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闹德海水库水沙联合调度模拟研究

2018-04-13

中国水能及电气化 2018年3期
关键词:沙量排沙场次

(辽宁省阜新水文局,辽宁 阜新 123000)

1 概 述

我国水资源缺乏,水资源时空分布不均,为了缓解这一矛盾,自上世纪50年代以来,修建了大量的水库等拦蓄水工程,对减少洪涝灾害、充分利用水资源、保障人民生命财产安全等起到了重要作用。水库的修建改变了河流的流态,使泥沙淤积在库内,造成一定的库容损失,尤其在多沙河流中更为明显。水库淤积不仅使水库防洪和兴利作用及设计寿命降低,影响大坝运行安全,也使库区上游淹没和土地盐碱化,使下游河道河床形态发生变化。为了更好地发挥水库各方面的效益,应对泥沙淤积的机理进行充分的研究,并制定出减缓淤积和排沙的水库运行调度方案。

辽宁省水资源相对较少,尤其是西北部的阜新市供水矛盾十分突出。闹德海水库是位于辽宁省阜新市的辽河支流柳河上的大(2)型水库,柳河干流泥沙含量较高,该水库修建是为了滞洪和拦截柳河泥沙,但随着阜新市水资源日益紧张,该水库的主要功能变成为阜新市供水。随着该水库主要功能的改变,水库的调度运行目标也变为防洪排沙与供水。柳河枯水期水量较小,而洪水期水量暴增且携带大量泥沙,造成每年有1亿m3以上的水白白流失。如何解决柳河防洪排沙与兴利蓄水之间的矛盾,在满足防洪要求的前提下,减少泥沙淤积,增加需水量,是亟待解决的问题。本文通过对闹德海水库20场洪水的调查,采用BP神经网络模型对20场洪水在各汛限控制水位下的排沙量进行模拟计算,为水库的水沙联合调度提供了科学的依据。

2 工程概况

闹德海水库位于柳河上游,大坝地处辽宁省阜新市彰武县,坝址以上河道长约155km,流域面积4050km2,建于1938—1942年,并在1965年、1970年、1991—1994年历经加固、改建和除险加固。大坝高44.50m、长167m,设计标准为100年一遇,设计水位189.50m,相应库容1.37亿m3;校核标准为1000年一遇,校核水位193.10m,相应库容2.23亿m3;兴利水位181.50m,对应库容0.5亿m3。水库上游地貌主要有低山丘陵区、漫岗区、坨甸区和平原区等,地形较为复杂,植被覆盖率较低,径流主要由降水形成,泥沙含量较大,多年平均含沙量约40kg/m3,多年平均输沙量1050万t,上游河道比降大,水流湍急,坝址处多年平均径流量为2.65亿m3,其中6—9月径流量约占全年的6成左右。暴雨多发生在7月或8月,暴雨时间较短,洪水呈暴涨急落的特点,水库的泥沙主要来自于上游的支流养畜牧河和扣河子河。水库自建成至1969年之前一直未蓄水,几乎没有淤积;自1970—1994年冬季蓄水春季放水,汛期敞排,淤积量约940万m3;自1995—2000年主汛期敞排,其余时间关闸供水,受来水携沙量减小的影响,未产生淤积反而产生冲刷,冲刷量约690万m3;自2001至今采用汛期汛限水位运行,淤积量约140万m3。

3 水沙联合调度

3.1 洪水调度准则

根据水库的防洪、供水和排沙等方面目标,对水库1989—2007年之间的汛期20场洪水资料的分析,制定了三种汛限水位动态控制上限,分别为171.00m、174.00m、177.50m,并制定洪水调度准则:当洪水开始上涨,入库流量不大于200m3/s时,使下泄流量与入库流量相等并保持库水位在汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m;当入库流量超过200m3/s时,闸门全开,开敞泄洪;当洪水消退、库水位低于171.00m、174.00m、177.50m,且入库流量小于50m3/s时,可蓄水,但应使库水位不超过171.00m、174.00m、177.50m。

3.2 水沙联合调度方案

3.2.1出库水沙关系模型

基于BP神经网络理论,建立出库水沙关系模型,首先确定模型的输入和输出条件,根据水库运行调度的情况,确定输入条件为入库沙量等级S、某一时段出库流量Q(t),某一时段水位H(t),确定输出条件为出库输沙率SS(t)。BP神经网络模型如图1所示。

图1 出库水沙关系BP神经网络模型

采用BP网络神经模型计算前,需要对输入的数据进行归一化处理,公式如下:

(1)

式中x——转换前的数值;

y——转换后的数值;

maxValue——数值中的最大值;

minValue——数值中的最小值。

将归一化处理过的数值(入库沙量等级S、某一时段出库流量Q(t)、某一时段水位H(t))输入到模型中,BP神经网络模型按(2)式进行计算:

(2)

式中S(t)——某一时段入库沙量等级;

Q(t)——某一时段出库流量;

H(t)——某一时段水位;

SS(t)——某一时段出库输沙率。

根据对水库1989—2007年之间的汛期20场洪水资料的分析,制定了入库沙量分级标准,并对20场洪水进行了入库沙量等级分级。入库沙量分级标准见下表,入库沙量等级如图2所示。

入库沙量分级标准表

图2 各场次洪水的入库沙量等级

3.2.2调度方案

根据BP神经网络模型,按照汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m进行调度,分别模拟计算1989—2007年间20场洪水各场次各控制水位下的排沙量,并与实际出库沙量对比。计算结果如图3所示。

由图3可知:在同一场洪水中,随着调度采用的汛限水位的升高,出库沙量逐渐减小,且大部分均小于敞排时实际出库沙量,仅199602场次在177.50m汛限水位下出库沙量增大且大于实际出库沙量,此外2003、200501、200502、2007场次在171.00m汛限水位下出库沙量较实际出库沙量大。结合图2各场次洪水入库沙量等级还可以发现,洪水场次的入库沙量等级越大,即该场次的入库沙量越大时,不同汛限水位调度方案的排沙量差别越大,对比不同等级的洪水场次沙量在相同水位级下差值很大,但是不同洪水场次的沙量都是随着水位级升高而减小如:199002场次的入库沙量等级为6,171.00m汛限水位时的排沙量为164万m3,174.00m汛限水位时的排沙量为92万m3,175.50m汛限水位时的排沙量为46万m3,三者差距依次为72万m3、46万m3和118万m3;199403场次的入库沙量等级为4,171.00m汛限水位时的排沙量为253万m3,174.00m汛限水位时的排沙量为167万m3,175.50m汛限水位时的排沙量为95万m3,三者差距依次为86万m3、72万m3和158万m3。当洪水场次的入库沙量等级越小时,不同汛限水位调度方案的排沙量差别很小,如:1997场次的入库沙量等级为1,171.00m汛限水位时的排沙量为19万m3,174.00m汛限水位时的排沙量为18万m3,175.50m汛限水位时的排沙量为17万m3,三者差距依次为1万m3、1万m3和2万m3;2007场次的入库沙量等级为1,171m汛限水位时的排沙量为6万m3,174.00m汛限水位时的排沙量为4万m3,175.50m汛限水位时的排沙量为4万m3,三者差距依次为2万m3、0万m3和2万m3。

图3 各调度方案排沙量与实际出库沙量结果对比

4 结 论

采用BP神经网络模型和汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m对1989—2007年间20场洪水在各控制水位下的排沙量进行模拟计算发现:在同一场洪水中,随着调度采用的汛限水位的升高,出库沙量逐渐减小,且大部分均小于敞排时实际出库沙量;洪水场次的入库沙量等级越大,即该场次的入库沙量越大时,不同汛限水位调度方案的排沙量差别越大;洪水场次的入库沙量等级越小时,不同汛限水位调度方案的排沙量差别很小。

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