基于多要素的遼寧省汛期分期研究

馮 琳

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110000)

汛期是指江河、湖泊洪水在一年中明顯集中出現(xiàn)，容易形成洪澇災(zāi)害的時(shí)期。汛期的分期是科學(xué)防汛決策的前提，是流域防汛調(diào)度管理工作的基礎(chǔ)。合理的流域汛期劃分，對(duì)防汛調(diào)度管理和流域水資源優(yōu)化調(diào)配工作意義重大。

遼寧省洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，受降水時(shí)空分布不均影響，水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生。在系統(tǒng)開展本項(xiàng)目研究以前，遼寧省汛期分期主要有氣象意義上基于大氣環(huán)流特征的汛期分期和基于水文要素的汛期分期。氣象汛期分期存在動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，需根據(jù)氣象觀測分析后發(fā)布，因此每年的汛期起止時(shí)間都在變化，不利于防汛調(diào)度組織管理和編制水利工程控制運(yùn)行預(yù)案。而過去基于水文要素汛期特性的汛期分期是利用年最大洪峰流量散布圖外包線法及旬降水量變化相對(duì)系數(shù)法，存在資料系列短、代表站少、分析方法理論依據(jù)不足的問題。在此背景下，遼寧省啟動(dòng)了遼寧省汛期分期的研究工作，相繼開展了全省防汛管理工作調(diào)研、多種模型分析方法的研究等工作，研究成果已應(yīng)用于省防汛抗旱指揮調(diào)度管理工作，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 汛期分期研究

在系統(tǒng)分析遼寧省地形、產(chǎn)匯流特征的空間差異及降水量空間分布特征的基礎(chǔ)上，將遼寧省防汛區(qū)域劃分為三大區(qū)域：西部地區(qū)、東南部地區(qū)、中北部地區(qū)。分別基于降水、徑流、洪災(zāi)要素對(duì)遼寧省三大區(qū)域進(jìn)行汛期分期研究。

1.1 基于降水要素的汛期分期

資料選取水文資料整編的120個(gè)常年報(bào)汛的雨量站及水文站1956～2010年的日降水量資料進(jìn)行分析。

1.1.1 汛期時(shí)間劃分

汛期的起止時(shí)間，可以用能使該地區(qū)河道中形成明顯徑流的場次降水出現(xiàn)的時(shí)間來反映。

利用連續(xù)兩日累積降水量代替場次降水量，西部、中北部以場次雨量大于40mm、東南部以大于50mm為入汛和出汛標(biāo)準(zhǔn)，借助用模糊集理論對(duì)各區(qū)做隸屬度函數(shù)，選U(t)=0.2對(duì)應(yīng)的時(shí)間為單站汛期開始與結(jié)束的時(shí)間，也就是說，對(duì)于某一單站，其20%的年份進(jìn)入汛期，即認(rèn)為該站進(jìn)入汛期，進(jìn)而利用外包線來確定區(qū)域汛期的開始與結(jié)束時(shí)間。

1.1.2 主汛期時(shí)間劃分

主汛期的起止時(shí)間，可以用該地區(qū)場次降水發(fā)生的頻率來反映。以超過年最大場次降水量多年平均值的場次降水稱為“強(qiáng)場次降水”。主汛期以控制80%以上的“強(qiáng)場次降水”來確定時(shí)段

先采用滑動(dòng)累加距法，示意圖如圖1所示，對(duì)單站統(tǒng)計(jì)包含80%強(qiáng)場次降水次數(shù)的最短時(shí)段，則時(shí)段的起、止點(diǎn)為單站主汛期的開始、結(jié)束時(shí)間。再將120個(gè)代表站按東南部、中北部、西部分區(qū)，利用模糊集理論對(duì)各區(qū)做隸屬度函數(shù)，選U(t)=0.2對(duì)應(yīng)的時(shí)間為主汛期開始與結(jié)束的時(shí)間，即各區(qū)域有20%的站進(jìn)入主汛期就認(rèn)為該區(qū)域進(jìn)入主汛期。

滑動(dòng)累加距法確定單站汛期起止時(shí)間的步驟如下：

(1)根據(jù)多年“強(qiáng)場次降水”資料系列，統(tǒng)計(jì)單站各日發(fā)生“強(qiáng)場次降水”的次數(shù)；

(2)對(duì)一定的時(shí)間跨度，逐日滑動(dòng)計(jì)算時(shí)間跨度內(nèi)包擴(kuò)的“強(qiáng)場次降水”發(fā)生次數(shù)；

(3)以1d為時(shí)間步長，逐日增加時(shí)間跨度，進(jìn)行步驟(2)；

(4)當(dāng)某一時(shí)間跨度下，累積“強(qiáng)場次降水”發(fā)生次數(shù)達(dá)到80%，即停止，該時(shí)段起止時(shí)間段即該站主汛期的開始與結(jié)束時(shí)間(如圖1所示)。

圖1 滑動(dòng)累加距法示意圖

1.2 基于徑流要素的汛期分期

汛期劃分選取不受灌溉期水庫放水影響的49個(gè)水文站，主汛期劃分采用68個(gè)水文站1956～2010年鑒整編洪峰及各日多年均值系列。

1.2.1 汛期時(shí)間劃分

根據(jù)遼寧省河道徑流量有明顯的起漲和消落過程的特征，采用前后2個(gè)10d的日徑流量(多年系列)一階差分系列，利用t檢驗(yàn)找出差分系列發(fā)生顯著變化的時(shí)間點(diǎn)，即為單站汛期起止時(shí)間。按照上面分析方法，分別對(duì)49個(gè)代表站進(jìn)行汛期起止時(shí)間確定，再將49個(gè)代表站按東南部、中北部、西部分成三個(gè)區(qū)域，利用模糊集理論對(duì)各分區(qū)代表站汛期開始結(jié)束時(shí)間進(jìn)行隸屬度計(jì)算，選擇隸屬度函數(shù)U(t)=0.2處作為各分區(qū)汛期的開始和結(jié)束時(shí)間如如圖2所示。

1.2.2 主汛期時(shí)間劃分

以超過年最大洪峰流量多年平均值的洪水稱為“大洪水”。主汛期則以控制80%以上的“大洪水”來確定時(shí)段。單站歷年最大洪峰流量，并求平均值，即為單站“大洪水”標(biāo)準(zhǔn)

采用滑動(dòng)累加距法確定單站“大洪水”次數(shù)占80%的最短時(shí)段，則時(shí)段起止點(diǎn)為單站主汛期起止點(diǎn)。再將68個(gè)代表站按東南部、中北部、西部分區(qū)，利用模糊集理論對(duì)各區(qū)做隸屬度函數(shù)，選U(t)=0.2對(duì)應(yīng)的時(shí)間為該區(qū)主汛期開始與結(jié)束的時(shí)間，即各區(qū)域有20%的站進(jìn)入主汛期就認(rèn)為該區(qū)域進(jìn)入主汛期

1.3 基于徑流要素的汛期分期

選取1956～2010年洪災(zāi)資料作為分析。將洪災(zāi)分為重大災(zāi)情和一般災(zāi)情。

將各個(gè)時(shí)段內(nèi)的嚴(yán)重洪災(zāi)和一般洪災(zāi)繪制柱狀圖，如圖3所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，所有災(zāi)害都發(fā)生在6月11日～9月5日之間；79%的一般災(zāi)害和100%的嚴(yán)重災(zāi)害均發(fā)生在7月11日～8月20日。因此，基于歷史洪澇災(zāi)害統(tǒng)計(jì)，確定遼寧省汛期為6月11日～9月5日，主汛期為7月11日～8月20日。

2 綜合分析結(jié)果

綜合基于降水量、河道徑流、歷史洪災(zāi)等要素的遼寧省不同防汛區(qū)域汛期、主汛期劃分結(jié)果見表2，并根據(jù)1955年以前的河道徑流、近10年大型水庫日平均入庫流量資料以及近年洪澇災(zāi)害資料對(duì)汛期、主汛期分期結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)考慮防汛管理實(shí)踐，綜合確定遼寧省汛期統(tǒng)一為6月1日～9月20日，共112d，主汛期為7月10日～8月20日，共42d，見表1。

圖2 東南部地區(qū)汛期起止時(shí)間隸屬度計(jì)算成果圖

圖3 1956～2010年洪災(zāi)次數(shù)分布圖

地區(qū)基于降水要素基于徑流要素基于歷史洪澇災(zāi)害東南部中北部西 部汛期時(shí)間5月28日～9月9日6月1日～9月15日主汛期時(shí)間7月11日～8月21日7月20日～8月20日汛期時(shí)間5月31日～9月16日5月31日～9月18日主汛期時(shí)間7月13日～8月217月21日～8月25日汛期時(shí)間6月4日～9月16日5月27日～9月20日主汛期時(shí)間7月2日～8月21日7月12日～8月29日汛期為:6月11日～9月5日主汛期為:7月11日～8月20日。

3 結(jié)語

汛期分期對(duì)防汛管理的科學(xué)化意義重大。進(jìn)行汛期分期研究明確了非汛期、汛期、主汛期的過渡關(guān)系及各時(shí)期降水量分配規(guī)律，使防汛預(yù)案的制定、防汛重點(diǎn)工作的轉(zhuǎn)移有據(jù)可依。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，汛期分期在防洪保安全及洪水資源利用方面的作用必將越來越深遠(yuǎn)，具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

[1] 趙艷濤. 克孜爾水庫提高主汛期汛限水位合理性分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(12): 124- 127．

[2] 李林, 梁國華. 水庫汛期分期的關(guān)鍵問題研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(02): 41- 42+110+113．

[3] 李成林. 模糊最優(yōu)分割法及其在燕山水庫汛期水位分期劃分中的應(yīng)用[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2014(23): 35- 36．

[4] 白樺, 楊筱筱, 魯向暉, 等. 基于集對(duì)分析的贛江中上游流域汛、枯水期分期研究[J]. 水文, 2014, 34(03): 43- 47+23．

[5] 魏煒. 水庫汛期分期調(diào)度研究及效應(yīng)評(píng)價(jià)[D]. 廣西大學(xué), 2014．

[6] 李敏, 陳守煜, 王運(yùn)濤, 等. 基于可變集的汛期分期多指標(biāo)識(shí)別方法[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013, 44(12): 1420- 1424．

[7] 王雙銀, 楊筱筱. 基于相關(guān)系數(shù)和Fisher最優(yōu)分割法的汛期分期研究[J]. 水文, 2011, 31(04): 1- 5．

[8] 李曉英, 陳守倫, 秦思平. 基于模糊理論的烏江梯級(jí)電站汛期劃分研究[J]. 人民黃河, 2010, 32(02): 118- 119.