贛江峽江水庫洪水分期研究

劉章君，張靜文，溫天福，成靜清

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029； 2.江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點實驗室，江西 南昌 330029；3.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，江西 南昌 330029）

0 引 言

水庫利用洪水分期特性進行分期動態(tài)控制運用，是確保防洪安全的前提下提高綜合利用效益的重要手段，而合理確定汛期分期是前提條件［1］。汛期變化具有確定性、隨機性、過渡性等特性，針對汛期分期的研究方法很多，可以概括分為成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計法兩種，分別屬于定性和定量分析方法［2］。數(shù)理統(tǒng)計法包括水文特征值法［3］、模糊分析法［4］、分形分析法［5］、變點分析法［6］、系統(tǒng)聚類法［7］、矢量統(tǒng)計法［8］、相對頻率法［8］和圓形分布法［9］等。其中定性方法早期應(yīng)用較為廣泛，但由于缺乏科學(xué)的數(shù)學(xué)計算依據(jù)，使得分期帶有一定的不確定性，各種定量方法的出現(xiàn)彌補了這方面的不足。目前各種汛期分期方法都有各自的優(yōu)缺點，所得分期結(jié)論會有一定的差異，至今尚未形成公認(rèn)的方法［10］。

實際中應(yīng)從多種途徑來研究季節(jié)性變化規(guī)律，通過多種途徑分析結(jié)果相互對比，為汛期的合理分期提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)。因此，研究以贛江峽江水庫為研究對象，基于代表性水文站（峽江水文站）1957-2017年還原后的逐日平均流量、年最大洪峰流量資料，采用成因分析法、水文特征值統(tǒng)計法和變點分析法研究洪水汛期分期規(guī)律，并進行對比分析。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

峽江水利樞紐是一座以防洪、發(fā)電、航運為主，兼顧灌溉等綜合利用的大（Ⅰ）型水利樞紐工程。壩址位于贛江中游峽江縣巴邱鎮(zhèn)上游峽谷河段，控制流域面積62 710 km2，多年平均流量1 640 m3/s，水庫總庫容11.87 億m3，防洪庫容6.0 億m3，調(diào)節(jié)庫容2.14 億m3，多年平均發(fā)電量11.44億kWh，改善航道里程77 km，設(shè)計灌溉總面積32.95萬畝，庫區(qū)回水長度約64.0 km，為季調(diào)節(jié)水庫。水庫正常蓄水位46.0 m，死水位為44.0 m，防洪高水位49.0 m，設(shè)計洪水位49.0 m，校核洪水位49.0 m。對峽江水庫進行洪水分期，進而實現(xiàn)分期動態(tài)控制運用，對于在確保防洪安全的前提下提高綜合利用效益具有重要意義。

1.2 研究數(shù)據(jù)

峽江水庫壩址下游約4.5 km處設(shè)有峽江水文站，控制流域面積62 724 km2，與峽江壩址控制流域面積62 710 km2相差微小。因此，直接采用峽江水文站代表峽江水庫壩址的洪水特征。考慮到峽江水文站上游萬安、峽江水庫的調(diào)蓄影響，為保證流量系列的一致性，對萬安1990年以來、峽江2013年的調(diào)蓄影響進行了還原計算得到天然流量過程。還原的方法采用馬斯京根法將水庫的蓄變量演算至峽江水文站并疊加到峽江水文站實測流量過程。本研究采用數(shù)據(jù)為還原后的峽江水文站1957-2017年逐日平均流量、年最大洪峰流量及發(fā)生時間。

2 洪水分期成因分析

贛江流域暴雨洪水季節(jié)性變化是汛期分期的前提。贛江流域地處低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。由于流域東、南、西三面高，向中間傾斜，加上流域內(nèi)部武功山、雩山等山地和丘陵的存在，形成復(fù)雜的地勢對流域氣候特性起一定制約作用。夏季本流域一般處于太平洋副熱帶高壓西北側(cè)，孟加拉灣及南海大量暖濕氣流源源不斷輸送到本流域，因而水汽充沛，此時冷空氣仍頻頻南下，往往與西暖濕氣流交綏，形成大范圍降雨或暴雨。春、秋季為氣候轉(zhuǎn)換季節(jié)，春季往往寒暖交替，天氣多變，常有陰雨和低溫天氣出現(xiàn)。盛夏與伏秋季節(jié)有時受臺風(fēng)形響，出現(xiàn)臺風(fēng)雨或臺風(fēng)暴雨，也有時出現(xiàn)地區(qū)性的對流性不穩(wěn)定的雷陣雨，但歷時短，范圍不大。

贛江流域主要的降水時期為每年的4-9月，3月和10月也偶爾發(fā)生暴雨。暴雨類型既有鋒面雨，又有臺風(fēng)雨，鋒面雨是主要暴雨類型，其水汽的主要來源是太平洋西部的南海和印度洋的孟加拉灣［11］。一般每年從4月份開始，至5、6月份形成大范圍的暴雨區(qū)，具有降水時間長、強度大的特點。贛江洪水由暴雨形成，一般每年自4月份起，流域開始出現(xiàn)洪水，但峰量不大；5、6月份為本流域出現(xiàn)洪水的主要季節(jié)，尤其是6月份，往往由大強度暴雨產(chǎn)生峰高量大的大量級洪水；7-9月由于受臺風(fēng)影響，也會出現(xiàn)短歷時的中等洪水，3月和10月偶爾也會發(fā)生中等洪水。

綜上所述，贛江流域暴雨洪水主要集中在4-9月，4-6月洪水由鋒面雨形成，7-9月洪水一般由臺風(fēng)雨形成。因此從成因分析上看，可將4-6月作為峽江水庫主汛期，而7-9月作為后汛期。

3 水文特征值統(tǒng)計分期

3.1 徑流統(tǒng)計分析

為了探究整個汛期來水總量的時程變化規(guī)律，統(tǒng)計峽江水文站1957-2017年汛期（4-9月）逐旬的實際來水量資料，結(jié)果如圖1所示。可以看出，峽江水文站汛期逐旬來水總量大致呈現(xiàn)從小至大，然后由大至小的規(guī)律。4月上旬來水量開始變大，6月下旬來水最大，從7月中旬開始，來水量顯著變小。因此，從徑流統(tǒng)計分析看，峽江水文站4月初-7月上旬可以劃分為主汛期，7月中旬-9月底為后汛期。

圖1 峽江水文站汛期逐旬流量分配圖Fig.1 Flow distribution diagram of Xiajiang hydrology station in flood season by ten days

3.2 年最大洪峰統(tǒng)計分析

根據(jù)峽江水文站1957-2017年最大洪峰流量資料，統(tǒng)計獲得峽江水文站年最大洪峰流量各月出現(xiàn)頻次和頻率統(tǒng)計見表1。峽江水文站1957-2017（共61年）中年最大洪峰流量的歷年最大值為19 900 m3/s，出現(xiàn)在1968年6月26日；歷年最小值為2 950 m3/s，出現(xiàn)在1963年4月25日。年最大洪峰流量出現(xiàn)最早時間為3月10日，最晚為11月18日。可以發(fā)現(xiàn)峽江水文站的大洪水基本上發(fā)生在3-9月，其他時間發(fā)生大洪水的幾率很小，而且主要集中在5月和6月，頻率分別為24.59%和39.34%。

表1 峽江水文站年最大洪峰流量各月出現(xiàn)頻次和頻率統(tǒng)計表Tab.1 Monthly occurrence number and frequency statistics of annual maximum flood peak discharge at Xiajiang hydrological station

圖2給出了峽江水文站的年最大洪峰流量散點分布。可以看出以下特征：①年最大洪峰流量散點的頻率和量級基本呈現(xiàn)由弱變強、再由強變?nèi)醯囊?guī)律。②年最大洪峰流量出現(xiàn)在5、6月的次數(shù)最多，且洪峰數(shù)值最大，其余各月洪峰流量相對較小，出現(xiàn)頻率也較低。③盡管7月出現(xiàn)年最大洪峰流量的幾率不大，但仍然有一定的概率出現(xiàn)相當(dāng)量級的年最大洪峰流量。此外，歷史上出現(xiàn)在7月的洪峰基本上都集中在前半月（即7月15日之前），7月16日至7月31日之間未出現(xiàn)過年最大洪峰。根據(jù)年最大洪峰統(tǒng)計分析確定的峽江水文站汛期（4月1日-9月30日）洪水分期的時間界限為7月12日，即主汛期為4月1日-7月12日，后汛期為7月13日-9月30日。

圖2 峽江水文站年最大洪峰流量散點分布圖Fig.2 Scatterpoint distribution of annual maximum flood peak discharge at Xiajiang hydrological station

3.3 汛期逐日最大流量統(tǒng)計分析

根據(jù)峽江水文站1957-2017年汛期逐日最大流量樣本資料，繪制散點分布圖如圖3所示。可以看出汛期逐日最大流量散點呈現(xiàn)雙峰型特征，與鋒面雨與臺風(fēng)雨兩種不同暴雨成因形成的洪水相對應(yīng)，洪峰的大小在主汛期和后汛期分別呈現(xiàn)由弱至強、再由強至弱的規(guī)律性。因此，根據(jù)汛期逐日最大流量統(tǒng)計分析確定的峽江水文站汛期（4月1日-9月30日）洪水分期的時間界限為7月14日，即峽江水文站主汛期為4月1日-7月14日，后汛期為7月15日-9月30日。

圖3 峽江水文站汛期逐日最大流量散點分布圖Fig.3 Scatterpoint distribution of daily maximum discharge during flood season at Xiajiang hydrological station

4 變點分析法結(jié)果

4.1 日最大取樣均值變點分析

基于峽江水文站1957-2017年汛期（4月1日至9月30日）日流量資料，進行洪峰最大值取樣構(gòu)造序列進行，均值變點分析結(jié)果見如圖4所示。結(jié)果表明，峽江水文站主汛期和后汛期的分期節(jié)點分別為7月14日。因此，采用日最大取樣均值變點分析確定的峽江水文站汛期分期結(jié)果為：主汛期4月1日-7月14日，后汛期7月15日-9月30日，在劃分的主汛期內(nèi)，最大的洪峰被內(nèi)包，洪水發(fā)生次數(shù)最為頻繁。而后汛期洪水次數(shù)、量級相對較小。

圖4 峽江水文站日最大洪峰取樣均值變點分析圖Fig.4 Mean change point of daily maximum flood peak sampling at Xiajiang hydrological station

4.2 超定量取樣概率變點分析

在基于超定量（Peak Over Threshold，POT）取樣的概率變點分析中，關(guān)鍵的是選擇閾值的大小：取得過大，可能因為超過閾值的數(shù)據(jù)較少，所得結(jié)論的合理可靠性難以保證；取得過小，則分期不能精準(zhǔn)反映需要重點防洪的時間分布特征。根據(jù)峽江水文站洪水量級和所能取樣得到的樣本數(shù)，閾值流量取為9 000 m3/s，獲取的POT樣本數(shù)量為243。對峽江水文站1957-2017年汛期（4月1日至9月30日）日流量資料進行概率變點分析，以洪峰超過閾值流量計發(fā)生一次，得出概率變點分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，峽江水文站主汛期和后汛期的分期節(jié)點為7月14日。因此，采用超定量取樣概率變點分析確定的峽江水文站主汛期為4月1日-7月14日，后汛期為7月15日-9月30日。

圖5 峽江水文站超定量取樣概率變點分析圖Fig.5 Probability change point analysis of peak-over-threshold sampling at Xiajiang hydrological station

5 峽江水庫洪水分期綜合分析

對上述成因分析法、水文特征值統(tǒng)計法（旬平均徑流統(tǒng)計分析、年最大洪峰統(tǒng)計分析、汛期逐日最大流量統(tǒng)計分析）和變點分析法（日最大取樣均值變點分析、超定量取樣概率變點分析）等6種方案的汛期分析結(jié)果進行綜合，可得到峽江水文站汛期分期結(jié)果見表2。從表2中結(jié)果可以看出：成因分析法主要從暴雨成因角度進行定性分析，將4-6月作為主汛期，7-9月作為后汛期。水文特征值統(tǒng)計法和變點分析法這兩類定量分析方法分期結(jié)果基本一致，將4月初-7月上中旬作為主汛期，7月中下旬-9月底作為后汛期，表明汛期分期結(jié)果較為合理和穩(wěn)健。從水文特征值統(tǒng)計法和變點分析法結(jié)果來看，7月的前半月（7月1日至7月15日）出現(xiàn)較大量級洪水的概率仍然較大，從偏安全的角度可將此時段劃入主汛期，同時考慮管理方便和習(xí)慣，擬定峽江水庫主汛期為4月1日-7月15日，后汛期為7月16日-9月30日。

表2 峽江水文站汛期分期計算結(jié)果比較Tab.2 Comparison of flood season staging results of Xiajiang hydrological station

6 結(jié) 論

以贛江峽江水庫為研究對象，基于代表性水文站（峽江水文站）1957-2017年逐日平均流量、年最大洪峰流量資料，采用成因分析法、水文特征值統(tǒng)計法和變點分析法研究洪水汛期分期規(guī)律，并進行對比分析。主要結(jié)論如下：

（1）贛江流域暴雨洪水主要集中在4-9月，4-6月份洪水由鋒面雨形成，7-9月份洪水一般由臺風(fēng)雨形成。從成因分析上看，贛江中下游流域洪水具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，可將4-6月作為主汛期，7-9月作為后汛期。

（2）水文特征值統(tǒng)計和變點分析這兩類定量分析方法分期結(jié)果基本一致，汛期分期結(jié)果較為合理和穩(wěn)健，可將4月初-7月上中旬作為主汛期，7月中下旬-9月底作為后汛期。

（3）結(jié)合多種途徑分析結(jié)果，從偏安全的角度，同時考慮管理方便和習(xí)慣，擬定峽江水庫主汛期為4月1日-7月15日，后汛期為7月16日-9月30日。

確定峽江水庫主汛期和后汛期后，可以計算分期設(shè)計洪水，并進一步推求相應(yīng)的分期汛限水位，作為水庫分期控制運用的依據(jù)。此外，在峽江水庫實時防洪調(diào)度中，還應(yīng)在分期汛限水位運用的基礎(chǔ)上編制精度相對較高的峽江壩址、吉安站的洪水預(yù)報方案進行預(yù)報預(yù)泄調(diào)度，實現(xiàn)峽江水庫的分期動態(tài)控制運用。若需要泉港分蓄洪區(qū)配合進行分洪為贛江下游防洪時，還須預(yù)報石上站（樟樹站）流量和泉港分洪閘外贛江水位指示泉港分洪閘的開啟和關(guān)閉，具體方案和結(jié)果有待進一步研究。