基于多指标的尼尔基水库汛期分期研究

徐爱华

（辽宁燕东土木建筑工程咨询有限公司，辽宁 本溪 117000）

尼尔基水库位于嫩江干流中上游， 水面面积498.33km2， 水库正常蓄水位216m， 设计洪水位218.15m，校核洪水位219.9m［1-3］。 水库总库容86.1亿m3，兴利库容59.68亿m3。水库主要承担城镇生活、工业及农田灌溉等供水任务， 近年来用水户需水量不断加大， 另外水库本身也不断增加蓄水量， 用于发电需求。在水库保证安全运行的前提下，为了更好地协调水库防洪、兴利等功能之间的关系，开展尼尔基水库汛期分期研究，为水库的防洪调度提供依据。

1 暴雨洪水季节性变化规律

1.1 暴雨时间分布特征

1.1.1 逐旬降水量分析

结合水库1962—2019年共58年逐旬降水量统计资料，7月下旬降水量最大，达到63.5mm，其次为7月上旬和8月上旬。在汛期中降水量主要集中在6月下旬到8月下旬，平均旬降水量40.8mm，远大于汛期平均降水量32.8mm。 多年平均逐旬降水量分布趋势如图1。

图1 多年平均逐旬降水量分布趋势

1.1.2 25mm以上降水量级分析

根据1962—2019年共58年逐日降水量资料，统计日降水量在25mm以上的降水， 并按照旬统计该降水量下的次数。由图2可知，大于25mm降水主要集中在6月下旬到8月下旬，达到58次，占整个汛期的83%。 其中7月下旬最大，达到16次，占整个汛期的23%。

图2 大于25mm以上降水次数分布趋势

1.1.3 1—3日最大降水量分析

根据1962—2019年共58年逐日降水量资料，统计6—9月范围内1—3日最大降水量次数。 由图3可知，1—3日最大降水量集中分布在6月下旬到8月下旬，7月中旬1—3日最大降水次数平均在6次左右，7月下旬1—3日最大降水次数平均在12次左右，7月上旬和8月上旬1—3日最大降水次数平均近4次，8月中下旬1—3日最大降水次数平均近5次。通过对58年的1—3日最大降水量统计分析，1—3日的最大降水量分别为53.2，93.1，138.6mm。

图3 1—3日最大降水量次数分布趋势

根据降水时空分布的分析， 降水具有明显的季节性分布规律，整个汛期分为前汛期、主汛期和后汛期3个阶段。 逐旬降水量、25mm以上降水量级和1—3日最大降水量3项指标的主汛期一致， 发生在6月下旬至8月下旬。

1.2 洪水时间分布特征

1.2.1 逐旬流量时间分布

根据1972—2019年6—9月份逐旬入库流量资料，绘制了逐旬入库流量变化趋势线。同时与逐旬降水量进行对比分析。由图4可知，在整个汛期阶段7月中旬到8月下旬水库的入库流量达到了最大值，均在逐旬平均流量以上。从发生的次数来看，旬流量大于1000m3/s次数发生在7月中旬—8月下旬。从降水量与流量两项指标的分析结果来看，基本一致，降水量、入库流量的最大值均发生在整个汛期的7月中旬至8月下旬，但入库流量略有滞后。

图4 旬降雨量与旬入库流量对比

1.2.2 最大洪峰流量分析

统计了1972—2019年共48年尼尔基水库峰值及时间如表1。

表1 1972—2019年年最大洪峰发生时间统计

由表1可知，最大峰值出集中在6月下旬到8月下旬，所占比重达67%。 洪峰流量大于3000m3/s的洪水主要集中在6月下旬至9月上旬，大于5600m3/s的洪水最迟在8月下旬出现。

根据洪水时空分布的分析， 洪水具有明显的季节性分布规律，整个汛期分为前汛期、主汛期和后汛期3个阶段。逐旬流量与最大洪峰两项指标的主汛期一致，发生在6月下旬至8月下旬。

2 模糊统计法检验汛期

为了确定汛期分期的合理性， 分别采用日降雨量、日入库流量为指标模糊统计法进行检验［4-5］。 以6—9月为汛期变化范围， 确定汛期与非汛期界线的指标为YT径流=350m3/s、YT降雨=15mm/d。根据样本数据，当大于等于YT的起止时间来确定汛期范围。 经计算分析，日降水量指标的主汛期发生在6月21日—9月5日，日入库流量指标的主汛期发生在6月20日—9月5日，两项指标隶属度变化曲线如图5。

由图5可知，日降水量、日流量作为分析指标，隶属度均为大于等于0.7，进入主汛期，结果显示日降水量作为指标，6月21日—9月5日进入主汛期； 日流量作为指标，6月20日—9月5日进入主汛期。

综合以上分析， 两项指标的主汛期时间基本一致，只是开始时间略有差异，但考虑到主汛期来临时洪水流量较大及结束时安全等因素， 最终确定主汛期为6月20日至8月31日。

3 汛期分期结果与分析

尼尔基水库采用数理统计、模糊统计两种方法，分期结果如表2。

表2 水库汛期分期成果统计

由表2可知， 在数理统计法中采用旬降水量、25mm以上降水量级、1—3日最大降水量、 旬流量和洪峰流量为指标研究汛期分期时， 主汛期结束的时间都是8月下旬。 当旬降水大于汛期旬降水量、25mm以上降水量级次数占汛期的大于10%、1—3日最大降水量次数占汛期的大于5%、年最大洪峰流量次数占汛期的大于5%，均作为入主汛期考虑。

在模糊统计法中采用日降水量和日流量为指标， 当日降水量与日流量大于等于旬降水量与径流系数之积的流量值时，隶属度值大于等于0.7，进入主汛期，也说明了数理统计法以各项指标的汛期划分。

根据水库的多年运行实际状况， 在每年的9月1日之后抬升汛限水位后， 普遍在接下来的月份来水量较少，有效库容很难蓄满，达不到正常蓄水位，因此设置过渡阶段，根据降水量的多少逐渐抬升水位。

根据两种方法及实际运行情况的分析， 确定水库主汛期为6月21日至8月31日。

4 不同分期内水位动态控制方案

当水库处于退洪阶段，且未来24h降雨小于暴雨量级时，24h预报期内水库水位动态控制方案约束区域为（213.37，214.50m）。 在此约束区域内，等间距生成8个可行的汛期水位动态控制方案。 表3列出了水库汛期实时水位控制方案。

表3 水库汛期实时水位控制方案

当决策者同时看中风险和效益时最优方案是方案4，决策者偏好风险时最优方案是方案3，而当决策者偏好效益时最优方案是方案8。 由此可以看出，模糊优选模型对权重较为敏感。 综合以上分析，方案3为最佳推荐方案。

5 结语

通过尼尔基水库汛期分期研究，汛期分期成果对尼尔基水库汛期防洪、 调蓄供水具有一定指导和依据，使水库发挥了最佳效益。 由于水库汛期分期受到的影响因素众多， 汛期分期结果与水库实际运行时，主汛期可能会出现提前或滞后，还需要根据当时条件做相应的微调，但总趋势与范围基本没有变化，进一步说明了汛期分期成果是合理的。 随着气候、降雨及径流等因素的变化，汛期分期要做定期复核，同时管理部门要加强实际运行时的水库调度，为尼尔基水库防汛、调蓄调度相协调且发挥最大效益提供指导意见。