水库汛期分期调度若干问题分析

刘 影

（辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳111000）

1 水库调度的重要作用

汤河水库位于辽阳东南30多km的东南山区，其具有蓄水、旅游等综合功能。同时还是辽阳市、鞍山市城市居民饮用水的主要来源，并兼具有蓄洪调节、滞洪功能。因此，汛期汤河水库的分期调度尤为重要。

在汛期，通过分期调度减少进入下游河道中的洪峰流量，从而达到防洪、减灾的作用。而在干旱季节，还能够利用径流调节的方式，通过蓄洪补枯的方法，使用天然水能够在空间上对用水部门进行补充，达到兴利的最终目的。但是，水库所具有的防洪减灾作用与兴利作用之间是相互矛盾的，单一的追求防洪效益必将导致水库的兴利作用受到限制，反之亦然。因此，合理的通过调度方式对水库进行调度运行是充分发挥汤河水库防洪、兴利总体效益的基础。而传统的水库在运行和调度过程中要求水库在整个汛期都处于一个单一的汛限水位上，这种方式必然是不合理的。必然会导致第二年春耕用水时没有水可用，增加了兴利与防洪减灾之间的冲突，尤其是在部分旱涝季节十分明显的地区，这种冲突尤为明显。因此，有必要通过汛期分期调度的方式来解决水库汛期兴利与防洪减灾之间的问题，从而达到两者均衡的目的。

2 分期问题研究

汛期是水文循环过程中出现的一种现象，其受到气象、水文等相关因素的影响，其整个过程具有随机性、模糊性以及灰色性等特点。因为整个汛期的变化具有随机复杂的特点，导致人们至今对汛期的具体成因、变化发展过程都没有一个主观的认识，存在着认识不足的问题。加之受到观测水平的影响，水文资料不够齐全，造成了水库汛期在分期计算的过程中出现较大的误差。因此，有必要采取科学合理的方法对汛期分期进行准确计算，提高分期精度。文中在研究汤河水库的汛期分期过程中，采取了模糊集分析方法。

2.1 模糊集分析方法

采用的模糊集分析方法基本原理为：确定时间论域T，并将整个汛期视作为实践论域T中的一个模糊子集V，通过使用隶属度函数TV（t）来表示在任意时间段内出现汛期的程度。该种方法的重点在于通过客观、合理的方式来确定最终的汛期隶属函数。当前，确定该隶属度函数的方法包括三分法、模糊统计试验方法和模糊分布方法。考虑到水库的汛期水文资料相对完整，在这里采用模糊统计试验方法对隶属度函数进行确认，其具体的过程为：

1）确定对应的论域T。通常将其取为一个自然年度，并将天作为基本单位，这时，T∈（1，365）。

2）搜集历年来降雨、入库径流等水文资料，确定汛期的降雨量以及相关的影响因子阈值μ。

3）对第i年中指标因子超过或者等于μ的起止时间进行统计，得到汛期的区间值［t1i，t2i］，并将该区间作为一个模糊统计试验，进行n次统计试验，得到n个试验结果。

4）计算得到时间被区间所覆盖的总次数m，利用Pv（t）=m/n计算得到汛期的隶属度频率。一旦n达到对应的水平时，则可以使用隶属度来替代频率，这时，μv（t）

2.2 模糊集分析

通过将某水库的水文资料统计计算，并代入到上文中模糊集分析计算方法中，初步计算得到了汛期的时间论域T∈［04月1日，10月31日］，且该段时间内的降雨量指标阈值μ=30mm。根据历年来该水库的降雨量统计资料，统计计算得到了汛期起止时间内的样本集，

2.3 汤河水库汛期分期计算结果

通过统计分析，并采用数理统计、模糊子集以及灰色聚类方法得到了某水库汛期分期，并在此基础上确定得到了水库汛期的具体分期：前汛期为4月1日—5月31日；主汛期为6月1日—8月31日；后汛期为9月1日—10月31日。与采用单一的数理统计方法，得到的汛期分期结果对比如表1所示：

表1 数理统计方法与模糊集分析方法得到的汛期分期结果对比

3 设计洪水计算问题

3.1 设计洪水样本的选择

洪水样本的选择方式，通常包括适当跨期与不跨期两种方式。其中，不跨期选择是只在分期时段中选择固定的样本。这种样本操作方式虽然相对简单，但是因为在样本选择的过程中，没有将水文气象等外在环境变化的相关因素考虑进来，因此造成样本精度相对较差的问题你。而适当的跨期样本选择则是通过将起止时间适当向前后延伸（通常延期时间不超过10d）的方式来选择样本。在样本选择的过程中，这主要是考虑到了洪水出现的时间在整个汛期的各个分期内存在对应的随机性和模糊性，可能造成汛期提前或者之后，造成了界限模糊的现象。当前，主要采用最大值取样方法来确定样本。

3.2 分期最大值取样方法

在每一个具体的分期中，每一年都选择一个对应的洪水样本，并在各个分期中设置n个有效的洪水值，从而提高频率分析的精度。虽然部分学者认为这种方法将会导致非主汛问题的出现，可能会将一些真实不够大的“最大洪水”选择到，从而造成水库的防洪标准下降。但是，作者认为由于非主汛期洪水的量级比主汛期洪水量级偏小是开展分期调度的基础，通过这种方式得到的非汛期值是该分期内洪水的规律。

3.3 水文频率曲线线型的选择

当前，主要采用正态分布作为水文频率曲线的线性。当二项随机变量的位置因素的变化范围很大，而且形状参数是0.5时，将可以推到得到二项分布的近似分布函数，其该分布函数就是正态分布。

其分布函数曲线图示如图1所示：

图1 正态分布函数曲线图示

3.4 汤河水库的分期设计洪水计算

按照前述的水库汛期分期计算结果，将4—5月作为前汛期；6—8月为主汛期；9—10月为后汛期。因为苦水期间的水量较少，而且在此期间需要进行春耕生产，因此不能在前汛期期间将限水位。所以这里仅将主汛期以及后汛期太高作为汛限水位的高水位运行期。

利用试验统计的方式得到该水库汛期的正态分布，函数曲线，并将水库主、后汛期的洪峰量按照高低顺序进行排列；使用正态分布函数数学期望公式，计算得到水库主汛期及后汛期的洪峰量累积经验频率；利用水文频率分析软件Curve Fitting，拟合得到理论频率曲线，并结合实际测量得到的流量数据，最终得到统计特征参数值。与实测极值流量关系的基础之上，最终确定理论频率曲线及其统计特征参数。表2为该水库分期设计洪水系统统计特征值，表3为水库主汛期洪水设计结果；表4为水库后汛期洪水计算结果。

表2 某水库分期设计洪水系统统计特征值

表3 某水库主汛期洪水设计结果

1）主汛期洪水设计结果。通过设计计算，得到的主汛期为1000年一遇设计洪峰流量是5857 m3/s，相比初步设计成果、1990年水库加固时的设计成果以及2002年复核时的设计洪峰流量偏小。这时，水库若1000年一遇的设计洪水作为防洪指标，则水库在主汛期可以适当提高汛限的水位。

2）后汛期洪水设计结果。后汛期的洪水设计结果中，1000年一遇设计洪峰流量与10000年一遇校核洪峰流量分别是3755m3/s和5153m3/s，远远低于各全年设计的洪峰流量和校核洪峰流量。这就保证了水库在后汛期能够较大幅度的提高汛限水位，从而达到增加水库的储水能力，为水库兴利功能的发挥提供基础。

表4 某水库后汛期洪水设计结果

4 结 论

水库汛期分期的问题使用了模糊集分期的方法，形成了水库分期的基本方法，并针对汤河水库进行了分期调度设计。其次，对水库分期设计洪水计算的问题进行了研究，在分期最大值取样和正态分布拟合的基础上，得到了汤河水库分期设计洪水计算的方法。

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［2］蒋海艳.水库汛期分期调度若干问题研究——以广西澄碧河水库为例［D］.广西大学，2012.

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