汾河水库入库洪水特性研究

2019-08-01

水资源开发与管理 2019年7期

(山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002)

山西之长在于煤，山西之短在于水。众所周知，山西省水资源严重短缺，全省人均水资源占有量仅为381m3，水资源短缺问题一直制约着山西省国民经济发展和人民生活水平提高。另外，受气候影响，降水分布极不均匀，山西省还是山洪灾害频发的省份之一，旱情经常发生。因此，科学合理地分析汾河水库入库洪水规律，挖掘洪水资源利用潜力，提高洪水资源利用率，是缓解当地水资源供需矛盾的重要途径之一。

1 研究区概况

汾河是黄河第二大支流，也是山西的母亲河。山西省最大的水库——汾河水库，位于汾河上游段中部、距河源123km的娄烦县下石家庄村，水库距省会太原市83km。汾河水库于1958年7月开始兴建，于1961年开始蓄水投入运行，是山西省内的一座大(2)型多年调节水利枢纽工程，水库库区总面积约32km2，设计总库容约为7.22亿m3。水库的主要目标是防洪、灌溉及城市与工业供水，同时兼顾发电、旅游、养殖等综合效益。汾河水库防洪标准为：设计洪水为百年一遇，校核洪水为两千年一遇[1]。

汾河水库控制流域面积为5268km2，汾河水库的主要水源是上游干流以及支流岚河、涧河。河岔、上静游和娄烦3个水文站分别位于汾河的干、支流，各水文站控制流域面积及所占面积比例见表1[2]。

表1 河岔、上静游和娄烦水文站控制流域面积比例

由表1可看到，汾河水库坝址以上的河岔、上静游和娄烦3个水文站累计流域面积占水库控制流域面积的94%，因此，本文采用河岔、上静游和娄烦水文站1995—2016年逐年洪水资料叠加后洪水过程作为汾河水库入库洪水资料，在此基础上分析汾河水库入库洪水规律。

2 汾河水库入库洪水规律分析

2.1 多年月平均径流量年内分配统计

根据3个水文站的洪水资料统计分析，汾河水库年内来水量分配很不均匀。其中，8月、9月是历年来水最多的月份；一年内一般7—9月为丰水期，逐月平均流量均大于13.5m3/s，来水量占全年来水量的一半以上；7—10月的来水量占全年的66%。3月、11月虽然没有洪水发生，但径流量均超过6月，月平均流量较大。6月平均径流量仅为0.1483亿m3，但却有发生大洪水的可能，是年内月内径流分布最不均匀的时期。汾河水库来水特点为“枯中有丰、丰中有枯”，年内分布很不均，变化比较剧烈。天然来水的这种特点给水库的径流调节带来了一定程度的困难。图1～图4分别为河岔、上静游、娄烦以及汾河水库多年年径流年内分配过程。

图1 河岔站多年平均月径流年内分配情况

图2 上静游站多年平均月径流年内分配情况

图3 娄烦站多年平均月径流年内分配情况

图4 汾河水库多年平均月径流年内分配情况

2.2 汾河水库洪水月分布规律

研究中，根据汾河水库入库洪水的特征及水库实际情况，选定当河岔、上静游和娄烦3个水文站叠加的时段洪峰流量超过50m3/s时，即记为一场洪水过程。最终统计得到汾河水库1995—2016年22年间，共有53场洪水过程(本文中连峰、多峰洪水皆按一场洪水考虑)。根据统计结果可知，汾河水库每年的非汛期为当年10月到次年5月，汛期为6—9月，7月、8月为主汛期。

表2为汾河水库22年间入库洪水按月分布情况，图5为汾河水库22年间年内洪水次数分布曲线。

图5 汾河水库年内洪水次数统计及其分布曲线

月份月洪水发生次数百分比/%100 200 300 400 500 6917 72241 81936 924 1012 1100 1200

2.3 汾河水库入库洪水年内次数统计

众所周知，河流水情的变化在一年中有3个阶段：非汛期、汛期和非汛期。本文将主汛期前一段时间称为增强期，主汛期后的一段时间称为汛情衰减期[3]。根据汾河水库特点，多年平均增强期约在6月30日之前，衰减期在9月1日之后。表3～表5为汾河水库入库洪水年内分布次数统计及其概率分布情况。

表3 汾河水库1995—2016年统计洪峰次数及其概率分布

表4 汾河水库1995—2016年入库洪水次数统计及洪水年内分布

表5 汾河水库年内可能洪水次数、极可能洪水次数概率计算

经统计汾河水库22年53场洪水情况，入库洪水的洪峰流量均值为205m3/s。表3中第2行第2列显示汾河水库入库洪水在22年内，有5年每年发生了1次洪峰流量大于50m3/s的洪水；同理，表中第3行第3列显示有2年每年发生了2次洪峰流量大于100m3/s的洪水；其余以此类推。

由表5可知，汾河水库入库洪水洪峰流量大于50m3/s的，年极可能发生1～4次，其计算概率达到0.813；洪峰流量大于300m3/s的，年极可能发生0～1次，其计算概率达到0.925；年主汛期极可能发生0～3次洪水，计算概率为0.881。

2.4 汾河水库径流年型与年洪水次数

一般而言，水文年型分为丰水年、平水年和枯水年。丰水年来水量相对较大，发生洪水次数较多；枯水年来水量相对较小，发生洪水的次数较少。由于河岔站、娄烦站和上静游站径流系列均不到30年，为保证径流年型划分有代表性，一般要求年径流量系列长度不少于30年。本研究选用位于河岔站上游的静乐站作为研究对象，以静乐站径流系列资料作为汾河水库径流年型划分为丰、平、枯水年的标准。根据静乐站1956—2016年实测年径流资料，平均年径流量为2.241亿m3，最大年径流量发生在1967年，为8.191亿m3，最枯年径流量发生在2001年，为0.6300亿m3；年径流的丰枯比达13倍之多。静乐站丰、平、枯水年划分情况见表6。

表6 静乐站丰、平、枯年型划分

根据表6的静乐站年型划分标准，统计静乐站1956—2016年61年的丰、平、枯年型，成果见表7。

表7 静乐站1956—2016年逐年丰、平、枯年型统计结果

从表7可以看出，静乐站在1956—2016年间，平水年和丰水年易发生，两者的比例占到了75%。对于不同年代，丰、平、枯水年出现次数比较平均。以枯水年为例，除20世纪50年代没有出现枯水年外，其他年代均有出现，平均出现1～3次，20世纪80年代出现次数最多，为4次。丰水年出现次数最多，为24次，所占比例为39%。

为了与静乐站的统计结果进行比较，根据河岔、上静游和娄烦3站叠加的洪水结果统计了汾河水库站1995—2016年丰、平、枯年型分布和相应的年洪水次数，见表8。

表8 丰、平、枯年型与年洪水次数统计

从表8可以看出，汾河水库近22年来，丰、平、枯年型出现频次相差不大，其中平水年出现次数最多，为9次，占41%，枯水年出现了7次，丰水年出现6次，基本上丰、平、枯水年交替出现。22年中，丰水年共发生了26场洪水，年均洪水次数为4.33场；平水年洪水年均发生了1.33场；枯水年洪水年均发生了2.14场。

由上述统计结果可以看出：在丰水年，汾河水库年均洪水场次相对平水年和枯水年要多；虽然枯水年来水量较少，但发生的洪水场次却比平水年略多，说明汾河水库在枯水年天然来水量分布极不均匀，洪水更容易集中发生；平水年洪水发生场次与枯水年相比相差不大，年内水量分布极不均匀，洪水较丰水年更容易集中发生。