李 林，梁國華

（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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水庫汛期分期的關(guān)鍵問題研究

李 林1，梁國華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)問題，結(jié)合《水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制關(guān)鍵技術(shù)研究》課題，以水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究試點(diǎn)水庫為背景，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)鍵問題研究，并提出了水庫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；汛期分期；分期方法；分期指標(biāo)；分界點(diǎn)

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(shù)大中型水庫具有防洪與興利的雙重任務(wù)。大多水庫興建于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的蓄滿率，有效發(fā)揮現(xiàn)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(shè)計(jì)與運(yùn)用專題研究。通過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)了我國水庫汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步形成了我國水庫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)，仍是困擾水庫汛期分期的難點(diǎn)。為規(guī)范水庫汛期分期的原則、方法以及指標(biāo)，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(guī)劃設(shè)計(jì)總院和大連理工大學(xué)聯(lián)合開展《水庫汛期水位動(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(dòng)態(tài)控制研究的兩批23座試點(diǎn)水庫的應(yīng)用成果（第一批試點(diǎn)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(qiáng)溪水庫、合浦水庫等；第二批試點(diǎn)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(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50多個(gè)水庫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（東北地區(qū)選取大伙房水庫、尼爾基水庫和碧流河水庫，華北地區(qū)選取密云水庫和于橋水庫，中部地區(qū)選取板橋水庫和五強(qiáng)溪水庫，南方地區(qū)選取水口水庫等）其進(jìn)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(biāo)；最后通過綜合分析比較，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，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“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(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、入庫洪峰流量和水庫水位等多種分期指標(biāo)，繪制該指標(biāo)或指標(biāo)超過某一量級(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，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

（1）上述研究結(jié)論是在統(tǒng)計(jì)分析56座水庫的汛期分期成果和23座試點(diǎn)水庫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)例研究的水庫中，由于資料問題，北方地區(qū)的水庫較多，南方地區(qū)的水庫數(shù)量較少，今后隨著南方典型水庫的增加，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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［5］王本德，周惠成，等.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制理論與方法及其應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：李 林（1975—），男，高級(jí)工程師。

基金項(xiàng)目：國家水利行業(yè)公益性科研項(xiàng)目：《水庫汛期水位動(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