清漳河水量调度方案研究分析

2021-07-26冯宇鹏郑永路丛娜高诚

海河水利 2021年3期

冯宇鹏，郑永路，丛娜，高诚

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 基本情况

清漳河属漳河两大支流中的北支，流域总面积5 142 km2，干流上有刘家庄、匡门口2个水文站。地表水供水工程主要有恋思水库、九京供水工程、石匣水库、漳北渠、漳西渠、漳南渠和大跃峰渠等。地下水水井约1 670眼，供水能力为1.06亿m3，主要包括：山西省和顺县自来水厂若干水井，左权县自来水厂若干水井、鑫源电厂水井以及若干煤矿水井；河北省涉县自来水厂若干水井以及天铁集团、龙山电厂、崇利冶钢、焦化厂和一些中小型企业的自备井。再生水源主要来自3座污水处理厂，其中和顺县污水处理厂处理能力为1.0万m3/d，潜在供水对象为潞安星光煤电公司，目前暂未供水；左权县污水处理厂处理能力为1.0万m3/d，供水对象为左权县华能电厂；涉县污水处理厂处理能力为5.0万m3/d，供水对象为涉县龙山电厂。流域内供、用水量2.14亿m3，供水工程供水量情况详见表1。

表1 清漳河流域供水工程供水量亿m3

海河水利委员会制定的《清漳河水资源配置方案》［1］中对清漳河上刘家庄、匡门口水文站断面的下泄水量做出了要求，详见表2。

表2 清漳河水资源配置方案中断面下泄水量要求亿m3

2 水文年景的判别方法——直接法

为了管理需要，需对当年的水文年景进行预判。直接法首先分析刘家庄水文站、匡门口水文站的还原计算方案，提出主要还原项，给出天然径流量计算公式。之后，通过分析相关关系确定该方法的预判期，并给出截至预判期的天然径流量与全年天然径流量相关关系，即由预判期天然径流量计算全年天然径流量的公式。该方法可由预判期内获得的诸数据预测该年天然径流量，以此获得水文年景，由水文年景来确定应下泄水量。

根据对流域的实际调查情况，建立了流域供需分析模型，模型中率定了各用水户的回归系数。结合调查与模型，给出刘家庄水文站、匡门口水文站径流量还原计算公式：

式中：h为农业灌溉回归系数，取0.1；如进行全年径流量还原计算，W刘家庄以上农业耗水量取0.23亿m3，W刘家庄至匡门口区间农业耗水量取0.33亿m3；如计算刘家庄水文站与匡门口水文站截至某一月份的天然径流量，则蓄变量还原项中的末期蓄水量为截至该月底水库蓄水量，供水量为截至该月份累计供水量；W刘家庄以上农业耗水量和W刘家庄至匡门口区间农业耗水量根据实际情况打折采用。

预判期的研究方法是逐一建立全年径流量与截至某一月份的径流量相关关系，经过分析，全年径流量与1—8月的相关关系尚可（见图1），与1—7月及以前的相关关系均不好，因此预判期定为8月底。选取1—8月天然径流量来预测全年径流量，其计算公式如下：

图1 刘家庄和匡门口水文站1—8月径流量与全年径流量相关关系

根据灌溉制度，1—8月灌溉用水量占全年的约70%，因此W刘家庄以上农业耗水量取0.23亿m3的70%，为0.16亿m3；W刘家庄至匡门口区间农业耗水量取0.33亿m3的70%，为0.23亿m3。

3 水文年景的判别方法——间接法

由于人类活动和下垫面因素变化等方面的影响，地表径流量在某些情况下不能很好地对下泄水量做出客观的预判，而降水从降落、观测到形成地表径流的过程中受外界因素影响小，因此可作为水量下泄目标的指示性因子。间接法（降水径流法）通过流域内截止某一月底降水资料等推算刘家庄水文站、匡门口水文站全年天然径流量。

影响地表径流量的因子主要为降水，汛期雨量充沛，是径流形成的主要时期。而短期连续降水的集中强度和降水量级等往往决定地表径流量的大小，日降水大于20 mm的累积降水量和连续10 d降水量能够很好地表现这一特征；同时，上一年的径流退水量和汛期降水量对次年的水量也有一定的影响关系。本次选取清漳河流域1—8月降水量、最大10 d降水量、主汛期7—8月降水量和上一年5—9月降水量作为影响因子进行初步分析。

由于影响因子的复杂性，在一般情况下只考虑一个因子是不够的，必须考虑多个因子对预测对象的影响。这类问题就是多元回归分析所要解决的问题。分别对全年径流与上述诸因子中的两者或两者以上进行多元线性回归分析。其预报模型为：

式中：b0，b1，b2，…，bm为回归系数，根据Y与每个X过去的实测资料确定。本次计算置信度α=0.05。

以匡门口水文站1961—2000年天然径流系列为预测对象，以诸因子不同组合建立多元线性回归模型进行模拟计算。通过两组共计24个方案的比选，得出以1—8月降水量、最大旬降水量、主汛期7—8月降水量和上一年5—9月降水量为组合的影响因子，计算结果相对误差较小，模拟效果最好。

4 水文年景判别方法的取舍

从客观情况来看，直接法所需诸参数中，每一参数的获取环节均存在一定的误差，而间接法主要使用降水资料进行计算，降水资料属于较为客观的数据，误差较小。同时，从管理机构的可操作性来讲[2]，间接法有一定优势，推荐采用间接法，直接法为备选方法，待实践后进一步验证2种方法的优劣。间接法计算公式如下：

式中：W匡门口为匡门口水文站当年天然径流量（亿m3）；P1—8为当年1—8月降水量（mm）；P10为最大10 d降水量（mm）；P7—8为主汛期7—8月降水量（mm）；P上年5—9为上一年5—9月降水量（mm）。

由于匡门口水文站与刘家庄水文站年径流相关系数达99%，因此刘家庄水文站的预测水量可根据两者相关关系公式进行推求：

5 流域内可调度水量预测方法

清漳河流域内具有调蓄功能的供水工程主要为山西省和顺县的恋思水库、左权县的石匣水库及泽城西安水电站（二期）工程[3]，其调节库容分别为恋思水库调节库容1 234万m3、石匣水库调节库容1 732万m3、泽城西安水电站（二期）调节库容2 099万m3。根据前述的水文年型预判方法，预见期设置在8月底，因此需预测两工程9—12月的径流量（泽城西安水电站无供水任务，不必要预测其径流量）。恋思水库、石匣水库上游基本无引水工程，开发利用程度很低，因此将恋思水库、石匣水库天然径流量作为入库水量，应用刘家庄水文站水文比拟法计算。

刘家庄水文站全年天然径流量系列与9—12月天然径流量系列的相关关系较好，因此该站全年径流量计算公式为：

式中：W恋思9—12月径流量为恋思水库9—12月预测径流量（亿m3）；W石匣9—12月径流量为石匣水库9—12月预测径流量（亿m3）；W刘家庄9—12月径流量为刘家庄水文站9—12月预测径流量（亿m3）；F恋思，F石匣分别为恋思水库，石匣水库流域面积（km2）；F刘家庄为刘家庄水文站以上流域面积（km2）；P恋思，P石匣为恋思水库，石匣水库多年平均面雨量（mm）；P刘家庄为刘家庄水文站多年平均面雨量（mm）。

刘家庄水文站、恋思水库和石匣水库相关参数，详见表3。

表3 刘家庄水文站、恋思水库和石匣水库相关参数

可将恋思水库、石匣水库9—12月径流量计算公式整理如下：

式中：W9—12月可调度水量为9—12月可调度水量（亿m3）；W恋思蓄水量为恋思水库8月末的蓄水量（亿m3）；W石匣蓄水量为石匣水库8月末的蓄水量（亿m3）；W泽城西安水电站（二期）蓄水量为泽城西安水电站（二期）8月末蓄水量（亿m3）；W恋思9—12月径流量为恋思水库9—12月预测径流量（亿m3）；W石匣9—12月径流量为石匣水库9—12月预测径流量（亿m3）；W恋思9—12月供水量为恋思水库9—12月预计供水量（亿m3）；W石匣9—12月供水量为石匣水库9—12月预计供水量（亿m3）。

6 水量调度方案

通过以上水文年景、可调度水量的预判方法的技术准备，可以制定可操作性强的清漳河水量调度方案，相关参数详见表4—5。①预判年景，在预判期（8月底9月初）提供流域内雨量站的降水量资料。②确定应下泄水量。通过预测的年景对照水量分配的要求表格，得到当年全年应下泄水量。③判断丰欠程度。将应下泄水量与截至8月底的已下泄水量（1—8月累计实测径流量）进行对比，判断丰欠程度。④可调度水量计算，按表4—5进行。⑤行政干预。通过流域机构建立的监督管理办法，完成水量下泄目标。从前述可调度水量计算公式可见，需要建立供水计划申报制度，流域内的供水工程管理单位需在年初向流域管理机构申报全年的供水计划。