福建赛江白塔站径流系列代表性及枯水流量分析

占 润 进

(福建省水利水电勘测设计研究院 ,福建 福州 350001)

1 前 言

赛江(交溪)是福建省“五江一溪”之一,位于福建省东部闽东地区,流域面积 5635km2。赛江主要控制站为白塔水文站,控制流域面积 3270km2。该站观测系列资料长,具有自 1954～2004年共 51年的完整径流资料,以此整编成果应是可靠的。本文根据白塔站长系列径流资料,采用多种方法分析论证该站径流系列的代表性,提出了白塔站河段径流特性和最小生态流量的合理取值。

2 白塔站径流系列代表性分析

所谓径流系列代表性是指该径流系列样本对于总体的代表程度。代表性好是指这个径流系列分布接近其总体分布;也可以说其系列内包括了相适应的大、中、小来水。据此计算的统计参数才能接近实际情况。一般说来,资料年限愈长,样本的代表性就愈好,用来估算总体统计参数的误差也愈小,但也不能排除短期样本的代表性高于长期样本的可能性,只不过这种可能性较小而已。因此,常常选取一些长系列站作为参证站,近似地视为总体。笔者用下列方法对白塔测站径流系列代表性做定性分析。

2.1 差积曲线法

差积曲线是分析一个地点水量丰枯变化的常用办法。当差积曲线的坡度向下时,表示为枯水期;向上时表示为丰水期;水平时则表示接近于平均值的平水年。若差积曲线呈现长时期连续下降时,就表示长时期的连续干旱;反之则表示连续多水,坡度愈大表示程度愈剧烈。但是,差积曲线的形状是随平均值的变化而变化的。

从图1中可以看出:白塔站年平均流量模比数差积曲线在 1954～1957、1963～1971、2003～2004年为下降段,为枯水段;1958～1962、1972～1975、1998～2002年为上升段,也就是丰水段;1958～1961、1980～1997年段基本上是平水段。因此,通过差积曲线就能方便地认识白塔站丰、平、枯特性。

图1 白塔站年平均流量模比数差积曲线

2.2 滑动平均值法

采用 n年(一般 n=1,2,…,10)滑动平均值法对于认识某一地点的年径流周期性有其方便之处。这是因为取 n年滑动均值法,把小于 n年的小波动消除了,而把大于 n年的周期性特征明显地表示出来。我们绘制了白塔站 5、10年的年平均流量滑动平均曲线,发现白塔站年平均流量具有约 13年的周期,51年内具有明显的三个周期,而每一周期内的均值又有甚大悬殊。这就说明,要确定白塔站年平均流量均值,其系列不能短于一个周期的年数,此处为 13年。而且,由于每个周期的均值又不相同,因此,取任一完整周期的均值也是缺乏代表性的(见图2),建议取用 2个周期以上年份。

图2 白塔站年平均流量滑动平均曲线

2.3 逐年累进求均值法

年平均流量的平均值是随年数的加长而趋于稳定的,绘制均值与年数的关系曲线能很好地反映这种特性(见图3)。

这种累进均值曲线的波动幅度需多长的年数才能比较稳定,是难以回答的。它主要取决于丰枯变化的程度和长短,且与起迄年份有关。例如白塔站的年平均流量累进均值需 25年以后才能比较稳定(见图3)。

图3 白塔站(1954～2004年)年平均流量累进均值曲线

3 径流特性

3.1 基本特性

经分析计算,白塔站多年平均流量 128m3/s,年径流量40.39亿 m3,径流模数39.14dm3/s·km2,汛期(4～9月)平均流量 194m3/s,枯水期(10～3月)平均流量 60.8m3/s。白塔站径流的年际分配与降水类同,径流的年际变化较平稳,白塔站最大年平均流量为184m3/s(1975年),最小年平均流量为69.9m3/s(1971年),分别为多年平均流量的 1.44和 0.55倍。在 1954～2004年共 51年中,丰水年 7个,占整个系列的 13.72%;平水、偏丰年 15个,占整个系列的 29.41%;平水、偏枯年 21个,占整个系列的 41.18%;枯水年 8个,占整个系列的 15.69%。

该站径流的年内分配的季节变化也与降水类同,丰水期 4～9月径流占全年径流的 75.74%,其中 4～6月径流占全年径流的 43.29%,7～9月径流占全年径流的 32.45%;枯水期 10～翌年3月径流占全年径流 24.26%。历年最大月平均流量为 653m3/s(1956年 9月),历年最小月平均流量为 7.16m3/s(1967年 10月),历年最小日平均流量为 5.11m3/s(1967年 10月 31日)。详见表1和图 4～5。

图4 白塔站历年年降水量、年径流对照

图5 白塔站多年平均各月平均流量过程线

3.2 枯水流量特性

枯水流量的大小是指在给定的枯水历时内,通过河流某指定断面的平均流量。枯水流量的历时,取决于所要研究的对象和目的,一般年内枯水流量的历时有 1天、7天、12天或 30天等。根据枯水流量历时和实测径流系列,可每年一次选样,得到一个枯水流量系列,通过频率计算可确定枯水流量发生的频率。流量历时曲线是累积径流发生时间的曲线,表示大于或等于某一流量的时间百分数。其统计时段可按工程要求选择,常用日、旬或月为单位。可用长系列或代表年资料进行统计,绘制流量历时曲线。表2和表3是根据白塔站长系列资料分析计算的成果。

从表2可知,在白塔站河段,在 P=90%时,最小月平均流量为 10.0m3/s,最小 7日平均流量为7.70 m3/s,最小 1日平均流量为 7.14m3/s;而表3表明,P=90%时,月、旬和日平均流量分别为 20.1 m3/s、17.7m3/s和 16.0m3/s。因取样不同,两表的差值较大,故不同用途的取值应有所侧重。

表2 白塔站最小日、旬、月平均流量频率适线对照 m 3/s

表3 白塔站日、旬、月平均流量历时曲线保证率对照 m3/s

4 河道最小生态流量的取值

目前我国主要采用以下方法计算河道最小生态流量 :(1)多年平均流量的 1/10;(2)P=90%最枯月平均流量;(3)P=90%最枯日平均流量;(4)近10年最枯月平均流量;(5)P=90%保证率日平均流量(流量历时曲线);(6)P=90%保证率旬平均流量(流量历时曲线)。

根据以上计算方法,算得白塔站河段的最小生态流量见表4。

表4 白塔站河段不同方法计算的最小生态流量 m3/s

通过对 1954～2004年实测年径流量的统计求得多年平均流量 128m3/s,并据此得到本河段河流最小生态流量为 12.8m3/s。这个计算结果介于各方法计算的河流最小生态流量之间。从白塔站至下游福安城区河段水功能划分为赛江福安饮用水源区,考虑到它的重要性和安全性等因素,建议白塔站河段枯水期(10～3月)可以采用多年平均流量的1/10估算河流最小生态流量 12.8m3/s,并按丰、枯水期生态流量占同期天然流量的比例基本相当的原则,汛期(4～9月)最小生态流量采用 40.8m3/s。

5 结 语

(1)径流系列存在有连续枯和连续丰交替出现的现象,因此在应用径流系列作频率分析时,应研究所取系列是否具有代表性,如所选系列是偏枯或偏丰段时则应予以修正。

(2)径流系列枯丰变化是一种自然现象,是受一些气候因子的影响形成的。而这些气候因子影响的范围往往是很大的,因此枯段和丰段也往往具有大范围的性质。所以,在研究和修正径流系列代表性时,也应着眼于大范围的资料。

(3)枯水流量的大小和枯水期的长短对灌溉、发电、航运、工业和供水有很大影响。研究河流的枯水、枯水期的起止时间和历时等规律,通过多种方法计算比较提出河段最小生态用水量的合理取值有实际意义。

(4)进行水电站开发、供水和其他引水时要维持下游河道水环境功能的最小下泄流量。河道生态流量可采用河流最小环境流量的计算方法——7Q10法、多年平均流量的 1/10、历年最小月平均流量频率适线、日平均流量历时曲线法等方法计算和比选,针对本河段水功能划分的重要性,提出河段最小生态用水量的合理取值。

[1]吴季松.现代水资源管理概论[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[2]《中国水力发电工程》(工程水文卷)[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[3]SL 278-2002《水利水电工程水文计算规范》[S].北京:中国水利水电出版社,2002.