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。
1.1.1 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。
1.2.1 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。
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。
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。
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。
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。