高州水庫(kù)降雨徑流分析及枯水期水量預(yù)報(bào)

盧建彬

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525099)

高州水庫(kù)是鑒江流域最重要的骨干調(diào)蓄工程，位于鑒江支流大井河及曹江中游，對(duì)茂名、湛江地區(qū)的防洪和供水發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。分析高州水庫(kù)的降雨徑流規(guī)律對(duì)水庫(kù)的防洪、防旱抗旱及水資源管理、保護(hù)、綜合開(kāi)發(fā)利用等具有非常重要的意義。同時(shí)本文探討了退水公式在高州水庫(kù)枯水期入庫(kù)徑流預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，能夠?yàn)榭菟谒空{(diào)度工作提供一定的技術(shù)支撐。

1 水庫(kù)概況

高州水庫(kù)位于廣東省高州市東北部，位于東經(jīng)110°58′～111°08′，北緯22°02′～22°13′，由良德、石骨兩庫(kù)區(qū)經(jīng)龍頭坳渠道聯(lián)通而成(水位低于80.5 m時(shí)龍頭坳不再過(guò)流)。水庫(kù)集水面積為1 003 km2，設(shè)計(jì)年徑流量為14.77億m3，總庫(kù)容為12.8億m3，興利庫(kù)容為9.8億m3。原設(shè)計(jì)供茂名市工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水為 21.76 m3/s，灌溉高州、化州、電白、茂南、吳川等4縣1區(qū)農(nóng)田7.87萬(wàn)hm2(目前實(shí)灌面積約5.48萬(wàn)hm2)，是一宗以灌溉、防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程，是茂名及整個(gè)鑒江中下游平原工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈[1]。

高州水庫(kù)主要入庫(kù)河流有大井河、黃塘水、曹江、大潮河，其余大于50 km2的支流有格蒼河。高州水庫(kù)流域水系及水文站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 高州水庫(kù)流域水系及水文站點(diǎn)分布示意

2 資料序列與分析

高州水庫(kù)流域分別有10個(gè)水文站和10個(gè)雨量站，站點(diǎn)情況見(jiàn)表1。

表1 高州水庫(kù)流域水文站點(diǎn)

本次降雨分析采用有長(zhǎng)系列降雨資料的13個(gè)站點(diǎn)，蒸發(fā)分析采用石骨水庫(kù)(厘更壩)站資料。徑流分析則是采用良德水庫(kù)(隧洞口)、良德水庫(kù)(東岸渠)、良德水庫(kù)(溢洪道)、石骨水庫(kù)(主渠)、石骨水庫(kù)(北干渠)、石骨水庫(kù)(溢洪道)等6個(gè)站點(diǎn)的出庫(kù)流量之和作為出庫(kù)系列，結(jié)合兩庫(kù)區(qū)蓄水量變化，根據(jù)水量平衡反推入庫(kù)徑流系列，最后進(jìn)行入庫(kù)徑流的分析。以上采用的分析資料系列均為1980年后的水文整編資料，資料精度可靠，滿(mǎn)足分析要求。本文所統(tǒng)計(jì)的年數(shù)據(jù)指的是水文年數(shù)據(jù)(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 降雨量空間分布

高州水庫(kù)面臨南海，背靠粵西最高峰大田頂(主峰高1 704 m)，地形雨明顯。當(dāng)水汽向北推進(jìn)受阻，受山地抬升作用影響，在其東南迎風(fēng)坡即水庫(kù)集雨區(qū)內(nèi)，形成了茂名市三大暴雨高區(qū)之一，降雨豐沛，暴雨強(qiáng)度大。庫(kù)區(qū)內(nèi)降雨量從上游到下游逐漸遞減，暴雨高值區(qū)一是位于大田頂附近的曹江上游厚園圩，二是高州三官山北坡的格蒼河區(qū)域。根據(jù)水庫(kù)流域內(nèi)各雨量站點(diǎn)1980年以來(lái)40 a的實(shí)測(cè)降水資料統(tǒng)計(jì)，高州水庫(kù)多年平均降雨量為2 063 mm；庫(kù)區(qū)上中游多年平均降雨量為2 000～2 700 mm，下游多年平均降雨量為1 750～1 900 mm。水庫(kù)流域內(nèi)站點(diǎn)的多年平均降雨量見(jiàn)表2。

表2 高州水庫(kù)流域各站多年平均降雨量

3.2 降雨量年內(nèi)分配

高州水庫(kù)流域多年平均降雨量年內(nèi)分配見(jiàn)表3。從表中可知水庫(kù)降雨量年內(nèi)分配極為不均，主要集中在汛期4—9月，占全年降雨量的82%，其中年內(nèi)分配以6—8月最多，占比在16%～17%，4月、5月、9月占比則在9%～13%。非汛期內(nèi)降雨總量占全年降雨量的18%，各月降雨量占比均在5%以下，以12月最少，僅占全年降雨量的1.6%。

表3 高州水庫(kù)流域多年平均降雨量年內(nèi)分配

3.3 降雨量年際變化

降雨量年際變化包括年際間的變化幅度和多年變化過(guò)程。年際變幅通常用年降雨變差系數(shù)Cv和極值倍比(即同站最大和最小年降雨量比值)來(lái)表示[2]。高州水庫(kù)流域降雨量變差系數(shù)Cv在0.17～0.24之間，年際變化較為明顯，各站豐水年份和枯水年份相差較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同站降水極值倍比一般為2.4倍，其中最小比值為大坡圩站1.98倍，最大比值為造賢站的2.57倍；年降雨極差(即同站最大和最小年降雨量之差)一般為1 680 mm左右，其中最小值為大坡圩站1 529.6 mm，最大值為馬貴站2 262.1 mm。高州水庫(kù)流域降雨站點(diǎn)極值倍比的范圍較小也說(shuō)明了由于流域面積相對(duì)較小，降雨同步性較好。各站點(diǎn)極差、極值倍比和變差系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 高州水庫(kù)流域站點(diǎn)降雨極差、極值倍比和變差系數(shù)統(tǒng)計(jì)Cv

4 蒸發(fā)

高州水庫(kù)流域多年平均水面蒸發(fā)量1 166 mm，各月水面蒸發(fā)量分布見(jiàn)表5。據(jù)統(tǒng)計(jì)高州水庫(kù)年水面蒸發(fā)量為934～1 342 mm，7—11月蒸發(fā)量最大，2月最小。其中汛期多年平均水面蒸發(fā)量為628.6 mm，占比53.91%；非汛期多年平均水面蒸發(fā)量為537.4 mm，占比46.09%。非汛期除2、3月多年平均水面蒸發(fā)與多年平均降雨相當(dāng)外，其余月份多年平均水面蒸發(fā)均比多年平均降雨大，說(shuō)明在大部分情況下，非汛期降雨主要用于蒸發(fā)，對(duì)入庫(kù)徑流作用并不產(chǎn)生影響，為無(wú)效降雨。

表5 高州水庫(kù)流域多年水面蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)

5 入庫(kù)徑流

使用反推的入庫(kù)徑流系列進(jìn)行分析，并計(jì)算高州水庫(kù)多年平均徑流，其年內(nèi)分配見(jiàn)表6。高州水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流量為12.1億m3，年內(nèi)分配極為不均，4—9月汛期入庫(kù)徑流占全年入庫(kù)徑流的74.5%。其中6—9月4個(gè)月入庫(kù)徑流量占全年的60%，每月占比在13.3%～16.9%。10月至次年3月非汛期入庫(kù)徑流占全年的25.5%，每月占比均在5%以下。

表6 高州水庫(kù)流域多年平均入庫(kù)徑流量年內(nèi)分配

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高州水庫(kù)流域年入庫(kù)徑流變差系數(shù)Cv為0.33，最大年入庫(kù)徑流為23.39億m3，出現(xiàn)在2010年；最小年入庫(kù)徑流為6.363億m3，出現(xiàn)在2000年，極值倍比為3.68倍，說(shuō)明高州水庫(kù)入庫(kù)徑流年際變幅較大，豐水年份與枯水年份的入庫(kù)徑流相差較大。

6 枯水期入庫(kù)徑流預(yù)報(bào)

由前文可知高州水庫(kù)枯水期降雨總量占全年降雨量的18%，但入庫(kù)徑流卻占全年入庫(kù)徑流的25.5%。而且大部分情況下，非汛期降雨主要用于蒸發(fā)，對(duì)入庫(kù)徑流作用并不產(chǎn)生影響，為無(wú)效降雨，說(shuō)明了高州水庫(kù)枯水期入庫(kù)徑流主要由流域蓄水消退所形成的，因此可以根據(jù)徑流消退的規(guī)律來(lái)預(yù)報(bào)高州水庫(kù)枯水期無(wú)降雨或雖有降雨但產(chǎn)流很少時(shí)期的徑流量。退水公式在洪枯水預(yù)報(bào)中被廣泛使用[3]：

Qt=Q0e-βt

(1)

式中Q0、Qt分別為退水開(kāi)始時(shí)的退水流量和t時(shí)刻的地下出水流量，m3/s；β為退水系數(shù)；t為退水時(shí)間。

對(duì)式(1)進(jìn)行變形，取對(duì)數(shù)得β=(lnQ0-lnQt)/t，可使用表6中9月至次年3月多年平均入庫(kù)徑流量來(lái)計(jì)算枯水期各月的β。因?yàn)閷?月入庫(kù)徑流量為Q0來(lái)計(jì)算枯水期徑流量，所以若某年9月上中旬有較大降雨導(dǎo)致9月入庫(kù)徑流較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致枯水期入庫(kù)徑流預(yù)報(bào)值偏大。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)9月入庫(kù)徑流大于3億m3時(shí)，枯水期各月退水系數(shù)應(yīng)采用β′值，以此來(lái)進(jìn)行枯水期徑流預(yù)報(bào)。各月β及β′值見(jiàn)表7。

表7 枯水期各月退水公式參數(shù)

以2019年為例，9月入庫(kù)徑流為0.971 6億m3，將表7中各月的t和β代入式(1)中計(jì)算10月至次年3月各月入庫(kù)徑流量，預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)表8，枯水期入庫(kù)總量預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值相差6.8%。

表8 2019年枯水期入庫(kù)徑流預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比 億m3

使用上述方法對(duì)1980年以后的枯水期入庫(kù)徑流總量進(jìn)行預(yù)報(bào)，由于對(duì)中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)經(jīng)度國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可借鑒，參照短期水文預(yù)報(bào)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以相對(duì)誤差絕對(duì)值小于30%為許可誤差作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定[4]，結(jié)果如表9所示。

表9 高州水庫(kù)1980年以來(lái)枯水期入庫(kù)徑流總量預(yù)報(bào)值和檢驗(yàn)結(jié)果

從表9可以看出，相對(duì)誤差在30%以下的預(yù)報(bào)值有28 a，合格率為70%。對(duì)預(yù)報(bào)效果不好的年份進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要是枯水期內(nèi)有較大降雨并產(chǎn)生了一定的徑流，導(dǎo)致預(yù)報(bào)值比實(shí)際值偏小。通過(guò)40 a枯水期徑流預(yù)報(bào)的情況分析說(shuō)明，使用退水公式對(duì)高州水庫(kù)枯水期入庫(kù)徑流總量進(jìn)行預(yù)報(bào)有一定效果，可以為鑒江流域枯水期水量調(diào)度作參考。

7 結(jié)語(yǔ)

高州水庫(kù)多年平均降雨量2 063 mm，多年平均入庫(kù)徑流量為12.1億m3。其降雨與入庫(kù)徑流年內(nèi)分配不均，汛期降雨占全年降雨量的82%，汛期入庫(kù)徑流占全年入庫(kù)徑流的74.5%；而且降雨與入庫(kù)徑流年際變化也較為明顯，豐水年份和枯水年份差異較大。高州水庫(kù)枯水期入庫(kù)徑流主要由流域蓄水消退所形成，使用退水公式對(duì)高州水庫(kù)40 a枯水期徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，合格率為70%，可用于高州水庫(kù)枯水期入庫(kù)徑流的參考性預(yù)報(bào)，為鑒江流域枯水期水量調(diào)度提供一定的技術(shù)支撐。