水库汛期分期及汛限水位动态控制研究

任剑飞

(塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什　844700)



水库汛期分期及汛限水位动态控制研究

任剑飞

(塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什844700)

摘要：中小型水库用单一汛限水位进行调度，导致大部分的兴利库容被浪费.针对这一现状，以依干其水库为例，采用成因分析法、数理统计法和Fisher最优分割法对某水库的汛期进行了分期，不同方法的分期结果一致；在汛期分期的基础上采用预泄能力约束法对水库的动态预蓄水量进行了计算，并根据库水特征曲线，推算出了水库的汛限水位上限值，提出了水库分期调度原则.

关键词：汛期分期；Fisher法；预泄能力约束法；汛限水位

0引言

近年来，随着国民经济的高速发展，各行业生产及生活用水量日益增长，但是降水量变化不大甚至出现减少，水资源的供需矛盾日渐突出[1].为了能充分的利用当地的水资源，对水库等水利工程实施汛期分期控制汛限水位，最大的利用水库的调蓄能力，将洪水拦蓄进而转化为可利用的水资源[2].汛期的合理划分是实现洪水的资源化关键所在.我国自建国以后，就开始了对水库汛限分期进行了研究，随着水资源供需矛盾的发展，这方面的研究也越来越多，出了很丰硕的成果，得出了许多的分析方法，如数理统计法、成因分析法、模糊集合分析法、系统聚类法、变点分析法、分形理论法、Fisher最优分割法和动态聚类法等[3-5].许多学者根据当地的气象条件，选取上述方法中合适的方法进行汛限分期分析，均取得了较好的分期结果.目前，大多数中小型水库采用的是单一汛限水位，认为水库在任一时期发生洪水的概率相等，然而全年的降水量分布是不均匀的，大部分的兴利库容白白流走[6-7].因此，针对这一现状，以依干其水库为例，采用定性和定量相结合的方法确定了该水库的最佳汛期分期方案，采用预泄能力约束法得出了水库汛限水位上限值，并提出了水库调度原则，为实现洪水资源利用的最大化提供指导.

1水库汛限分期

1.1定性分析法

定性分析法又可以分为成因分析法和数理统计法.水库所在地区属半干旱大陆性季风气候，四季分明，降雨量随季节变化分布不均，每年10～次年4月，降雨量很少，5月～9月降雨量较为集中，其中7月～8月降雨量最为集中，约占全年4成以上.水库所在地区自6月开始进入汛期，9月结束后汛期也基本结束.因此，水库的汛期可以定性的分为：6月1日～6月30日为前汛期；7月1日～8月31日为主汛期；9月1日～9月30日为后汛期.

根据水库雨量站1966—2008年之间实测降雨资料的统计整理分析，将降雨量大于某一特定值的频次来作为划分汛限分期的依据，选择24 h降雨量大于10 mm、25 mm、50 mm、100 mm和3 d降雨量大于25 mm、50 mm、100 mm、130 mm作为指标，分析其在汛期出现的次数，统计结果(见表1、表2).

表1　24 h降雨量级分析

表2　3 d降雨量级分析

由表1和表2可以看出：7月上旬到8月下旬，24 h大于25 mm降雨频率约为67%；大于50 mm的约为82%；大于100 mm的为100%；3 d大于25 mm降雨频率约为69%；大于50 mm的约为77.6%；大于100 mm的为65%.因此，水库的汛期可以分为：6月1日～6月30日为前汛期；7月1日～8月31日为主汛期；9月1日～9月30日为后汛期.这一结果与成因分析法的结果一致.

1.2定量分析法

定量分析方法主要有Fisher最优分割法、分形理论法等方法.在本次水库汛期分期中的采用了Fisher最优分割法，它以各分类总离差平方和最小为依据的一种有序样本聚类分析方法，其各分类内部差异最小，各分类间差异最大.它是将n个有序样本{x1，x2，…，xn}分为k类，用B(n,k)来表示：P1={i1，i1+1，…，i2-1}，P2={i2，i2+1，…，i3-1}，…，Pk={ik，ik+1，…，n}，其中ik+1= n+1.根据排列组合，这种方法的分割中必有一种或几种是最优的，即各分类的总离差平方和最小时的分割：

(1)

根据分类结果，最优分类数为目标函数随分类数k变化曲线的拐点，曲线的斜率按公式(2)计算：

(2)

根据水库雨量站1966—2008年之间实测降雨资料，选取多年旬平均雨量，多年旬最大单日降雨量，多年旬暴雨Cv值和旬内降雨量大于25 mm的暴雨天数为指标，构成一个有序样本(见表3)，将表3中的数据经过无量纲化后，数据(见表4).然后利用Fisher最优分割法对数据进行计算，结果(见表5).

表3　汛期分期影响因子指标

表4　无量纲化汛期分期影响因子指标

表5　最优分割结果

由表5可知：k=3时，f(k)值最大，且其后数据变化明显减小，因此最优分类数为3类，因此水库汛期的最优分类为1～3,4～9,10～12，即：6月1日～6月30日为前汛期；7月1日～8月31日为主汛期；9月1日～9月30日为后汛期.这一结果与定性分析法分析得到的结果一致.

2汛限水位动态控制与调度

2.1预泄能力约束法

预泄能力约束法是在高精度的降雨预报基础上，有一定预期内，根据水库的泄流能力来推算汛限水位的上限值的方法.这一方法下，汛限水位上限值受水库水情、有效预见期、下游河道允许下泄流量、决策及传递时间、闸门启闭时间等因素的影响.具体的计算公式如下：

(3)

qout—Ty时期内平均泄流能力或泄流量；

Ty—降雨预报的有效预见期；

Qin—Ty时期内平均入流量；

ZXL—水库正常蓄水位；

Tj—降雨预报的极限预泄时间；

Tcu—信息传递时间、预报作业时间、决策时间、开闸时间的和.

2.2汛限水位上限值

根据水库雨量站的资料，降雨预报的极限预泄时间取17 h，信息传递时间取5 h，决策时间2 h，考虑停电影响闸门开启时间取2 h，计算出有效预见期为8 h.取qout下游安全泄量80 m3/s，根据公式3得到ωyx动态预蓄水量为230.5 万m3.查库水特征曲线，后汛限水位122.8 m对应的库容为38.9 万m3，加上动态预蓄水量230.5 万m3，对应的总库容为269.4万m3，再查库水特征曲线，得到汛限水位为128.6 m，超过水库正常蓄水位123.5 m，取正常蓄水位123.5 m作为该水库的汛限水位动态控制上限值.

2.3调度原则

汛限水位调度原则是：当未来24 h预报为中雨及中雨以下降雨时，水库可以按正常蓄水位运行；当未来24 h预报为大雨及大雨以上降雨时，根据有效预见期内水库的下泄能力和下游允许的下泄流量，快速地降低水库的运行水位至正常蓄水位以下，并保证有足够库容拦蓄洪水.

3结论

通过成因分析法、数理统计法和Fisher最优分割法对某水库的汛期进行了分期，不同方法的分期结果一致；在汛期分期的基础上，采用预泄能力约束法对水库的动态预蓄水量进行了计算，并根据库水特征曲线，推算出了水库的汛限水位上限值，最后提出了水库分期调度原则.

参考文献：

[1]刘攀,郭生练,肖义,等.水库分期汛限水位的优化设计研究[J].水力发电学报,2007(3):5-10.

[2]黄显峰,林杰,方国华,等.石梁河水库分期汛限水位研究[J].水电能源科学,2015(8):42-45.

[3]管益平.乌江彭水水库分期汛限水位探究[J].人民长江,2015(17):24-27.

[4]周立,习树峰,陈汉宁,等.施工期清林径水库汛期划分及汛限水位分析确定[J].中国农村水利水电,2013(6):110-112,116.

[5]谢明江,李继清,沈笛.基于Copula函数的水库汛期分期设计[J].水电能源科学,2014(7):56-60.

[6]沈强勇,沈宇翔,汪建江.对东苕溪“6·19”洪水防御案例的思考[J].浙江水利水电专科学校学报,2011,23(3):41-43.

[7]杜利胜.新疆大型水利工程拦蓄洪尾的可行性分析与风险控制[J].浙江水利水电专科学校学报,2012,24(1):29-30,34.

Research on Reservoir Flood Season Staging and Limited Water Level Dynamic Control

REN Jian-fei

(Tarim River Basin Administration of Kashgar, Yarkant 844700, China)

Abstract:Quite a lot of small and medium-sized reservoirs adopt a single schedule level, which leads to a large amount of waste in beneficial capacity. Taking a certain reservoir for example, the qualitative methods, mathematical statistics and Fisher optimal segmentation are adopted to stage the reservoir flood season, and on the basis of it, the discharge capacity constraint method is used to evaluate the dynamic storage capacity of the reservoir. According to the characteristic curve of the reservoir water, the upper limit value of flood control level is also calculated and the scheduling principles are put forward.

Key words:flood season staging; fisher method; preliminary drainage capacity constraint method; flood control level

收稿日期：2016-01-08

作者简介：任剑飞(1980-)，男，新疆喀什人，工程师，研究方向：继电保护.

中图分类号：TV123

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0022-04