汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水特性研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

山西之長(zhǎng)在于煤，山西之短在于水。眾所周知，山西省水資源嚴(yán)重短缺，全省人均水資源占有量?jī)H為381m3，水資源短缺問(wèn)題一直制約著山西省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高。另外，受氣候影響，降水分布極不均勻，山西省還是山洪災(zāi)害頻發(fā)的省份之一，旱情經(jīng)常發(fā)生。因此，科學(xué)合理地分析汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水規(guī)律，挖掘洪水資源利用潛力，提高洪水資源利用率，是緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾的重要途徑之一。

1 研究區(qū)概況

汾河是黃河第二大支流，也是山西的母親河。山西省最大的水庫(kù)——汾河水庫(kù)，位于汾河上游段中部、距河源123km的婁煩縣下石家莊村，水庫(kù)距省會(huì)太原市83km。汾河水庫(kù)于1958年7月開(kāi)始興建，于1961年開(kāi)始蓄水投入運(yùn)行，是山西省內(nèi)的一座大(2)型多年調(diào)節(jié)水利樞紐工程，水庫(kù)庫(kù)區(qū)總面積約32km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容約為7.22億m3。水庫(kù)的主要目標(biāo)是防洪、灌溉及城市與工業(yè)供水，同時(shí)兼顧發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益。汾河水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水為百年一遇，校核洪水為兩千年一遇[1]。

汾河水庫(kù)控制流域面積為5268km2，汾河水庫(kù)的主要水源是上游干流以及支流嵐河、澗河。河岔、上靜游和婁煩3個(gè)水文站分別位于汾河的干、支流，各水文站控制流域面積及所占面積比例見(jiàn)表1[2]。

表1 河岔、上靜游和婁煩水文站控制流域面積比例

由表1可看到，汾河水庫(kù)壩址以上的河岔、上靜游和婁煩3個(gè)水文站累計(jì)流域面積占水庫(kù)控制流域面積的94%，因此，本文采用河岔、上靜游和婁煩水文站1995—2016年逐年洪水資料疊加后洪水過(guò)程作為汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水資料，在此基礎(chǔ)上分析汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水規(guī)律。

2 汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水規(guī)律分析

2.1 多年月平均徑流量年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)

根據(jù)3個(gè)水文站的洪水資料統(tǒng)計(jì)分析，汾河水庫(kù)年內(nèi)來(lái)水量分配很不均勻。其中，8月、9月是歷年來(lái)水最多的月份；一年內(nèi)一般7—9月為豐水期，逐月平均流量均大于13.5m3/s，來(lái)水量占全年來(lái)水量的一半以上；7—10月的來(lái)水量占全年的66%。3月、11月雖然沒(méi)有洪水發(fā)生，但徑流量均超過(guò)6月，月平均流量較大。6月平均徑流量?jī)H為0.1483億m3，但卻有發(fā)生大洪水的可能，是年內(nèi)月內(nèi)徑流分布最不均勻的時(shí)期。汾河水庫(kù)來(lái)水特點(diǎn)為“枯中有豐、豐中有枯”，年內(nèi)分布很不均，變化比較劇烈。天然來(lái)水的這種特點(diǎn)給水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)帶來(lái)了一定程度的困難。圖1～圖4分別為河岔、上靜游、婁煩以及汾河水庫(kù)多年年徑流年內(nèi)分配過(guò)程。

圖1 河岔站多年平均月徑流年內(nèi)分配情況

圖2 上靜游站多年平均月徑流年內(nèi)分配情況

圖3 婁煩站多年平均月徑流年內(nèi)分配情況

圖4 汾河水庫(kù)多年平均月徑流年內(nèi)分配情況

2.2 汾河水庫(kù)洪水月分布規(guī)律

研究中，根據(jù)汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水的特征及水庫(kù)實(shí)際情況，選定當(dāng)河岔、上靜游和婁煩3個(gè)水文站疊加的時(shí)段洪峰流量超過(guò)50m3/s時(shí)，即記為一場(chǎng)洪水過(guò)程。最終統(tǒng)計(jì)得到汾河水庫(kù)1995—2016年22年間，共有53場(chǎng)洪水過(guò)程(本文中連峰、多峰洪水皆按一場(chǎng)洪水考慮)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，汾河水庫(kù)每年的非汛期為當(dāng)年10月到次年5月，汛期為6—9月，7月、8月為主汛期。

表2為汾河水庫(kù)22年間入庫(kù)洪水按月分布情況，圖5為汾河水庫(kù)22年間年內(nèi)洪水次數(shù)分布曲線。

圖5 汾河水庫(kù)年內(nèi)洪水次數(shù)統(tǒng)計(jì)及其分布曲線

月份月洪水發(fā)生次數(shù)百分比/%100 200 300 400 500 6917 72241 81936 924 1012 1100 1200

2.3 汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水年內(nèi)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

眾所周知，河流水情的變化在一年中有3個(gè)階段：非汛期、汛期和非汛期。本文將主汛期前一段時(shí)間稱為增強(qiáng)期，主汛期后的一段時(shí)間稱為汛情衰減期[3]。根據(jù)汾河水庫(kù)特點(diǎn)，多年平均增強(qiáng)期約在6月30日之前，衰減期在9月1日之后。表3～表5為汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水年內(nèi)分布次數(shù)統(tǒng)計(jì)及其概率分布情況。

表3 汾河水庫(kù)1995—2016年統(tǒng)計(jì)洪峰次數(shù)及其概率分布

表4 汾河水庫(kù)1995—2016年入庫(kù)洪水次數(shù)統(tǒng)計(jì)及洪水年內(nèi)分布

表5 汾河水庫(kù)年內(nèi)可能洪水次數(shù)、極可能洪水次數(shù)概率計(jì)算

經(jīng)統(tǒng)計(jì)汾河水庫(kù)22年53場(chǎng)洪水情況，入庫(kù)洪水的洪峰流量均值為205m3/s。表3中第2行第2列顯示汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水在22年內(nèi)，有5年每年發(fā)生了1次洪峰流量大于50m3/s的洪水；同理，表中第3行第3列顯示有2年每年發(fā)生了2次洪峰流量大于100m3/s的洪水；其余以此類推。

由表5可知，汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水洪峰流量大于50m3/s的，年極可能發(fā)生1～4次，其計(jì)算概率達(dá)到0.813；洪峰流量大于300m3/s的，年極可能發(fā)生0～1次，其計(jì)算概率達(dá)到0.925；年主汛期極可能發(fā)生0～3次洪水，計(jì)算概率為0.881。

2.4 汾河水庫(kù)徑流年型與年洪水次數(shù)

一般而言，水文年型分為豐水年、平水年和枯水年。豐水年來(lái)水量相對(duì)較大，發(fā)生洪水次數(shù)較多；枯水年來(lái)水量相對(duì)較小，發(fā)生洪水的次數(shù)較少。由于河岔站、婁煩站和上靜游站徑流系列均不到30年，為保證徑流年型劃分有代表性，一般要求年徑流量系列長(zhǎng)度不少于30年。本研究選用位于河岔站上游的靜樂(lè)站作為研究對(duì)象，以靜樂(lè)站徑流系列資料作為汾河水庫(kù)徑流年型劃分為豐、平、枯水年的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)靜樂(lè)站1956—2016年實(shí)測(cè)年徑流資料，平均年徑流量為2.241億m3，最大年徑流量發(fā)生在1967年，為8.191億m3，最枯年徑流量發(fā)生在2001年，為0.6300億m3；年徑流的豐枯比達(dá)13倍之多。靜樂(lè)站豐、平、枯水年劃分情況見(jiàn)表6。

表6 靜樂(lè)站豐、平、枯年型劃分

根據(jù)表6的靜樂(lè)站年型劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)靜樂(lè)站1956—2016年61年的豐、平、枯年型，成果見(jiàn)表7。

表7 靜樂(lè)站1956—2016年逐年豐、平、枯年型統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表7可以看出，靜樂(lè)站在1956—2016年間，平水年和豐水年易發(fā)生，兩者的比例占到了75%。對(duì)于不同年代，豐、平、枯水年出現(xiàn)次數(shù)比較平均。以枯水年為例，除20世紀(jì)50年代沒(méi)有出現(xiàn)枯水年外，其他年代均有出現(xiàn)，平均出現(xiàn)1～3次，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)次數(shù)最多，為4次。豐水年出現(xiàn)次數(shù)最多，為24次，所占比例為39%。

為了與靜樂(lè)站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)河岔、上靜游和婁煩3站疊加的洪水結(jié)果統(tǒng)計(jì)了汾河水庫(kù)站1995—2016年豐、平、枯年型分布和相應(yīng)的年洪水次數(shù)，見(jiàn)表8。

表8 豐、平、枯年型與年洪水次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表8可以看出，汾河水庫(kù)近22年來(lái)，豐、平、枯年型出現(xiàn)頻次相差不大，其中平水年出現(xiàn)次數(shù)最多，為9次，占41%，枯水年出現(xiàn)了7次，豐水年出現(xiàn)6次，基本上豐、平、枯水年交替出現(xiàn)。22年中，豐水年共發(fā)生了26場(chǎng)洪水，年均洪水次數(shù)為4.33場(chǎng)；平水年洪水年均發(fā)生了1.33場(chǎng)；枯水年洪水年均發(fā)生了2.14場(chǎng)。

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：在豐水年，汾河水庫(kù)年均洪水場(chǎng)次相對(duì)平水年和枯水年要多；雖然枯水年來(lái)水量較少，但發(fā)生的洪水場(chǎng)次卻比平水年略多，說(shuō)明汾河水庫(kù)在枯水年天然來(lái)水量分布極不均勻，洪水更容易集中發(fā)生；平水年洪水發(fā)生場(chǎng)次與枯水年相比相差不大，年內(nèi)水量分布極不均勻，洪水較豐水年更容易集中發(fā)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汾河水庫(kù)入庫(kù)洪水從多年月平均徑流量年內(nèi)分配、年內(nèi)次數(shù)分析及其概率、月分布規(guī)律和徑流年型與洪水次數(shù)4個(gè)方面的初步分析，得出汾河水庫(kù)流域內(nèi)洪水特性變化規(guī)律，為今后汾河水庫(kù)流域的合理開(kāi)發(fā)、洪水資源化利用、水庫(kù)防洪調(diào)度以及水資源短缺問(wèn)題提供一定的科學(xué)依據(jù)。