水库汛期分期的关键问题研究

李 林，梁国华

（1.水利部水利水电规划设计研究总院，北京100120；2.大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116023）



水库汛期分期的关键问题研究

李 林1，梁国华2

（1.水利部水利水电规划设计研究总院，北京100120；2.大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连116023）

摘要：针对我国暴雨洪水的季节性变化规律在不同地区存在明显差异特点以及汛期分期的难点问题，结合《水库汛期水位动态控制方案编制关键技术研究》课题，以水库汛限水位动态控制研究试点水库为背景，在深入分析暴雨洪水在汛期内的变化特征及地区分布规律的基础上，采用成因分析法和数理统计等方法开展汛期分期的指标、数量以及相邻分期分界点等关键问题研究，并提出了水库汛期分期宜采用的方法、指标及其分解点判断标准。

关键词：水库；汛期分期；分期方法；分期指标；分界点

1　问题提出

我国已建水库8万多座，其中大中型水库3500余座，多数大中型水库具有防洪与兴利的双重任务。大多水库兴建于20世纪50～70年代，受当时的发展水平、技术条件、水文设计资料系列短缺的限制，未能结合当地暴雨洪水的季节性变化规律，对汛期进行合理划分，水库在整个汛期采用固定的汛期限制水位度汛，其结果往往出现水库汛期不敢蓄水且弃水较多、汛后却难以蓄满的不合理现象，一定程度上影响了水库综合利用效益的发挥［1-3］。

为提高洪水资源利用率与水库的蓄满率，有效发挥现有水库工程的综合利用效益，2001年底，国家防汛抗旱总指挥部办公室布置开展了水库汛限水位设计与运用专题研究。通过研究各方的共同努力，基础理论研究取得了一定突破，系统总结了我国水库汛限水位设计与运用的理论与实践经验，初步形成了我国水库汛期分期与分期洪水设计方法、洪水预报调度规划设计、分期汛限水位确定、汛限水位实时动态调度运用等相关领域的部分实际运用成果，也获得了较好的社会与经济效益。针对我国暴雨洪水的季节性变化规律在不同地区存在明显差异特点，众多学者竞相开展汛期分期的研究，提出了成因分析法、数理统计法和模糊统计法等汛期分期方法［4-7］，但如何确定汛期的分期指标、分期数量以及相邻分期分界点，仍是困扰水库汛期分期的难点。为规范水库汛期分期的原则、方法以及指标，2012年1月，水利部国际合作与科技司委托水利部水利水电规划设计总院和大连理工大学联合开展《水库汛期水位动态控制方案编制关键技术研究》子课题《分期洪水及防洪调度研究》的研究工作，该子课题重点研究水库汛期洪水分期方法、汛期分期分界点选取的原则和适用条件。

2　研究思路

2.1 研究思路

首先分析总结了水库汛期分期的研究成果和国家防汛抗旱总指挥部办公室开展水库汛限水位动态控制研究的两批23座试点水库的应用成果（第一批试点水库12座分别为察尔森水库、寑窝水库、新立城水库、碧流河水库、密云水库、门楼水库、东武仕水库、故县水库、白龟山水库、漳河水库、五强溪水库、合浦水库等；第二批试点水库11座分别为大伙房水库、潘家口水库、黄壁庄水库、万家寨水库、漳泽水库、板桥水库、隔河岩水库、大桥水库、岩滩水库、水口水库、万安水库等）；其次针对不同区域暴雨洪水在汛期内的变化特征及地区分布规律，结合全国50多个水库汛期分期的具体情况，分别采用数理统计法、成因分析法和模糊统计法对不同地区的重点水库（东北地区选取大伙房水库、尼尔基水库和碧流河水库，华北地区选取密云水库和于桥水库，中部地区选取板桥水库和五强溪水库，南方地区选取水口水库等）其进行汛期分期研究，研究主要采用降雨量、入库流量和洪峰等指标；最后通过综合分析比较，确定汛期的分期指标及其分界点确定的指标值。

2.2 研究步骤

针对不同地区的水库，首先要分析其暴雨洪水在汛期内的变化特征及地区分布规律和暴雨洪水的天气成因及洪水时空分布，然后再进行汛期分期。其步骤如下：

（1）确定表征水库“汛期”或“主汛期”确切涵义的主要特征指标，如某一量级暴雨量、入库洪峰与洪量、日降雨、日流量、旬平均降雨及平均流量和水库水位等。

（2）从成因分析角度寻找这些指标与天气系统、大气环流之间的相关程度。统计水库及其下游防洪控制断面产生历史暴雨洪水的主要天气系统，结合大气环流演变规律，分析暴雨的物理成因与时空分布特性；分析主要天气系统在汛期各阶段的演化特征，总结归纳由其所形成的暴雨洪水特征在汛期各阶段的变化趋势，为汛期分期论证提供物理依据。

（3）结合流域具体情况，可采用日降雨、日流量、旬平均降雨及平均流量、入库洪峰流量和水库水位等多种分期指标，绘制该指标或指标超过某一量级的时程分布散点图，分析指标在年内的变化规律，如集中程度、季节变化、各时段出现频率等，当指标相对变化值突变到某一量值时，则认为该点为汛期分期的分界点。

（4）考虑到不同地区地形及下垫面条件的影响导致汇流时间有所差别，在实际应用中，单靠某一种方法和单一指标确定分界点都是不可取的，应采用多种方法进行降雨量和流量多个指标综合分析论证，在保证防洪安全的前提下确定汛期分期。

3　研究成果

基于不同地区水库的汛期分期成果的统计分析成果，以及采用不同指标和不同分期方法对典型水库的实例研究，提出了汛期分期方法、指标和标准。

3.1 汛期分期方法

汛期分期方法有成因分析法、数理统计法、模糊统计法、分形分析法、模糊集合分析法、系统聚类法、均值变点和概率变点等。除了成因分析法以外，其他方法实质也是数理统计方法，从研究结果看，跟常规的数理统计方法相近。因此，为具有可操作性，分期方法应以成因分析法和数理统计方法为主，也可辅以其它方法。成因分析法确定的主汛期一般较长，需结合数理统计方法确定指标值的突变点和相邻两期的分界点。成因分析法、数理统计法具体应用如下：

（1）成因分析法

成因分析应主要根据汛期不同时期的副热带高压活动、西风带活动、热带环流、大气中的水汽等因素影响流域降水的动力条件和水汽供应条件进行分析，如分析西风带长波槽时空变化，南支急流时空变化，热带气旋或台风移动路径、强度，太平洋副热带高压脊位置变化，高空或地面比湿线时空分布等。

应选取流域某一量级暴雨量、设计防洪断面洪峰和泄量、河道水位高度等指标，分析其在汛期的变化规律，寻求其与天气系统、大气环流之间的相关密切程度，并根据成因分析结果，以突变点作为汛期分期的划分点。

（2）数理统计法

采用数理统计法分析时，应利用实测历史流量、雨量等资料，分析其在汛期的变化规律。

汛期分期的划分点应根据统计描述汛期的指标、点绘指标的散布图取外包线或频率分析确定。

3.2 汛期分期指标和标准

汛期分期分界点分析的主要指标包括统计时段（月、旬、侯）的平均降雨量、平均流量和年最大洪峰流量发生频次以及日降雨量大于某一量级的比例等，指标系列长度不应小于30年。当某一分期分界点指标的统计值或相对值在前后两个统计时段（月、旬、侯）有明显变化时，则该时间交点为此分期指标前后两期的分界点。指标量化标准如下：

（1）汛期各旬（候）历年调查和实测最大洪峰流量，若某旬（候）发生年最大洪峰流量的量级明显大于邻期，或该旬（候）内发生年最大洪峰流量次数占整个汛期发生次数的比例大于10%～15%时，可认为该时段处于主汛期。

（2）汛期各月、旬（候）年平均流量，若连续旬（候）平均流量明显大于汛期平均流量时，可认为该时段处于主汛期。

（3）汛期各月、旬（候）暴雨（洪水）天数，各旬（候）日降雨大于大雨（或暴雨）量级的天数占整个汛期总发生的天数超过10%时，可认为该时段处于主汛期。

（4）汛期各月、旬（候）降雨量，若旬（候）多年平均降雨量大于汛期多年平均旬降雨量，则可认为时段处于主汛期。

4　结语

（1）上述研究结论是在统计分析56座水库的汛期分期成果和23座试点水库的分期研究成果的基础上得到的。

（2）考虑到暴雨洪水的季节性变化规律在不同地区存在明显差异，在进行汛期分期时，应采用多种汛期分期指标分析暴雨洪水在汛期内的变化规律与暴雨洪水的天气成因的关系，综合确定汛期分期的分界点。同时，应参考参照工程上下游和邻近流域工程洪水分期的划分成果。

（3）本次进行实例研究的水库中，由于资料问题，北方地区的水库较多，南方地区的水库数量较少，今后随着南方典型水库的增加，可进一步复核本次拟定的汛期分期的指标和标准。

参考文献

［1］邱瑞田，王本德，周惠成.水库汛期限制水位控制理论与观念的更新探讨［J］.水科学进展，2004（01）.

［2］刘克琳，王银堂，胡四一.水库汛期分期定量分析方法的应用比较研究［J］.水利水电技术，2006（09），76-78，82.

［3］蒋云钟，周惠成，王本德，等.北方水库汛期描述的综合分析方法［J］.水电能源科学，1995（03）.

［4］安宵，王本德，张东方，等.于桥水库汛期分期研究［J］.海河水利，2007（01），30-33.

［5］王本德，周惠成，等.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

作者简介：李 林（1975—），男，高级工程师。

基金项目：国家水利行业公益性科研项目：《水库汛期水位动态控制方案编制关键技术研究》（201201054）。

收稿日期：2016-01-19

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.015

中图分类号：TV213

文献标识码：A

文章编号：1672-2469（2016）02-0041-02