任劍飛

(塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什　844700)

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水庫(kù)汛期分期及汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究

任劍飛

(塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什844700)

摘要：中小型水庫(kù)用單一汛限水位進(jìn)行調(diào)度，導(dǎo)致大部分的興利庫(kù)容被浪費(fèi).針對(duì)這一現(xiàn)狀，以依干其水庫(kù)為例，采用成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和Fisher最優(yōu)分割法對(duì)某水庫(kù)的汛期進(jìn)行了分期，不同方法的分期結(jié)果一致；在汛期分期的基礎(chǔ)上采用預(yù)泄能力約束法對(duì)水庫(kù)的動(dòng)態(tài)預(yù)蓄水量進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)庫(kù)水特征曲線，推算出了水庫(kù)的汛限水位上限值，提出了水庫(kù)分期調(diào)度原則.

關(guān)鍵詞：汛期分期；Fisher法；預(yù)泄能力約束法；汛限水位

0引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行業(yè)生產(chǎn)及生活用水量日益增長(zhǎng)，但是降水量變化不大甚至出現(xiàn)減少，水資源的供需矛盾日漸突出[1].為了能充分的利用當(dāng)?shù)氐乃Y源，對(duì)水庫(kù)等水利工程實(shí)施汛期分期控制汛限水位，最大的利用水庫(kù)的調(diào)蓄能力，將洪水?dāng)r蓄進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可利用的水資源[2].汛期的合理劃分是實(shí)現(xiàn)洪水的資源化關(guān)鍵所在.我國(guó)自建國(guó)以后，就開(kāi)始了對(duì)水庫(kù)汛限分期進(jìn)行了研究，隨著水資源供需矛盾的發(fā)展，這方面的研究也越來(lái)越多，出了很豐碩的成果，得出了許多的分析方法，如數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、成因分析法、模糊集合分析法、系統(tǒng)聚類法、變點(diǎn)分析法、分形理論法、Fisher最優(yōu)分割法和動(dòng)態(tài)聚類法等[3-5].許多學(xué)者根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，選取上述方法中合適的方法進(jìn)行汛限分期分析，均取得了較好的分期結(jié)果.目前，大多數(shù)中小型水庫(kù)采用的是單一汛限水位，認(rèn)為水庫(kù)在任一時(shí)期發(fā)生洪水的概率相等，然而全年的降水量分布是不均勻的，大部分的興利庫(kù)容白白流走[6-7].因此，針對(duì)這一現(xiàn)狀，以依干其水庫(kù)為例，采用定性和定量相結(jié)合的方法確定了該水庫(kù)的最佳汛期分期方案，采用預(yù)泄能力約束法得出了水庫(kù)汛限水位上限值，并提出了水庫(kù)調(diào)度原則，為實(shí)現(xiàn)洪水資源利用的最大化提供指導(dǎo).

1水庫(kù)汛限分期

1.1定性分析法

定性分析法又可以分為成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法.水庫(kù)所在地區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降雨量隨季節(jié)變化分布不均，每年10～次年4月，降雨量很少，5月～9月降雨量較為集中，其中7月～8月降雨量最為集中，約占全年4成以上.水庫(kù)所在地區(qū)自6月開(kāi)始進(jìn)入汛期，9月結(jié)束后汛期也基本結(jié)束.因此，水庫(kù)的汛期可以定性的分為：6月1日～6月30日為前汛期；7月1日～8月31日為主汛期；9月1日～9月30日為后汛期.

根據(jù)水庫(kù)雨量站1966—2008年之間實(shí)測(cè)降雨資料的統(tǒng)計(jì)整理分析，將降雨量大于某一特定值的頻次來(lái)作為劃分汛限分期的依據(jù)，選擇24 h降雨量大于10 mm、25 mm、50 mm、100 mm和3 d降雨量大于25 mm、50 mm、100 mm、130 mm作為指標(biāo)，分析其在汛期出現(xiàn)的次數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表1、表2).

表1　24 h降雨量級(jí)分析

表2　3 d降雨量級(jí)分析

由表1和表2可以看出：7月上旬到8月下旬，24 h大于25 mm降雨頻率約為67%；大于50 mm的約為82%；大于100 mm的為100%；3 d大于25 mm降雨頻率約為69%；大于50 mm的約為77.6%；大于100 mm的為65%.因此，水庫(kù)的汛期可以分為：6月1日～6月30日為前汛期；7月1日～8月31日為主汛期；9月1日～9月30日為后汛期.這一結(jié)果與成因分析法的結(jié)果一致.

1.2定量分析法

定量分析方法主要有Fisher最優(yōu)分割法、分形理論法等方法.在本次水庫(kù)汛期分期中的采用了Fisher最優(yōu)分割法，它以各分類總離差平方和最小為依據(jù)的一種有序樣本聚類分析方法，其各分類內(nèi)部差異最小，各分類間差異最大.它是將n個(gè)有序樣本{x1，x2，…，xn}分為k類，用B(n,k)來(lái)表示：P1={i1，i1+1，…，i2-1}，P2={i2，i2+1，…，i3-1}，…，Pk={ik，ik+1，…，n}，其中ik+1= n+1.根據(jù)排列組合，這種方法的分割中必有一種或幾種是最優(yōu)的，即各分類的總離差平方和最小時(shí)的分割：

(1)

根據(jù)分類結(jié)果，最優(yōu)分類數(shù)為目標(biāo)函數(shù)隨分類數(shù)k變化曲線的拐點(diǎn)，曲線的斜率按公式(2)計(jì)算：

(2)

根據(jù)水庫(kù)雨量站1966—2008年之間實(shí)測(cè)降雨資料，選取多年旬平均雨量，多年旬最大單日降雨量，多年旬暴雨Cv值和旬內(nèi)降雨量大于25 mm的暴雨天數(shù)為指標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)有序樣本(見(jiàn)表3)，將表3中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化后，數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4).然后利用Fisher最優(yōu)分割法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果(見(jiàn)表5).

表3　汛期分期影響因子指標(biāo)

表4　無(wú)量綱化汛期分期影響因子指標(biāo)

表5　最優(yōu)分割結(jié)果

由表5可知：k=3時(shí)，f(k)值最大，且其后數(shù)據(jù)變化明顯減小，因此最優(yōu)分類數(shù)為3類，因此水庫(kù)汛期的最優(yōu)分類為1～3,4～9,10～12，即：6月1日～6月30日為前汛期；7月1日～8月31日為主汛期；9月1日～9月30日為后汛期.這一結(jié)果與定性分析法分析得到的結(jié)果一致.

2汛限水位動(dòng)態(tài)控制與調(diào)度

2.1預(yù)泄能力約束法

預(yù)泄能力約束法是在高精度的降雨預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，有一定預(yù)期內(nèi)，根據(jù)水庫(kù)的泄流能力來(lái)推算汛限水位的上限值的方法.這一方法下，汛限水位上限值受水庫(kù)水情、有效預(yù)見(jiàn)期、下游河道允許下泄流量、決策及傳遞時(shí)間、閘門(mén)啟閉時(shí)間等因素的影響.具體的計(jì)算公式如下：

(3)

qout—Ty時(shí)期內(nèi)平均泄流能力或泄流量；

Ty—降雨預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期；

Qin—Ty時(shí)期內(nèi)平均入流量；

ZXL—水庫(kù)正常蓄水位；

Tj—降雨預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間；

Tcu—信息傳遞時(shí)間、預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間、決策時(shí)間、開(kāi)閘時(shí)間的和.

2.2汛限水位上限值

根據(jù)水庫(kù)雨量站的資料，降雨預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間取17 h，信息傳遞時(shí)間取5 h，決策時(shí)間2 h，考慮停電影響閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間取2 h，計(jì)算出有效預(yù)見(jiàn)期為8 h.取qout下游安全泄量80 m3/s，根據(jù)公式3得到ωyx動(dòng)態(tài)預(yù)蓄水量為230.5 萬(wàn)m3.查庫(kù)水特征曲線，后汛限水位122.8 m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為38.9 萬(wàn)m3，加上動(dòng)態(tài)預(yù)蓄水量230.5 萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)的總庫(kù)容為269.4萬(wàn)m3，再查庫(kù)水特征曲線，得到汛限水位為128.6 m，超過(guò)水庫(kù)正常蓄水位123.5 m，取正常蓄水位123.5 m作為該水庫(kù)的汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限值.

2.3調(diào)度原則

汛限水位調(diào)度原則是：當(dāng)未來(lái)24 h預(yù)報(bào)為中雨及中雨以下降雨時(shí)，水庫(kù)可以按正常蓄水位運(yùn)行；當(dāng)未來(lái)24 h預(yù)報(bào)為大雨及大雨以上降雨時(shí)，根據(jù)有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水庫(kù)的下泄能力和下游允許的下泄流量，快速地降低水庫(kù)的運(yùn)行水位至正常蓄水位以下，并保證有足夠庫(kù)容攔蓄洪水.

3結(jié)論

通過(guò)成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和Fisher最優(yōu)分割法對(duì)某水庫(kù)的汛期進(jìn)行了分期，不同方法的分期結(jié)果一致；在汛期分期的基礎(chǔ)上，采用預(yù)泄能力約束法對(duì)水庫(kù)的動(dòng)態(tài)預(yù)蓄水量進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)庫(kù)水特征曲線，推算出了水庫(kù)的汛限水位上限值，最后提出了水庫(kù)分期調(diào)度原則.

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Research on Reservoir Flood Season Staging and Limited Water Level Dynamic Control

REN Jian-fei

(Tarim River Basin Administration of Kashgar, Yarkant 844700, China)

Abstract:Quite a lot of small and medium-sized reservoirs adopt a single schedule level, which leads to a large amount of waste in beneficial capacity. Taking a certain reservoir for example, the qualitative methods, mathematical statistics and Fisher optimal segmentation are adopted to stage the reservoir flood season, and on the basis of it, the discharge capacity constraint method is used to evaluate the dynamic storage capacity of the reservoir. According to the characteristic curve of the reservoir water, the upper limit value of flood control level is also calculated and the scheduling principles are put forward.

Key words:flood season staging; fisher method; preliminary drainage capacity constraint method; flood control level

收稿日期：2016-01-08

作者簡(jiǎn)介：任劍飛(1980-)，男，新疆喀什人，工程師，研究方向：繼電保護(hù).

中圖分類號(hào)：TV123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)04-0022-04