南水水库汛期分期与汛期限制水位研究

陈阿平，唐丹丹

(自贡市水利电力勘测设计院，四川 自贡，643000)



水文水资源

南水水库汛期分期与汛期限制水位研究

陈阿平，唐丹丹

(自贡市水利电力勘测设计院，四川 自贡，643000)

本文应用模糊聚类法对南水水库汛期进行了划分。结合广东地区的降雨成因特性以及历史洪水，将南水水库汛期分为两期：4月～6月为前汛期；7月～9月为后汛期。通过对水库前汛期、后汛期和全汛期不同汛期限制水位方案进行调洪计算，结合水库现状设计、校核洪水位，提出水库前汛期、后汛期和全汛期汛期限制水位。

南水水库 分期 模糊聚类法 调洪演算 汛期限制水位

1 概述

南水水库位于南水河(北江水系的一级支流，发源于广东省乳源县黄坭峡顶)上，是一个以发电为主，兼顾防洪、灌溉的综合利用枢纽工程。水库坝址以上集水面积为608km2，占南水河流域的41.4%；多年平均入库流量为30.4m3/s，相应水量为9.61亿m3。工程按千年一遇洪水设计，相应洪水位为222.5m，按最大可能洪水(即0.01+20%)校核，相应洪水位为225.9m；汛期控制水位为220.0m，死水位为197.0m。总库容12.804×108m3，有效库容为7.14×108m3，库容系数为68%，属于多年调节。

广东省的雨季为4～9月[1、2]，通常分为两个阶段，第一阶段为4～6月，以峰面降水为主，称为前汛期；第二阶段为7～9月，降水主要是由热带天气系统如台风所造成，称为后汛期。实际上，每年前汛期和后汛期来水都具有随机性，在各汛期内的不同时期，发生洪水的量级大小还是有一定差别的，而且前汛期到后汛期之间的气候特性又具有一定的模糊性。所以，本文利用模糊聚类法来探讨水库汛期合理的分期方案。

2 分期指标的选取

暴雨和洪水的时程分布和变化是水库汛期分期的主要影响因素。暴雨反映了气象因素的影响，是洪水成因变化规律的体现，而且降雨受人类活动的影响比较小，基本无趋势性变化。基于以上分析，本文选取流域4个代表站的逐日降雨资料进行分析，具体选取4个指标，即多年平均月最大1日面平均雨量、多年平均月最大3日面平均雨量、多年平均月最大5日面平均雨量、多年平均月最大7日面平均雨量。其特征值见表1。

表1 南水水库汛期分期指标特征值 单位：mm

3 模糊聚类法汛期分期

模糊聚类法[3、4]是把具有相同属性或相同特点的事物归为一类，是多元统计“物以类聚”的一种统计方法。模糊聚类的一般步骤为数据标准化，建立模糊相似矩阵，聚类。在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲。为了使有不同量纲的量也能比较，且数据在[0，1]区间上，通常需要对数据作适当的变换；建立模糊相似矩阵就是通过标准化的关系矩阵，计算样本之间的接近程度，用一个绝对值小于1的相似系数r表示。相似系数的计算方法很多[5]，应用时根据实际问题选用，本文采用直接切比雪夫距离法，聚类推荐采用传递闭包法。该方法通过构建满足对称性、自反性和传递性的模糊等价矩阵进行聚类分析。

利用上述4个指标，根据模糊聚类法的计算步骤求出模糊等价矩阵，取截度λ=0.85，结果如表2所示。从表2中可以看出，4月、7月和8月的相似度为1，归为一类；5月和6月归为一类；9月独立为一类。但考虑时间的连续性和汛期分期不宜太细，将4月归于5月、6月一类，9月归于7月、8月一类。将汛期分为2期：4月～6月为一类，作为前汛期；7月～9月为一类，为后汛期。

表2 模糊聚类法聚类结果

4 汛期限制水位推求

目前南水水库的校核洪水位Z校=225.9m，设计洪水位Z设=222.5m，故本次计算取水库校核洪水位Z校=225.9m、设计洪水位Z设=222.5m作为风险的控制指标。

(1)以0.01%+Δ频率各种典型的最高水位均不超过225.9m，0.1%频率各种典型设计洪水的最高水位均不超过222.5m为控制，确定各个汛期的防洪限制水位；

(2)目前南水水库的校核洪水位Z校=225.9m，故本次计算也取水库校核洪水位Z校=225.9m作为极限风险的控制指标。

因水库下游没有具体的防洪要求，且水库仅有一个泄洪洞，在水库水位达到坝顶高程(225.9m)的情况下，泄洪洞的敞泄流量与电站满发流量加在一起不超过500m3/s，即可满足下游防洪要求。

根据拟定的防洪调度规则，采用水量平衡方程〔5〕计算出各种汛限水位调整方案下前汛期、后汛期和全汛期的水库特征水位(见表3)。

从表3和图1～图3可以得出：

(1)随着汛限水位的提高，调洪高水位也在不断增加；

(2)前汛期，当汛限水位约在219.7m时，调洪高水位等于设计洪水位；当汛限水位约为219.1m时，调洪高水位等于校核洪水位。根据调洪指标，确定前汛期的汛限水位为219.1m；

(3)后汛期，当汛限水位约为220.6m时，调洪高水位等于设计洪水位；当汛限水位约为219.7m时，调洪高水位等于校核洪水位。根据调洪指标，确定后汛期的汛限水位为219.7m；

表3 水库分期设计洪水调洪演算成果

(4)全汛期，当汛限水位约为219.6m时，调洪高水位等于设计洪水位；当汛限水位约为218.4m时，调洪高水位等于校核洪水位。根据调洪指标，确定全汛期的汛限水位为218.4m；

图1 前汛期设计洪水调洪演算成果

图2 后汛期设计洪水调洪演算成果

(5)综合比较前汛期、后汛期及全汛期所得的汛限水位，得出各汛期汛限水位基本合理。

当南水水库分期调度运行时，前汛期汛期限制水位219.1m，后汛期汛期限制水位219.7m，均比无分期调度运行汛期限制水位有所抬高，前汛期抬高约0.7m，后汛期抬高约1.3m。

4 结语

本文应用模糊聚类法对南水水库汛期进行了划分。结合广东地区的降雨成因特性以及历史洪水，将南水水库汛期分为两期：4月～6月为前汛期；7月～9月为后汛期。通过对水库前汛期、后汛期和全汛期不同汛期限制水位方案进行调洪计算，结合水库现状设计、校核洪水位，提出水库前汛期、后汛期汛期限制水位：前汛期汛期限制水位219.1m，后汛期汛期限制水位219.7m，可供水库分期调度运用参考。限于资料条件，本文只考虑降水特性，是对华南地区水库分期的一个初步探索。对于具体水库汛期的划分，还要进一步考虑洪水特性，以使水库汛期划分更为合理。

〔1〕梁必骐.天气学教程.北京：气象出版社，1990：536～585.

〔2〕章 淹主编.暴雨预报.北京：气象出版社，1990：27～87.

〔3〕谢季坚.模糊数学方法及其应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2005：62～64.

〔4〕洪家宁.模糊聚类分析在宝珠寺水电站施工洪水分期中的初步探讨[J].四川水利发电，1993，(2)：15～19.

〔5〕叶秉如.水利计算及水资源规划[M].北京：中国水利水电出版社，2006：92.

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