王宗志，賀雨暉,，王 坤,3，王衛(wèi)光

(1：南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029) (2：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098) (3：河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

水庫(kù)是在降雨時(shí)空分布不均勻地區(qū)，緩解防洪與興利矛盾，保障防洪、供水和生態(tài)安全的重要工程措施[1-2]. 截至2018年底，我國(guó)已建成98822座水庫(kù)，總庫(kù)容9707億m3，僅大中型水庫(kù)近4690座，總庫(kù)容超過(guò)8243億m3[3]. 可以說(shuō)，在我國(guó)已經(jīng)幾乎不存在完全意義上的天然流域了. 近年來(lái)，氣候變化和人類活動(dòng)加劇，流域水文情勢(shì)發(fā)生了較大變化，很多水庫(kù)(湖泊)其入庫(kù)洪水序列已經(jīng)不再滿足水文一致性假設(shè)[4-5]. 設(shè)計(jì)洪水、水庫(kù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)度的原有計(jì)算方法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[6-7]，據(jù)此給出的水庫(kù)調(diào)度方案，或因高估設(shè)計(jì)洪水導(dǎo)致水庫(kù)功能發(fā)揮不充分，或因低估設(shè)計(jì)洪水增大水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn). 因此，在診斷水文非一致特性的基礎(chǔ)上，對(duì)水文序列進(jìn)行一致性處理，并建立適應(yīng)非一致性條件、充分發(fā)揮水庫(kù)設(shè)計(jì)效益的調(diào)度方法，是當(dāng)前亟待解決的重要研究課題.

自2008年Milly等[8]在Science上發(fā)表論文“Climate change. Stationarity is dead: whither water management?”以來(lái)，有關(guān)水文非一致性診斷方面的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注. 先后提出了多種檢驗(yàn)方法，主要有Mann-Kendall、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和貝葉斯方法等[9-10]. 由于單一檢驗(yàn)方法存在不穩(wěn)定性，2010年謝平等[11]提出了融合多種方法的水文變異診斷系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明與單一診斷方法相比，綜合診斷系統(tǒng)結(jié)果更加可靠，現(xiàn)已成為趨勢(shì)性和跳躍性分析的常用方法. 對(duì)已發(fā)生變異的水文序列進(jìn)行還原或還現(xiàn)，再對(duì)其進(jìn)行頻率分析是非一致分布水文序列頻率分析的重要內(nèi)容[12-13]. 目前，還原或還現(xiàn)的方法主要包括：變異點(diǎn)前后序列與某一參數(shù)的關(guān)系分析法、時(shí)間序列的分解與合成方法和水文模型方法[7]. 其中，水文模型法利用模型參數(shù)的變化反映流域下墊面變化帶來(lái)的影響，通過(guò)不同時(shí)期的降雨資料與某一時(shí)期(變異點(diǎn)前或后)的參數(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水文序列的還原與還現(xiàn)[7,14]. 由于該方法具有一定的物理意義和較強(qiáng)的解釋能力，是目前較為常用的方法. 王國(guó)慶等[14]以黃河中游三川河流域?yàn)槔?，采用流域水文模型模擬了1970s后的天然徑流過(guò)程，定量評(píng)估了氣候變化/人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響. 王忠靜等[15]針對(duì)變化環(huán)境條件下水資源評(píng)價(jià)中的“還原失真”和“還原失效”問(wèn)題，基于分布式水文模型提出了變化環(huán)境下水資源評(píng)價(jià)新方法. 韓瑞光等[16]應(yīng)用河北雨洪模型對(duì)阜平站1980s前后的洪水序列進(jìn)行了研究，把洪水序列統(tǒng)一修正到1980s后下墊面條件下的洪水序列. 環(huán)境變化下如何更好地對(duì)水庫(kù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)度受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[17-18]. 張瑋等[19]針對(duì)氣候變化對(duì)水庫(kù)調(diào)度帶來(lái)的不利影響，提出一種基于DS理論的水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則. 吳書悅等[20]評(píng)估了氣候變化對(duì)徑流和新安江水庫(kù)調(diào)度的影響，并結(jié)合氣候模型與新安江模型繪制了水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度圖. 為在一定約束條件下，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)防洪與興利效益最大化，學(xué)者們提出了多個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃和啟發(fā)式算法[21]. 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法一般有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論支撐，具有收斂速度快、約束條件明確的優(yōu)點(diǎn)，雖在計(jì)算效率和靈活性上有時(shí)不如啟發(fā)式算法，但在目標(biāo)函數(shù)和水庫(kù)數(shù)量較少的情況下優(yōu)勢(shì)明顯. 其中，動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programing，DP)在利用遞歸公式逐時(shí)段尋優(yōu)的同時(shí)，保證了全局最優(yōu)性，是水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的常用方法，應(yīng)用廣泛[22-23].

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別在水文非一致性診斷、一致性處理與水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度等方面開展了系列研究，取得了豐富的研究成果，但鮮見(jiàn)適應(yīng)非一致性條件的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法體系. 為此，本文建立集水文非一致性診斷、水文模型還現(xiàn)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與面向防洪安全的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則優(yōu)化于一體的水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)控方法體系，并在沭河流域仕陽(yáng)水庫(kù)開展應(yīng)用研究，旨在定量解析人類活動(dòng)對(duì)流域洪水影響程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程的調(diào)度方式，降低環(huán)境變化對(duì)入庫(kù)洪水改變帶來(lái)的不利影響，提出現(xiàn)狀條件下最大化防洪效益的水庫(kù)調(diào)度方案，保障水庫(kù)預(yù)期效益的發(fā)揮.

1 適應(yīng)水文非一致條件的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法

適應(yīng)水文非一致條件的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法體系(圖1)主要包括：(1)水文非一致性診斷. 目的是判斷水文序列是否存在非一致性變化，特別是變異特性，并確定變異點(diǎn)；(2)水文一致性處理. 對(duì)于確定存在變異特性的水文序列，利用水文模型進(jìn)行還現(xiàn)，得到滿足一致性的水文序列；然后進(jìn)行頻率分析，計(jì)算滿足一致性的水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水；(3)水庫(kù)調(diào)度方案優(yōu)化. 建立最大化防洪效益的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)模型求解得到變化條件下水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度方案.

圖1 適應(yīng)非一致性條件的水庫(kù) 優(yōu)化調(diào)度技術(shù)框架Fig.1 Technical framework for optimal reservoir operation under non-stationary conditions

(1)水文序列變異診斷：水文序列一致性審查是工程設(shè)計(jì)的前提[24]. 首先采用線性滑動(dòng)平均法、Hurst系數(shù)法及累積模比系數(shù)法對(duì)水文序列進(jìn)行初步診斷，判斷其序列是否可能存在變異；如發(fā)生變異，就要進(jìn)一步診斷和分析突變性和趨勢(shì)性. 借鑒綜合診斷法[11]，本研究中采用的趨勢(shì)性診斷方法包括非參數(shù)Speraman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和線性趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)；變異診斷方法包括采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、有序聚類檢驗(yàn)法、Lee-Heghinian檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法及MWP檢驗(yàn)法. 通過(guò)上述非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法獲得數(shù)值分析結(jié)果后，根據(jù)需要再結(jié)合物理成因，確定最可能的變異點(diǎn).

(2)水文序列一致性處理及設(shè)計(jì)洪水推求：對(duì)于診斷出具有非一致性的水文序列，首先利用水文模型方法進(jìn)行還現(xiàn)，獲得滿足一致性的水文序列，然后進(jìn)行頻率分析. 主要步驟是：首先建立符合現(xiàn)狀下墊面條件(變異點(diǎn)后)的水文模型；然后將不同時(shí)期降雨、蒸發(fā)等資料，輸入具有良好精度的水文模型，計(jì)算得到現(xiàn)條件下滿足一致性要求的徑流過(guò)程，并根據(jù)需要遴選水文特征序列，例如洪峰、時(shí)段洪量；最后采用P-Ⅲ概率分布對(duì)還現(xiàn)后的特征序列進(jìn)行頻率分析，進(jìn)而基于同頻率放大法對(duì)水庫(kù)入庫(kù)典型洪水過(guò)程進(jìn)行放大，得到不同頻率的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線.

(3)最大化防洪效益的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型：水文序列一致性條件發(fā)生改變，直接影響設(shè)計(jì)洪水成果的大小，從而影響水庫(kù)預(yù)期功能的發(fā)揮. 若變異后設(shè)計(jì)洪水變小，即相當(dāng)于水庫(kù)工程原設(shè)計(jì)時(shí)高估了設(shè)計(jì)洪水，則會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)功能發(fā)揮不充分；反之，若變異后設(shè)計(jì)洪水變大，導(dǎo)致水庫(kù)規(guī)模一定條件下，水庫(kù)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)加大. 但無(wú)論如何變化，對(duì)于建成后的水庫(kù)而言，最有效的辦法是完善水庫(kù)調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)預(yù)期功能最大化. 對(duì)于前一種情況，通過(guò)抬升退水期的運(yùn)行水位，適量增加水庫(kù)蓄量，一方面能減輕下游河道或者水庫(kù)的防洪壓力；另一方面由于水庫(kù)防洪庫(kù)容偏大，也能保障水庫(kù)自身安全. 對(duì)于第二種情況，則需要在洪水起漲前，適當(dāng)降低水庫(kù)的運(yùn)行水位，為超過(guò)原設(shè)計(jì)的洪水騰空更多的防洪庫(kù)容. 為此，本研究構(gòu)建了以防洪效益最大化(水庫(kù)最高水位最小)為目標(biāo)的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型.

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

約束條件：

1)水量平衡方程約束：

Vt+1=(It-Qt)Δt+Vt

(2)

式中，Vt、Vt+1為t時(shí)段初、時(shí)段末水庫(kù)蓄水量，It為t時(shí)段水庫(kù)的平均入庫(kù)流量，Qt為水庫(kù)t時(shí)段平均下泄流量，Δt為時(shí)間長(zhǎng).

2)水庫(kù)水位約束：

Zmin≤Zt≤Zmax

(3)

式中，Zmin為水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中允許最低水位；Zt為t時(shí)刻初水庫(kù)水位，Zmax為水庫(kù)允許最高水位，不同頻率洪水Zmax取值可能不同.

3)水庫(kù)下泄能力約束：

Qt≤Qmax

(4)

式中，Qt為時(shí)段t出庫(kù)平均下泄流量；Qmax為最大下泄流量.

4)水庫(kù)下游防洪安全約束：

Qmax=min(Qan,Q(z))

(5)

式中，Qan為水庫(kù)下游河道安全下泄流量，Q(z)為庫(kù)水位為z時(shí)的下泄能力. 防洪調(diào)度工作中，大壩安全是最為關(guān)鍵的工作，因此要在保證大壩安全的基礎(chǔ)上，盡量在下游安全下泄流量范圍內(nèi)泄洪.

模型求解：對(duì)于單個(gè)水庫(kù)，建議采用經(jīng)典動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，隨著狀態(tài)空間逐步加密，可逼近全局最優(yōu)解；若是含有多個(gè)水庫(kù)的水庫(kù)群系統(tǒng)，建議采用離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法(discrete differential dynamic programming，DDDP)進(jìn)行求解，DDDP有效解決了計(jì)算效率與精度的統(tǒng)一問(wèn)題.

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

仕陽(yáng)水庫(kù)位于沂沭泗流域中的沭河流域，控制流域面積281 km2，總庫(kù)容1.25億m3，興利庫(kù)容0.69億m3，是一座具有多年調(diào)節(jié)能力的大型水利樞紐，以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電與養(yǎng)魚. 水庫(kù)2010年經(jīng)除險(xiǎn)加固后，滿足100年一遇洪水設(shè)計(jì)、5000年一遇洪水校核要求. 仕陽(yáng)水庫(kù)保護(hù)下游1.63萬(wàn)hm2耕地和30萬(wàn)人口，還有206國(guó)道、335省道、日東高速公路、膠新鐵路等重要交通設(shè)施. 下游小仕陽(yáng)村處河道安全下泄流量為400 m3/s，招賢鎮(zhèn)斷面河道安全行洪流量為910 m3/s(圖2). 仕陽(yáng)水庫(kù)汛限水位為153.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為155.55 m，校核洪水位為158.11 m. 水庫(kù)現(xiàn)狀防洪調(diào)度規(guī)則為：遭遇20年一遇設(shè)計(jì)洪水，153.00 m起調(diào)，控泄400 m3/s，保護(hù)小仕陽(yáng)村，計(jì)算最高雍水位為155.00 m；100年一遇設(shè)計(jì)洪水，153.0 m起調(diào)，水位上漲到155.0 m前控泄400 m3/s，155.0 m后敞泄，計(jì)算最高雍水位為155.33 m. 此外，本研究還收集了1961-2013年間水庫(kù)入庫(kù)洪水和庫(kù)區(qū)逐小時(shí)降雨等資料. 并對(duì)入庫(kù)洪水年最大洪峰流量序列、年最大24 h洪量序列與年最大72 h洪量序列進(jìn)行初步分析，3個(gè)序列存在增大趨勢(shì)，尤其是年最大洪峰增加趨勢(shì)較為明顯.

圖2 研究區(qū)域地圖及概化圖Fig.2 Study area map and engineering generalization map

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 變異診斷 經(jīng)M-K等方法診斷仕陽(yáng)水庫(kù)1961-2013年實(shí)測(cè)入庫(kù)洪水年最大洪峰流量序列、年最大24 h洪量序列與年最大72 h洪量序列. 如表1所示，各序列變異點(diǎn)大致有1965、1975、1976、1998、1999、2000和2001年7個(gè)變異點(diǎn)，其中1976年是1975年的延遲變異點(diǎn)，1999-2001年是1998年的延遲變異點(diǎn)，故上述序列存在1965、1975和1998年3個(gè)可能變異點(diǎn).

表1 各洪水序列變異診斷結(jié)果

為了從上述3個(gè)變異點(diǎn)中識(shí)別最可能變異點(diǎn)，從氣候變化和人類活動(dòng)角度開展了如下分析：(1)仕陽(yáng)水庫(kù)實(shí)測(cè)洪水序列年限為1961-2013年，故從統(tǒng)計(jì)角度而言，靠近序列首端的1965年作為變異點(diǎn)不太可靠. (2)借助降雨量分析，由于遭遇“1997·8”暴雨，故診斷出的1998年延遲變異點(diǎn)不能認(rèn)為是由于流域下墊面變化導(dǎo)致的變異點(diǎn)，而歸結(jié)于氣候所導(dǎo)致的變異點(diǎn)又過(guò)于片面，還需針對(duì)長(zhǎng)系列水文氣象資料進(jìn)一步分析確認(rèn)，多種診斷方法中1998年出現(xiàn)的次數(shù)很少，暫不考慮這個(gè)變異點(diǎn). 年最大洪峰序列分析中，取置信度水平為0.05時(shí)，有序聚類、Lee-Heghinian、滑動(dòng)T檢驗(yàn)的值都在1975年達(dá)到了最大，為4.68；年最大24 h洪量檢驗(yàn)中，有序聚類、Lee-Heghinian、滑動(dòng)T檢驗(yàn)的值都在1975年達(dá)到了最大，為3.45，滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)和MWP分析檢驗(yàn)值同樣最大，分別為2.8和0.04，均為顯著跳躍；年最大72 h洪量檢驗(yàn)結(jié)果與最大72 h洪量檢驗(yàn)結(jié)果類似. 綜合各診斷方法的診斷結(jié)論，仕陽(yáng)水庫(kù)年最大洪峰序列、年最大24 h洪量序列、年最大72 h洪量序列的變異點(diǎn)確定為1975年.

2.2.2 一致性處理 首先利用新安江模型構(gòu)建了仕陽(yáng)水庫(kù)流域水文模型，然后在變異點(diǎn)(1975年)處將降雨序列分為兩個(gè)子序列，利用變異點(diǎn)后(1975-2013年)的序列進(jìn)行水文模型參數(shù)率定，得到反映現(xiàn)狀下墊面特性的模型參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 新安江模型率定參數(shù)

2.2.3 設(shè)計(jì)洪水推求 將變異點(diǎn)前降雨資料輸入到率定好的模型中，模擬歷史降雨在現(xiàn)狀下墊面條件下的產(chǎn)匯流過(guò)程，得到還現(xiàn)后的入庫(kù)洪水過(guò)程. 從洪水過(guò)程中提取出年最大洪峰、年最大24 h洪量、年最大72 h洪量序列值，與變異后子序列值相結(jié)合，得到滿足一致性要求的新序列. 同時(shí)，作為對(duì)比，筆者也計(jì)算了實(shí)測(cè)(忽視水文序列非一致性)入庫(kù)洪水的年最大洪峰、年最大24 h洪量、年最大72 h洪量序列. 在此基礎(chǔ)上，利用P-Ⅲ分布對(duì)兩組序列進(jìn)行了頻率分析，不同序列統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3.

由表3可知，水文序列一致性處理后的新序列，較之原序列統(tǒng)計(jì)參數(shù)發(fā)生了一定程度的改變，特別是均值增大較為明顯，年最大洪峰、年最大24 h洪量、年最大72 h洪量分別增大了19.7%、14.5%和10.0%. 主要受以下3個(gè)方面影響：1)區(qū)域城鎮(zhèn)化水平提升導(dǎo)致流域不透水面積增大，產(chǎn)流比例和匯流速度增加[25]；2)堤防標(biāo)準(zhǔn)提升與河道整治引起洪水歸槽效應(yīng)[26]；3)氣候變化影響. 相關(guān)研究成果[27]同樣表明淮河流域大部分氣象站點(diǎn)降雨量無(wú)明顯變化趨勢(shì)，氣候變化對(duì)淮河流域洪水影響不大.

表3 仕陽(yáng)水庫(kù)各變異洪水序列的參數(shù)估計(jì)結(jié)果

在變異點(diǎn)后，發(fā)生在1998年7月的洪水為仕陽(yáng)水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)規(guī)模最大的洪水，本文以此作為典型洪水進(jìn)行同頻率放大，從而獲得了不同頻率(p)下的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線. 基于一致性處理序列和實(shí)測(cè)洪水序列得到設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(圖3)，從中可以看出，考慮一致性影響后，仕陽(yáng)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水明顯增大，特別是洪峰，5000年一遇、1000年一遇、100年一遇和20年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰分別增加了2065、1595、942和512 m3/s. 如根據(jù)原有設(shè)計(jì)洪水來(lái)制定水庫(kù)防洪調(diào)度規(guī)則，將顯著增加水庫(kù)和下游河道的防洪風(fēng)險(xiǎn)，特別是在流域遭遇百年及特大洪水時(shí).

圖3 仕陽(yáng)水庫(kù)入庫(kù)洪水設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線：(a)滿足一致性要求序列；(b)實(shí)測(cè)序列Fig.3 Design flood hydrographs of Shiyang Reservoir: (a) the stationary series; (b) the observed series

為與適應(yīng)性調(diào)度進(jìn)行對(duì)比，首先利用現(xiàn)狀水庫(kù)調(diào)度規(guī)則對(duì)原設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了調(diào)度，不同量級(jí)設(shè)計(jì)洪水調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖4中紅色線條. 20年一遇、100年、1000年一遇和5000年一遇設(shè)計(jì)洪水下，水庫(kù)的最高水位分別達(dá)到了153.51、154.16、154.98和155.62 m；最大下泄流量分別為400、400、1639和1843 m3/s.

2.2.4 變化環(huán)境下仕陽(yáng)水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度 依據(jù)第1節(jié)提出的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建了仕陽(yáng)水庫(kù)防洪調(diào)度模型，模型的輸入為一致性條件下的設(shè)計(jì)洪水. 為適應(yīng)變化環(huán)境導(dǎo)致的設(shè)計(jì)洪水的峰和量顯著增大，在優(yōu)化模型的約束條件中：對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的20年一遇和100年一遇洪水，其最高水位Zmax分別為153.51和154.16 m，最大下泄流量Qmax為400 m3/s，即要求水庫(kù)在還現(xiàn)后的設(shè)計(jì)洪水下最大水位和最大下泄流量不超過(guò)原設(shè)計(jì)值；對(duì)于超標(biāo)準(zhǔn)的1000年一遇和5000年一遇洪水，其最高洪水位也不超過(guò)現(xiàn)狀值(154.98 和155.62 m)，最大下泄流量Qan為招賢鎮(zhèn)斷面河道安全行洪流量，910 m3/s. 模型構(gòu)建完成，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，調(diào)度結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 仕陽(yáng)水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度過(guò)程與原調(diào)度過(guò)程的對(duì)比Fig.4 Comparison between adaptive operation process and original operation process of Shiyang Reservoir

從調(diào)度結(jié)果可以看出，通過(guò)適應(yīng)性調(diào)度，水庫(kù)最高水位和最大下泄流量均未超過(guò)原設(shè)計(jì)洪水在現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則下的相應(yīng)值. 其中，水庫(kù)最高水位下降量在0.11～0.32 m之間，20年一遇設(shè)計(jì)洪水情景水位下降最為明顯(表4)；水庫(kù)最大下泄流量在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水情景下均未超過(guò)原設(shè)計(jì)值，能滿足保護(hù)下游小仕陽(yáng)村的要求，且在超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下，通過(guò)限制最大下泄洪水流量不超過(guò)910 m3/s，全程未出現(xiàn)敞泄情況，較現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則，更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)下游招賢鎮(zhèn)的保護(hù).

上述結(jié)果可以看出，本文提出的適應(yīng)水文非一致條件的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法，能夠很好地適應(yīng)水文序列變異導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水變化，有利于發(fā)揮水庫(kù)預(yù)期功能，降低由水文變異增加的防洪風(fēng)險(xiǎn).

表4 調(diào)度過(guò)程特征量對(duì)比

2.3 討論

為分析水文非一致性對(duì)水庫(kù)防洪安全的影響，基于仕陽(yáng)水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度方式，分別對(duì)上述不考慮變異和考慮變異兩種入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了調(diào)度. 由圖5可以看出，如不改變水庫(kù)調(diào)度方式，水文變異導(dǎo)致的設(shè)計(jì)洪水增大，顯著抬升水庫(kù)最高壅水位，特別是對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水. 其中20年和100年一遇設(shè)計(jì)洪水下，水庫(kù)最高水位分別增加了0.21和0.31 m(表5). 此外，雖然水庫(kù)最大下泄流量沒(méi)有增加，但泄洪時(shí)長(zhǎng)均顯著增加. 事實(shí)上，這些出現(xiàn)概率相對(duì)較大的洪水，如本例中的20年一遇和100年一遇洪水更容易造成洪水災(zāi)害，是流域防御的重點(diǎn)對(duì)象[28-29]. 因此，針對(duì)水文變異導(dǎo)致的防洪風(fēng)險(xiǎn)增加，水庫(kù)有必要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改變. 本文提出適應(yīng)性調(diào)度方法的基本思想是，變異后的設(shè)計(jì)洪水經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后水庫(kù)的最高洪水位與最大下泄流量均不超過(guò)現(xiàn)狀調(diào)度下的特征值. 然而，對(duì)于大多數(shù)水庫(kù)，特別是單庫(kù)，現(xiàn)行的削峰調(diào)度規(guī)則對(duì)于防洪來(lái)說(shuō)已然是非常優(yōu)秀的調(diào)度規(guī)則，其優(yōu)化空間很小[30-31]. 從圖4中水位過(guò)程線可以看出，為實(shí)現(xiàn)洪水適應(yīng)性調(diào)度的目的，優(yōu)化模型實(shí)質(zhì)上是通過(guò)在洪峰到來(lái)前進(jìn)行預(yù)泄，騰空了部分庫(kù)容. 可以預(yù)見(jiàn)的是，若不進(jìn)行預(yù)泄，現(xiàn)狀條件下由于洪水量級(jí)變化某些水庫(kù)可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)洪最高水位高于常規(guī)調(diào)度的最高水位，這更突顯了進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)度研究的重要性. 此外，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度得到的解最優(yōu)解是水庫(kù)實(shí)際調(diào)度能夠達(dá)到的上限，預(yù)報(bào)調(diào)度只有在預(yù)見(jiàn)期足夠長(zhǎng)、預(yù)報(bào)精度非常高的情況下才能接近該效果.

圖5 考慮非一致性的設(shè)計(jì)洪水與原設(shè)計(jì)洪水在現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則下的調(diào)度過(guò)程Fig.5 The operation process of consider non-stationary design flood and original design flood under current operation rules

表5 現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則下水庫(kù)運(yùn)行結(jié)果

對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外的稀遇洪水，即使水文變異增大了設(shè)計(jì)洪水的洪峰與洪量，但由于原設(shè)計(jì)洪水已經(jīng)很大，即使調(diào)度規(guī)則不改變，水庫(kù)最高水位變化也不明顯，本例中1000年一遇和5000年一遇分別增大了0.06 和0.22 m. 1000年一遇洪水下最高洪水位雖然變化不大，但洪水下泄提前，持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)；而5000年一遇設(shè)計(jì)洪水下，洪水下泄過(guò)程幾乎相同，說(shuō)明常規(guī)調(diào)度規(guī)則已沒(méi)有進(jìn)一步調(diào)節(jié)洪水的能力. 本文提出適應(yīng)性調(diào)度方法的結(jié)果表明，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水下，仕陽(yáng)水庫(kù)仍能以控泄形式對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)水庫(kù)自身和下游保護(hù)目的.

從仕陽(yáng)水庫(kù)的運(yùn)用結(jié)果來(lái)看，本文提出的非一致性條件下水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)度方法相較于水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度技術(shù)能夠更加充分地發(fā)揮水庫(kù)預(yù)期功能. 在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于入庫(kù)洪水序列不滿足一致性假設(shè)的水庫(kù)，根據(jù)本文提出的方法計(jì)算得到現(xiàn)狀條件下設(shè)計(jì)洪水，然后與原設(shè)計(jì)洪水比較，當(dāng)設(shè)計(jì)洪水確有改變時(shí)應(yīng)重新制定水庫(kù)調(diào)度規(guī)則. 當(dāng)設(shè)計(jì)洪水增大時(shí)，可在現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，降低水庫(kù)的起調(diào)水位，來(lái)確保水庫(kù)安全；當(dāng)設(shè)計(jì)洪水變小時(shí)，可在現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小最大下泄流流量以減小下游防洪壓力，或者增加水庫(kù)蓄量，更好地發(fā)揮水庫(kù)興利效益. 由于不同水庫(kù)的工程調(diào)控能力和現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則不同，在運(yùn)用本文所提出的方法時(shí)，適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則的提出需要決策者通過(guò)優(yōu)化或者多方案比較來(lái)最終確定. 相關(guān)研究[27]指出未來(lái)氣候變化可能導(dǎo)致淮河流域中小洪水(5～20年一遇)的洪量設(shè)計(jì)值較歷史時(shí)期增大. 因此，結(jié)合氣候模式與本文提出的適應(yīng)性調(diào)控技術(shù)框架，預(yù)測(cè)未來(lái)降雨變化，研究未來(lái)情景下的水庫(kù)防洪調(diào)度方案是保障仕陽(yáng)及類似水庫(kù)防洪安全的可行措施之一.

3 結(jié)論

受氣候變化和人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，絕大部分水庫(kù)入庫(kù)洪水序列不再滿足一致性假設(shè)，繼續(xù)采用水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)形成的調(diào)度規(guī)則，往往難以充分發(fā)揮水庫(kù)設(shè)計(jì)功能與效益，甚至可能帶來(lái)防洪或供水風(fēng)險(xiǎn). 為此，本文提出了水文非一致性診斷→水文模型還現(xiàn)→設(shè)計(jì)洪水計(jì)算→面向防洪安全的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度于一體的水庫(kù)適應(yīng)性調(diào)控方法體系，并將其運(yùn)用于仕陽(yáng)水庫(kù). 取得的主要結(jié)論有：

1)仕陽(yáng)水庫(kù)年最大洪峰序列、年最大24 h洪量序列、年最大72 h洪量序列的變異點(diǎn)均為1975年. 考慮一致性影響后，仕陽(yáng)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水明顯增大，特別是洪峰，5000年一遇、1000年一遇、100年一遇和20年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰分別增加了2065、1595、942和512 m3/s.

2)如繼續(xù)采用水庫(kù)原調(diào)度方式，水文變異導(dǎo)致的設(shè)計(jì)洪水增大，將顯著抬升水庫(kù)最高壅水位，特別是對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水. 其中，20年和100年一遇設(shè)計(jì)洪水下，仕陽(yáng)水庫(kù)最高水位分別增加了0.21和0.31 m.

3)針對(duì)滿足一致性要求的設(shè)計(jì)洪水，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，水庫(kù)最高水位下降量在0.11～0.32 m之間，20年一遇設(shè)計(jì)洪水情景水位下降最為明顯；水庫(kù)最大下泄流量均未超過(guò)原設(shè)計(jì)值，能滿足保護(hù)下游小仕陽(yáng)村的要求，且在超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下，全程未出現(xiàn)敞泄情況，較現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則，更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)下游的防洪.

本研究中仕陽(yáng)水庫(kù)屬于水文變異導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水增大、防洪風(fēng)險(xiǎn)增大的案例，適應(yīng)性調(diào)度的主要目的是降低由水文變異增加的防洪風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于防洪為主的流域具有很好的借鑒意義. 可以預(yù)見(jiàn)的是，對(duì)于水文序列具有明顯下降趨勢(shì)的流域，如黃河流域[32]與海河流域[33]等北方缺水地區(qū)，適應(yīng)性調(diào)度的主要目標(biāo)應(yīng)是在水文變異導(dǎo)致水資源不足的情況下，如何通過(guò)適應(yīng)性調(diào)度增加洪水資源的利用量，有待進(jìn)一步研究.