福建賽江白塔站徑流系列代表性及枯水流量分析

占 潤 進

(福建省水利水電勘測設計研究院 ,福建 福州 350001)

1 前 言

賽江(交溪)是福建省“五江一溪”之一,位于福建省東部閩東地區(qū),流域面積 5635km2。賽江主要控制站為白塔水文站,控制流域面積 3270km2。該站觀測系列資料長,具有自 1954～2004年共 51年的完整徑流資料,以此整編成果應是可靠的。本文根據(jù)白塔站長系列徑流資料,采用多種方法分析論證該站徑流系列的代表性,提出了白塔站河段徑流特性和最小生態(tài)流量的合理取值。

2 白塔站徑流系列代表性分析

所謂徑流系列代表性是指該徑流系列樣本對于總體的代表程度。代表性好是指這個徑流系列分布接近其總體分布;也可以說其系列內包括了相適應的大、中、小來水。據(jù)此計算的統(tǒng)計參數(shù)才能接近實際情況。一般說來,資料年限愈長,樣本的代表性就愈好,用來估算總體統(tǒng)計參數(shù)的誤差也愈小,但也不能排除短期樣本的代表性高于長期樣本的可能性,只不過這種可能性較小而已。因此,常常選取一些長系列站作為參證站,近似地視為總體。筆者用下列方法對白塔測站徑流系列代表性做定性分析。

2.1 差積曲線法

差積曲線是分析一個地點水量豐枯變化的常用辦法。當差積曲線的坡度向下時,表示為枯水期;向上時表示為豐水期;水平時則表示接近于平均值的平水年。若差積曲線呈現(xiàn)長時期連續(xù)下降時,就表示長時期的連續(xù)干旱;反之則表示連續(xù)多水,坡度愈大表示程度愈劇烈。但是,差積曲線的形狀是隨平均值的變化而變化的。

從圖1中可以看出:白塔站年平均流量模比數(shù)差積曲線在 1954～1957、1963～1971、2003～2004年為下降段,為枯水段;1958～1962、1972～1975、1998～2002年為上升段,也就是豐水段;1958～1961、1980～1997年段基本上是平水段。因此,通過差積曲線就能方便地認識白塔站豐、平、枯特性。

圖1 白塔站年平均流量模比數(shù)差積曲線

2.2 滑動平均值法

采用 n年(一般 n=1,2,…,10)滑動平均值法對于認識某一地點的年徑流周期性有其方便之處。這是因為取 n年滑動均值法,把小于 n年的小波動消除了,而把大于 n年的周期性特征明顯地表示出來。我們繪制了白塔站 5、10年的年平均流量滑動平均曲線,發(fā)現(xiàn)白塔站年平均流量具有約 13年的周期,51年內具有明顯的三個周期,而每一周期內的均值又有甚大懸殊。這就說明,要確定白塔站年平均流量均值,其系列不能短于一個周期的年數(shù),此處為 13年。而且,由于每個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(見圖2),建議取用 2個周期以上年份。

圖2 白塔站年平均流量滑動平均曲線

2.3 逐年累進求均值法

年平均流量的平均值是隨年數(shù)的加長而趨于穩(wěn)定的,繪制均值與年數(shù)的關系曲線能很好地反映這種特性(見圖3)。

這種累進均值曲線的波動幅度需多長的年數(shù)才能比較穩(wěn)定,是難以回答的。它主要取決于豐枯變化的程度和長短,且與起迄年份有關。例如白塔站的年平均流量累進均值需 25年以后才能比較穩(wěn)定(見圖3)。

圖3 白塔站(1954～2004年)年平均流量累進均值曲線

3 徑流特性

3.1 基本特性

經分析計算,白塔站多年平均流量 128m3/s,年徑流量40.39億 m3,徑流模數(shù)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。白塔站徑流的年際分配與降水類同,徑流的年際變化較平穩(wěn),白塔站最大年平均流量為184m3/s(1975年),最小年平均流量為69.9m3/s(1971年),分別為多年平均流量的 1.44和 0.55倍。在 1954～2004年共 51年中,豐水年 7個,占整個系列的 13.72%;平水、偏豐年 15個,占整個系列的 29.41%;平水、偏枯年 21個,占整個系列的 41.18%;枯水年 8個,占整個系列的 15.69%。

該站徑流的年內分配的季節(jié)變化也與降水類同,豐水期 4～9月徑流占全年徑流的 75.74%,其中 4～6月徑流占全年徑流的 43.29%,7～9月徑流占全年徑流的 32.45%;枯水期 10～翌年3月徑流占全年徑流 24.26%。歷年最大月平均流量為 653m3/s(1956年 9月),歷年最小月平均流量為 7.16m3/s(1967年 10月),歷年最小日平均流量為 5.11m3/s(1967年 10月 31日)。詳見表1和圖 4～5。

圖4 白塔站歷年年降水量、年徑流對照

圖5 白塔站多年平均各月平均流量過程線

3.2 枯水流量特性

枯水流量的大小是指在給定的枯水歷時內,通過河流某指定斷面的平均流量?？菟髁康臍v時,取決于所要研究的對象和目的,一般年內枯水流量的歷時有 1天、7天、12天或 30天等。根據(jù)枯水流量歷時和實測徑流系列,可每年一次選樣,得到一個枯水流量系列,通過頻率計算可確定枯水流量發(fā)生的頻率。流量歷時曲線是累積徑流發(fā)生時間的曲線,表示大于或等于某一流量的時間百分數(shù)。其統(tǒng)計時段可按工程要求選擇,常用日、旬或月為單位。可用長系列或代表年資料進行統(tǒng)計,繪制流量歷時曲線。表2和表3是根據(jù)白塔站長系列資料分析計算的成果。

從表2可知,在白塔站河段,在 P=90%時,最小月平均流量為 10.0m3/s,最小 7日平均流量為7.70 m3/s,最小 1日平均流量為 7.14m3/s;而表3表明,P=90%時,月、旬和日平均流量分別為 20.1 m3/s、17.7m3/s和 16.0m3/s。因取樣不同,兩表的差值較大,故不同用途的取值應有所側重。

表2 白塔站最小日、旬、月平均流量頻率適線對照 m 3/s

表3 白塔站日、旬、月平均流量歷時曲線保證率對照 m3/s

4 河道最小生態(tài)流量的取值

目前我國主要采用以下方法計算河道最小生態(tài)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%保證率日平均流量(流量歷時曲線);(6)P=90%保證率旬平均流量(流量歷時曲線)。

根據(jù)以上計算方法,算得白塔站河段的最小生態(tài)流量見表4。

表4 白塔站河段不同方法計算的最小生態(tài)流量 m3/s

通過對 1954～2004年實測年徑流量的統(tǒng)計求得多年平均流量 128m3/s,并據(jù)此得到本河段河流最小生態(tài)流量為 12.8m3/s。這個計算結果介于各方法計算的河流最小生態(tài)流量之間。從白塔站至下游福安城區(qū)河段水功能劃分為賽江福安飲用水源區(qū),考慮到它的重要性和安全性等因素,建議白塔站河段枯水期(10～3月)可以采用多年平均流量的1/10估算河流最小生態(tài)流量 12.8m3/s,并按豐、枯水期生態(tài)流量占同期天然流量的比例基本相當?shù)脑瓌t,汛期(4～9月)最小生態(tài)流量采用 40.8m3/s。

5 結 語

(1)徑流系列存在有連續(xù)枯和連續(xù)豐交替出現(xiàn)的現(xiàn)象,因此在應用徑流系列作頻率分析時,應研究所取系列是否具有代表性,如所選系列是偏枯或偏豐段時則應予以修正。

(2)徑流系列枯豐變化是一種自然現(xiàn)象,是受一些氣候因子的影響形成的。而這些氣候因子影響的范圍往往是很大的,因此枯段和豐段也往往具有大范圍的性質。所以,在研究和修正徑流系列代表性時,也應著眼于大范圍的資料。

(3)枯水流量的大小和枯水期的長短對灌溉、發(fā)電、航運、工業(yè)和供水有很大影響。研究河流的枯水、枯水期的起止時間和歷時等規(guī)律,通過多種方法計算比較提出河段最小生態(tài)用水量的合理取值有實際意義。

(4)進行水電站開發(fā)、供水和其他引水時要維持下游河道水環(huán)境功能的最小下泄流量。河道生態(tài)流量可采用河流最小環(huán)境流量的計算方法——7Q10法、多年平均流量的 1/10、歷年最小月平均流量頻率適線、日平均流量歷時曲線法等方法計算和比選,針對本河段水功能劃分的重要性,提出河段最小生態(tài)用水量的合理取值。

[1]吳季松.現(xiàn)代水資源管理概論[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[2]《中國水力發(fā)電工程》(工程水文卷)[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[3]SL 278-2002《水利水電工程水文計算規(guī)范》[S].北京:中國水利水電出版社,2002.