基于不同类型指标的水库汛期分期研究

孙 新

（抚顺大伙房水库发电有限责任公司，辽宁 抚顺 113007）

大伙房水库位于浑河中上游，座落在辽宁抚顺境内，控制流域面积5437 km2，是一座以防洪、灌溉和城市供水为主，兼顾发电和养殖的综合利用大型水利工程[1]。

大伙房水库设计汛限水位126.40 m，兴利蓄水位131.50 m，设计洪水位136.00 m，可能最大洪水校核洪水位138.83 m。总库容22.68 亿m3，兴利库容12.96 亿m3，下游要求300年一遇洪水保证沈阳安全，100年一遇洪水保证抚顺市安全，50年一遇洪水保证农田安全[2-3]。水库农灌面积达150 万亩，工业需水量5.9 亿m3。防洪与兴利矛盾十分突出，1960年弃水14 亿m3，汛后蓄水却比正常蓄水量少2 亿m3，完全是因为汛限水位全期控制太低造成的；1964年连续发生四次较大洪水，又因过早抬高汛限水位使下游受淹。吸取历史经验教训，科学地进行汛期分期是必要的。

1 暴雨洪水的季节性变化规律

1.1 暴雨的时间分布特征

（1）逐旬降水量分析

图1 多年平均逐旬降水量分布趋势

结合水库1962年～2019年共58年逐旬降水量统计资料，7 月下旬降水量最大，达到了90.7 mm，其次为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，远大于汛期平均降水量48.2 mm。

（2）25mm 以上降水量级分析

根据1962年～2019年共58年逐日降水量资料，统计日降水量在25 mm 以上的降水，并按照旬统计该降水量下的次数。由图2 可知，大于25 mm 降水主要集中在7 月上旬～8 月中旬，达到了216 次，占整个汛期的70%。其中7 月下旬最大，达到了64 次，占整个汛期的21%。

图2 大于25mm 以上降水次数分布趋势

（3）1～3 日最大降水量分析

根据1962年～2019年共58年逐日降水量资料，统计6月～9 月范围内1～3 日最大降水量次数。由图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 日最大降水次数平均在20 次左右，8 月上旬1～3 日最大降水次数平均近15 次，8 月中旬1～3 日最大降水次数平均近10 次，其中7 月下旬中2 日内最大降水量次数达到了近25 次。通过对58年的1～3 日最大降水量统计分析，1 日、2 日、3 日的最大降水量分别为159.2 mm、222 mm、270 mm。

图3 1～3 日最大降水量次数分布趋势

根据降水时空分布的分析，降水具有明显的季节性分布规律，整个汛期分为前汛期、主汛期和后汛期三个阶段。逐旬降水量指标的主汛期发生在7 月上旬～8 月中旬；25mm 以上降水量级和1～3 日最大降水量两项指标的主汛期一致，发生在7 月下旬到8 月中旬。

1.2 洪水的时间分布特征

（1）逐旬流量时间分布

根据1972年～2019年6 月～9 月逐旬入库流量资料，绘制了逐旬入库流量变化趋势线。同时与逐旬降水量进行对比分析。由图5 可知，在整个汛期阶段7 月下旬～8 月下旬水库的入库流量达到了最大值，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×径流系数）。从发生的次数来看，旬流量大于220 m3/s 次数发生在7 月下旬到8 月上旬。从降水量与流量两项指标的分析结果来看，基本是一致的，降水量、入库流量的最大值均是发生在整个汛期的7 月下旬～8 月下旬，但是入库流量略有滞后。

图4 旬降雨量与旬入库流量对比图

图5 大于1000 m3/s 洪峰流量分布趋势

（2）大于1000 m3/s 的洪峰流量时间分布

根据洪水流量资料，统计了大于1000 m3/s 入库流量的频次、峰值与日期。由图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，最大的峰值发生在1995年7 月30 日，流量达到了10700 m3/s。

（3）最大洪峰流量分析

统计1972年～2019年共48年大伙房水库峰值及时间，结果见表1。由表1 可知，最大峰值出集中在7 月下旬～8 月中旬，所占比重达到75.5%，其中最大的三场洪水分别为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年最大洪峰发生时间统计

根据洪水时空分布的分析，洪水具有明显的季节性分布规律，整个汛期分为前汛期、主汛期和后汛期三个阶段。逐旬流量指标的主汛期发生在7 月中旬～8 月下旬；洪峰流量与最大洪峰两项指标的主汛期一致，发生在7 月下旬～8月中旬。

2 大伙房水库模糊统计法检验汛期

为确定汛期分期的合理性，分别采用日降雨量、日入库流量为指标模糊统计法进行检验。模糊统计法是一种通过描述汛期的模糊性，即非汛期与汛期之间的中介过渡性来进行汛期分期的方法。通过利用主汛期隶属函数来刻画时间对主汛期的隶属程度，以实现时间序列的聚类划分。在给定进入汛期的指标降雨量、径流量阈值后，依据多年实测资料，统计出时间隶属于汛期的隶属度，最后对拟合后的隶属函数取一定的阀值，将超过阀值的部分作为主汛期，之前作为前汛期，之后作为后汛期。

从气象降雨分析，9 月底以后、6 月1 日前的降大雨（大于25 mm）可能性及日入库流量（汛期平均降雨量乘以径流深折合成的流量）均很小，为此以6 月～9 月为汛期变化范围，确定汛期与非汛期界线的指标为YT径流=120 m3/s、YT降雨=25 mm/d。根据样本数据，当大于等于YT的起止时间来确定汛期范围。经计算分析，日降水量指标的主汛期发生在7 月10 日～8 月19 日，日入库流量指标的主汛期发生在7 月19 日～8 月17日，两项指标隶属度变化曲线见图6。

图6 降雨量和入库流量隶属度曲线对比

由图6 可知，日降水量、日流量作为分析指标，隶属度均为大于等于0.7 作为划入主汛期，结果显示日降水量作为指标，7 月10 日～8 月19 日间进入主汛期；日流量作为指标，7月19 日～8 月17 日间进入主汛期。

综合以上的分析，两项指标的主汛期时间是基本一致的，只是起止时间略有差异，但是考虑到主汛期来临时洪水流量较大以及结束时安全等因素，最终确定主汛期为7 月11 日～8 月20 日。

3 大伙房水库汛期分期结果与分析

大伙房水库采用数理统计、模糊统计两种方法分期结果见表2。

表2 水库汛期分期成果统计

由表2 可知，在数理统计法中采用旬降水量、25 mm 以上降水量级、1～3 日最大降水量、旬流量和洪峰流量为指标研究汛期分期时，主汛期结束的时间都是8 月中旬。

当旬降水大于汛期旬降水量、25 mm 以上降水量级次数占汛期的大于11%、1～3 日最大降水量次数占汛期的大于15%、年最大洪峰流量次数占汛期的大于15%，均作为入主汛期考虑。

在模糊统计法中采用日降水量和日流量为指标，当日降水量与日流量大于等于旬降水量与径流系数之积的流量值时，隶属度值大于等于0.7，进入主汛期，也说明了数理统计法以各项指标的汛期划分。

根据水库的多年运行实际状况，在每年的8 月20 日之后抬升汛限水位后，普遍在接下来的月份来水量较少，有效库容很难蓄满，达不到正常蓄水位，因此设置过渡阶段，根据降水量的多少逐渐抬升水位。采用洪峰流量指标，由于洪水的滞后性，主汛期为7 月下旬。

根据两种方法及实际运行情况的分析，确定水库主汛期为7 月21 日～8 月20 日。

4 结论

通过大伙房水库汛期分期研究，汛期分期成果对大伙房水库汛期防洪、调蓄供水具有一定的指导和依据，使水库发挥了最佳效益。由于水库汛期分期受到的影响因素众多，汛期分期结果与水库实际运行时，主汛期可能会出现提前或滞后，还需要根据当时的各种条件做相应的微调，但从总的趋势与范围是基本没有变化的，进一步说明了汛期分期成果是合理的。随着气候、降雨及径流等因素的变化，汛期分期要做定期的复核，同时管理部门要加强实际运行时水库的调度。为大伙房水库防汛、调蓄调度相协调且发挥最大效益提供有意义的指导。