闹德海水库水沙联合调度模拟研究

(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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