高州水庫降雨徑流分析及枯水期水量預(yù)報

盧建彬

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525099)

高州水庫是鑒江流域最重要的骨干調(diào)蓄工程，位于鑒江支流大井河及曹江中游，對茂名、湛江地區(qū)的防洪和供水發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。分析高州水庫的降雨徑流規(guī)律對水庫的防洪、防旱抗旱及水資源管理、保護、綜合開發(fā)利用等具有非常重要的意義。同時本文探討了退水公式在高州水庫枯水期入庫徑流預(yù)報中的應(yīng)用，能夠為枯水期水量調(diào)度工作提供一定的技術(shù)支撐。

1 水庫概況

高州水庫位于廣東省高州市東北部，位于東經(jīng)110°58′～111°08′，北緯22°02′～22°13′，由良德、石骨兩庫區(qū)經(jīng)龍頭坳渠道聯(lián)通而成(水位低于80.5 m時龍頭坳不再過流)。水庫集水面積為1 003 km2，設(shè)計年徑流量為14.77億m3，總庫容為12.8億m3，興利庫容為9.8億m3。原設(shè)計供茂名市工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水為 21.76 m3/s，灌溉高州、化州、電白、茂南、吳川等4縣1區(qū)農(nóng)田7.87萬hm2(目前實灌面積約5.48萬hm2)，是一宗以灌溉、防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程，是茂名及整個鑒江中下游平原工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈[1]。

高州水庫主要入庫河流有大井河、黃塘水、曹江、大潮河，其余大于50 km2的支流有格蒼河。高州水庫流域水系及水文站點分布如圖1所示。

圖1 高州水庫流域水系及水文站點分布示意

2 資料序列與分析

高州水庫流域分別有10個水文站和10個雨量站，站點情況見表1。

表1 高州水庫流域水文站點

本次降雨分析采用有長系列降雨資料的13個站點，蒸發(fā)分析采用石骨水庫(厘更壩)站資料。徑流分析則是采用良德水庫(隧洞口)、良德水庫(東岸渠)、良德水庫(溢洪道)、石骨水庫(主渠)、石骨水庫(北干渠)、石骨水庫(溢洪道)等6個站點的出庫流量之和作為出庫系列，結(jié)合兩庫區(qū)蓄水量變化，根據(jù)水量平衡反推入庫徑流系列，最后進行入庫徑流的分析。以上采用的分析資料系列均為1980年后的水文整編資料，資料精度可靠，滿足分析要求。本文所統(tǒng)計的年數(shù)據(jù)指的是水文年數(shù)據(jù)(即4月—次年3月)，汛期指的是4—9月，非汛期(枯水期)指的是10月—次年3月。

3 降雨

3.1 降雨量空間分布

高州水庫面臨南海，背靠粵西最高峰大田頂(主峰高1 704 m)，地形雨明顯。當水汽向北推進受阻，受山地抬升作用影響，在其東南迎風(fēng)坡即水庫集雨區(qū)內(nèi)，形成了茂名市三大暴雨高區(qū)之一，降雨豐沛，暴雨強度大。庫區(qū)內(nèi)降雨量從上游到下游逐漸遞減，暴雨高值區(qū)一是位于大田頂附近的曹江上游厚園圩，二是高州三官山北坡的格蒼河區(qū)域。根據(jù)水庫流域內(nèi)各雨量站點1980年以來40 a的實測降水資料統(tǒng)計，高州水庫多年平均降雨量為2 063 mm；庫區(qū)上中游多年平均降雨量為2 000～2 700 mm，下游多年平均降雨量為1 750～1 900 mm。水庫流域內(nèi)站點的多年平均降雨量見表2。

表2 高州水庫流域各站多年平均降雨量

3.2 降雨量年內(nèi)分配

高州水庫流域多年平均降雨量年內(nèi)分配見表3。從表中可知水庫降雨量年內(nèi)分配極為不均，主要集中在汛期4—9月，占全年降雨量的82%，其中年內(nèi)分配以6—8月最多，占比在16%～17%，4月、5月、9月占比則在9%～13%。非汛期內(nèi)降雨總量占全年降雨量的18%，各月降雨量占比均在5%以下，以12月最少，僅占全年降雨量的1.6%。

表3 高州水庫流域多年平均降雨量年內(nèi)分配

3.3 降雨量年際變化

降雨量年際變化包括年際間的變化幅度和多年變化過程。年際變幅通常用年降雨變差系數(shù)Cv和極值倍比(即同站最大和最小年降雨量比值)來表示[2]。高州水庫流域降雨量變差系數(shù)Cv在0.17～0.24之間，年際變化較為明顯，各站豐水年份和枯水年份相差較大。據(jù)統(tǒng)計，同站降水極值倍比一般為2.4倍，其中最小比值為大坡圩站1.98倍，最大比值為造賢站的2.57倍；年降雨極差(即同站最大和最小年降雨量之差)一般為1 680 mm左右，其中最小值為大坡圩站1 529.6 mm，最大值為馬貴站2 262.1 mm。高州水庫流域降雨站點極值倍比的范圍較小也說明了由于流域面積相對較小，降雨同步性較好。各站點極差、極值倍比和變差系數(shù)見表4。

表4 高州水庫流域站點降雨極差、極值倍比和變差系數(shù)統(tǒng)計Cv

4 蒸發(fā)

高州水庫流域多年平均水面蒸發(fā)量1 166 mm，各月水面蒸發(fā)量分布見表5。據(jù)統(tǒng)計高州水庫年水面蒸發(fā)量為934～1 342 mm，7—11月蒸發(fā)量最大，2月最小。其中汛期多年平均水面蒸發(fā)量為628.6 mm，占比53.91%；非汛期多年平均水面蒸發(fā)量為537.4 mm，占比46.09%。非汛期除2、3月多年平均水面蒸發(fā)與多年平均降雨相當外，其余月份多年平均水面蒸發(fā)均比多年平均降雨大，說明在大部分情況下，非汛期降雨主要用于蒸發(fā)，對入庫徑流作用并不產(chǎn)生影響，為無效降雨。

表5 高州水庫流域多年水面蒸發(fā)量統(tǒng)計

5 入庫徑流

使用反推的入庫徑流系列進行分析，并計算高州水庫多年平均徑流，其年內(nèi)分配見表6。高州水庫多年平均入庫徑流量為12.1億m3，年內(nèi)分配極為不均，4—9月汛期入庫徑流占全年入庫徑流的74.5%。其中6—9月4個月入庫徑流量占全年的60%，每月占比在13.3%～16.9%。10月至次年3月非汛期入庫徑流占全年的25.5%，每月占比均在5%以下。

表6 高州水庫流域多年平均入庫徑流量年內(nèi)分配

據(jù)統(tǒng)計，高州水庫流域年入庫徑流變差系數(shù)Cv為0.33，最大年入庫徑流為23.39億m3，出現(xiàn)在2010年；最小年入庫徑流為6.363億m3，出現(xiàn)在2000年，極值倍比為3.68倍，說明高州水庫入庫徑流年際變幅較大，豐水年份與枯水年份的入庫徑流相差較大。

6 枯水期入庫徑流預(yù)報

由前文可知高州水庫枯水期降雨總量占全年降雨量的18%，但入庫徑流卻占全年入庫徑流的25.5%。而且大部分情況下，非汛期降雨主要用于蒸發(fā)，對入庫徑流作用并不產(chǎn)生影響，為無效降雨，說明了高州水庫枯水期入庫徑流主要由流域蓄水消退所形成的，因此可以根據(jù)徑流消退的規(guī)律來預(yù)報高州水庫枯水期無降雨或雖有降雨但產(chǎn)流很少時期的徑流量。退水公式在洪枯水預(yù)報中被廣泛使用[3]：

Qt=Q0e-βt

(1)

式中Q0、Qt分別為退水開始時的退水流量和t時刻的地下出水流量，m3/s；β為退水系數(shù)；t為退水時間。

對式(1)進行變形，取對數(shù)得β=(lnQ0-lnQt)/t，可使用表6中9月至次年3月多年平均入庫徑流量來計算枯水期各月的β。因為將9月入庫徑流量為Q0來計算枯水期徑流量，所以若某年9月上中旬有較大降雨導(dǎo)致9月入庫徑流較大時，會導(dǎo)致枯水期入庫徑流預(yù)報值偏大。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當9月入庫徑流大于3億m3時，枯水期各月退水系數(shù)應(yīng)采用β′值，以此來進行枯水期徑流預(yù)報。各月β及β′值見表7。

表7 枯水期各月退水公式參數(shù)

以2019年為例，9月入庫徑流為0.971 6億m3，將表7中各月的t和β代入式(1)中計算10月至次年3月各月入庫徑流量，預(yù)報值和實測值見表8，枯水期入庫總量預(yù)報值和實測值相差6.8%。

表8 2019年枯水期入庫徑流預(yù)報值和實測值對比 億m3

使用上述方法對1980年以后的枯水期入庫徑流總量進行預(yù)報，由于對中長期預(yù)報經(jīng)度國內(nèi)尚無統(tǒng)一的評定標準可借鑒，參照短期水文預(yù)報的評定標準，以相對誤差絕對值小于30%為許可誤差作為標準進行評定[4]，結(jié)果如表9所示。

表9 高州水庫1980年以來枯水期入庫徑流總量預(yù)報值和檢驗結(jié)果

從表9可以看出，相對誤差在30%以下的預(yù)報值有28 a，合格率為70%。對預(yù)報效果不好的年份進行分析，發(fā)現(xiàn)主要是枯水期內(nèi)有較大降雨并產(chǎn)生了一定的徑流，導(dǎo)致預(yù)報值比實際值偏小。通過40 a枯水期徑流預(yù)報的情況分析說明，使用退水公式對高州水庫枯水期入庫徑流總量進行預(yù)報有一定效果，可以為鑒江流域枯水期水量調(diào)度作參考。

7 結(jié)語

高州水庫多年平均降雨量2 063 mm，多年平均入庫徑流量為12.1億m3。其降雨與入庫徑流年內(nèi)分配不均，汛期降雨占全年降雨量的82%，汛期入庫徑流占全年入庫徑流的74.5%；而且降雨與入庫徑流年際變化也較為明顯，豐水年份和枯水年份差異較大。高州水庫枯水期入庫徑流主要由流域蓄水消退所形成，使用退水公式對高州水庫40 a枯水期徑流進行預(yù)測分析，合格率為70%，可用于高州水庫枯水期入庫徑流的參考性預(yù)報，為鑒江流域枯水期水量調(diào)度提供一定的技術(shù)支撐。