基于多因素方法的辽宁省汛期分期研究

2018-06-14冯琳

水利规划与设计 2018年5期

冯琳

(辽宁省水文局，辽宁沈阳 110003)

1 背景及意义

汛期是指江河、湖泊洪水在一年中明显集中出现，容易形成洪涝灾害的时期。汛期分期是科学防汛决策的前提，是流域防汛调度管理工作的基础。合理的流域汛期划分，对防汛调度管理和流域水资源优化调配工作意义重大。

辽宁省洪涝灾害严重，受降水时空分布不均影响，水旱灾害频繁发生。在系统开展项目研究以前，辽宁省汛期分期主要有气象意义上基于大气环流特征的汛期分期和基于水文要素的汛期分期。气象汛期分期存在动态性的特点，需根据气象观测分析后发布，因此每年的汛期起止时间都在变化，不利于防汛调度组织管理和编制水利工程控制运行预案。而过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图外包线法及旬降水量变化相对系数法，通过6～14个代表站2005年以前的资料系列分析的成果，存在资料系列短、代表站少、分析方法理论依据不足的问题。在此背景下，辽宁省陆续启动了辽宁省汛期分期的研究工作，发动全省各级防办部门和全省14个水文分局的力量，相继开展了全省防汛管理工作调研、多种模型分析方法的研究等工作，研究成果已应用于省防汛抗旱指挥调度管理工作，并取得显著的经济和社会效益。

2 主要研究内容

2.1 汛期分期问题分析

从辽宁省洪涝灾害严重的客观情况、有关法律法规规定、防汛管理要求等方面阐述了汛期分期的重要意义和必要性，系统回顾了辽宁省汛期分期的历史沿革及现状，在此基础上提出目前辽宁省汛期分期存在的问题。

2.2 防汛区域划分研究

在系统分析辽宁省地形、产汇流特征的空间差异及降水量空间分布特征的基础上，提出辽宁省防汛区域划分，阐明了各区域的地形、降水、产汇流特点、相互关系及其对汛期分期的影响。

2.3 基于多要素、多方法的分期研究

按照原因—现象—结果的分析思路，分别基于降水、河道径流、历史洪灾三要素为研究对象，应用数理统计、模糊集合、一阶差分处理、滑动t检验等方法，对各防汛区域分别进行汛期划分。

3 主要研究方法

3.1 基于降水要素的汛期分期

选取水文资料整编的120个常年报汛的雨量站及水文站1956～2010年的日降水量资料进行分析。利用连续两日累积降水量代替场次降水量，西部、中北部以场次雨量大于40mm、东南部以大于50mm为入汛和出汛标准，借助模糊集理论确定单站汛期起止时间，进而利用外包线来确定区域汛期的开始与结束时间。提出以超过年最大场次降水量多年平均值的场次降水称为“强场次降水”，主汛期以控制80%以上的“强场次降水”来确定时段，对单站和区域汛期、主汛期起止时间的确定，分别以时间和空间为样本，采用模糊集合方法分析各日汛期隶属度。

3.2 基于河道径流要素的汛期分期

选取68个水文站1956～2010年的年鉴整编资料中的径流量及洪水资料进行分析。根据辽宁省河道径流量有明显的起涨和消落过程的特征，对河道径流多年平均日流量进行一阶差分处理，结合滑动t检验方法，确定单站汛期时间，利用模糊集理论确定各区域汛期时间。主汛期以控制80%以上的“大洪水”原则，结合模糊集理论确定单站和各区域的主汛期时间。

3.3 基于历史洪灾要素的汛期分期

从1956～2010年的历史洪灾资料中共摘录洪灾44次，其中一般灾害27次，严重灾害17次。根据各候一般灾害和严重灾害次数，确定辽宁省汛期和主汛期时段。

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：单站滑动累加距法结合区域隶属度

先采用滑动累加距法，对单站统计包含80%强场次降水次数的最短时段，则时段的起、止点为单站主汛期的开始、结束时间。再将120个代表站按东南部、中北部、西部分区，利用模糊集理论对各区做隶属度函数，选U(t)=0.2对应的时间为主汛期开始与结束的时间，即各区域有20%的站进入主汛期就认为该区域进入主汛期。滑动累加距法确定汛期起止时间的步骤如下(见图1)：

①根据多年“强场次降水”资料系列，统计单站各日发生“强场次降水”的次数；②对一定的时间跨度，逐日滑动计算时间跨度内包括的“强场次降水”发生次数；③以1日为时间步长，逐日增加时间跨度，进行步骤2)；④当某一时间跨度下，累积“强场次降水”发生次数达到80%，即停止，该时段起止时间段即主汛期的开始与结束时间。

(2)方法二：区域内单站汇总结合滑动累加距法

单站“强场次降水”次数统计完以后，先将120个代表站分成东南部、中北部、西部三个区；然后在各区内，统计各日发生“强场次降水”的站年数；根据基于降水要素的主汛期分期概念，利用滑动累加距法选取“强场次降水”站年数占总站年数80%的时段，即为各区主汛期的时段，该时段起、止时间为主汛期的开始、结束时间。

图1 滑动累加距法示意图

3.4.2 基于径流要素的分析方法

考虑到径流起涨和消退的变化特征，做径流过程的一阶差分序列qi：，qi=Qi-Qi-1。由此，可利用流量一阶差分的变幅大小作为汛期开始和结束时间的判断依据。该研究首先对一阶差分取绝对值，然后进行滑动t检验，以确定突变点，即汛期起止时间。滑动t检验的基本思想是把某一序列中两段子序列均值有无显著差异看做来自两个总体均值有无显著差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著水平，可以认为均值发生了质变，有突变发生。

以东白城子站为例，其10日滑动t检验的t值如图2所示，由图可知非汛期向汛期过度期在5月下旬至6月中上旬，6月8日t值为绝对值最大，故该日为汛期开始时间。根据同样的思路，可以确定汛期结束时间为9月10日。

图2 东白城子站平均流量一阶差分绝对值10日滑动t检验成果图

采用模糊理论进行单站汛期分期。按照模糊理论，选一年时间作为论域T，将汛期看作论域T中的一个模糊子集{A}，非汛期亦是一个模糊子集{A-}。用隶属函数Ua(t)来描述在时刻t(t∈T)隶属于汛期的程度，用Ua-(t)描述隶属于非汛期的程度。

就单站的上述多年资料系列而言，隶属函数等于隶属于某一时刻t的样本数(年份数)占总样本数(单站统计年数)的比例。隶属函数的取值范围：0≤Ua(t)≤1，0≤Ua-(t)≤1。

利用隶属函数Ua(t)确定汛期开始与结束时间的原则为：选择Ua(t)=0.2处对应的时间为该站汛期的开始时间与结束时间，也就是说，对于某一单站，其20%的年份进入汛期，即认为该站进入汛期，20%的年份汛期结束，则认为该站汛期结束。

以荒沟站为例，隶属函数图如图3所示，据此确定荒沟站汛期的开始时间为5月28日，结束时间为9月8日。

图3 荒沟站历年连续两日累积降水量大50mm隶属度

类似地，统计分析完120个代表站汛期的开始与结束时间。

4 研究成果

4.1 防汛区域划分研究成果

基于辽宁省地貌特征和雨季旬、月降雨量时空分布特征，对辽宁省防汛区域划分进行了研究。按地貌形态特征，全省分为辽东山地丘陵、辽西低山丘陵、辽北波状平原和下辽河平原4个基本地貌单元。全省雨季降水量自东向西呈递减趋势。综合地貌和降雨空间分布，将辽宁省防汛区域应划分为3大部分，即西部地区、东南部地区和中北部地区。辽东山地丘陵区与辽西低山丘陵区为两大暴雨中心，构成了辽宁省防汛的两大重点区域；在两大防汛区域中间是辽北波状平原和下辽河平原，年降水量都在650mm左右，与辽河干流及浑太河中下游具有相似的防汛抗旱特征。这为辽宁省防汛抗旱研究及汛期分期提供了重要依据。

4.2 基于降水因素的汛期划分成果

(1)应用“方法一”，从降水与产流的关系入手，根据辽宁降雨过程特征及降雨产量关系，提出了用连续两日累积降水量代替场次降水的新思路，结合模糊集理论，确定辽宁省基于降水要素的汛期分期为：东南部地区，5月28日～9月9日；中北部地区，5月31日～9月16日；西部地区，6月4日～9月16日。

(2)应用“方法二”，提出基于降水要素的主汛期分期可以用该地区场次降水发生的频率来反映。辽宁省基于降水要素确定的主汛期为：东南部地区，7月11日～8月21日；中北部地区，7月13日～8月21；西部地区，7月2日～8月21日。

4.3 基于径流因素的汛期划分成果

(1)利用河道日径流量过程资料确定汛期起止时间时，根据辽宁省河道径流量有明显的起涨和消落过程的特征，采用前后两个10日的日径流量(多年系列)一阶差分系列方差的差异程度作为判断汛期开始与结束的标志，结合模糊集理论，确定辽宁省基于河道径流量的汛期分期为：东南部地区，6月1日～9月15日；中北部地区，5月31日～9月18日；西部地区，5月27日～9月20日。

(2)基于主汛期“控制80%以上的‘大洪水’”的原则，结合模糊集理论，辽宁省基于河道径流要素确定的主汛期为：东南部地区，7月20日～8月20日；中北部地区，7月21日～8月25日；西部地区，7月12日～8月29日。

4.4 基于历史洪水的汛期划分成果

洪涝灾害的发生与汛期和主汛期分期有密切的关系。该研究选取1956～2010年历史洪涝灾害记录资料，统计各候内一般灾害和严重灾害洪灾发生次数，在此基础上确定汛期、主汛期。统计结果表明，所有灾害都发生在6月11日至9月5日之间；79%的一般灾害和100%的严重灾害均发生在7月11日至8月20日。因此，基于历史洪涝灾害统计，确定辽宁省汛期为6月11日～9月5日，主汛期为7月11日～8月20日。

4.5 综合分析结果

综合基于降水量、河道径流量、历史洪灾等要素的辽宁省不同防汛区域汛期、主汛期划分结果，并根据1955年及以前的河道径流、近10年大型水库日平均入库流量资料以及洪涝灾害资料对汛期、主汛期分期结果的验证，同时考虑防汛管理实践，综合确定辽宁省汛期统一为6月1日～9月20日，共112天，主汛期为7月10日至8月20日，共42天。