劉 影

（遼寧省湯河水庫(kù)管理局，遼寧 遼陽(yáng)111000）

1 水庫(kù)調(diào)度的重要作用

湯河水庫(kù)位于遼陽(yáng)東南30多km的東南山區(qū)，其具有蓄水、旅游等綜合功能。同時(shí)還是遼陽(yáng)市、鞍山市城市居民飲用水的主要來(lái)源，并兼具有蓄洪調(diào)節(jié)、滯洪功能。因此，汛期湯河水庫(kù)的分期調(diào)度尤為重要。

在汛期，通過(guò)分期調(diào)度減少進(jìn)入下游河道中的洪峰流量，從而達(dá)到防洪、減災(zāi)的作用。而在干旱季節(jié)，還能夠利用徑流調(diào)節(jié)的方式，通過(guò)蓄洪補(bǔ)枯的方法，使用天然水能夠在空間上對(duì)用水部門進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到興利的最終目的。但是，水庫(kù)所具有的防洪減災(zāi)作用與興利作用之間是相互矛盾的，單一的追求防洪效益必將導(dǎo)致水庫(kù)的興利作用受到限制，反之亦然。因此，合理的通過(guò)調(diào)度方式對(duì)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行是充分發(fā)揮湯河水庫(kù)防洪、興利總體效益的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的水庫(kù)在運(yùn)行和調(diào)度過(guò)程中要求水庫(kù)在整個(gè)汛期都處于一個(gè)單一的汛限水位上，這種方式必然是不合理的。必然會(huì)導(dǎo)致第二年春耕用水時(shí)沒(méi)有水可用，增加了興利與防洪減災(zāi)之間的沖突，尤其是在部分旱澇季節(jié)十分明顯的地區(qū)，這種沖突尤為明顯。因此，有必要通過(guò)汛期分期調(diào)度的方式來(lái)解決水庫(kù)汛期興利與防洪減災(zāi)之間的問(wèn)題，從而達(dá)到兩者均衡的目的。

2 分期問(wèn)題研究

汛期是水文循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，其受到氣象、水文等相關(guān)因素的影響，其整個(gè)過(guò)程具有隨機(jī)性、模糊性以及灰色性等特點(diǎn)。因?yàn)檎麄€(gè)汛期的變化具有隨機(jī)復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致人們至今對(duì)汛期的具體成因、變化發(fā)展過(guò)程都沒(méi)有一個(gè)主觀的認(rèn)識(shí)，存在著認(rèn)識(shí)不足的問(wèn)題。加之受到觀測(cè)水平的影響，水文資料不夠齊全，造成了水庫(kù)汛期在分期計(jì)算的過(guò)程中出現(xiàn)較大的誤差。因此，有必要采取科學(xué)合理的方法對(duì)汛期分期進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，提高分期精度。文中在研究湯河水庫(kù)的汛期分期過(guò)程中，采取了模糊集分析方法。

2.1 模糊集分析方法

采用的模糊集分析方法基本原理為：確定時(shí)間論域T，并將整個(gè)汛期視作為實(shí)踐論域T中的一個(gè)模糊子集V，通過(guò)使用隸屬度函數(shù)TV（t）來(lái)表示在任意時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)汛期的程度。該種方法的重點(diǎn)在于通過(guò)客觀、合理的方式來(lái)確定最終的汛期隸屬函數(shù)。當(dāng)前，確定該隸屬度函數(shù)的方法包括三分法、模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法和模糊分布方法?？紤]到水庫(kù)的汛期水文資料相對(duì)完整，在這里采用模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，其具體的過(guò)程為：

1）確定對(duì)應(yīng)的論域T。通常將其取為一個(gè)自然年度，并將天作為基本單位，這時(shí)，T∈（1，365）。

2）搜集歷年來(lái)降雨、入庫(kù)徑流等水文資料，確定汛期的降雨量以及相關(guān)的影響因子閾值μ。

3）對(duì)第i年中指標(biāo)因子超過(guò)或者等于μ的起止時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到汛期的區(qū)間值［t1i，t2i］，并將該區(qū)間作為一個(gè)模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，進(jìn)行n次統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，得到n個(gè)試驗(yàn)結(jié)果。

4）計(jì)算得到時(shí)間被區(qū)間所覆蓋的總次數(shù)m，利用Pv（t）=m/n計(jì)算得到汛期的隸屬度頻率。一旦n達(dá)到對(duì)應(yīng)的水平時(shí)，則可以使用隸屬度來(lái)替代頻率，這時(shí)，μv（t）

2.2 模糊集分析

通過(guò)將某水庫(kù)的水文資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并代入到上文中模糊集分析計(jì)算方法中，初步計(jì)算得到了汛期的時(shí)間論域T∈［04月1日，10月31日］，且該段時(shí)間內(nèi)的降雨量指標(biāo)閾值μ=30mm。根據(jù)歷年來(lái)該水庫(kù)的降雨量統(tǒng)計(jì)資料，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到了汛期起止時(shí)間內(nèi)的樣本集，

2.3 湯河水庫(kù)汛期分期計(jì)算結(jié)果

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊子集以及灰色聚類方法得到了某水庫(kù)汛期分期，并在此基礎(chǔ)上確定得到了水庫(kù)汛期的具體分期：前汛期為4月1日—5月31日；主汛期為6月1日—8月31日；后汛期為9月1日—10月31日。與采用單一的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得到的汛期分期結(jié)果對(duì)比如表1所示：

表1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法與模糊集分析方法得到的汛期分期結(jié)果對(duì)比

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算問(wèn)題

3.1 設(shè)計(jì)洪水樣本的選擇

洪水樣本的選擇方式，通常包括適當(dāng)跨期與不跨期兩種方式。其中，不跨期選擇是只在分期時(shí)段中選擇固定的樣本。這種樣本操作方式雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)樵跇颖具x擇的過(guò)程中，沒(méi)有將水文氣象等外在環(huán)境變化的相關(guān)因素考慮進(jìn)來(lái)，因此造成樣本精度相對(duì)較差的問(wèn)題你。而適當(dāng)?shù)目缙跇颖具x擇則是通過(guò)將起止時(shí)間適當(dāng)向前后延伸（通常延期時(shí)間不超過(guò)10d）的方式來(lái)選擇樣本。在樣本選擇的過(guò)程中，這主要是考慮到了洪水出現(xiàn)的時(shí)間在整個(gè)汛期的各個(gè)分期內(nèi)存在對(duì)應(yīng)的隨機(jī)性和模糊性，可能造成汛期提前或者之后，造成了界限模糊的現(xiàn)象。當(dāng)前，主要采用最大值取樣方法來(lái)確定樣本。

3.2 分期最大值取樣方法

在每一個(gè)具體的分期中，每一年都選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)的洪水樣本，并在各個(gè)分期中設(shè)置n個(gè)有效的洪水值，從而提高頻率分析的精度。雖然部分學(xué)者認(rèn)為這種方法將會(huì)導(dǎo)致非主汛問(wèn)題的出現(xiàn)，可能會(huì)將一些真實(shí)不夠大的“最大洪水”選擇到，從而造成水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)下降。但是，作者認(rèn)為由于非主汛期洪水的量級(jí)比主汛期洪水量級(jí)偏小是開(kāi)展分期調(diào)度的基礎(chǔ)，通過(guò)這種方式得到的非汛期值是該分期內(nèi)洪水的規(guī)律。

3.3 水文頻率曲線線型的選擇

當(dāng)前，主要采用正態(tài)分布作為水文頻率曲線的線性。當(dāng)二項(xiàng)隨機(jī)變量的位置因素的變化范圍很大，而且形狀參數(shù)是0.5時(shí)，將可以推到得到二項(xiàng)分布的近似分布函數(shù)，其該分布函數(shù)就是正態(tài)分布。

其分布函數(shù)曲線圖示如圖1所示：

圖1 正態(tài)分布函數(shù)曲線圖示

3.4 湯河水庫(kù)的分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

按照前述的水庫(kù)汛期分期計(jì)算結(jié)果，將4—5月作為前汛期；6—8月為主汛期；9—10月為后汛期。因?yàn)榭嗨陂g的水量較少，而且在此期間需要進(jìn)行春耕生產(chǎn)，因此不能在前汛期期間將限水位。所以這里僅將主汛期以及后汛期太高作為汛限水位的高水位運(yùn)行期。

利用試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方式得到該水庫(kù)汛期的正態(tài)分布，函數(shù)曲線，并將水庫(kù)主、后汛期的洪峰量按照高低順序進(jìn)行排列；使用正態(tài)分布函數(shù)數(shù)學(xué)期望公式，計(jì)算得到水庫(kù)主汛期及后汛期的洪峰量累積經(jīng)驗(yàn)頻率；利用水文頻率分析軟件Curve Fitting，擬合得到理論頻率曲線，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量得到的流量數(shù)據(jù)，最終得到統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)值。與實(shí)測(cè)極值流量關(guān)系的基礎(chǔ)之上，最終確定理論頻率曲線及其統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。表2為該水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征值，表3為水庫(kù)主汛期洪水設(shè)計(jì)結(jié)果；表4為水庫(kù)后汛期洪水計(jì)算結(jié)果。

表2 某水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征值

表3 某水庫(kù)主汛期洪水設(shè)計(jì)結(jié)果

1）主汛期洪水設(shè)計(jì)結(jié)果。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，得到的主汛期為1000年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量是5857 m3/s，相比初步設(shè)計(jì)成果、1990年水庫(kù)加固時(shí)的設(shè)計(jì)成果以及2002年復(fù)核時(shí)的設(shè)計(jì)洪峰流量偏小。這時(shí)，水庫(kù)若1000年一遇的設(shè)計(jì)洪水作為防洪指標(biāo)，則水庫(kù)在主汛期可以適當(dāng)提高汛限的水位。

2）后汛期洪水設(shè)計(jì)結(jié)果。后汛期的洪水設(shè)計(jì)結(jié)果中，1000年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量與10000年一遇校核洪峰流量分別是3755m3/s和5153m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各全年設(shè)計(jì)的洪峰流量和校核洪峰流量。這就保證了水庫(kù)在后汛期能夠較大幅度的提高汛限水位，從而達(dá)到增加水庫(kù)的儲(chǔ)水能力，為水庫(kù)興利功能的發(fā)揮提供基礎(chǔ)。

表4 某水庫(kù)后汛期洪水設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 論

水庫(kù)汛期分期的問(wèn)題使用了模糊集分期的方法，形成了水庫(kù)分期的基本方法，并針對(duì)湯河水庫(kù)進(jìn)行了分期調(diào)度設(shè)計(jì)。其次，對(duì)水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的問(wèn)題進(jìn)行了研究，在分期最大值取樣和正態(tài)分布擬合的基礎(chǔ)上，得到了湯河水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的方法。

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