汛期、主汛期的過渡關系及各時期降水量分配規律，使防汛預案的制定、防汛重點工作的轉移有據可依。隨著經濟社會的快速發展，汛期分期在防洪保安全及洪水資源利用方面的作用必將越來越深遠，具有重大的技術經濟價值。

[1] 趙艷濤. 克孜爾水庫提高主汛期汛限水位合理性分析[J]. 水利規劃與設計, 2016(12): 124- 127.

[2] 李林, 梁國華. 水庫汛期分期的關鍵問題研究[J]. 水利規劃與設計, 2016(02): 41- 42, 110, 113.

[3] 李成林. 模糊最優分割法及其在燕山水庫汛期水位分期劃分中的應用[J]. 河南水利與南水北調, 2014(23): 35- 36.

[4] 白樺, 楊筱筱, 魯向暉, 等. 基于集對分析的贛江中上游流域汛、 枯水期分期研究[J]. 水文, 2014, 34(03): 43- 47, 23.

[5] 魏煒. 水庫汛期分期調度研究及效應評價[D]. 廣西大學, 2014.

[6] 李敏, 陳守煜, 王運濤, 等. 基于可變集的汛期分期多指標識別方法[J]. 水利學報, 2013, 44(12): 1420- 1424.

[7] 王雙銀, 楊筱筱. 基于相關系數和Fisher最優分割法的汛期分期研究[J]. 水文, 2011, 31(04): 1- 5.

[8] 李曉英, 陳守倫, 秦思平. 基于模糊理論的烏江梯級電站汛期劃分研究[J]. 人民黃河, 2010, 32(02): 118- 119.

[9] 張建生, 黃強, 馬永勝, 等. 水庫汛期分期及其評價方法[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版), 2009, 37(10): 229- 234.

[10] 張秀菊, 董增川, 李秀平. 基于洪水資源利用的汛期分期研究[J]. 水力發電, 2008, 34(12): 36- 39, 63.

[11] 王琳莉, 陳星. 一種新的汛期降水集中期劃分方法[J]. 長江流域資源與環境, 2006(03): 352- 355.