南水水庫汛期降水集中度和集中期與徑流年內(nèi)分配探討

張桐華，焦曉東

(1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000； 2.廣東粵電南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān) 512700)

流域徑流不僅是水資源領(lǐng)域的重要組成部分，也是自然界水文循環(huán)的重要組成部分。徑流資源的時(shí)空分布，尤其是年內(nèi)徑流的分布，是水資源評價(jià)的重要組成部分。

年內(nèi)徑流量分布是否均勻，不僅直接影響水資源開發(fā)利用和水利工程規(guī)模，而且增加水文預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度、洪澇災(zāi)害控制難度。目前，常用徑流非均勻性分布的定量研究指標(biāo)主要為月或季平均年徑流量占年徑流量的相對比例和汛期、枯水季的相對數(shù)來表示。此外，還有連續(xù)4個(gè)月的最大年徑流量占全年徑流量的百分?jǐn)?shù)來表示年度徑流分布。

1 研究區(qū)概況

南水水庫以上流域多年平均降水量2 211.8 mm。流域內(nèi)的降水量年內(nèi)分布不均勻，降雨主要集中在4～9月份，尤以5月上旬至9月下旬為暴雨爆發(fā)的集中期，占全年降雨量的75%左右[1]。

南水水庫庫區(qū)，由于熱帶低壓和南海季風(fēng)云團(tuán)趨于活躍，并將逐步加強(qiáng)北抬，對流域內(nèi)冷空氣的強(qiáng)度、途徑以及冷氣環(huán)流的循環(huán)有很大影響，進(jìn)而使該流域內(nèi)產(chǎn)生的降水量級也具有很大的差異性。受到副熱帶高壓的阻擋效應(yīng)而生成靜止切變，此時(shí)常常可能會在流域內(nèi)形成大暴雨。臺風(fēng)也是影響南水水庫流域水文氣象特征的重要因素，但是由于該水庫處于粵北地區(qū)，偏內(nèi)陸，且四周有群山環(huán)繞，因此很少有臺風(fēng)中心直接經(jīng)過水庫庫區(qū)，通常南水水庫庫區(qū)降水是受臺風(fēng)外圍波及而造成的。

2 研究方法

年徑流量的分布決定了水庫運(yùn)行的模式，徑流的變化會導(dǎo)致水資源供需的變化，從而影響水資源的開發(fā)利用和管理。本文采用徑流年內(nèi)不均勻分配系數(shù)、年內(nèi)完全調(diào)節(jié)系數(shù)等，并利用徑流分布的集中度來衡量年內(nèi)徑流量分布的不均勻性；利用汛期的集中度和集中期來揭示汛期徑流的集中程度[2]。

2.1 不均勻系數(shù)

定義Cv為徑流年內(nèi)分配的不均勻系數(shù)，Cv值越大，表明徑流年內(nèi)分配越不均勻。其計(jì)算公式如下：

式中：R(t)為年內(nèi)各月徑流量，108m3；Ri為第i月徑流量，108m3；σ為均方差。

2.2 完全調(diào)節(jié)系數(shù)

定義Cr為徑流年內(nèi)分配的完全調(diào)節(jié)系數(shù)，Cr值越大，表明徑流年內(nèi)分配越集中。其計(jì)算公式如下：

式中：符號含義同上。

2.3 集中期和集中度

集中期和集中度是利用矢量原理來確定時(shí)間分布特征的參數(shù)，將該原理應(yīng)用于南水水庫汛期(4月1日至10月31日)，可以定量描述汛期的集中度和集中期，對于洪水災(zāi)害的發(fā)生具有很好的判斷作用。該原理是將汛期期間的各旬徑流量作為一個(gè)向量，將流量的大小視為向量的長度，所處的旬為向量的方向。將汛期的214 d作為一個(gè)圓周，1 d等于1.682°，以每個(gè)旬的中間日期5日、15日、25日作為這個(gè)旬的向量的方向[2]。然后各矢量累加，其和占汛期徑流量的百分?jǐn)?shù)即集中度，用RCDx表示，其意義反映在汛期中徑流的集中度。如果某年汛期中，該月的徑流量完全集中在該月中的某一旬內(nèi)，則表示集中度達(dá)到最大值，即為1，越接近1，表明徑流越集中；如果該月每個(gè)旬的徑流量都相差不大，則表示集中度達(dá)到最小值，即為0，越接近0，表明各旬的徑流量處于比較平均的水平。對于集中度的計(jì)算則是合成該旬代表向量的方位角，從而確定在全部旬期內(nèi)降水量在合成后的整體效應(yīng)，進(jìn)而確定最大旬徑流量出現(xiàn)在汛期的哪個(gè)時(shí)段[3-4]。

按以上方法合成后徑流向量的方向可求得集中期D，即反映徑流量最集中的部分。計(jì)算公式如下：

式中：Rx為21個(gè)旬汛期徑流量的分量之和所構(gòu)成的水平分量；Ry為21個(gè)旬汛期徑流量的分量之和所構(gòu)成的垂直分量；ri為第i旬的汛期徑流量；θi為第i旬徑流代表的向量角度(表1)；i為旬序號(i=1，2，3,…，21)。

表1 汛期各旬包含的角度及各旬代表的角度值

3 結(jié)果分析

3.1 南水水庫徑流逐月趨勢變化特征

對于南水水庫流域來說，短時(shí)間內(nèi)大量的集中降雨是產(chǎn)生流域洪水的主要原因，也是其主要的庫容來源。因此，其年內(nèi)徑流量分配過程跟降雨量有一定的相似性，兩者都隨著季節(jié)變化，有著明顯的降雨和徑流集中現(xiàn)象。南水水庫流域1970-2016年各月徑流年內(nèi)變化趨勢見圖1，南水水庫汛期旬內(nèi)平均入庫流量與旬內(nèi)徑流均值量占全汛期總徑流量的百分比見圖2，各月徑流在年內(nèi)分配比例見表2。

圖1 南水水庫流域內(nèi)徑流量的年內(nèi)變化

從圖1可以看出，各年代徑流量的年內(nèi)分配變化基本保持一致，均呈“單峰型”分布，1、2月份處于低值，3月份處于上升期，最大值出現(xiàn)在5月份，6月份以后進(jìn)入下降期，冬季(10-12月份)達(dá)到低值。1970-1999年，徑流呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢；2010年以來，整體偏豐，月平均徑流量高于前40年，月平均徑流量明顯偏大。

由圖2可以看出，南水水庫的降雨徑流時(shí)空分布特征呈“三峰”狀態(tài)：

1) 汛期旬平均入庫流量由4月上旬開始逐步增大，到5月下旬出現(xiàn)旬平均入庫流量最高峰，6月為臺風(fēng)高發(fā)期，所以在6月下旬平均入庫流量再創(chuàng)新高，7月上旬到10月下旬，入庫流量逐步減少，但在8月下旬受降水的影響，入庫流量依然還存在一個(gè)小峰值。

2) 汛期徑流中，5月下旬至8月下旬徑流比例最大，約占汛期徑流總量的60%，三峰結(jié)構(gòu)在旬徑流占總徑流比例圖中表現(xiàn)的很明顯，這與當(dāng)?shù)氐臍夂驓庀髼l件有關(guān)，尤其是臺風(fēng)降雨對徑流的影響極大。

3) 汛期中的旬平均入庫流量在5-8月份比較大且波動也大，約為30～75.57 m3/s，最大的旬平均入庫流量出現(xiàn)在5月下旬，為75.57 m3/s；6月下旬次之，為72.61 m3/s，此后平均入庫流量呈下降趨勢。

圖2 南水水庫汛期旬內(nèi)平均入庫流量與旬內(nèi)徑流均值量占全汛期總徑流量的百分比

由表2可以看出南水水庫流域徑流量年內(nèi)分配不均勻，徑流主要集中在汛期(4-9月份)，汛期徑流量占到全年徑流量的70%以上，徑流連續(xù)最大的2個(gè)月(5-6月份)就占到全年徑流量的1/3以上，是連續(xù)最小2個(gè)月(12月和次年1月)的7倍左右。

表2 南水水庫流域內(nèi)徑流量的年內(nèi)分配

由此可以看出，影響徑流年內(nèi)分配的主要因素是氣候變化。因?yàn)榱饔虻靥巵啛釒夂驖駶檯^(qū)，當(dāng)副熱帶高壓位于流域北部且位置穩(wěn)定時(shí)，在南方或東南方將有大量的暖濕氣流會沿副熱帶高壓東側(cè)北上，此時(shí)常常可能會在流域內(nèi)形成大暴雨，由此造成流域降水年內(nèi)分配極不均勻。這種氣候特點(diǎn)決定了該流域夏秋徑流量大而春冬徑流量小的特性，即徑流年內(nèi)分配的不均勻性跟該流域氣候有關(guān)，且氣候特點(diǎn)占主要因素[5]。

3.2 南水水庫流域的徑流分配不均勻性

表3為南水水庫流域的Cv(徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù))和Cr(完全調(diào)節(jié)系數(shù))的計(jì)算成果。由此可知，該流域的Cv極小值是0.71，極大值是1.80,均值是1.25。Cv∈(0.2,0.8)，即徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)一般都處于0.2～0.8之間，整體水平較高，說明汛期徑流年內(nèi)分配較不均勻。因?yàn)樵摿饔虻难a(bǔ)蓄水以降雨為主，降雨量隨季節(jié)存在周期性變化，這就會導(dǎo)致徑流量同樣存在較為明顯的季節(jié)性差異變化[6]。

表3 南水水庫流域Cv(徑流年內(nèi)分配的不均勻度)和Cr(完全調(diào)節(jié)系數(shù))

從圖3可以看出，1970-2016年南水水庫流域Cv總體上呈鋸齒型波動，上世紀(jì)世紀(jì)70、80年代的Cv比較低，主要是由于上世紀(jì)70、80年代徑流偏枯；90年代以后，Cv呈緩慢增加的態(tài)勢；進(jìn)入本世紀(jì)后，Cv呈緩慢降低態(tài)勢，且變幅增大，這表明南水水庫流域年內(nèi)徑流量的波動程度在逐漸增大，其徑流年內(nèi)分配正在趨向不均勻，對水資源的充分利用處于負(fù)面影響狀態(tài)。

圖3 南水水庫流域Cv的變化趨勢

3.3 徑流的集中程度

從汛期徑流分配的集中度(表4)來看，1970-2016年集中度多在30%～80%之間，最低出現(xiàn)在1980、1987和2009年，均是17%；最高則為1974、2002和2013年，均為79%；多年平均集中度比較高，為49.5%。對集中度的變化趨勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，集中度先趨于降低后趨于增大(圖4)，這說明在這47年中，年內(nèi)徑流分配集中度由高到低再到高，年內(nèi)分配經(jīng)歷了先從不均勻趨于較均勻后又趨于不均勻。

表4 南水水庫流域汛期徑流分配的集中度和集中期

續(xù)表4

圖4 南水水庫汛期集中度變化趨勢

汛期的集中度≥70%的有5年，其中1974、2002和2013年屬于偏豐年，1980、1987和2009屬于偏枯年。 就集中期而言，汛期的徑流量集中于旬序號為5、6、10、14、15，分別是5月1-21日、7月1-10日、8月11-31日；而目前的南水水庫汛期為4月15日至9月15日，計(jì)算結(jié)果表明，汛期徑流分配的集中期和集中度越大，該流域發(fā)生洪水的概率也就越高；汛期徑流分配集中度呈增大趨勢，表明汛期徑流分配逐漸趨于不均勻。

4 結(jié)論及建議

以珠江流域北江水系的南水水庫的1970-2016年的徑流量資料為基礎(chǔ)，在廣東粵電南水發(fā)電有限責(zé)任公司多年開展汛期水情趨勢預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，利用南水水庫流域47年的水庫徑流量資料，分析了南水流域的月徑流、旬徑流變化特征和徑流的年內(nèi)分配不均勻性以及汛期徑流集中性等，研究南水水庫流域年內(nèi)、年際的徑流變化一般特性，對南水水庫汛期降水量進(jìn)行了預(yù)測和分析，結(jié)論如下：

徑流量年內(nèi)分配的變化基本保持一致，分布形態(tài)均顯示為“三峰型”，月徑流一般會在5月達(dá)到極大值。徑流主要集中在汛期，占到全年徑流量的70%以上。徑流年內(nèi)分配很不均勻，徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)處于逐漸增加的狀態(tài)，且變幅也在逐漸加大，這表明南水水庫流域年內(nèi)徑流量的波動程度在逐漸增大，汛期的集中度偏大，發(fā)生洪水的概率就大，因此需要高度重視未來汛期集中度較高的年份。

基于集中度的南水水庫徑流年內(nèi)分配研究作用在于計(jì)算相對簡單，精度較好，有利于判斷汛期大小年，提前做好大汛大旱等極端年份的防汛抗旱工作，有利于決策者在發(fā)電效益的最優(yōu)化分配過程中的決策判斷，對水資源的充分利用和發(fā)電調(diào)度等提供數(shù)據(jù)性支持。建議在水庫調(diào)度過程中抓住一個(gè)或兩個(gè)大的降水提高水庫儲存量，以確保水庫蓄水量可以滿足向韶關(guān)供水等各方面的需要，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。