汾河水库控制流域水文学分析

汾河水库控制流域水文学分析

干旱影响：半干旱地区约占中国总面积的52%。该地区风景大沙多，土地贫瘠，水资源有限。这也是中国生态环境薄弱地区的研究热点。径流变化和洪水频率分析对于区域水资源的合理开发利用、洪水灾害的防灾减灾都有重要意义。汾河是黄河的第二大支流,所处华北黄土高原区,整个流域隶属山西省,流域属于典型的半干旱地区过渡区。流域内最大的水库为汾河水库,始建于1958年7月,1961年6月正式投入使用,是山西省最大的一座综合利用的大型水库,担负着太原市和晋中市防洪、供水、灌溉、发电的任务,随着引黄入晋工程的实施和运行,汾河水库还兼负着引黄供水调蓄的任务,对山西省国民经济的发展起着举足轻重的作用。赵学敏等的研究表明近45a来(1956\_2000年)汾河流域年、汛期降水分别以平均-26.1mm/10a、-22.2mm/10a的倾向系数递减,且在空间分布上大部分地区呈减少趋势,流域趋于干旱化。降水的减少及水库的淤积(到2004年底淤积库容达3.71亿m3,占到总库容的一半以上)影响到了水库功能的正常发挥。以水库控制流域内的静乐站、上静游站及入库水量作为研究对象,对汾河水库控制流域内的径流、洪峰流量的年际变化特征和规律进行探讨和分析,为水库的水资源合理配置、开发利用及工农业生产提供参考。1沙化水流域概况流域内设有32个雨量站,7处水文站,其中汾河干流的静乐站和岚河的上静游站,建站早,资料充分,且为水库的入库站,是本次分析的主要依据。2学习方法2.1相应频率的确定丰枯分级采用《中国水资源评价》所定的三级标准:丰水年Xi>X+0.33σ,相应频率P<37.5%;正常年X-0.33σ≤Xi≤X+0.33σ,即相应频率37.5%≤P≤62.5%;枯水年Xi<X-0.33σ,即相应频率P>62.5%。其中,X为多年平均径流量,Xi为某年的径流量,σ为均方差。2.2皮尔现有曲线的形式皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对成单峰曲线,是当前水文计算中常用的频率曲线。其概率密度函数为:f(x)=βαΓ(α)(x−α0)α−1e−β(x−α0)(1)f(x)=βαΓ(α)(x-α0)α-1e-β(x-α0)(1)式中:Γ(α)为α的伽玛函数;α\,β\,α0分别为皮尔逊Ⅲ型分布的形状、尺度和位置参数,α>0,β>0。水文计算中,一般需求出指定频率P所相应的随机变量取值xP,求出等于及大于xP的累积频率P值,即为:P=P(x≥xP)=βαΓ(α)∫∞xP(x−α0)α−1e−β(x−α0)dx(2)Ρ=Ρ(x≥xΡ)=βαΓ(α)∫xΡ∞(x-α0)α-1e-β(x-α0)dx(2)在进行频率计算时,由经过变量转换而制定成的专用表格查表求出各种P相应的xP,即可绘制出皮尔逊Ⅲ型曲线。除以上方法外,汾河水库入库水量和水库控制站的径流量采用特征值对比的方法进行了分析,从而从不同时间尺度上分析了汾河水库控制流域1970年以来的径流变化特征及其影响因素。3水流和洪水的特征分析3.1静乐站和上静游水文站年径流特征比较,有以下几个汾河水库多年平均入库水量为2.8604亿m3(1970\_2004年),汾河干流的静乐站和岚河的上静游站为水库的入库站,静乐站和上静游站多年平均径流量分别为2.018亿m3和0.423亿m3。图1为水库入库水量、静乐站和上静游站的年径流量变化图。静乐水文站控制流域面积2799km2,水库最大入库水量6.15亿m3(1995年),最小入库水量1.058亿m3(2001年),极值比为5.8129。从图1可以看出,干流静乐站水量是汾河水库的主要入库水量,且与入库水量有同样的起伏变化程度,它们之间存在很好的相关性(相关系数达0.9625),静乐站最大年径流量为5.1939亿m3(1996年),最小年径流量为0.6148亿m3(2001年),其极值比为8.448。上静游水文站,控制流域面积1400km2,其年径流量变化相对比较平稳,与入库水量之间也存在比较好的相关性(相关系数0.8506),最大年径流量为0.9639亿m3(1973年),最小年径流量为0.1901亿m3(2001年),其极值比为5.0705。由于降雨径流形成机制的复杂性使得入库水量和控制站的径流量之间既有一致性也有不一致性。同时也可以发现,20世纪90年代后极端事件的出现多于其他年代。根据丰平枯的三级标准,对静乐和上静游水文站年径流系列逐个判别,划分出了丰、平和枯水年(表1)。由表1可见,两个控制站的丰、平和枯水水平年并不是同步的,而在20世纪70和80年代发生丰水和平水年比较多,而在90年代后枯水年比较多,多干旱年。赵学敏等的研究指出,汾河流域80年代、90年代降水趋于偏少,多干旱异常,流域趋于干旱。这一点与汾河水库控制流域径流的表现一致。3.2日内洪峰流量特征洪水是世界上最严重和最频繁发生的自然灾害之一。近年来由于气候变化、人口增长、洪泛区、其他洪水易发区内人口及财产的更加集中以及不规范的土地利用更加增加了洪水所带来的损失,因此,日益严重的洪水问题引起了国际社会和各国政府的高度重视。同时水资源的短缺也在限制着社会经济的不断发展。洪水在造成淹没、冲刷和侵蚀等灾害的同时,也是重要的淡水、生态、肥力和动态资源。根据SL44-93规定,应采用年最大值原则选取洪水系列。文中计算采用年最大值法,即每年选取一个最大值为样本,得到一个洪峰流量时间序列,采用皮尔逊Ⅲ型曲线计算各站的设计洪水,静乐和上静游站洪峰频率分析结果分别见表4和图3。4径流变化规律河流年径流量的变化可以反映气候的变化,而年径流量的变化也同时受到地理位置、河流补给条件、流域面积、土壤植被等下垫面条件的影响。统计了不同年代汾河水库上游降水量、入库水量、静乐站和上静游站径流变化情况(表5)。可以看出,在各个年代径流的变化规律与降水量的变化规律变化不一致,入库水量与静乐站的径流变化规律一致,静乐站与上静游站表现出了不同的降水径流变化规律。因此,水库的主要来水量是静乐站。上静游站是水库淤积主要的泥沙来源,为了减少水库淤积,汾河水库自1988年开始实施了的大量的水保措施,下垫面条件的变化改变了上静游站径流的变化过程。因此,降水的变化和下垫面条件是影响水库控制站径流变化的主要原因。降水时空不均匀性对径流的影响是由下垫面的产流特性的时空不均匀性决定的。正是由于下垫面的产流特性的时空不均匀,同样的降水总量,当降落在产流系数大的时段时产生的径流量多,当降落在产流系数少的时段时产生的径流少。降水过程本身对下垫面的产流系数有影响。在降水总量相同的情况下,集中分布的暴雨比均匀分布的降水产生的径流量要大。为了分析降水特性对径流变化的影响,选择静乐水文站的降水量资料从降雨强度和短历时暴雨分析降水特性对径流的变化。这里所指的强度是指一定量级以上的降雨对流域径流所产生的影响。4.1降雨强度的变化表6给出流域平均日雨量大于20mm和30mm的分时段统计数据,20mmdate、30mmdate分别代表年内日雨量大于20mm和大于30mm的降雨日数的平均值。集中程度是日雨量大于20mm、30mm雨量占年雨量百分比的时段均值。可见,大于20mm、30mm雨量及相应雨日从20世纪60年代到80年代逐步减少,同样集中程度也在逐步减少。到了90年代,虽然降雨强度比50年代小,但已超过其他年代,如大于30mm雨量和雨日,60年代分别是122.2mm、1.6d,在80年代则减少到91.2mm、1d,而到90年代,增加到135.7mm、2.9d。20mm和30mm集中程度,60年代分别是39.7、23.4,在80年代则减少到33.5、19.3,而到90年代,增加到42.9、27.1。以上数据表明,在过去的几十年间,降雨结构逐渐发生了变化,高强度降水在量级和次数上存在波动变化的态势。可见,降雨强度大于20mm和大于30mm的暴雨降雨集中程度最大的在1990\_2000年间,而此时也是年均径流量比较大的年际,降雨强度大于20mm和大于30mm的暴雨降雨集中程度最小的时段是1980\_1989年段,而1980\_1989年间年均径流量小于1990\_2000年间,也是最小的年际。可见降雨强度变化规律与径流变化基本一致。4.2降雨时域间年际变化表7按时序分段统计了流域内最大10min、60min、6h、24h、3d的平均降雨量,其中集中程度是指各历时降雨量占年降雨量的百分比。可见,最大10min、60min、6h降雨量各年代间没有显著差异。最大24h和最大3d降雨量,相对于20世纪60年代\,80年代偏小,而90年代比60年代到80年代又有一定的增加,占年降水量比例各年代变化不明显。对70年代而言,虽然年平均雨量在各年代中次小,但各个历时的降雨量却处在各年代较高的位置,因此,各短历时降雨未明显地表现出同年降水量一致的变化规律。所以,可以认为年径流的时序变化,并非受短历时、高强度降水变化的影响,主要是受年降水量的变化影响。5洪水资源量分析径流在不同时间尺度上的变化是复杂的,河流年径流量的变化可以反映气候和下垫面条件的变化。综合分析了汾河水库控制流域静乐和上静游水文站的径流及洪水变化特性,并对径流变化的动因进行了分析,结果表明,汾河水库控制流域静乐和上静游站丰、平和枯水水平年并不同步,在20世纪70和80年代发生丰水和平水年比较多,在90年代后枯水年比较多,多干旱年,7月、8月既是防汛的主要时期,对于水资源紧缺的半干旱地区也是合理调度利用洪水资源的关键,同时进入20世纪90年代极端洪涝和干旱事件出现的频次增多,因此,准确及时的气象及洪水预报、汛末蓄水时机的选择、合理的水库调度运用方式等是汾河水库实施洪水资源化最关键的问题。