漳泽水库优化汛限水位必要性可行性分析

叶 秀

（山西漳泽水库管理有限公司山西长治046021）

0 引言

漳泽水库位于山西省长治市潞州区，是海河流域漳卫南运河水系浊漳南源干流上的一座以工业、城市供水、防洪、灌溉为主兼顾水产养殖、旅游等综合利用的大（2）型水利工程。水库防洪标准为100年一遇洪水设计、2000年一遇洪水校核，设计年供水能力1 亿m3，运用指标为100年一遇洪水位903.94 m、903.85 m,2000年一遇洪水位907.66 m、907.61 m。水库采用“台阶式汛限水位”调度：全年汛期从6月1日开始至9月30日结束，主汛期汛限水位901.0 m（7月15日-8月15日），前、后汛期汛限水位均为901.5 m，非汛期正常蓄水位为902.4 m。汛期水库现行防洪预案调度为：当库水位在901.00～902.40 m 时，开溢洪道2 孔，控制最大泄量300 m3/s；当库水位在902.40～903.60 m 时，开溢洪道2 孔和泄水洞敞泄，控制最大泄量为660 m3/s；当库水位在903.60 m 以上时，开溢洪道4 孔和泄水洞敞泄，最大泄量为2 190 m3/s；库水位下降至903.6 m以下时关闭溢洪道2 孔。

随着社会经济的发展，用水量大量增加，水库防洪和兴利的矛盾日益突出，且水库“台阶式汛限水位”调度方式存在不合理性，汛期不敢蓄水、汛后蓄不上水的情况时有发生，汛期汛限水位变化缺乏过渡性等问题，因此实行汛限水位优化调度迫在眉睫。

1 优化汛限水位

运用模糊水文学理论计算水库汛限水位，把汛期作为全年的一个模糊子集，利用流域的水文资料采用直接模糊统计试验方法得出的汛期模糊隶属度（日期属于主汛期属于的程度）为水库汛期每日的经验隶属度；采用余弦函数方法得出的汛期模糊隶属度为水库汛期每日的理论隶属度，选取两者小值作为汛期综合隶属度，然后由综合隶属度与防洪库容函数关系计算出每日水库库容，通过查水位库容曲线表,进而计算出优化后每日汛限水位。

1.1 汛期经验隶属度计算

汛期经验隶属度的计算采用的是直接模糊统计试验法，即利用实测数据计算模糊隶属度，计算步骤如下。

1）以浊漳河流域多年平均日降水量（3.27 mm）为参考值，选择其附近区间（3 mm，6 mm）为指标区间，确定非汛期至主汛期和主汛期至非汛期的期限，“主汛期”经验隶属函数图见图1。

图1 “主汛期”经验隶属函数图

2）由第i年的实际日降水量和指标区间（3 mm，6 mm）来确定4 个分隔点t1、t2、t3和t4，日降雨量大于等于指标下限出现的最早和最晚时间分别为t1和t4，日降雨量大于等于指标上限出现的最早和最晚时间为t2和t3。

3）由4 个分隔点计算第i年各时刻j的相对隶属度。t1、t4时刻的相对隶属度为0，t2、t3时刻的相对隶属度值为1，t2至t3时段内的为1，t1至t2和t3至t4时段内的值为0 至1 的线性内插值。

4）按步骤2、3 计算每一年的相对隶属度函数，然后计算24年的算术平均值，为汛期每日的经验隶属度。

1.2 汛期理论隶属度计算

选取三角函数中的正余弦函数[1]，分别做为前汛期和后汛期的隶属度函数，它的函数曲线在临近主汛期隶属度线两端呈现了平稳过渡的形态，能体现暴雨洪水在宏观上渐变的特点。这虽然是一种无参数控制的曲线，但反映了通常情况下的暴雨洪水规律，该函数的优点是简单明了，对水文资料没有依赖性，对于我国北方大多数水库是一种较好的选择。假设t为日期数，t1、t2、t3、t4分别是前汛期、后汛期的开始结束时间，μA（t）为汛期理论隶属度函数，其汛期理论隶属度图和数学模型表达如图2所示。

图2 正余玄函数隶属度函数图

1.3 汛限水位的计算

应用μA（t）计算水库某一天汛限水位的基本方法是该日的μA（t）乘以防洪库容，为该日所需防洪库容。

其基本公式为:

V（t）=μA（t）V

μA（t）=max（μ1A（t），μ2A（t））

这里V是主汛期汛限水位以上到水库兴利水位以下的防洪库容，V（t）为汛期t日汛限水位以上到兴利水位以下所需的防洪库容。μ1A（t）为汛期经验隶属度，μ2A（t）为汛期理论隶属度，μA（t）取两者之间的较大值。以此为基础，求出水库过渡期每日的库容，通过水位—库容关系表，插值计算可求出每日的汛限水位Z（t）。

1.4 优化汛限水位与台阶式汛限水位的对比

优化汛限水位从6月1日的902.4m（正常蓄水位），按照余弦函数下降，到6月23日降至901.5 m（前后汛期汛限水位）；6月24日至7月17日之间继续按余弦函数下降至901.0 m（主汛期汛限水位），之后一直保持901.0 m 至8月13日，随后又逐渐上升，8月19日恢复至901.5 m，之后继续上升，9月30日上升至902.40 m（如图3所示）。由图3 可知，前汛期6月1日-6月22日、后汛期9月8日-9月30日的优化汛限水位高于“台阶式汛限水位”。

图3 优化汛限水位与台阶式汛限水位对比图

2 优化汛限水位必要性分析

“台阶式汛限水位”能严格执行的只有主汛期汛限水位，若前、后汛期汛限水位严格按照目前方式调度，尤其是在主汛期和前、后汛期之间缺乏逐步过渡的时间，一天之内库水位突升突降实不可取，不利于工程安全运行。在实践中我们也并非教条地在非主汛期执行“台阶式汛限水位”，但我们不知道该阶段哪一天汛限水位多高是合理的，因此，在实际操作中，前汛期和后汛期汛限水位存在较大随意性，这种随意性在后汛期的初期汛限水位太高有工程事故风险，在后汛期的后期汛限水位过低不利于汛后蓄水，不能很好地发挥效益。后汛期期间降雨主要以强度低、持续时间长的秋雨居多，来水含沙量低于主汛期，正是水库蓄水的大好时机，若按照优化汛限水位进行调度，将主汛期汛限水位逐步过渡到后汛期汛限水位，有利于水资源利用。因此，优化汛限水位是必要的。

3 优化汛限水位的可行性分析

3.1 暴雨情况下优化汛限水位的安全性分析

通过查阅暴雨和进库站洪水资料，6月1日-6月22日期间未发生过暴雨，选择离其时间最近历史上发生暴雨进行研究。2011年7月2日漳泽水库上游突降大暴雨，暴雨中心位于陶清河东柏林雨量站，日降雨量为133.4 mm，另有3 个雨量站日降雨量也达到大暴雨级别，还有8 个雨量站日降雨量达到暴雨级别。经上游水库调节，岚河东大关站7月3日7:00 洪峰流量3.67m3/s，漳河高河站7月3日20:00 洪峰流量7.41m3/s，石子河湛上站7月2日18:30 洪峰流量36.3 m3/s，绛河西莲站7月3日10:30 洪峰流量仅0.821 m3/s；加上区间洪水总入库洪峰在100 m3/s 以内，这样的洪水显然不足以对漳泽水库防洪构成威胁。

2005年9月19日漳泽水库上游突降大暴雨，暴雨中心位于岚水河西丰宜雨量站，日降雨量为148.6mm，另有9 个雨量站日降雨量也达到大暴雨级别，还有9 个雨量站日降雨量达到暴雨级别。经上游水库调节，岚河东大关站9月21日18 时洪峰流量42.5 m3/s，绛河西莲站9月21日8 时洪峰流量23.2 m3/s,漳河高河站9月21日4 时洪峰流量仅9.78 m3/s。加上区间洪水总入库洪峰在100 m3/s 以内，这样的洪水显然也不足以对漳泽水库防洪构成威胁。

3.2 设计洪水情况下优化汛限水位的安全性分析

根据历史洪水资料（见表1），漳泽水库发生50年一遇全汛期典型年洪水的概率很小，如果按分期洪水计算，50年一遇的洪水将有更小的发生概率，在6月上旬、9月中下旬稀有发生。故选择6月9日和9月20日发生50年一遇、20年一遇洪水进行分析（结果见表2）。分析表明，在前、后汛期汛限水位高于901.5 m 的时间段，发生洪水后的最高水位均低于设计水位903.85，水库防汛风险是在可控范围之内，是安全的。

表1 漳泽水库历史调查洪水

表2 典型洪水分析表

3.3 优化汛限水位与台阶式汛限水位各时间段风险对比分析

查阅降雨量统计资料，漳泽水库前汛期候最大降雨量发生在7月，6月未发生过暴雨和强降雨。在6月上中旬，优化汛限水位高于现行的汛限水位，但该段时间雨量不大，没有必要将库水位过早下降至901.5 m，故在该时间段逐步降低库水位，实际防汛风险很低。6月24日至7月14日，优化汛限水位低于现行的汛限水位，减低了防汛风险。7月15日-8月15日为主汛期，与现行主讯期汛限水位相同，没有增加主汛期防汛风险。从8月16日到9月6日，优化汛限水位低于现行的汛限水位，在该时间段比现行的汛限水位防汛风险低。9月7日后优化汛限水位逐步高于现行的汛限水位，但此时降雨洪水减小，预留较大的防洪库容已经没有必要，应及时将防洪库容转化为兴利库容，实际防汛风险也很低。因此，优化汛限水位各时间段风险与台阶式汛限水位各时间段风险相比更低，是安全的。

4 结论

漳泽水库的“台阶式汛限水位”调度方式，虽降低了后汛期初期防洪风险，但不利于后汛期后期的蓄水，而且一天之内库水位突升突降不利于工程安全运行；优化汛限水位调度后不但防汛风险整体上低于现行的“台阶式汛限水位”，而且明确了前后汛期的具体水位，还可以降低后汛期初期的防汛风险，提高的蓄水能力，更有利于水资源的充分合理利用，因此，对汛限水位进行优化是必要且可行的。