 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 64-69 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.21010 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Identification of Flood Seasonality for the Ankang Reservoir Basin* Yanqing Li, Shenglian Guo, Yanlai Zhou, Tianyuan Li State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan Email: liyanqing@whu.edu.cn Received: Nov. 12th, 2012; revised: Dec. 6th, 2012; accepted: Dec. 16th, 2012 Abstract: Identification of flood season can provide scientific basis and technical support for multiple con- trol of flood limited water level, and make full use of flood water resources. Using the daily rainfall and run- off data from 1943 to 2011 of the Ankang reservoir basin, the flood seasonality is determined by rational method and statistical analysis methods. The results are consistent and can reflect the characteristic of two main flood seasons (summer and autumn) in the Hanjiang basin, the flood seasonality of Ankang reservoir is divided into pre-flood season (1st, May-20th, June), summer flood season (21st, June-31st, July), interim flood season (1st, August-20st, August) and autumn flood season (21st, August-31st, October). Keywords: Flood Seasonality; Rational Method; Statistical Analysis; Ankang Reservoir 汉江安康水库流域汛期分期研究* 李妍清，郭生练，周研来，李天元 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 Email: liyanqing@whu.edu.cn 收稿日期：2012 年11月12 日；修回日期：2012 年12 月6日；录用日期：2012 年12 月16 日 摘 要：合理的汛期分期，可以为汛限水位分期控制提供科学依据和技术支撑，充分利用洪水资源。 采用安康水库1943~2011 年降雨径流资料，结合天气系统成因分析和数理统计分析等方法，研究确定 安康水库的汛期分期方式。结果表明，天气系统成因分析和数理统计分析得到的结果较为一致，分期 方式能够较好地反映汉江流域夏秋两汛的特性，安康水库的汛期分期推荐方案为：5月1日~6 月20 日为前汛期；6月21 日~7月31 日为夏汛期；8月1日~8 月20 日为过渡期；8月21 日~10 月31 日为 秋汛期。 关键词：汛期分期；成因分析；数理统计；安康水库 1. 引言 汛期是指江河中由于流域内季节性降水、融冰、 化雪，引起定时性水位上涨的时期。汛期属于水文事 件，具有确定性、随机性、模糊性和过渡性[1,2]。区分 汛期和非汛期是人类认识洪水季节变化特征的一大 进步，对汛期进一步进行划分是人类对雨洪发生规律 的更深层次探索。 按照《水利水电工程设计洪水计算规范》规定， 很多水库采用了汛限水位分期控制，把原来单一汛期 划分为多个分期，在各个分期内采用不同的汛限水 位。与固定汛限水位调度方式相比，汛限水位分期控 *基金项目：水利部行业科技专项(201001002)资助。 作者简介：李妍清(1989-)，女，湖北武汉人，硕士研究生，从事水 文分析计算及水资源研究。 Copyright © 2013 Hanspub 64  李妍清，等：汉江安康水库流域汛期分期研究 第2卷 · 第1期 制可以实现分期蓄水，逐步抬高汛限水位，增加水库 重复库容，更充分地利用了雨洪资源[3]。而确定和调 整水库分期汛限水位的基本前提就是对水库控制流 域的汛期进行合理划分[4]。 现有的汛期分期的研究方法众多，主要包括成因 分析法[5]、数理统计法[6]、模糊分析法[2]、分形分析法 [7-9]、变点分析法[10]、系统聚类法[11]、矢量统计法[12-14]、 相对频率法[12-14]、圆形分布法[15]等。方彬等[16]对汛期 分期各方法进行了对比分析：成因分析法建立在对流 域水文、气象分析的基础上，但有一定主观性，尤其 对于较大的流域，成灾天气组合方式多，工作量大； 数理统计法简单实用，但在分析过程中对临界值的选 取有主观性，难将汛期划分得较细；模糊分析法综合 成因分析、数理统计、模糊统计为一体，考虑了汛期 在时间上的模糊性，但在拟合分布函数以及分期的临 界隶属度的选择上，都可能带有主观性，同时该方法 主要用于主汛期划分，对于多个分期的要求尚显不 足；分形分析法比较客观，但分析计算的工作量比较 大，且对于如何判断对象是分形，至今仍需进一步讨 论；变点分析法划分汛期可精确到日，并且在一定程 度上更为客观、可靠，但需要取样满足特定分布，且 需较长的实测径流、雨量资料；系统聚类法考虑了多 因子影响，但阈值的选取存在主观任意；矢量统计法 原理简单直观，但只能考虑单指标影响，对相间矢量 累计的情况分期效果不明显；相对频率法比较直观， 但分期划分比较粗略，只能精确到旬；圆形分布法则 考虑了洪水的时间、量级。虽然汛期分期的方法很多， 但各方法都有一定的优缺点，至今尚未形成公认的方 法[17]。 安康水库位于汉江干流上游陕西省安康市境内， 是一座以发电为主，兼有航运、防洪、养殖、旅游等 综合效益的大型水利枢纽工程。坝址火石岩位于安康 市城西 18 km 处，上游距石泉水电站170 km，下游距 湖北丹江口水库260 km，多年平均径流量192 亿m3， 控制流域集水面积 35,700 km2。安康水库正常蓄水位 330 m，对应水库库容 25.85 亿m3，目前的防洪调度 方式采用单一固定汛限水位。水库建成投运以来严格 按照原设计规则，汛期水库水位控制在 325 m 以下运 行，蓄满率较低，洪水资源没有得到充分利用，所以， 在保证安康水库防洪安全的前提下，研究该水库汛限 水位分期动态控制方案，对提高水库洪水资源的调控 能力、充分发挥水利的综合利用效益，具有重要的现 实意义。 本文以安康水库1943~2011 年洪峰系列、安康水 库1950~2011 年的日流量资料和安康流域 1960~2009 年日面雨量资料为实验数据，采用天气系统成因分 析、数理统计分析、矢量统计、变点分析等方法，研 究安康水库的汛期分期方式。 2. 分期方法研究 2.1. 天气系统成因分析法 根据汉江上游流域气候特征和天气系统，安康水 库流域暴雨洪水季节性变化是汛期分期的前提。汉江 上游流域属于亚热带湿润气候，气候特点是温暖湿 润，流域多年平均降水量为800~1000 mm，大巴山区 可达 1100~1200 mm，造成多雨的主要原因是特殊的 地理位置和地形条件。巍峨的秦岭脉为我国南北气候 的分界线，流域北面的秦岭山脉海拔高程在 2500 m 以上，最高的太白山主峰为 3767 m，使得西北的干冷 气流受阻不能长驱南下，流域南面的大巴山系分为东 西两段，西部为米仑山，东部为大巴山，这些山脉地 势较低，山势平缓，多呈南北走向，其山间河谷形成 了南部水汽向流域输送的通道。 由于流域夏秋两季多受西南季风和东季风的影 响，全年降水的 80%都集中在 5~10 月。整个流域处 于我国东部平原向青藏高原的过渡地带，北有秦岭， 南有米仑山、大巴山。地理因子及环流条件均较复杂， 其暴雨成因及特性亦有明显的特殊性。主要特性表现 在：主要降水可分为夏、秋两季暴雨。夏季暴雨是长 江梅雨带的北移、中低值天气系统影响的结果。秋季 暴雨则主要是由南支西风环流的建立与发展所致。 5~6 月份 700 毫巴天气图上，长江流域往往有明显的 东西向切变线，地面图上相应存在着东西向的准静止 锋，这就是我国长江中下游地区初夏季节的梅雨形 势。此时，陕西南部处于太平洋副高的西北边缘，也 常出现暴雨。7月份西风环流减弱，副高脊加强北进， 脊线常徘徊于北纬25˚~30˚之间，此时陕南常处于南 北向切变带内。由于西南季风加强，水汽丰沛，同时 气温高，地表受热极不均匀，中小尺度天气系统活动 频繁，因而常出现短历时大强度暴雨。8月份副高脊 Copyright © 2013 Hanspub 65  李妍清，等：汉江安康水库流域汛期分期研究 Copyright © 2013 Hanspub 第2卷 · 第1期 66 继续西伸北进，本流域常受副高脊控制，不利于大暴 雨形成。如果副高脊控制时间过长，往往形成干旱。 到8月下旬~9月初，副高第一次南撤，并稳定在北纬 25˚~27˚之间。同时南支西风建立，孟加拉湾低槽发展， 造成水汽输送的有利条件。如遇中纬度短波槽东移， 在700 毫巴天气图上便形成东西向切变线，再加上米 仑山、沐巴山的地形影响，便产生东西向大雨带或暴 雨带。这种环流形势一经产生，便十分稳定，雨势连 绵持久，多为霪雨。 安康水库流域降雨主要集中在 5~10 月，以7月 降雨量最多，强度最大；8月下旬~9月初是霪雨霏霏 时节。因此，从成因上可以将安康水库流域汛期划分 成4个分期。 2.2. 数理统计分析法 2.2.1. 降水统计分析 由于季风气候的影响，安康水库流域降水的年内 分配很不均匀。夏、秋两季降水量占全年降水量的 80%，尤以 7~9月降水量为最丰，占全年降水量的 60% 左右。根据安康流域 1960~2009 年日面雨量资料，统 计安康水库流域汛期多年旬平均降水量，结果见表1。 从表中可以看出，7月上旬、9月上旬降水最大，夏 汛秋汛明显。因此，初步将 6月下旬~7 月下旬划分为 夏汛期，8月上旬~中旬为过渡期，8月下旬~10 月下 旬为秋汛期。 2.2.2. 洪水年内分布分析 安康水库的来水特点是：“枯中有峰、洪中有枯”， 年内分配很不均，变化剧烈。为了充分说明大洪水年 内时程变化规律，对安康水库1950~2011 年5~10 月 份的日流量资料进行统计分析。划分各年份的场次洪 水，并记录洪水发生的时间和相应日平均流量峰值， 然后按 8个流量级统计各旬内相应级别的洪水发生次 数。统计结果见表 2。 由表 2可见，若不考虑 1950 年以前的历史特大 洪水，按洪峰流量来看，62 年内仅在 2010 年7月中 旬、1983 年7月下旬和 1974 年9月中旬发生过三次 大于 17,000 m3/s 的洪水；对于洪峰流量在 12,000~ 17,000 m3/s 的洪水，主要发生在 7月上旬~10 月上旬； 而对于洪峰流量在 8000~12,000 m3/s 的洪水则主要发 生在 6月下旬~10月中旬，仅一次发生在五月下旬；5 上、中旬没有发生过大于 8000 m3/s的洪水，8月上 月 Table1. The statistic values of ten-day (monthly) average precipitation during flood season in the Ankang basin 表1. 安康流域汛期多年旬(月)平均降水量统计表 月份 5 6 7 8 9 10 上旬(mm) 25.1 28.1 67.2 38.9 56.2 38.7 中旬(mm) 31.9 30.6 53.0 44.3 41.7 24.7 下旬(mm) 34.3 41.4 48.0 50.1 44.7 17.5 月均(mm) 30.4 33.4 56.1 44.4 47.5 27.0 月比例(%) 12.7 14.0 23.5 18.6 19.9 11.3 Table2. The statistic values of discharge distribution during flood season in the Ankang basin 表2. 安康水库汛期洪水(Q)分布规律统计表 5月 6月 7月 8月 9月 10月 单位(m3/s) 上 中 下 上 中下上中下上中下上中 下 上 中 下 Q ≥ 17,000 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 17,000 > Q ≥ 15,000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 15,000 > Q ≥ 12,000 0 0 0 0 0 0 1 3 0 0 1 0 4 1 1 1 0 0 12,000 > Q ≥ 10,000 0 0 1 0 0 0 4 3 2 0 0 1 2 1 0 2 0 0 10,000 > Q ≥ 8000 0 0 0 0 0 1 3 2 1 1 0 2 2 3 2 2 1 0 8000 > Q ≥ 6000 0 0 1 0 0 4 6 2 1 1 4 3 3 3 4 0 0 1 6000 > Q ≥ 4000 1 2 1 2 4 0 126 3 5 5 5 7 3 6 5 2 0 4000 > Q ≥ 2000 4 8 9 5 7 118 198 9 9 8 117 7 10 112  李妍清，等：汉江安康水库流域汛期分期研究 第2卷 · 第1期 旬没有发生过大于 10,000 m3/s 的洪水；对于小于 8000 m3/s 的洪水在各旬内分布较为均匀。 按洪水发生时间来看，7~9 月间发生洪水的次数 最多，且在 7月上旬~10 月上旬间发生大洪水的可能 性最大；最早发生大洪水的时间是在5月下旬，最晚 发生大洪水的时间是在10 月上旬。因此，从洪水分 布统计规律可知，5月初~6 月中旬可以划分为前汛期， 6月下旬~7月下旬为夏汛期，8月上旬、中旬为过渡 期，而 8月下旬~10月底为秋汛期。 2.2.3. 径流统计分析 汉江上游径流来源主要为雨水补给，其次也有一 定数量的地下水和冰雪融水补给，因此径流的季节性 变化比较明显。冬末春初为径流最枯季节，河川径流 主要靠地下水补给，最小流量多发生在 1~2月份，随 着气温的逐渐升高，4~5月份常出现春汛，夏、秋两 季是河川径流最丰的时期，这主要是由于大陆低压的 发展和太平洋副热带高压的西伸，使得从印度洋来的 西南季风加强，再加上地形的抬升作用，流域内常形 成霪雨。河川径流主要集中在7~10 月，4个月径流量 占全年径流量的 60%以上，其中 7、9两个月水量最 大。 统计安康水库 1950~2011 年的 5~10 月逐日流量 资料，结果如表 3所示，汛期的来水量存在从小到大， 然后由大到小的规律性，7月上旬、中旬和 9月上旬 平均来水量所占比例最大，10 月以后来水量显著变 小。径流量分配与降水量的分配规律基本一致。根据 来水量占汛期总量的百分比，将5月上旬~6 月中旬划 分为前汛期，6月下旬~7月中旬划分为夏汛期，7月 下旬~8 月中旬为过渡期，8月下旬~10月下旬划分为 秋汛期。 2.2.4. 年最大洪峰统计分析 根据 1943~2011年安康水库年最大洪峰流量、 Table 3. The proportion of ten-day (monthly) average runoff dur- ing flood season in the Ankang basin (%) 表3. 安康水库汛期各旬(月)来水量占汛期比例统计表(%) 月份 5 6 7 8 9 10 上旬 3.13 3.14 8.94 5.02 8.61 7.46 中旬 3.54 2.93 8.65 5.95 7.68 4.71 下旬 3.67 4.47 5.33 6.13 7.37 3.24 月 10.34 10.54 22.92 17.1 23.66 15.41 1950~2011 年的日平均流量资料，绘制散点分布图如 图1、图 2，可以看出洪峰有以下特征： 1) 洪峰散点的频次、大小基本呈现由弱至强、再 由强至弱的规律性，9月以后仍出现一大簇洪峰，表 明汉江流域安康段以上易于发生秋汛。 2) 洪峰在 7月与 9月出现次数最多，且洪峰较大。 其余各月流量相对较小，出现频率也较低。最大的洪 峰流量出现在 7月下旬。 因此，根据年最大洪峰流量统计分析，5月上旬~ 6月下旬可以划分为前汛期，7月上旬~7 月下旬为夏 汛期，8月上旬~8月中旬为过渡期，而 8月下旬~10 月下旬为秋汛期。 2.3. 矢量统计法 洪水的季节特征以年为周期，因此可以用极坐标 来表征洪水的季节性。矢量统计法把每场取样洪水看 作一个矢量，根据各个矢量之间的方向相似性来判断 分割点，即作为汛期分期点。采用年极值取样，绘制 极坐标图以示分期效果。其中，圆周 360 度代表 5月 1日~10 月31 日之间的每一天表示的度数，以各矢量 的聚集情况作为分期标准，矢量相互密集的角度范围 可作为同一个分期。 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 5.1 6.17.18.1 9.110.111.1 时间（月. 日） 年最大洪峰流量（m³/s） Figure 1. Scatter diagram of annual maximum peak flows 图1. 年最大洪峰流量散点图 0 5000 10000 15000 20000 25000 5.1 6.1 7.1 8.19.110.111.1 时间（月.日） 年日最大流量（m³/s） Figure 2. Scatter diagram of annual maximum daily flows 图2. 年最大日平均流量散点图 Copyright © 2013 Hanspub 67  李妍清，等：汉江安康水库流域汛期分期研究 第2卷 · 第1期 将安康水库 1943~2011 年洪峰值及峰现时间组成 的系列换算成矢量，单位长度为 1，点绘于极坐标图 中，如图 3所示，6月21 日为夏汛期开始时间，7月 24 日夏汛期结束，进入过渡期，8月17 日为秋汛期 开始时间。因此，5月1日~6 月20 日可定为前汛期， 6月21 日~7 月24 日为夏汛期，7月25 日~8 月16 日 为过渡期，8月17 日~10 月31 日为秋汛期。 2.4. 均值变点分析法 采用安康水库 1950~2011 年的汛期(5 月1日~10 月31 日)日流量资料，取日最大洪峰流量为统计指标， 进行日洪峰最大值取样，对构造的新序列进行均值变 点分析，得到计算结果如图 4所示。另取三日最大洪 量、七日最大洪量为统计指标(图略)，可以得出：无 论是平均日流量，还是平均三日、七日洪量，构造的 时间序列与平均量在时间分布上基本一致。日最大洪 峰、三日最大洪量取样的均值变点分析表明，四个变 点分别出现在 7月3日、7月23 日、9月1日、10 月 8日；而七日最大洪量的分期点在 6月24 日、8月5 日、8月15 日、10 月9日。 据此，综合考虑到水文过程的随机性及偏于安全 的原则，将第四和第五分期合并，初步拟定汛期分期 如下：5月1日~6 月23日为前汛期；6月24 日~7 月 31 日为夏汛期；8月1日~8 月31 日为过渡期；9月1 日~10 月31 日为秋汛期。值得指出的是，对于洪峰的 描述，我国一般采用 P-Ⅲ分布，因此采用正态分布为 基础的均值变点分析只能是一个近似分析。 2.5. 综合结果分析 针对安康水库汛期分期计算，将多种分期方法的 计算结果进行综合比较，见表4。经综合分析，7月 是汉江中上游特大洪水的多发期，暴雨集中，洪量较 大，8月上旬以后洪峰流量的量级比前期洪水要小一 些，8月下旬~10 月上旬会发生秋汛，一些洪水也 0 45 90 135 180 225 270 315 00.4 0.8 1.2 8.16 6.20 5.1 (10.31) 7.24 Figure 3. Flood season identification based on vector statistic method 图3. 矢量统计法汛期分期结果 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 5.1 6.17.18.1 9.110.1 时间（月.日） 流量（m³/s） 分期均值 日最大值 日平均值 Figure 4. Average change point analysis of daily maximum peak flow series 图4. 日最大洪峰序列均值变点分析图 Table4. Comparison of flood season identification results for the Ankang reservoir basin 表4. 安康水库汛期分期计算结果比较表 分期方法 前汛期 夏汛期 过渡期 后汛期 天气系统成因分析法 5月上旬~6 月下旬 7月上旬~7 月下旬 8月上旬~8 月中旬 8月下旬~10 月下旬 降雨统计分析 5月上旬~6 月中旬 6月下旬~7 月下旬 8月上旬~8 月中旬 8月下旬~10 月下旬 洪水年内分布统计分析 5月上旬~6月中旬 6月下旬~7 月下旬 8月上旬~8 月中旬 8月下旬~10 月下旬 径流统计分析 5月上旬~6 月中旬 6月下旬~7 月中旬 7月下旬~8 月中旬 8月下旬~10 月下旬 数理统 计法 年最大洪峰统计分析 5月上旬~6 月下旬 7月上旬~7 月下旬 8月上旬~8 月中旬 8月下旬~10 月下旬 矢量统计分析 5月1日~6月20日 6月21 日~7 月24 日 7月25 日~8 月16 日 8月17 日~10月31 日 均值变点分析 5月1日~6月23日 6月24 日~7 月31 日 8月1日~8月31日 9月1日~10 月31日 Copyright © 2013 Hanspub 68  李妍清，等：汉江安康水库流域汛期分期研究 第2卷 · 第1期 较大。考虑到偏于安全和习惯，更好地反映汉江流域 夏秋两汛的特性，建议将安康水库的汛期分为四期： 5月1日~6 月20 日为前汛期；6月21 日~7 月31 日 为夏汛期；8月1日~8月20 日为过渡期；8月21 日 ~10 月31 日为秋汛期。 3. 结语 由于汛期变化规律有确定性、随机性、模糊性和 过渡性的特征，在汛期分期实践中，需要运用各种相 关方法，经综合分析方可得到全面反映汛期特征、合 理可行的汛期分期方案。合理的汛期分期结果，可充 分利用洪水资源，为汛限水位分期控制提供科学依据 和技术支撑。 本文综合天气系统成因分析和数理统计分析等 方法进行研究： 1) 天气系统成因分析和数理统计分析得到的结 果较为一致，不同方法各有优缺点，建议综合使用。 2) 为了更好地反映汉江流域夏秋两汛的特性，建 议将汛期划分为四期较合理可行，夏汛期与秋汛期之 间为过渡期。故安康水库的汛期分期推荐方案为：5 月1日~6 月20日为前汛期；6月21 日~7 月31 日为 夏汛期，8月1日~8 月20 日为过渡期；8月21 日~10 月31 日为秋汛期。 参考文献 (References) [1] 郭生练. 设计洪水研究进展与评 价[M]. 北京: 中国水利水电 出版社, 2005. 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