溇水流域降水特征及上游降水对江垭水库来水量影响

刘世军，刘 祥，杨特群，廖春花

(1.湖南省澧水流域水利水电开发有限公司，长沙 410117； 2.湖南省气象服务中心，长沙 410118)

0 引 言

在全球变暖、极端气候事件频发以及环境日益恶化的背景下，水资源短缺与水质恶化凸显[1]，因而凸显了水资源利用在居民生产生活等方面的重要性[2-4]。水电资源作为可再生清洁能源越来越受到重视，水力发电在全国发电总量的占比逐年升高，而我国南方地区江河湖泊众多，绝大多数地区年平均降水量都在1 000 mm以上，如何利用好这部分天然资源，为国计民生提供更好的服务，就成为气象部门与电力部门最关心的问题。

往往大多数水电站都兼有防洪、蓄水、灌溉、发电等多项功能，科学合理地配置各种功能是提高水电站使用效率的关键，而其中的分配机制离不开气象部门对流域降水的精确预报，掌握流域的降水特征及上游降水对水库来水量的影响就显得尤为重要。许多学者采用线性回归、M-K检验、滑动平均等不同分析方法对当地水库流域降水特征的变化进行了分析，得出许多有指导意义的结论[5-8]。段顺琼等[9]对昆明市松华坝水库1996-2017年水情及降水趋势进行了分析，发现松华坝水库来水量存在Hurst现象,来水表现为持续下降的趋势,年来水总量在2000年出现突变，2000年后年来水总量下降的趋势更为明显，通过分析为水库科学调度提供了依据，为昆明城市饮水安全和水源地的可持续利用提供保障。李琦[10]分析了板桥水库流域1956-2014年降水量的时空分配规律及频率特征，径流量的年内、年际变化，以及降水量与径流量的相关关系，帮助水资源的合理开发利用，促进流域社会经济的发展。曾钦文等[11]利用1965-2017年东江中上游8个国家气象站的逐日降水量和暴雨日数资料,分析其时空变化特征，揭示了局部水文气象变化特征及其演变规律，为保障东江流域的生态环境和防灾减灾提供参考。

湖南省作为水力发电大省，境内有湘、资、沅、澧四大水系，每条水系上都有许多重大水利水电工程。其中，江垭水库是以防洪为主，兼有发电等综合效益的大(Ⅰ)型水利工程，位于张家界市慈利县境内澧水Ⅰ级支流溇水中游。坝址控制流域面积3 711 km2，占溇水流域面积的73.5%，总库容17.41×108m3，其中防洪库容7.4×108m3。1935 年，澧水流域曾发生毁灭性特大洪水，沿河一次性死亡3.31万人，成为20世纪一场空前的惨祸，此后平均每三年发生一次重大洪涝灾害。1999年水库主体完工后，将澧水下游防洪标准从4～7年一遇提高到17～20年一遇[12]。但在发电效率方面仍需要更加深入了解流域降水特征以及更加精确的来水量预报，故本文将从这两方面进行分析，以期提升江垭水库发电效率、合理利用水资源。

1 资料与方法

1.1 资 料

采用中国气象局气象数据统一接口端(MUSIC)提供的1960-2017年共58年降水资料，由于鹤峰站在溇水上游，且为溇水流域内唯一国家级观测站，故选取鹤峰站作为溇水流域代表站，能较为准确地反映溇水流域降水特征以及对江垭水库来水量的影响。流域站点及水库位置见图1。同时采用湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司提供的江垭水库日平均入库流量数据，对流域降水及来水量进行分析。

图1 溇水流域位置及鹤峰站、江垭水库分布

1.2 方 法

1.2.1 线性倾向估计

线性倾向估计的目的是用一条合理的直线表示气候变量与时间之间的关系。用y表示样本量为n的某一气候变量，用x表示y所对应的时间，建立y与x之间的一元线性回归，其表达式为：

y=b0+bx+ε

其中ε为随机误差。如果用计算值来表示y，则可略去ε，那么一元线性回归方程的公式就可以简化为：

y=b0+bx

式中:b0为回归常数；b为回归系数。b0、b可以用最小二乘进行估计。(魏凤英，2007)

1.2.2 相关分析

线性相关分析是气象中常用的统计方法之一，可以衡量两个气象要素之间的相互关系。相关系数的值介于-1～1之间，当相关系数为正时表示两者之间为正相关，变化趋势一致；为负时表示两者之间为负相关，变化趋势相反。相关系数绝对值越大时，二者之间的关系越密切(施能，2002)。我们常用的相关系数又叫点相关系数、皮尔逊(Pearson)相关系数，用r来表示，它也作为两个总体相关系数ρ的估计。假设有两个变量，x1,x2,…,xn和y1,y2,…,yn,相关系数的计算公式为：

2 溇水流域降水特征

2.1 年降水量逐年变化

溇水流域鹤峰站近58年降水年际变化见图2。近58年来，年平均降水量为1 682.5 mm，年降水量最多的年份在1980年，年累计降水量为2 335.9 mm；年降水量最少的年份在2001年，年累计降水量为1 185.3 mm。从年降水量的线性回归来看，整体呈现略下降的趋势，降幅为每10年8 mm。变量随时间的变化可以分为两种基本形式：一种形式是连续性的变化，另一种形式是不连续的变化。不连续的变化主要变现为突发性，将这种不连续的现象称为“突变”。用曼-肯德尔(Mann-Kendall)非参数统计检验方法对鹤峰站流域年累计降水变化序列进行突变检验分析(图3)发现，在上世纪80年代初UF

图2 鹤峰站降水年际变化(单位：mm)

图3 鹤峰站年累计降水量曼-肯德尔统计量曲线

2.2 四季降水量逐年变化

溇水流域鹤峰站各季度累计降水的逐年变化见图4。从季平均降水来看，春季平均累计降水443.8 mm，夏季平均累计降水776.9 mm，秋季平均累计降水359.1 mm，冬季平均累计降水102.6 mm。变化趋势方面，春季与秋季呈现逐年递减的趋势，其中春季每10年减少14.2 mm；夏季与秋季呈现逐年递增的趋势，其中夏季每10年增加6.2 mm。与其他季节相比，夏季降水的年际变化波动较大，方差为247.3。

图4 鹤峰站各季度累计降水逐年变化(单位：mm)

2.3 极端日降水量特征

图5为鹤峰站逐年最大日雨量年际变化。由图5可以看到，年最大日降水量呈现出逐年下降的趋势，所有年份的最大日降水量级均在暴雨以上。其中有22年最大日降水量达到大暴雨以上级别，占比为62.9%；最大日降水量出现在2009年，为294.1 mm，达到特大暴雨级别。

图6统计了逐年最大日雨量出现的月份。由图6可知，鹤峰站年最大日雨量分布于4-10月份，其中10月份出现最少，为1次；7月份出现最多，为12次；夏季6、7、8月份一共出现了25次，占比为71.4%。

图5 鹤峰站逐年日最大雨量(单位：mm)

图6 石门站年最大日雨量所在月份(单位：次)

图7 鹤峰站逐年暴雨日数及大暴雨日数(单位：天)

图7为鹤峰站逐年暴雨日数及大暴雨日数统计。由图7可以看到，近年来暴雨日数呈现出下降的趋势，大暴雨日数基本稳定不变。其中暴雨日数最多的年份为1983年，达到13天。

2.4 雨季特征

自上世纪80年代与电力部门开展电力气象服务开始，电力部门着重关注雨季特征及重阳水特征，因为这关系到各大水库防洪蓄洪、保水蓄水、拦蓄洪尾、迎峰度夏等，所以着重分析1981-2017年鹤峰站雨季及重阳水特征。

雨季特征包括雨季开始时间、雨水集中期时段及强度。重阳水特征包括重阳水有无、重阳水强度。具体定义如下：雨季开始定义为每年3月后，日降水量≥25 mm(或3天总降水量≥50 mm的第1天)，且其后两旬中任意一旬降水量超过历年同期平均期，该日为雨季开始日期；雨水集中期定义为雨季(3-7月份)中任意连续10天降水总量最多的出现时段；雨季结束定义：在6-8月中旬期间，一次大雨以上降水过程以后15天内基本无雨(总降水量<20 mm)，则无雨日的前一天为雨季结束日。重阳水定义为10月份单日降水≥50 mm(或连续3天总降水量≥80 mm)。

2.4.1 雨季开始特征

表1统计了1981-2017年鹤峰站雨季开始的时间所在旬的累计次数。从统计结果来看，鹤峰站雨季开始的时间主要集中在4月份，37年间一共有21年雨季从4月份开始，其中又以4月中旬为最多，一共有9年，占所有年份的24.3%。雨季开始最早的年份为2006年，开始于当年的3月11日；雨季开始最晚的年份为2011年，开始于当年的5月10日。

2.4.2 雨水集中期特征

表2统计了1981-2017年历年鹤峰站雨季雨水期中期的时段。由表2可知，近37年来雨水集中期的分布主要集中6月下旬，次数达到11次，为各旬之最；其次是7月中旬，达到8次。从单月来看，雨水集中期主要在6及7月份，其中37年间雨水集中期出现在6月份达到18次。

表1 鹤峰站雨季开始时间逐旬累计

表2 鹤峰站历年雨水集中期逐旬累计

从鹤峰站逐年雨水期中期雨量的变化来看(图8)，整体呈现出下降的趋势，雨水集中期雨量最大的年份为1982年，10天最大累计雨量为521.1 mm；雨水集中期雨量最少的年份为2001年，10天最大累计雨量126.6 mm。

图8 鹤峰站逐年雨水集中期雨量(单位：mm)

2.4.3 雨季结束特征

表3统计了鹤峰站1981-2017年逐年雨季结束时间。由表3可以看到，鹤峰站雨季结束的时间段主要集中在7月中旬及下旬，其中37年来一共有17年雨季结束发生在7月下旬，占所有年份的45.9%，最迟结束时间可推迟至8月上旬。

表3 鹤峰站历年雨季结束时间

2.4.4 重阳水特征

对1981-2017年历年10月份鹤峰站重阳水发生情况进行统计(表4)，其中有9年出现重阳水，分别为1982，1983，1986，1992，1995，1998，2011，2014及2017年。在这9年中，以10月上旬为最多，出现5次；重阳水强度最大的为2014年，降水强度为168.3 mm。

表4 鹤峰站重阳水时段及降水强度

3 溇水上游降水对江垭水库来水的影响

溇水源出湖北鹤峰县七垭，与澧水上源仅一界之隔，东南至淋溪河入湖南，流经桑植、慈利二县，在慈利县城对岸注入澧水。全长250 km，流域面积5 048 km2，河道平均坡降2.11‰。

江垭水库是目前澧水流域最大的水利工程，总库容17.41×108m3，位于澧水支流溇水的中游，坝址以上流域面积3 711 km2，其中上游湖北段约2 800 km2。在坝址上游鹤峰县城附近的溇水上游已建成水利工程4处，总库容达1.47×108m3，上游90 km处在建大(Ⅰ)型水电工程江坪河水电站，总库容13.66×108m3。由于鹤峰附近为重要的暴雨中心，而且江垭水库除库区以外的大部分集雨面积在湖北境内，因此江垭水库的来水主要来源于湖北(据《2017年湖南省水资源公报》，2017年从湖北境内输入江垭水库的水量约为35.2×108m3)。鹤峰气象站正好位于溇水上游，鹤峰气象站的降水与江垭水库的来水关系能较好地反映溇水上游降水与江垭水库来水的关系。

3.1 鹤峰站降水总量与江垭水库来水总量的关系

统计表明，2003年1月1日至2017年12月31日期间，鹤峰气象站年平均降水量1 682.5 mm，其中，降水总量多于平均值的年份6年、少于平均值的年份9年。对比同期鹤峰气象站的年降水总量和江垭水库的年来水总量，可以清楚地看出两者相关性极高，同样据2003年1月1日至2017年12月31日的资料统计，江垭水库多年平均年来水总量约为33.4×108m3，年际变化较大。其中，来水总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，来水总量达到48.7×108m3，最少的年份是2006年，来水总量仅有18.1×108m3。假定鹤峰气象站的降水量完全代表面平均雨量，按照有效积雨面积3 711 km2计算，江垭水库坝址以上地区降水提供的水量大约有40%～70%可以转化为水库来水。

从年内分布来看，鹤峰气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月降水总量达到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月降水总量仅有5.2 mm。同期江垭水库来水最多的月份也是7月份，多年平均来水量约为7.5×108m3，其中2007年7月来水总量达到16.6×108m3。多年平均来水量最少的月份是1月份，多年平均月来水量0.6×108m3，而历年来水量最少的月份是2004年12月份，月来水量仅0.29×108m3。见图9。

图9 江垭水库各月平均入库流量与鹤峰各月平均面降水量对比曲线

3.2 鹤峰站日降水量与江垭水库来水的关系

江垭水库坝址以上的溇水上中游具有典型的山区河流特征，径流的形成受降雨影响极大，河水陡涨陡落，洪水全部因暴雨造成。分析近3年(2015-2017)鹤峰站日降水量与江垭水库日平均入库流量的关系可以看出，鹤峰站平均日降水量约5.1 mm，其中2016年6月19日降水282.8 mm，为近3年单日最大降水量。江垭水库平均入库流量127.2 m3/s，最大日平均入库流量2 836 m3/s，出现在2016年7月19日。近3年江垭水库共出现1 000 m3/s以上洪水11次，其中3 000 m3/s以上洪水2次。江垭水库的洪水与鹤峰气象站48 h内降雨及前期影响雨量密切相关，11次1 000 m3/s以上洪峰出现前的过去48 h鹤峰气象站降雨量均大于40 mm，3 000 m3/s以上洪峰出现前的过去48 h鹤峰气象站降雨量均大于100 mm。同时，对比两次3 000 m3/s以上洪峰过程可以看出，2016年“6·20”号洪水过程的最大日降水量282.8 mm及48 h内降水量316.1 mm明显大于2016年“7·20”号洪水过程的104.3和104.7 mm，但48 h之前的7，10以及15天的累积降雨量50.2，51.4，71.5 mm则明显比2016年“7·20”号洪水过程的132.7，224.2，256.7 mm少得多。可见，江垭水库的洪水与鹤峰气象站前期雨量也密切相关。

2016年“6·20”号洪水。受副高加强西伸北抬影响，江垭水库流域于6月18日22时开始降雨，6月21日23时基本结束。本次降雨持续时间较长，降雨较为集中，主要集中在库区的上游，6月20日09时出现洪峰流量3 638 m3/s，流域平均降雨量为231.9 mm。鹤峰气象站过程累计降雨量371.8 mm，最大日降雨量为6月19日的282.8 mm。

2016年“7·20”号洪水。受高空低槽和增强的中低层西南气流影响，江垭水库流域于7月18日04时开始降雨，7月20日12时基本结束。本次降雨主要分布在库区中上游地区， 7月20日04时出现洪峰流量5 810 m3/s，流域平均降雨量为175.2 mm。鹤峰气象站过程累计降雨量185.6 mm，最大日降雨量为6月19日的104.3 mm。

4 总 结

通过对溇水上游主要气象站鹤峰站降水的变化规律进行研究，结合M-K突变检验以及线性倾向估计等方法，可以得出以下主要结论：

1) 近58年来，年平均降水量为1 682.5 mm，年降水量最多的年份在1980年，年累计降水量为2 335.9 mm；年降水量最少的年份在2001年，年累计降水量为1 185.3 mm。从年降水量的线性回归来看，整体呈现略下降的趋势，降幅为每10年8 mm。上世纪80年代初出现一个由多转少的突变，且在1985年之后，这种减少的趋势是较为显著的。同时，春季与秋季降水逐年减少，夏季与冬季降水逐年略增加。

2) 溇水上游鹤峰站年最大日降水量呈现出逐年下降的趋势，年最大日雨量分布于4-10月份，暴雨日数呈现出下降的趋势，大暴雨日数基本稳定不变。鹤峰站雨季开始的时间主要集中在4月份，雨水集中期的分布主要集中6月下旬，雨水期中期雨量整体呈现出下降的趋势，雨季结束的时间段主要集中在7月中旬及下旬。

3) 鹤峰气象站的降水与江垭水库的来水关系有很好的相关性。假定鹤峰气象站的降水量完全代表面平均雨量，按照有效积雨面积3 711 km2计算，江垭水库坝址以上地区降水提供的水量大约有40%～70%可以转化为水库来水。