高州水库降雨径流分析及枯水期水量预报

卢建彬

(广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525099)

高州水库是鉴江流域最重要的骨干调蓄工程，位于鉴江支流大井河及曹江中游，对茂名、湛江地区的防洪和供水发挥着至关重要的作用。分析高州水库的降雨径流规律对水库的防洪、防旱抗旱及水资源管理、保护、综合开发利用等具有非常重要的意义。同时本文探讨了退水公式在高州水库枯水期入库径流预报中的应用，能够为枯水期水量调度工作提供一定的技术支撑。

1 水库概况

高州水库位于广东省高州市东北部，位于东经110°58′～111°08′，北纬22°02′～22°13′，由良德、石骨两库区经龙头坳渠道联通而成(水位低于80.5 m时龙头坳不再过流)。水库集水面积为1 003 km2，设计年径流量为14.77亿m3，总库容为12.8亿m3，兴利库容为9.8亿m3。原设计供茂名市工业及农业用水为 21.76 m3/s，灌溉高州、化州、电白、茂南、吴川等4县1区农田7.87万hm2(目前实灌面积约5.48万hm2)，是一宗以灌溉、防洪、供水为主，结合发电等综合利用的大(Ⅰ)型水利枢纽工程，是茂名及整个鉴江中下游平原工农业生产的命脉[1]。

高州水库主要入库河流有大井河、黄塘水、曹江、大潮河，其余大于50 km2的支流有格苍河。高州水库流域水系及水文站点分布如图1所示。

图1 高州水库流域水系及水文站点分布示意

2 资料序列与分析

高州水库流域分别有10个水文站和10个雨量站，站点情况见表1。

表1 高州水库流域水文站点

本次降雨分析采用有长系列降雨资料的13个站点，蒸发分析采用石骨水库(厘更坝)站资料。径流分析则是采用良德水库(隧洞口)、良德水库(东岸渠)、良德水库(溢洪道)、石骨水库(主渠)、石骨水库(北干渠)、石骨水库(溢洪道)等6个站点的出库流量之和作为出库系列，结合两库区蓄水量变化，根据水量平衡反推入库径流系列，最后进行入库径流的分析。以上采用的分析资料系列均为1980年后的水文整编资料，资料精度可靠，满足分析要求。本文所统计的年数据指的是水文年数据(即4月—次年3月)，汛期指的是4—9月，非汛期(枯水期)指的是10月—次年3月。

3 降雨

3.1 降雨量空间分布

高州水库面临南海，背靠粤西最高峰大田顶(主峰高1 704 m)，地形雨明显。当水汽向北推进受阻，受山地抬升作用影响，在其东南迎风坡即水库集雨区内，形成了茂名市三大暴雨高区之一，降雨丰沛，暴雨强度大。库区内降雨量从上游到下游逐渐递减，暴雨高值区一是位于大田顶附近的曹江上游厚园圩，二是高州三官山北坡的格苍河区域。根据水库流域内各雨量站点1980年以来40 a的实测降水资料统计，高州水库多年平均降雨量为2 063 mm；库区上中游多年平均降雨量为2 000～2 700 mm，下游多年平均降雨量为1 750～1 900 mm。水库流域内站点的多年平均降雨量见表2。

表2 高州水库流域各站多年平均降雨量

3.2 降雨量年内分配

高州水库流域多年平均降雨量年内分配见表3。从表中可知水库降雨量年内分配极为不均，主要集中在汛期4—9月，占全年降雨量的82%，其中年内分配以6—8月最多，占比在16%～17%，4月、5月、9月占比则在9%～13%。非汛期内降雨总量占全年降雨量的18%，各月降雨量占比均在5%以下，以12月最少，仅占全年降雨量的1.6%。

表3 高州水库流域多年平均降雨量年内分配

3.3 降雨量年际变化

降雨量年际变化包括年际间的变化幅度和多年变化过程。年际变幅通常用年降雨变差系数Cv和极值倍比(即同站最大和最小年降雨量比值)来表示[2]。高州水库流域降雨量变差系数Cv在0.17～0.24之间，年际变化较为明显，各站丰水年份和枯水年份相差较大。据统计，同站降水极值倍比一般为2.4倍，其中最小比值为大坡圩站1.98倍，最大比值为造贤站的2.57倍；年降雨极差(即同站最大和最小年降雨量之差)一般为1 680 mm左右，其中最小值为大坡圩站1 529.6 mm，最大值为马贵站2 262.1 mm。高州水库流域降雨站点极值倍比的范围较小也说明了由于流域面积相对较小，降雨同步性较好。各站点极差、极值倍比和变差系数见表4。

表4 高州水库流域站点降雨极差、极值倍比和变差系数统计Cv

4 蒸发

高州水库流域多年平均水面蒸发量1 166 mm，各月水面蒸发量分布见表5。据统计高州水库年水面蒸发量为934～1 342 mm，7—11月蒸发量最大，2月最小。其中汛期多年平均水面蒸发量为628.6 mm，占比53.91%；非汛期多年平均水面蒸发量为537.4 mm，占比46.09%。非汛期除2、3月多年平均水面蒸发与多年平均降雨相当外，其余月份多年平均水面蒸发均比多年平均降雨大，说明在大部分情况下，非汛期降雨主要用于蒸发，对入库径流作用并不产生影响，为无效降雨。

表5 高州水库流域多年水面蒸发量统计

5 入库径流

使用反推的入库径流系列进行分析，并计算高州水库多年平均径流，其年内分配见表6。高州水库多年平均入库径流量为12.1亿m3，年内分配极为不均，4—9月汛期入库径流占全年入库径流的74.5%。其中6—9月4个月入库径流量占全年的60%，每月占比在13.3%～16.9%。10月至次年3月非汛期入库径流占全年的25.5%，每月占比均在5%以下。

表6 高州水库流域多年平均入库径流量年内分配

据统计，高州水库流域年入库径流变差系数Cv为0.33，最大年入库径流为23.39亿m3，出现在2010年；最小年入库径流为6.363亿m3，出现在2000年，极值倍比为3.68倍，说明高州水库入库径流年际变幅较大，丰水年份与枯水年份的入库径流相差较大。

6 枯水期入库径流预报

由前文可知高州水库枯水期降雨总量占全年降雨量的18%，但入库径流却占全年入库径流的25.5%。而且大部分情况下，非汛期降雨主要用于蒸发，对入库径流作用并不产生影响，为无效降雨，说明了高州水库枯水期入库径流主要由流域蓄水消退所形成的，因此可以根据径流消退的规律来预报高州水库枯水期无降雨或虽有降雨但产流很少时期的径流量。退水公式在洪枯水预报中被广泛使用[3]：

Qt=Q0e-βt

(1)

式中Q0、Qt分别为退水开始时的退水流量和t时刻的地下出水流量，m3/s；β为退水系数；t为退水时间。

对式(1)进行变形，取对数得β=(lnQ0-lnQt)/t，可使用表6中9月至次年3月多年平均入库径流量来计算枯水期各月的β。因为将9月入库径流量为Q0来计算枯水期径流量，所以若某年9月上中旬有较大降雨导致9月入库径流较大时，会导致枯水期入库径流预报值偏大。经过研究发现，当9月入库径流大于3亿m3时，枯水期各月退水系数应采用β′值，以此来进行枯水期径流预报。各月β及β′值见表7。

表7 枯水期各月退水公式参数

以2019年为例，9月入库径流为0.971 6亿m3，将表7中各月的t和β代入式(1)中计算10月至次年3月各月入库径流量，预报值和实测值见表8，枯水期入库总量预报值和实测值相差6.8%。

表8 2019年枯水期入库径流预报值和实测值对比 亿m3

使用上述方法对1980年以后的枯水期入库径流总量进行预报，由于对中长期预报经度国内尚无统一的评定标准可借鉴，参照短期水文预报的评定标准，以相对误差绝对值小于30%为许可误差作为标准进行评定[4]，结果如表9所示。

表9 高州水库1980年以来枯水期入库径流总量预报值和检验结果

从表9可以看出，相对误差在30%以下的预报值有28 a，合格率为70%。对预报效果不好的年份进行分析，发现主要是枯水期内有较大降雨并产生了一定的径流，导致预报值比实际值偏小。通过40 a枯水期径流预报的情况分析说明，使用退水公式对高州水库枯水期入库径流总量进行预报有一定效果，可以为鉴江流域枯水期水量调度作参考。

7 结语

高州水库多年平均降雨量2 063 mm，多年平均入库径流量为12.1亿m3。其降雨与入库径流年内分配不均，汛期降雨占全年降雨量的82%，汛期入库径流占全年入库径流的74.5%；而且降雨与入库径流年际变化也较为明显，丰水年份和枯水年份差异较大。高州水库枯水期入库径流主要由流域蓄水消退所形成，使用退水公式对高州水库40 a枯水期径流进行预测分析，合格率为70%，可用于高州水库枯水期入库径流的参考性预报，为鉴江流域枯水期水量调度提供一定的技术支撑。