赣江峡江水库洪水分期研究

刘章君，张静文，温天福，成静清

（1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029； 2.江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，江西 南昌 330029；3.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，江西 南昌 330029）

0 引 言

水库利用洪水分期特性进行分期动态控制运用，是确保防洪安全的前提下提高综合利用效益的重要手段，而合理确定汛期分期是前提条件［1］。汛期变化具有确定性、随机性、过渡性等特性，针对汛期分期的研究方法很多，可以概括分为成因分析法和数理统计法两种，分别属于定性和定量分析方法［2］。数理统计法包括水文特征值法［3］、模糊分析法［4］、分形分析法［5］、变点分析法［6］、系统聚类法［7］、矢量统计法［8］、相对频率法［8］和圆形分布法［9］等。其中定性方法早期应用较为广泛，但由于缺乏科学的数学计算依据，使得分期带有一定的不确定性，各种定量方法的出现弥补了这方面的不足。目前各种汛期分期方法都有各自的优缺点，所得分期结论会有一定的差异，至今尚未形成公认的方法［10］。

实际中应从多种途径来研究季节性变化规律，通过多种途径分析结果相互对比，为汛期的合理分期提供更为科学、合理的依据。因此，研究以赣江峡江水库为研究对象，基于代表性水文站（峡江水文站）1957-2017年还原后的逐日平均流量、年最大洪峰流量资料，采用成因分析法、水文特征值统计法和变点分析法研究洪水汛期分期规律，并进行对比分析。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域

峡江水利枢纽是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大（Ⅰ）型水利枢纽工程。坝址位于赣江中游峡江县巴邱镇上游峡谷河段，控制流域面积62 710 km2，多年平均流量1 640 m3/s，水库总库容11.87 亿m3，防洪库容6.0 亿m3，调节库容2.14 亿m3，多年平均发电量11.44亿kWh，改善航道里程77 km，设计灌溉总面积32.95万亩，库区回水长度约64.0 km，为季调节水库。水库正常蓄水位46.0 m，死水位为44.0 m，防洪高水位49.0 m，设计洪水位49.0 m，校核洪水位49.0 m。对峡江水库进行洪水分期，进而实现分期动态控制运用，对于在确保防洪安全的前提下提高综合利用效益具有重要意义。

1.2 研究数据

峡江水库坝址下游约4.5 km处设有峡江水文站，控制流域面积62 724 km2，与峡江坝址控制流域面积62 710 km2相差微小。因此，直接采用峡江水文站代表峡江水库坝址的洪水特征。考虑到峡江水文站上游万安、峡江水库的调蓄影响，为保证流量系列的一致性，对万安1990年以来、峡江2013年的调蓄影响进行了还原计算得到天然流量过程。还原的方法采用马斯京根法将水库的蓄变量演算至峡江水文站并叠加到峡江水文站实测流量过程。本研究采用数据为还原后的峡江水文站1957-2017年逐日平均流量、年最大洪峰流量及发生时间。

2 洪水分期成因分析

赣江流域暴雨洪水季节性变化是汛期分期的前提。赣江流域地处低纬度，属亚热带季风湿润气候区。由于流域东、南、西三面高，向中间倾斜，加上流域内部武功山、雩山等山地和丘陵的存在，形成复杂的地势对流域气候特性起一定制约作用。夏季本流域一般处于太平洋副热带高压西北侧，孟加拉湾及南海大量暖湿气流源源不断输送到本流域，因而水汽充沛，此时冷空气仍频频南下，往往与西暖湿气流交绥，形成大范围降雨或暴雨。春、秋季为气候转换季节，春季往往寒暖交替，天气多变，常有阴雨和低温天气出现。盛夏与伏秋季节有时受台风形响，出现台风雨或台风暴雨，也有时出现地区性的对流性不稳定的雷阵雨，但历时短，范围不大。

赣江流域主要的降水时期为每年的4-9月，3月和10月也偶尔发生暴雨。暴雨类型既有锋面雨，又有台风雨，锋面雨是主要暴雨类型，其水汽的主要来源是太平洋西部的南海和印度洋的孟加拉湾［11］。一般每年从4月份开始，至5、6月份形成大范围的暴雨区，具有降水时间长、强度大的特点。赣江洪水由暴雨形成，一般每年自4月份起，流域开始出现洪水，但峰量不大；5、6月份为本流域出现洪水的主要季节，尤其是6月份，往往由大强度暴雨产生峰高量大的大量级洪水；7-9月由于受台风影响，也会出现短历时的中等洪水，3月和10月偶尔也会发生中等洪水。

综上所述，赣江流域暴雨洪水主要集中在4-9月，4-6月洪水由锋面雨形成，7-9月洪水一般由台风雨形成。因此从成因分析上看，可将4-6月作为峡江水库主汛期，而7-9月作为后汛期。

3 水文特征值统计分期

3.1 径流统计分析

为了探究整个汛期来水总量的时程变化规律，统计峡江水文站1957-2017年汛期（4-9月）逐旬的实际来水量资料，结果如图1所示。可以看出，峡江水文站汛期逐旬来水总量大致呈现从小至大，然后由大至小的规律。4月上旬来水量开始变大，6月下旬来水最大，从7月中旬开始，来水量显著变小。因此，从径流统计分析看，峡江水文站4月初-7月上旬可以划分为主汛期，7月中旬-9月底为后汛期。

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

3.2 年最大洪峰统计分析

根据峡江水文站1957-2017年最大洪峰流量资料，统计获得峡江水文站年最大洪峰流量各月出现频次和频率统计见表1。峡江水文站1957-2017（共61年）中年最大洪峰流量的历年最大值为19 900 m3/s，出现在1968年6月26日；历年最小值为2 950 m3/s，出现在1963年4月25日。年最大洪峰流量出现最早时间为3月10日，最晚为11月18日。可以发现峡江水文站的大洪水基本上发生在3-9月，其他时间发生大洪水的几率很小，而且主要集中在5月和6月，频率分别为24.59%和39.34%。

表1 峡江水文站年最大洪峰流量各月出现频次和频率统计表Tab.1 Monthly occurrence number and frequency statistics of annual maximum flood peak discharge at Xiajiang hydrological station

图2给出了峡江水文站的年最大洪峰流量散点分布。可以看出以下特征：①年最大洪峰流量散点的频率和量级基本呈现由弱变强、再由强变弱的规律。②年最大洪峰流量出现在5、6月的次数最多，且洪峰数值最大，其余各月洪峰流量相对较小，出现频率也较低。③尽管7月出现年最大洪峰流量的几率不大，但仍然有一定的概率出现相当量级的年最大洪峰流量。此外，历史上出现在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日之间未出现过年最大洪峰。根据年最大洪峰统计分析确定的峡江水文站汛期（4月1日-9月30日）洪水分期的时间界限为7月12日，即主汛期为4月1日-7月12日，后汛期为7月13日-9月30日。

图2 峡江水文站年最大洪峰流量散点分布图Fig.2 Scatterpoint distribution of annual maximum flood peak discharge at Xiajiang hydrological station

3.3 汛期逐日最大流量统计分析

根据峡江水文站1957-2017年汛期逐日最大流量样本资料，绘制散点分布图如图3所示。可以看出汛期逐日最大流量散点呈现双峰型特征，与锋面雨与台风雨两种不同暴雨成因形成的洪水相对应，洪峰的大小在主汛期和后汛期分别呈现由弱至强、再由强至弱的规律性。因此，根据汛期逐日最大流量统计分析确定的峡江水文站汛期（4月1日-9月30日）洪水分期的时间界限为7月14日，即峡江水文站主汛期为4月1日-7月14日，后汛期为7月15日-9月30日。

图3 峡江水文站汛期逐日最大流量散点分布图Fig.3 Scatterpoint distribution of daily maximum discharge during flood season at Xiajiang hydrological station

4 变点分析法结果

4.1 日最大取样均值变点分析

基于峡江水文站1957-2017年汛期（4月1日至9月30日）日流量资料，进行洪峰最大值取样构造序列进行，均值变点分析结果见如图4所示。结果表明，峡江水文站主汛期和后汛期的分期节点分别为7月14日。因此，采用日最大取样均值变点分析确定的峡江水文站汛期分期结果为：主汛期4月1日-7月14日，后汛期7月15日-9月30日，在划分的主汛期内，最大的洪峰被内包，洪水发生次数最为频繁。而后汛期洪水次数、量级相对较小。

图4 峡江水文站日最大洪峰取样均值变点分析图Fig.4 Mean change point of daily maximum flood peak sampling at Xiajiang hydrological station

4.2 超定量取样概率变点分析

在基于超定量（Peak Over Threshold，POT）取样的概率变点分析中，关键的是选择阈值的大小：取得过大，可能因为超过阈值的数据较少，所得结论的合理可靠性难以保证；取得过小，则分期不能精准反映需要重点防洪的时间分布特征。根据峡江水文站洪水量级和所能取样得到的样本数，阈值流量取为9 000 m3/s，获取的POT样本数量为243。对峡江水文站1957-2017年汛期（4月1日至9月30日）日流量资料进行概率变点分析，以洪峰超过阈值流量计发生一次，得出概率变点分析结果如图5所示。结果表明，峡江水文站主汛期和后汛期的分期节点为7月14日。因此，采用超定量取样概率变点分析确定的峡江水文站主汛期为4月1日-7月14日，后汛期为7月15日-9月30日。

图5 峡江水文站超定量取样概率变点分析图Fig.5 Probability change point analysis of peak-over-threshold sampling at Xiajiang hydrological station

5 峡江水库洪水分期综合分析

对上述成因分析法、水文特征值统计法（旬平均径流统计分析、年最大洪峰统计分析、汛期逐日最大流量统计分析）和变点分析法（日最大取样均值变点分析、超定量取样概率变点分析）等6种方案的汛期分析结果进行综合，可得到峡江水文站汛期分期结果见表2。从表2中结果可以看出：成因分析法主要从暴雨成因角度进行定性分析，将4-6月作为主汛期，7-9月作为后汛期。水文特征值统计法和变点分析法这两类定量分析方法分期结果基本一致，将4月初-7月上中旬作为主汛期，7月中下旬-9月底作为后汛期，表明汛期分期结果较为合理和稳健。从水文特征值统计法和变点分析法结果来看，7月的前半月（7月1日至7月15日）出现较大量级洪水的概率仍然较大，从偏安全的角度可将此时段划入主汛期，同时考虑管理方便和习惯，拟定峡江水库主汛期为4月1日-7月15日，后汛期为7月16日-9月30日。

表2 峡江水文站汛期分期计算结果比较Tab.2 Comparison of flood season staging results of Xiajiang hydrological station

6 结 论

以赣江峡江水库为研究对象，基于代表性水文站（峡江水文站）1957-2017年逐日平均流量、年最大洪峰流量资料，采用成因分析法、水文特征值统计法和变点分析法研究洪水汛期分期规律，并进行对比分析。主要结论如下：

（1）赣江流域暴雨洪水主要集中在4-9月，4-6月份洪水由锋面雨形成，7-9月份洪水一般由台风雨形成。从成因分析上看，赣江中下游流域洪水具有明显的季节性变化规律，可将4-6月作为主汛期，7-9月作为后汛期。

（2）水文特征值统计和变点分析这两类定量分析方法分期结果基本一致，汛期分期结果较为合理和稳健，可将4月初-7月上中旬作为主汛期，7月中下旬-9月底作为后汛期。

（3）结合多种途径分析结果，从偏安全的角度，同时考虑管理方便和习惯，拟定峡江水库主汛期为4月1日-7月15日，后汛期为7月16日-9月30日。

确定峡江水库主汛期和后汛期后，可以计算分期设计洪水，并进一步推求相应的分期汛限水位，作为水库分期控制运用的依据。此外，在峡江水库实时防洪调度中，还应在分期汛限水位运用的基础上编制精度相对较高的峡江坝址、吉安站的洪水预报方案进行预报预泄调度，实现峡江水库的分期动态控制运用。若需要泉港分蓄洪区配合进行分洪为赣江下游防洪时，还须预报石上站（樟树站）流量和泉港分洪闸外赣江水位指示泉港分洪闸的开启和关闭，具体方案和结果有待进一步研究。