南水水庫汛期降水集中度和集中期與徑流年內(nèi)分配探討

張桐華，焦曉東

(1.華北水利水電大學，鄭州 450000； 2.廣東粵電南水發(fā)電有限責任公司，廣東 韶關(guān) 512700)

流域徑流不僅是水資源領(lǐng)域的重要組成部分，也是自然界水文循環(huán)的重要組成部分。徑流資源的時空分布，尤其是年內(nèi)徑流的分布，是水資源評價的重要組成部分。

年內(nèi)徑流量分布是否均勻，不僅直接影響水資源開發(fā)利用和水利工程規(guī)模，而且增加水文預(yù)報、水庫調(diào)度、洪澇災(zāi)害控制難度。目前，常用徑流非均勻性分布的定量研究指標主要為月或季平均年徑流量占年徑流量的相對比例和汛期、枯水季的相對數(shù)來表示。此外，還有連續(xù)4個月的最大年徑流量占全年徑流量的百分數(shù)來表示年度徑流分布。

1 研究區(qū)概況

南水水庫以上流域多年平均降水量2 211.8 mm。流域內(nèi)的降水量年內(nèi)分布不均勻，降雨主要集中在4～9月份，尤以5月上旬至9月下旬為暴雨爆發(fā)的集中期，占全年降雨量的75%左右[1]。

南水水庫庫區(qū)，由于熱帶低壓和南海季風云團趨于活躍，并將逐步加強北抬，對流域內(nèi)冷空氣的強度、途徑以及冷氣環(huán)流的循環(huán)有很大影響，進而使該流域內(nèi)產(chǎn)生的降水量級也具有很大的差異性。受到副熱帶高壓的阻擋效應(yīng)而生成靜止切變，此時常?？赡軙诹饔騼?nèi)形成大暴雨。臺風也是影響南水水庫流域水文氣象特征的重要因素，但是由于該水庫處于粵北地區(qū)，偏內(nèi)陸，且四周有群山環(huán)繞，因此很少有臺風中心直接經(jīng)過水庫庫區(qū)，通常南水水庫庫區(qū)降水是受臺風外圍波及而造成的。

2 研究方法

年徑流量的分布決定了水庫運行的模式，徑流的變化會導(dǎo)致水資源供需的變化，從而影響水資源的開發(fā)利用和管理。本文采用徑流年內(nèi)不均勻分配系數(shù)、年內(nèi)完全調(diào)節(jié)系數(shù)等，并利用徑流分布的集中度來衡量年內(nèi)徑流量分布的不均勻性；利用汛期的集中度和集中期來揭示汛期徑流的集中程度[2]。

2.1 不均勻系數(shù)

定義Cv為徑流年內(nèi)分配的不均勻系數(shù)，Cv值越大，表明徑流年內(nèi)分配越不均勻。其計算公式如下：

式中：R(t)為年內(nèi)各月徑流量，108m3；Ri為第i月徑流量，108m3；σ為均方差。

2.2 完全調(diào)節(jié)系數(shù)

定義Cr為徑流年內(nèi)分配的完全調(diào)節(jié)系數(shù)，Cr值越大，表明徑流年內(nèi)分配越集中。其計算公式如下：

式中：符號含義同上。

2.3 集中期和集中度

集中期和集中度是利用矢量原理來確定時間分布特征的參數(shù)，將該原理應(yīng)用于南水水庫汛期(4月1日至10月31日)，可以定量描述汛期的集中度和集中期，對于洪水災(zāi)害的發(fā)生具有很好的判斷作用。該原理是將汛期期間的各旬徑流量作為一個向量，將流量的大小視為向量的長度，所處的旬為向量的方向。將汛期的214 d作為一個圓周，1 d等于1.682°，以每個旬的中間日期5日、15日、25日作為這個旬的向量的方向[2]。然后各矢量累加，其和占汛期徑流量的百分數(shù)即集中度，用RCDx表示，其意義反映在汛期中徑流的集中度。如果某年汛期中，該月的徑流量完全集中在該月中的某一旬內(nèi)，則表示集中度達到最大值，即為1，越接近1，表明徑流越集中；如果該月每個旬的徑流量都相差不大，則表示集中度達到最小值，即為0，越接近0，表明各旬的徑流量處于比較平均的水平。對于集中度的計算則是合成該旬代表向量的方位角，從而確定在全部旬期內(nèi)降水量在合成后的整體效應(yīng)，進而確定最大旬徑流量出現(xiàn)在汛期的哪個時段[3-4]。

按以上方法合成后徑流向量的方向可求得集中期D，即反映徑流量最集中的部分。計算公式如下：

式中：Rx為21個旬汛期徑流量的分量之和所構(gòu)成的水平分量；Ry為21個旬汛期徑流量的分量之和所構(gòu)成的垂直分量；ri為第i旬的汛期徑流量；θi為第i旬徑流代表的向量角度(表1)；i為旬序號(i=1，2，3,…，21)。

表1 汛期各旬包含的角度及各旬代表的角度值

3 結(jié)果分析

3.1 南水水庫徑流逐月趨勢變化特征

對于南水水庫流域來說，短時間內(nèi)大量的集中降雨是產(chǎn)生流域洪水的主要原因，也是其主要的庫容來源。因此，其年內(nèi)徑流量分配過程跟降雨量有一定的相似性，兩者都隨著季節(jié)變化，有著明顯的降雨和徑流集中現(xiàn)象。南水水庫流域1970-2016年各月徑流年內(nèi)變化趨勢見圖1，南水水庫汛期旬內(nèi)平均入庫流量與旬內(nèi)徑流均值量占全汛期總徑流量的百分比見圖2，各月徑流在年內(nèi)分配比例見表2。

圖1 南水水庫流域內(nèi)徑流量的年內(nèi)變化

從圖1可以看出，各年代徑流量的年內(nèi)分配變化基本保持一致，均呈“單峰型”分布，1、2月份處于低值，3月份處于上升期，最大值出現(xiàn)在5月份，6月份以后進入下降期，冬季(10-12月份)達到低值。1970-1999年，徑流呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢；2010年以來，整體偏豐，月平均徑流量高于前40年，月平均徑流量明顯偏大。

由圖2可以看出，南水水庫的降雨徑流時空分布特征呈“三峰”狀態(tài)：

1) 汛期旬平均入庫流量由4月上旬開始逐步增大，到5月下旬出現(xiàn)旬平均入庫流量最高峰，6月為臺風高發(fā)期，所以在6月下旬平均入庫流量再創(chuàng)新高，7月上旬到10月下旬，入庫流量逐步減少，但在8月下旬受降水的影響，入庫流量依然還存在一個小峰值。

2) 汛期徑流中，5月下旬至8月下旬徑流比例最大，約占汛期徑流總量的60%，三峰結(jié)構(gòu)在旬徑流占總徑流比例圖中表現(xiàn)的很明顯，這與當?shù)氐臍夂驓庀髼l件有關(guān)，尤其是臺風降雨對徑流的影響極大。

3) 汛期中的旬平均入庫流量在5-8月份比較大且波動也大，約為30～75.57 m3/s，最大的旬平均入庫流量出現(xiàn)在5月下旬，為75.57 m3/s；6月下旬次之，為72.61 m3/s，此后平均入庫流量呈下降趨勢。

圖2 南水水庫汛期旬內(nèi)平均入庫流量與旬內(nèi)徑流均值量占全汛期總徑流量的百分比

由表2可以看出南水水庫流域徑流量年內(nèi)分配不均勻，徑流主要集中在汛期(4-9月份)，汛期徑流量占到全年徑流量的70%以上，徑流連續(xù)最大的2個月(5-6月份)就占到全年徑流量的1/3以上，是連續(xù)最小2個月(12月和次年1月)的7倍左右。

表2 南水水庫流域內(nèi)徑流量的年內(nèi)分配

由此可以看出，影響徑流年內(nèi)分配的主要因素是氣候變化。因為流域地處亞熱帶氣候濕潤區(qū)，當副熱帶高壓位于流域北部且位置穩(wěn)定時，在南方或東南方將有大量的暖濕氣流會沿副熱帶高壓東側(cè)北上，此時常?？赡軙诹饔騼?nèi)形成大暴雨，由此造成流域降水年內(nèi)分配極不均勻。這種氣候特點決定了該流域夏秋徑流量大而春冬徑流量小的特性，即徑流年內(nèi)分配的不均勻性跟該流域氣候有關(guān)，且氣候特點占主要因素[5]。

3.2 南水水庫流域的徑流分配不均勻性

表3為南水水庫流域的Cv(徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù))和Cr(完全調(diào)節(jié)系數(shù))的計算成果。由此可知，該流域的Cv極小值是0.71，極大值是1.80,均值是1.25。Cv∈(0.2,0.8)，即徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)一般都處于0.2～0.8之間，整體水平較高，說明汛期徑流年內(nèi)分配較不均勻。因為該流域的補蓄水以降雨為主，降雨量隨季節(jié)存在周期性變化，這就會導(dǎo)致徑流量同樣存在較為明顯的季節(jié)性差異變化[6]。

表3 南水水庫流域Cv(徑流年內(nèi)分配的不均勻度)和Cr(完全調(diào)節(jié)系數(shù))

從圖3可以看出，1970-2016年南水水庫流域Cv總體上呈鋸齒型波動，上世紀世紀70、80年代的Cv比較低，主要是由于上世紀70、80年代徑流偏枯；90年代以后，Cv呈緩慢增加的態(tài)勢；進入本世紀后，Cv呈緩慢降低態(tài)勢，且變幅增大，這表明南水水庫流域年內(nèi)徑流量的波動程度在逐漸增大，其徑流年內(nèi)分配正在趨向不均勻，對水資源的充分利用處于負面影響狀態(tài)。

圖3 南水水庫流域Cv的變化趨勢

3.3 徑流的集中程度

從汛期徑流分配的集中度(表4)來看，1970-2016年集中度多在30%～80%之間，最低出現(xiàn)在1980、1987和2009年，均是17%；最高則為1974、2002和2013年，均為79%；多年平均集中度比較高，為49.5%。對集中度的變化趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)，集中度先趨于降低后趨于增大(圖4)，這說明在這47年中，年內(nèi)徑流分配集中度由高到低再到高，年內(nèi)分配經(jīng)歷了先從不均勻趨于較均勻后又趨于不均勻。

表4 南水水庫流域汛期徑流分配的集中度和集中期

續(xù)表4

圖4 南水水庫汛期集中度變化趨勢

汛期的集中度≥70%的有5年，其中1974、2002和2013年屬于偏豐年，1980、1987和2009屬于偏枯年。 就集中期而言，汛期的徑流量集中于旬序號為5、6、10、14、15，分別是5月1-21日、7月1-10日、8月11-31日；而目前的南水水庫汛期為4月15日至9月15日，計算結(jié)果表明，汛期徑流分配的集中期和集中度越大，該流域發(fā)生洪水的概率也就越高；汛期徑流分配集中度呈增大趨勢，表明汛期徑流分配逐漸趨于不均勻。

4 結(jié)論及建議

以珠江流域北江水系的南水水庫的1970-2016年的徑流量資料為基礎(chǔ)，在廣東粵電南水發(fā)電有限責任公司多年開展汛期水情趨勢預(yù)報的基礎(chǔ)上，利用南水水庫流域47年的水庫徑流量資料，分析了南水流域的月徑流、旬徑流變化特征和徑流的年內(nèi)分配不均勻性以及汛期徑流集中性等，研究南水水庫流域年內(nèi)、年際的徑流變化一般特性，對南水水庫汛期降水量進行了預(yù)測和分析，結(jié)論如下：

徑流量年內(nèi)分配的變化基本保持一致，分布形態(tài)均顯示為“三峰型”，月徑流一般會在5月達到極大值。徑流主要集中在汛期，占到全年徑流量的70%以上。徑流年內(nèi)分配很不均勻，徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)處于逐漸增加的狀態(tài)，且變幅也在逐漸加大，這表明南水水庫流域年內(nèi)徑流量的波動程度在逐漸增大，汛期的集中度偏大，發(fā)生洪水的概率就大，因此需要高度重視未來汛期集中度較高的年份。

基于集中度的南水水庫徑流年內(nèi)分配研究作用在于計算相對簡單，精度較好，有利于判斷汛期大小年，提前做好大汛大旱等極端年份的防汛抗旱工作，有利于決策者在發(fā)電效益的最優(yōu)化分配過程中的決策判斷，對水資源的充分利用和發(fā)電調(diào)度等提供數(shù)據(jù)性支持。建議在水庫調(diào)度過程中抓住一個或兩個大的降水提高水庫儲存量，以確保水庫蓄水量可以滿足向韶關(guān)供水等各方面的需要，實現(xiàn)水資源的合理利用。