文峪河水库后汛期汛限水位分析计算

2012-10-20张新建解寿泽

山西水利 2012年1期

张新建，解寿泽

（1.山西省防汛抗旱办公室，山西太原 030002；2.吕梁市文峪河水库管理局，山西吕梁 033000）

1 水库汛期调度指标

文峪河水库位于文水县开栅镇北峪口村西，水库以上控制流域面积1 876 km2，总库容11 700万m3。水库设计防洪标准100年一遇，校核标准1 000年一遇。水库实行分期汛限水位，每年6月1日—7月15日为前汛期，汛限水位829 m；7月16日—8月20日为主汛期，汛限水位827 m；后汛期为8月21日—9月30日，汛限水位829 m，正常蓄水位836.6 m。

2 2009年后汛期防洪调度

2009年主汛期，文峪河流域干旱少雨，库水位一直低于汛限水位2 m，8月20日—21日水库上游降大到暴雨。8月22日和23日平均进库流量分别为93.15m3/s，59.32m3/s。8月23日库水位达到829.38m，超过后汛期汛限水位0.38 m。由于水库上游地处关帝山林区，植被条件好，此次洪水洪峰不大，但过程较长，8月24日—27日平均进库流量30 m3/s，8月25日库水位达830.8 m，超汛限水位1.8 m，次日开始水库加大下泄流量，8月31日库水位降到829.04 m，略高于后汛期汛限水位。9月4日—9日，水库上游又降大到暴雨，9月7日平均进库流量82.04 m3/s，9月8日平均进库流量100.43 m3/s，9月9日平均进库流量107.58 m3/s，9月10日减为 80.15 m3/s，9月 11日减为49.3 m3/s。该降雨过程较8月的降雨时程长、雨量大。9月13日库水位达到833.73 m，超汛限水位4.73 m，距水库正常蓄水位2 m多，距水库原设计洪水位837.5 m约4 m。根据来水和超汛限水位的实际情况，经过讨论，决定超汛限蓄水。到9月下旬，水库进库流量基本维持在10 m3/s左右，到9月30日汛期结束，库水位达到835.32 m，接近正常蓄水位836.6 m。

这两次洪水的调度实践凸现了水库汛期调度规则的不完善问题：按照现行调度规则，整个后汛期汛限水位不能高于829 m，也就是说洪水过后，把库水位降到829 m。但第二场洪水过后已经接近9月下旬，如果按现有规则调度，再将库水位降到829 m，9月7日后的洪水需全部弃掉，根据文峪河来水状况，如果在后汛期的适当时候，汛限水位还不能突破829 m，在一般情况下，到非汛期要蓄到836.6 m几乎是不可能的。因此，水库汛期调度规则在技术上不合理。

实际上，在山西省多年的水库汛期调度实践中已经形成一个潜规则：主汛期过后，如无大的雨水情发生，无论水库是否实行了分期汛限水位，一般都默认逐步抬高汛限水位蓄水，但哪一天汛限水位允许抬高多少，缺乏时间和空间上的定量控制。一旦在后汛期遇到较大洪水，就会出现上述矛盾，如果调度不当出现灾难性的后果，其责任又难以分清。因此，在后汛期逐步抬高的水库汛限水位，首先要在技术层面上弄清楚，然后上升到预案层面，做到合理合法。

3 用汛期隶属度函数描述汛期变化规律

在我国北方地区，太平洋副热带高压的活动是影响降雨的主要因素。随着太平洋副热带高压的逐步北移，山西省一般从6月份进入暴雨洪水的发生期，随后逐步增强，到7月前后，是前汛期。其后暴雨洪水的多发期来临，7月中旬到8月中旬达到最强，这段时间为主汛期。8月中旬以后，太平洋副热带高压逐渐南撤，降雨几率也在逐步减少，到9月底暴雨洪水几乎不再发生，这段时间就是后汛期。根据大连理工大学陈守煜先生创立的模糊水文水资源学的理论[1]，用汛期隶属度描述汛期的变化，从前汛期始，汛期隶属度从0开始逐步增大，到主汛期汛期隶属度为1，到了后汛期，随着暴雨洪水的逐步减小，汛期隶属度也从1逐步减小，到汛期结束为0。

根据文献[2]，选取正余弦函数，分别作为前汛期和后汛期的隶属度函数，见图1。

图1 前、后汛期隶属度函数

其中，t1＜t＜t2，取为[t1，t2]的映射区间。

其中，t3＜t＜t4，取为[t3，t4]的映射区间。

其中t为日期数，例如，当t3为8月16日，t4为9月30日时，计算 9月 1日的汛期隶属度为：μA（t）=

后汛期所产生的洪水峰小量大、时程长、含沙量小，是洪水资源利用的最佳时期。在后汛期初期洪水衰减相对比较缓慢，余弦函数表现在汛期隶属度有一个缓慢下降的过渡期，这一特征正好能够适应后汛期初的洪水衰减规律。

4 后汛期汛限水位计算公式

根据模糊水文水资源学理论，给出水库汛限水位的基本计算公式：

其中，V0为水库设计防洪库容，μA（t）为汛期隶属度函数，V（t）为汛期t日所对应的防洪库容。

汛期t日所对应的库容V1（t）可按以下公式计算：

其中，V1为设计洪水位Z1所对应的库容，汛期t日汛限水位Z1（t）由汛期t日库容V1（t）通过插值计算水位—库容关系表得到。Z1（t）是水库汛限水位的上限值。

在汛期即将结束时，水库的功能由防洪逐步转为蓄水。正常蓄水位为非汛期水库允许的最高水位，而设计洪水位Z1又高于正常蓄水位Z2，因此，当Z1（t）≥Z2时，一律取Z1（t）=Z2。

在前、后汛期，为使防汛安全有一定余量并结合蓄水需求，公式（4）可演变为：

其中，V2为水库主汛期汛限水位到正常蓄水位之间的库容。

汛期t日所对应的库容V2（t）可按以下公式计算：

其中，V3为正常蓄水位Z2对应的库容，用式（6）和式（7）计算出的Z2（t）是水库汛限水位的下限值。由Z1（t），Z2（t）两条过渡期汛限水位调度曲线，形成前、后汛期每日汛限水位的上下限，当上限值达到正常蓄水位时，该值将不再增加，一直要延续到非汛期。实时调度时，如果水库上游未来天气晴好，可取其上限，而有较大降雨洪水即将发生时，则取其下限。

5 文峪河水库后汛期汛限水位计算

用上述计算公式按照现有的汛期分期和防汛指标来计算文峪河水库后汛期汛限水位变化过程，与现行汛限水位和2009年后汛期实际水位进行比较。

选择整个后汛期作为计算区间，即t3为8月16日，t4为9月30日时，根据式（3）计算出t3至t4时段的汛期隶属度，取Z1=837.5 m，Z2=836.6 m分别根据式（4）—（7）计算出每日库容，再根据水库水位—库容关系表，插值计算出每日汛限水位Z1（t），Z2（t）（即下表中的水位上限和水位下限）。计算出的后汛期汛限水位调度区域在宏观上反映了流域基本的气象水文规律，通过专家审定和行政审批程序后，可作为水库制订汛期防洪调度计划的依据。

文峪河水库后汛期汛限水位计算结果见表1。

表1 文峪河水库后汛期汛限水位计算结果表

从表1可以看出，在后汛期的前10 d，即9月2日之前计算出的汛限水位低于829 m，所留的防洪库容较大，比原方案有更低的防洪风险，9月2日以后计算出的汛限水位高于829 m，有利于水库后汛期蓄水，由于9月份发生设计标准洪水的几率大大降低，水库防洪并无增加风险，9月25日以后计算出的汛限水位上限已接近正常蓄水位836.6 m，在实际调度中，如遇到后汛期丰水，汛期结束有望蓄水到正常蓄水位。如果汛后一段时间内入库水量超出用水量许多，临近汛期结束蓄水位也可低于正常蓄水位，为汛后蓄水留有余地。如2009年文峪河水库汛末蓄到835.32 m是合理的。