溇水流域降水特征及上游降水對江埡水庫來水量影響

劉世軍，劉 祥，楊特群，廖春花

(1.湖南省澧水流域水利水電開發(fā)有限公司，長沙 410117； 2.湖南省氣象服務(wù)中心，長沙 410118)

0 引 言

在全球變暖、極端氣候事件頻發(fā)以及環(huán)境日益惡化的背景下，水資源短缺與水質(zhì)惡化凸顯[1]，因而凸顯了水資源利用在居民生產(chǎn)生活等方面的重要性[2-4]。水電資源作為可再生清潔能源越來越受到重視，水力發(fā)電在全國發(fā)電總量的占比逐年升高，而我國南方地區(qū)江河湖泊眾多，絕大多數(shù)地區(qū)年平均降水量都在1 000 mm以上，如何利用好這部分天然資源，為國計(jì)民生提供更好的服務(wù)，就成為氣象部門與電力部門最關(guān)心的問題。

往往大多數(shù)水電站都兼有防洪、蓄水、灌溉、發(fā)電等多項(xiàng)功能，科學(xué)合理地配置各種功能是提高水電站使用效率的關(guān)鍵，而其中的分配機(jī)制離不開氣象部門對流域降水的精確預(yù)報(bào)，掌握流域的降水特征及上游降水對水庫來水量的影響就顯得尤為重要。許多學(xué)者采用線性回歸、M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均等不同分析方法對當(dāng)?shù)厮畮炝饔蚪邓卣鞯淖兓M(jìn)行了分析，得出許多有指導(dǎo)意義的結(jié)論[5-8]。段順瓊等[9]對昆明市松華壩水庫1996-2017年水情及降水趨勢進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)松華壩水庫來水量存在Hurst現(xiàn)象,來水表現(xiàn)為持續(xù)下降的趨勢,年來水總量在2000年出現(xiàn)突變，2000年后年來水總量下降的趨勢更為明顯，通過分析為水庫科學(xué)調(diào)度提供了依據(jù)，為昆明城市飲水安全和水源地的可持續(xù)利用提供保障。李琦[10]分析了板橋水庫流域1956-2014年降水量的時(shí)空分配規(guī)律及頻率特征，徑流量的年內(nèi)、年際變化，以及降水量與徑流量的相關(guān)關(guān)系，幫助水資源的合理開發(fā)利用，促進(jìn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。曾欽文等[11]利用1965-2017年東江中上游8個(gè)國家氣象站的逐日降水量和暴雨日數(shù)資料,分析其時(shí)空變化特征，揭示了局部水文氣象變化特征及其演變規(guī)律，為保障東江流域的生態(tài)環(huán)境和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

湖南省作為水力發(fā)電大省，境內(nèi)有湘、資、沅、澧四大水系，每條水系上都有許多重大水利水電工程。其中，江埡水庫是以防洪為主，兼有發(fā)電等綜合效益的大(Ⅰ)型水利工程，位于張家界市慈利縣境內(nèi)澧水Ⅰ級支流溇水中游。壩址控制流域面積3 711 km2，占溇水流域面積的73.5%，總庫容17.41×108m3，其中防洪庫容7.4×108m3。1935 年，澧水流域曾發(fā)生毀滅性特大洪水，沿河一次性死亡3.31萬人，成為20世紀(jì)一場空前的慘禍，此后平均每三年發(fā)生一次重大洪澇災(zāi)害。1999年水庫主體完工后，將澧水下游防洪標(biāo)準(zhǔn)從4～7年一遇提高到17～20年一遇[12]。但在發(fā)電效率方面仍需要更加深入了解流域降水特征以及更加精確的來水量預(yù)報(bào)，故本文將從這兩方面進(jìn)行分析，以期提升江埡水庫發(fā)電效率、合理利用水資源。

1 資料與方法

1.1 資 料

采用中國氣象局氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口端(MUSIC)提供的1960-2017年共58年降水資料，由于鶴峰站在溇水上游，且為溇水流域內(nèi)唯一國家級觀測站，故選取鶴峰站作為溇水流域代表站，能較為準(zhǔn)確地反映溇水流域降水特征以及對江埡水庫來水量的影響。流域站點(diǎn)及水庫位置見圖1。同時(shí)采用湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司提供的江埡水庫日平均入庫流量數(shù)據(jù)，對流域降水及來水量進(jìn)行分析。

圖1 溇水流域位置及鶴峰站、江埡水庫分布

1.2 方 法

1.2.1 線性傾向估計(jì)

線性傾向估計(jì)的目的是用一條合理的直線表示氣候變量與時(shí)間之間的關(guān)系。用y表示樣本量為n的某一氣候變量，用x表示y所對應(yīng)的時(shí)間，建立y與x之間的一元線性回歸，其表達(dá)式為：

y=b0+bx+ε

其中ε為隨機(jī)誤差。如果用計(jì)算值來表示y，則可略去ε，那么一元線性回歸方程的公式就可以簡化為：

y=b0+bx

式中:b0為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)。b0、b可以用最小二乘進(jìn)行估計(jì)。(魏鳳英，2007)

1.2.2 相關(guān)分析

線性相關(guān)分析是氣象中常用的統(tǒng)計(jì)方法之一，可以衡量兩個(gè)氣象要素之間的相互關(guān)系。相關(guān)系數(shù)的值介于-1～1之間，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為正時(shí)表示兩者之間為正相關(guān)，變化趨勢一致；為負(fù)時(shí)表示兩者之間為負(fù)相關(guān)，變化趨勢相反。相關(guān)系數(shù)絕對值越大時(shí)，二者之間的關(guān)系越密切(施能，2002)。我們常用的相關(guān)系數(shù)又叫點(diǎn)相關(guān)系數(shù)、皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)，用r來表示，它也作為兩個(gè)總體相關(guān)系數(shù)ρ的估計(jì)。假設(shè)有兩個(gè)變量，x1,x2,…,xn和y1,y2,…,yn,相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

2 溇水流域降水特征

2.1 年降水量逐年變化

溇水流域鶴峰站近58年降水年際變化見圖2。近58年來，年平均降水量為1 682.5 mm，年降水量最多的年份在1980年，年累計(jì)降水量為2 335.9 mm；年降水量最少的年份在2001年，年累計(jì)降水量為1 185.3 mm。從年降水量的線性回歸來看，整體呈現(xiàn)略下降的趨勢，降幅為每10年8 mm。變量隨時(shí)間的變化可以分為兩種基本形式：一種形式是連續(xù)性的變化，另一種形式是不連續(xù)的變化。不連續(xù)的變化主要變現(xiàn)為突發(fā)性，將這種不連續(xù)的現(xiàn)象稱為“突變”。用曼-肯德爾(Mann-Kendall)非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對鶴峰站流域年累計(jì)降水變化序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析(圖3)發(fā)現(xiàn)，在上世紀(jì)80年代初UF

圖2 鶴峰站降水年際變化(單位：mm)

圖3 鶴峰站年累計(jì)降水量曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線

2.2 四季降水量逐年變化

溇水流域鶴峰站各季度累計(jì)降水的逐年變化見圖4。從季平均降水來看，春季平均累計(jì)降水443.8 mm，夏季平均累計(jì)降水776.9 mm，秋季平均累計(jì)降水359.1 mm，冬季平均累計(jì)降水102.6 mm。變化趨勢方面，春季與秋季呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，其中春季每10年減少14.2 mm；夏季與秋季呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，其中夏季每10年增加6.2 mm。與其他季節(jié)相比，夏季降水的年際變化波動(dòng)較大，方差為247.3。

圖4 鶴峰站各季度累計(jì)降水逐年變化(單位：mm)

2.3 極端日降水量特征

圖5為鶴峰站逐年最大日雨量年際變化。由圖5可以看到，年最大日降水量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，所有年份的最大日降水量級均在暴雨以上。其中有22年最大日降水量達(dá)到大暴雨以上級別，占比為62.9%；最大日降水量出現(xiàn)在2009年，為294.1 mm，達(dá)到特大暴雨級別。

圖6統(tǒng)計(jì)了逐年最大日雨量出現(xiàn)的月份。由圖6可知，鶴峰站年最大日雨量分布于4-10月份，其中10月份出現(xiàn)最少，為1次；7月份出現(xiàn)最多，為12次；夏季6、7、8月份一共出現(xiàn)了25次，占比為71.4%。

圖5 鶴峰站逐年日最大雨量(單位：mm)

圖6 石門站年最大日雨量所在月份(單位：次)

圖7 鶴峰站逐年暴雨日數(shù)及大暴雨日數(shù)(單位：天)

圖7為鶴峰站逐年暴雨日數(shù)及大暴雨日數(shù)統(tǒng)計(jì)。由圖7可以看到，近年來暴雨日數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢，大暴雨日數(shù)基本穩(wěn)定不變。其中暴雨日數(shù)最多的年份為1983年，達(dá)到13天。

2.4 雨季特征

自上世紀(jì)80年代與電力部門開展電力氣象服務(wù)開始，電力部門著重關(guān)注雨季特征及重陽水特征，因?yàn)檫@關(guān)系到各大水庫防洪蓄洪、保水蓄水、攔蓄洪尾、迎峰度夏等，所以著重分析1981-2017年鶴峰站雨季及重陽水特征。

雨季特征包括雨季開始時(shí)間、雨水集中期時(shí)段及強(qiáng)度。重陽水特征包括重陽水有無、重陽水強(qiáng)度。具體定義如下：雨季開始定義為每年3月后，日降水量≥25 mm(或3天總降水量≥50 mm的第1天)，且其后兩旬中任意一旬降水量超過歷年同期平均期，該日為雨季開始日期；雨水集中期定義為雨季(3-7月份)中任意連續(xù)10天降水總量最多的出現(xiàn)時(shí)段；雨季結(jié)束定義：在6-8月中旬期間，一次大雨以上降水過程以后15天內(nèi)基本無雨(總降水量<20 mm)，則無雨日的前一天為雨季結(jié)束日。重陽水定義為10月份單日降水≥50 mm(或連續(xù)3天總降水量≥80 mm)。

2.4.1 雨季開始特征

表1統(tǒng)計(jì)了1981-2017年鶴峰站雨季開始的時(shí)間所在旬的累計(jì)次數(shù)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，鶴峰站雨季開始的時(shí)間主要集中在4月份，37年間一共有21年雨季從4月份開始，其中又以4月中旬為最多，一共有9年，占所有年份的24.3%。雨季開始最早的年份為2006年，開始于當(dāng)年的3月11日；雨季開始最晚的年份為2011年，開始于當(dāng)年的5月10日。

2.4.2 雨水集中期特征

表2統(tǒng)計(jì)了1981-2017年歷年鶴峰站雨季雨水期中期的時(shí)段。由表2可知，近37年來雨水集中期的分布主要集中6月下旬，次數(shù)達(dá)到11次，為各旬之最；其次是7月中旬，達(dá)到8次。從單月來看，雨水集中期主要在6及7月份，其中37年間雨水集中期出現(xiàn)在6月份達(dá)到18次。

表1 鶴峰站雨季開始時(shí)間逐旬累計(jì)

表2 鶴峰站歷年雨水集中期逐旬累計(jì)

從鶴峰站逐年雨水期中期雨量的變化來看(圖8)，整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，雨水集中期雨量最大的年份為1982年，10天最大累計(jì)雨量為521.1 mm；雨水集中期雨量最少的年份為2001年，10天最大累計(jì)雨量126.6 mm。

圖8 鶴峰站逐年雨水集中期雨量(單位：mm)

2.4.3 雨季結(jié)束特征

表3統(tǒng)計(jì)了鶴峰站1981-2017年逐年雨季結(jié)束時(shí)間。由表3可以看到，鶴峰站雨季結(jié)束的時(shí)間段主要集中在7月中旬及下旬，其中37年來一共有17年雨季結(jié)束發(fā)生在7月下旬，占所有年份的45.9%，最遲結(jié)束時(shí)間可推遲至8月上旬。

表3 鶴峰站歷年雨季結(jié)束時(shí)間

2.4.4 重陽水特征

對1981-2017年歷年10月份鶴峰站重陽水發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)，其中有9年出現(xiàn)重陽水，分別為1982，1983，1986，1992，1995，1998，2011，2014及2017年。在這9年中，以10月上旬為最多，出現(xiàn)5次；重陽水強(qiáng)度最大的為2014年，降水強(qiáng)度為168.3 mm。

表4 鶴峰站重陽水時(shí)段及降水強(qiáng)度

3 溇水上游降水對江埡水庫來水的影響

溇水源出湖北鶴峰縣七埡，與澧水上源僅一界之隔，東南至淋溪河入湖南，流經(jīng)桑植、慈利二縣，在慈利縣城對岸注入澧水。全長250 km，流域面積5 048 km2，河道平均坡降2.11‰。

江埡水庫是目前澧水流域最大的水利工程，總庫容17.41×108m3，位于澧水支流溇水的中游，壩址以上流域面積3 711 km2，其中上游湖北段約2 800 km2。在壩址上游鶴峰縣城附近的溇水上游已建成水利工程4處，總庫容達(dá)1.47×108m3，上游90 km處在建大(Ⅰ)型水電工程江坪河水電站，總庫容13.66×108m3。由于鶴峰附近為重要的暴雨中心，而且江埡水庫除庫區(qū)以外的大部分集雨面積在湖北境內(nèi)，因此江埡水庫的來水主要來源于湖北(據(jù)《2017年湖南省水資源公報(bào)》，2017年從湖北境內(nèi)輸入江埡水庫的水量約為35.2×108m3)。鶴峰氣象站正好位于溇水上游，鶴峰氣象站的降水與江埡水庫的來水關(guān)系能較好地反映溇水上游降水與江埡水庫來水的關(guān)系。

3.1 鶴峰站降水總量與江埡水庫來水總量的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)表明，2003年1月1日至2017年12月31日期間，鶴峰氣象站年平均降水量1 682.5 mm，其中，降水總量多于平均值的年份6年、少于平均值的年份9年。對比同期鶴峰氣象站的年降水總量和江埡水庫的年來水總量，可以清楚地看出兩者相關(guān)性極高，同樣據(jù)2003年1月1日至2017年12月31日的資料統(tǒng)計(jì)，江埡水庫多年平均年來水總量約為33.4×108m3，年際變化較大。其中，來水總量多于平均值的年份6年、少于平均值的年份9年，最多的是2016年，來水總量達(dá)到48.7×108m3，最少的年份是2006年，來水總量僅有18.1×108m3。假定鶴峰氣象站的降水量完全代表面平均雨量，按照有效積雨面積3 711 km2計(jì)算，江埡水庫壩址以上地區(qū)降水提供的水量大約有40%～70%可以轉(zhuǎn)化為水庫來水。

從年內(nèi)分布來看，鶴峰氣象站多年平均降水量最多的月份是7月份，多年平均月降水量303.9 mm，其中2007年7月降水總量達(dá)到647.2 mm。降水量最少的月份是12月份，多年平均月降水量23.9 mm，其中2005年12月降水總量僅有5.2 mm。同期江埡水庫來水最多的月份也是7月份，多年平均來水量約為7.5×108m3，其中2007年7月來水總量達(dá)到16.6×108m3。多年平均來水量最少的月份是1月份，多年平均月來水量0.6×108m3，而歷年來水量最少的月份是2004年12月份，月來水量僅0.29×108m3。見圖9。

圖9 江埡水庫各月平均入庫流量與鶴峰各月平均面降水量對比曲線

3.2 鶴峰站日降水量與江埡水庫來水的關(guān)系

江埡水庫壩址以上的溇水上中游具有典型的山區(qū)河流特征，徑流的形成受降雨影響極大，河水陡漲陡落，洪水全部因暴雨造成。分析近3年(2015-2017)鶴峰站日降水量與江埡水庫日平均入庫流量的關(guān)系可以看出，鶴峰站平均日降水量約5.1 mm，其中2016年6月19日降水282.8 mm，為近3年單日最大降水量。江埡水庫平均入庫流量127.2 m3/s，最大日平均入庫流量2 836 m3/s，出現(xiàn)在2016年7月19日。近3年江埡水庫共出現(xiàn)1 000 m3/s以上洪水11次，其中3 000 m3/s以上洪水2次。江埡水庫的洪水與鶴峰氣象站48 h內(nèi)降雨及前期影響雨量密切相關(guān)，11次1 000 m3/s以上洪峰出現(xiàn)前的過去48 h鶴峰氣象站降雨量均大于40 mm，3 000 m3/s以上洪峰出現(xiàn)前的過去48 h鶴峰氣象站降雨量均大于100 mm。同時(shí)，對比兩次3 000 m3/s以上洪峰過程可以看出，2016年“6·20”號洪水過程的最大日降水量282.8 mm及48 h內(nèi)降水量316.1 mm明顯大于2016年“7·20”號洪水過程的104.3和104.7 mm，但48 h之前的7，10以及15天的累積降雨量50.2，51.4，71.5 mm則明顯比2016年“7·20”號洪水過程的132.7，224.2，256.7 mm少得多?？梢?，江埡水庫的洪水與鶴峰氣象站前期雨量也密切相關(guān)。

2016年“6·20”號洪水。受副高加強(qiáng)西伸北抬影響，江埡水庫流域于6月18日22時(shí)開始降雨，6月21日23時(shí)基本結(jié)束。本次降雨持續(xù)時(shí)間較長，降雨較為集中，主要集中在庫區(qū)的上游，6月20日09時(shí)出現(xiàn)洪峰流量3 638 m3/s，流域平均降雨量為231.9 mm。鶴峰氣象站過程累計(jì)降雨量371.8 mm，最大日降雨量為6月19日的282.8 mm。

2016年“7·20”號洪水。受高空低槽和增強(qiáng)的中低層西南氣流影響，江埡水庫流域于7月18日04時(shí)開始降雨，7月20日12時(shí)基本結(jié)束。本次降雨主要分布在庫區(qū)中上游地區(qū)， 7月20日04時(shí)出現(xiàn)洪峰流量5 810 m3/s，流域平均降雨量為175.2 mm。鶴峰氣象站過程累計(jì)降雨量185.6 mm，最大日降雨量為6月19日的104.3 mm。

4 總 結(jié)

通過對溇水上游主要?dú)庀笳菌Q峰站降水的變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)以及線性傾向估計(jì)等方法，可以得出以下主要結(jié)論：

1) 近58年來，年平均降水量為1 682.5 mm，年降水量最多的年份在1980年，年累計(jì)降水量為2 335.9 mm；年降水量最少的年份在2001年，年累計(jì)降水量為1 185.3 mm。從年降水量的線性回歸來看，整體呈現(xiàn)略下降的趨勢，降幅為每10年8 mm。上世紀(jì)80年代初出現(xiàn)一個(gè)由多轉(zhuǎn)少的突變，且在1985年之后，這種減少的趨勢是較為顯著的。同時(shí)，春季與秋季降水逐年減少，夏季與冬季降水逐年略增加。

2) 溇水上游鶴峰站年最大日降水量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，年最大日雨量分布于4-10月份，暴雨日數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢，大暴雨日數(shù)基本穩(wěn)定不變。鶴峰站雨季開始的時(shí)間主要集中在4月份，雨水集中期的分布主要集中6月下旬，雨水期中期雨量整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，雨季結(jié)束的時(shí)間段主要集中在7月中旬及下旬。

3) 鶴峰氣象站的降水與江埡水庫的來水關(guān)系有很好的相關(guān)性。假定鶴峰氣象站的降水量完全代表面平均雨量，按照有效積雨面積3 711 km2計(jì)算，江埡水庫壩址以上地區(qū)降水提供的水量大約有40%～70%可以轉(zhuǎn)化為水庫來水。