基于不同類型指標(biāo)的水庫汛期分期研究

孫 新

（撫順大伙房水庫發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113007）

大伙房水庫位于渾河中上游，座落在遼寧撫順境內(nèi)，控制流域面積5437 km2，是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼顧發(fā)電和養(yǎng)殖的綜合利用大型水利工程[1]。

大伙房水庫設(shè)計(jì)汛限水位126.40 m，興利蓄水位131.50 m，設(shè)計(jì)洪水位136.00 m，可能最大洪水校核洪水位138.83 m。總庫容22.68 億m3，興利庫容12.96 億m3，下游要求300年一遇洪水保證沈陽安全，100年一遇洪水保證撫順市安全，50年一遇洪水保證農(nóng)田安全[2-3]。水庫農(nóng)灌面積達(dá)150 萬畝，工業(yè)需水量5.9 億m3。防洪與興利矛盾十分突出，1960年棄水14 億m3，汛后蓄水卻比正常蓄水量少2 億m3，完全是因?yàn)檠聪匏蝗诳刂铺驮斐傻模?964年連續(xù)發(fā)生四次較大洪水，又因過早抬高汛限水位使下游受淹。吸取歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，科學(xué)地進(jìn)行汛期分期是必要的。

1 暴雨洪水的季節(jié)性變化規(guī)律

1.1 暴雨的時(shí)間分布特征

（1）逐旬降水量分析

圖1 多年平均逐旬降水量分布趨勢

結(jié)合水庫1962年～2019年共58年逐旬降水量統(tǒng)計(jì)資料，7 月下旬降水量最大，達(dá)到了90.7 mm，其次為7 月中旬和8 月上旬。在汛期中降水量主要集中在7 月上旬到8 月中旬，平均旬降水量67.5 mm，遠(yuǎn)大于汛期平均降水量48.2 mm。

（2）25mm 以上降水量級分析

根據(jù)1962年～2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)日降水量在25 mm 以上的降水，并按照旬統(tǒng)計(jì)該降水量下的次數(shù)。由圖2 可知，大于25 mm 降水主要集中在7 月上旬～8 月中旬，達(dá)到了216 次，占整個(gè)汛期的70%。其中7 月下旬最大，達(dá)到了64 次，占整個(gè)汛期的21%。

圖2 大于25mm 以上降水次數(shù)分布趨勢

（3）1～3 日最大降水量分析

根據(jù)1962年～2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)6月～9 月范圍內(nèi)1～3 日最大降水量次數(shù)。由圖3 可知，1～3 日最大降水量集中分布在7 月下旬到8 月中旬，7 月下旬1～3 日最大降水次數(shù)平均在20 次左右，8 月上旬1～3 日最大降水次數(shù)平均近15 次，8 月中旬1～3 日最大降水次數(shù)平均近10 次，其中7 月下旬中2 日內(nèi)最大降水量次數(shù)達(dá)到了近25 次。通過對58年的1～3 日最大降水量統(tǒng)計(jì)分析，1 日、2 日、3 日的最大降水量分別為159.2 mm、222 mm、270 mm。

圖3 1～3 日最大降水量次數(shù)分布趨勢

根據(jù)降水時(shí)空分布的分析，降水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個(gè)汛期分為前汛期、主汛期和后汛期三個(gè)階段。逐旬降水量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在7 月上旬～8 月中旬；25mm 以上降水量級和1～3 日最大降水量兩項(xiàng)指標(biāo)的主汛期一致，發(fā)生在7 月下旬到8 月中旬。

1.2 洪水的時(shí)間分布特征

（1）逐旬流量時(shí)間分布

根據(jù)1972年～2019年6 月～9 月逐旬入庫流量資料，繪制了逐旬入庫流量變化趨勢線。同時(shí)與逐旬降水量進(jìn)行對比分析。由圖5 可知，在整個(gè)汛期階段7 月下旬～8 月下旬水庫的入庫流量達(dá)到了最大值，均在逐旬平均流量以上，其中7 月下旬～8 月中旬的逐旬流量大于120 m3/s（汛期旬降水量×徑流系數(shù)）。從發(fā)生的次數(shù)來看，旬流量大于220 m3/s 次數(shù)發(fā)生在7 月下旬到8 月上旬。從降水量與流量兩項(xiàng)指標(biāo)的分析結(jié)果來看，基本是一致的，降水量、入庫流量的最大值均是發(fā)生在整個(gè)汛期的7 月下旬～8 月下旬，但是入庫流量略有滯后。

圖4 旬降雨量與旬入庫流量對比圖

圖5 大于1000 m3/s 洪峰流量分布趨勢

（2）大于1000 m3/s 的洪峰流量時(shí)間分布

根據(jù)洪水流量資料，統(tǒng)計(jì)了大于1000 m3/s 入庫流量的頻次、峰值與日期。由圖6 可知，大于1000 m3/s 洪水主要集中在7月～8 月，其中近90%的洪水分布在7 月下旬～8 月中旬，大于2000 m3/s 洪水主要分布在7 月下旬～8 月中旬，最大的峰值發(fā)生在1995年7 月30 日，流量達(dá)到了10700 m3/s。

（3）最大洪峰流量分析

統(tǒng)計(jì)1972年～2019年共48年大伙房水庫峰值及時(shí)間，結(jié)果見表1。由表1 可知，最大峰值出集中在7 月下旬～8 月中旬，所占比重達(dá)到75.5%，其中最大的三場洪水分別為1995年7 月30 日，峰值10700 m3/s；1960年8 月4 日，峰值7630 m3/s；2005年8 月13 日，峰值6040 m3/s。

表1 1972年～2019年最大洪峰發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)洪水時(shí)空分布的分析，洪水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個(gè)汛期分為前汛期、主汛期和后汛期三個(gè)階段。逐旬流量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在7 月中旬～8 月下旬；洪峰流量與最大洪峰兩項(xiàng)指標(biāo)的主汛期一致，發(fā)生在7 月下旬～8月中旬。

2 大伙房水庫模糊統(tǒng)計(jì)法檢驗(yàn)汛期

為確定汛期分期的合理性，分別采用日降雨量、日入庫流量為指標(biāo)模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行檢驗(yàn)。模糊統(tǒng)計(jì)法是一種通過描述汛期的模糊性，即非汛期與汛期之間的中介過渡性來進(jìn)行汛期分期的方法。通過利用主汛期隸屬函數(shù)來刻畫時(shí)間對主汛期的隸屬程度，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列的聚類劃分。在給定進(jìn)入汛期的指標(biāo)降雨量、徑流量閾值后，依據(jù)多年實(shí)測資料，統(tǒng)計(jì)出時(shí)間隸屬于汛期的隸屬度，最后對擬合后的隸屬函數(shù)取一定的閥值，將超過閥值的部分作為主汛期，之前作為前汛期，之后作為后汛期。

從氣象降雨分析，9 月底以后、6 月1 日前的降大雨（大于25 mm）可能性及日入庫流量（汛期平均降雨量乘以徑流深折合成的流量）均很小，為此以6 月～9 月為汛期變化范圍，確定汛期與非汛期界線的指標(biāo)為YT徑流=120 m3/s、YT降雨=25 mm/d。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)大于等于YT的起止時(shí)間來確定汛期范圍。經(jīng)計(jì)算分析，日降水量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在7 月10 日～8 月19 日，日入庫流量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在7 月19 日～8 月17日，兩項(xiàng)指標(biāo)隸屬度變化曲線見圖6。

圖6 降雨量和入庫流量隸屬度曲線對比

由圖6 可知，日降水量、日流量作為分析指標(biāo)，隸屬度均為大于等于0.7 作為劃入主汛期，結(jié)果顯示日降水量作為指標(biāo)，7 月10 日～8 月19 日間進(jìn)入主汛期；日流量作為指標(biāo)，7月19 日～8 月17 日間進(jìn)入主汛期。

綜合以上的分析，兩項(xiàng)指標(biāo)的主汛期時(shí)間是基本一致的，只是起止時(shí)間略有差異，但是考慮到主汛期來臨時(shí)洪水流量較大以及結(jié)束時(shí)安全等因素，最終確定主汛期為7 月11 日～8 月20 日。

3 大伙房水庫汛期分期結(jié)果與分析

大伙房水庫采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊統(tǒng)計(jì)兩種方法分期結(jié)果見表2。

表2 水庫汛期分期成果統(tǒng)計(jì)

由表2 可知，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中采用旬降水量、25 mm 以上降水量級、1～3 日最大降水量、旬流量和洪峰流量為指標(biāo)研究汛期分期時(shí)，主汛期結(jié)束的時(shí)間都是8 月中旬。

當(dāng)旬降水大于汛期旬降水量、25 mm 以上降水量級次數(shù)占汛期的大于11%、1～3 日最大降水量次數(shù)占汛期的大于15%、年最大洪峰流量次數(shù)占汛期的大于15%，均作為入主汛期考慮。

在模糊統(tǒng)計(jì)法中采用日降水量和日流量為指標(biāo)，當(dāng)日降水量與日流量大于等于旬降水量與徑流系數(shù)之積的流量值時(shí)，隸屬度值大于等于0.7，進(jìn)入主汛期，也說明了數(shù)理統(tǒng)計(jì)法以各項(xiàng)指標(biāo)的汛期劃分。

根據(jù)水庫的多年運(yùn)行實(shí)際狀況，在每年的8 月20 日之后抬升汛限水位后，普遍在接下來的月份來水量較少，有效庫容很難蓄滿，達(dá)不到正常蓄水位，因此設(shè)置過渡階段，根據(jù)降水量的多少逐漸抬升水位。采用洪峰流量指標(biāo)，由于洪水的滯后性，主汛期為7 月下旬。

根據(jù)兩種方法及實(shí)際運(yùn)行情況的分析，確定水庫主汛期為7 月21 日～8 月20 日。

4 結(jié)論

通過大伙房水庫汛期分期研究，汛期分期成果對大伙房水庫汛期防洪、調(diào)蓄供水具有一定的指導(dǎo)和依據(jù)，使水庫發(fā)揮了最佳效益。由于水庫汛期分期受到的影響因素眾多，汛期分期結(jié)果與水庫實(shí)際運(yùn)行時(shí)，主汛期可能會(huì)出現(xiàn)提前或滯后，還需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的各種條件做相應(yīng)的微調(diào)，但從總的趨勢與范圍是基本沒有變化的，進(jìn)一步說明了汛期分期成果是合理的。隨著氣候、降雨及徑流等因素的變化，汛期分期要做定期的復(fù)核，同時(shí)管理部門要加強(qiáng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)水庫的調(diào)度。為大伙房水庫防汛、調(diào)蓄調(diào)度相協(xié)調(diào)且發(fā)揮最大效益提供有意義的指導(dǎo)。