某大型水利樞紐汛期分期方案研究

趙璧奎，黃本勝，邱 靜，譚 超，羅舒燕

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)

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某大型水利樞紐汛期分期方案研究

趙璧奎，黃本勝，邱 靜，譚 超，羅舒燕

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)

汛期分期方案研究是開展水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)。綜合采用成因分析方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了某大型水利樞紐庫區(qū)暴雨、洪水發(fā)生規(guī)律，提出了把汛期劃分為前汛期、主汛期和后汛期3個(gè)階段的汛期分期方案。研究成果可為該水利樞紐及同一流域內(nèi)相關(guān)水利工程開展雨洪資源化利用研究提供基本依據(jù)。

大型水利樞紐；汛期分期；成因分析；數(shù)理統(tǒng)計(jì)

1 概述

某大型水利樞紐位于珠江流域西江水系干流潯江下游河段，壩址斷面流域面積為30.86萬km2，占西江流域面積的87.4%，是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉和養(yǎng)殖等綜合利用的低水頭徑流式大型水利樞紐工程。樞紐正常蓄水位為20.6 m，相應(yīng)的水庫庫容為18.6億m3，為減少庫區(qū)淹沒損失，設(shè)定水庫汛期限制水位為18.6 m，相應(yīng)的水庫庫容為15.2億m3。電站裝機(jī)為15臺(tái)單機(jī)容量42 MW的貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量630 MW[1]，機(jī)組額定發(fā)電水頭為9.5 m，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為30.15億kW·h。

多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，汛期一般入庫流量較大，且同時(shí)受到汛限水位的限制和下游水位頂托的雙重影響，該水利樞紐常因機(jī)組水頭不足而很難達(dá)到額定出力工況。為此，急需開展汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究，在保障防洪安全的前提下，結(jié)合先進(jìn)的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，適當(dāng)抬高汛期運(yùn)行水位，充分發(fā)揮該大型水利樞紐的興利效益。

汛期分期研究是確定水庫分期汛限水位以及開展水庫汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)，也是水庫分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的主要依據(jù)。結(jié)合流域氣象、水文特征規(guī)律，根據(jù)洪水發(fā)生概率的不同，合理提出汛期分期方案，對(duì)水庫防洪、興利和實(shí)現(xiàn)洪水資源安全利用具有重要意義[2-3]。由于“汛期”變化規(guī)律有確定性、隨機(jī)性、過渡性的特性[4]，當(dāng)前汛期分期的主要方法有：成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[5]、模糊統(tǒng)計(jì)法、分形分析法、模糊集合分析法[6]、系統(tǒng)聚類法、均值變點(diǎn)和概率變點(diǎn)等[7]。

本文主要通過成因分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等多種方法分析汛期來水規(guī)律，初步提出某大型水利樞紐的汛期分期方案，最后綜合各種方法的分期方案結(jié)合相關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則的要求最終確定該大型水利樞紐的汛期分期方案，為該樞紐汛期水位動(dòng)態(tài)控制研究提供重要的邊界條件。

2 基于成因分析的汛期分期

2.1 流域暴雨成因及特性分析

西江流域地處我國降水量最多的華南地區(qū)，也是暴雨最頻繁、出現(xiàn)時(shí)段最長、強(qiáng)度最大的地區(qū)之一。西江流域暴雨成因復(fù)雜，全年各月皆可能出現(xiàn)暴雨，流域內(nèi)大部分地區(qū)4 — 6月以鋒面雨、低壓槽暴雨為主，是降雨主高峰期，7 — 9月則以臺(tái)風(fēng)雨居多，是降雨次高峰期。

西江流域范圍的暴雨高發(fā)區(qū)主要有兩處：一處是桂北山地，即漓江與柳江上游暴雨區(qū)，暴雨中心一般在桂林、融水等地；另外一處是桂東北山地，即桂江、黔江暴雨區(qū)，暴雨中心一般在昭平、桂平等地。

西江流域的暴雨，不僅次數(shù)多、強(qiáng)度大，而且出現(xiàn)范圍廣，這與氣候背景和地形特征有直接關(guān)系，特別是在4 — 6月。西江流域東西寬、南北窄，導(dǎo)致暴雨的天氣系統(tǒng)一般是較快地自北移過南部，有時(shí)又可能出現(xiàn)拉鋸、滯留現(xiàn)象，致使4 — 6月的雨區(qū)或暴雨區(qū)遍及兩廣的大部分地區(qū)。根據(jù)洪水組成分析，西江梧州較大洪水來自黔江，其流量占梧州站的比重達(dá)65%，而黔江武宣的洪水主要來自天峨武宣區(qū)間，約占武宣站洪量的70%[8]。該大型水利樞紐壩址以上流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，其洪水是由多次連續(xù)暴雨所形成[9]。

2.2 洪水成因與特性分析

與降水分布規(guī)律相應(yīng)，西江流域洪水多發(fā)生在5 — 10月。由于流域范圍較廣，各支流存在顯著的地理位置、氣候條件、暴雨成因等差異，洪水發(fā)生的時(shí)間也有所不同。桂東北有越城嶺和萌褚?guī)X山脈，阻擋東路冷空氣西移，湘江和桂江地處兩嶺間谷地，是冷空氣的主要通道，俗稱“湘漓走廊”；南北氣流最先在此地域交綏，并受地形抬升作用而降暴雨，因此，桂江的洪水最早，多發(fā)生在4 — 6月；當(dāng)冷空氣較強(qiáng)時(shí)，逐步向西推移，影響洛清江和柳江，暴雨亦向前推至該流域，柳江洪水多發(fā)生于6 — 7月；西北部的紅水河水系，上游處于云貴高原，是西北冷空氣南下的高山屏障，冷空氣越過高山，快速向下傾瀉，氣流下沉增溫難成雨；而且東南季風(fēng)在夏季初期較弱，難入西北部，因此，紅水河及郁江暴雨季節(jié)則相對(duì)較遲，洪水季節(jié)也就相應(yīng)推遲，多發(fā)生于7 — 9月。西江流域主要站點(diǎn)年最大流量分布頻率如表1所示，西江中、上游子流域汛期分布如圖1所示。

表1 西江流域主要站點(diǎn)年最大流量分布頻率

注：加粗字體為比例大于或者接近20%。

圖1 西江中、上游子流域汛期分布示意

西江上游洪水暴漲暴落，水位變幅大，中游干流由于沒有控制性水利工程調(diào)蓄，干流洪水與不斷匯入的支流洪水時(shí)常遭遇，較大洪水往往由幾場連續(xù)暴雨形成，造成下游洪水往往峰高、量大且歷時(shí)長，洪水過程呈多峰或肥胖的單峰形式，一次較大的洪水過程一般歷時(shí)30～40 d。西江下游梧州站調(diào)查最大洪峰流量為54 500 m3/s(1915年7月)，實(shí)測最大洪峰流量為53 900 m3/s(2005年6月)。

綜上所述，西江中上游地區(qū)汛期暴雨、洪水主要集中分布在6 — 9月，因此從天氣系統(tǒng)成因方面考慮，該大型水利樞紐汛期可以分為3個(gè)階段：前汛期(5月)、主汛期(6 — 9月)、后汛期(10月)。

3 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的汛期分期

3.1 洪水年內(nèi)分布分析

為了分析該大型水利樞紐壩址大洪水年內(nèi)時(shí)程變化規(guī)律，根據(jù)1971 — 2013年(下同)汛期5 — 10月壩址逐日平均流量系列，統(tǒng)計(jì)汛期各汛流量分布規(guī)律[10]，即將流量分為6個(gè)流量級(jí)別統(tǒng)計(jì)各個(gè)級(jí)別流量在各旬中發(fā)生的總次(天)數(shù)，如表2所示。按照壩址逐日平均流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各級(jí)流量對(duì)水庫運(yùn)行的要求及其發(fā)生規(guī)律如下：

① 歷史上只在6月下旬至7月下旬以及9月上旬期間發(fā)生超過34 500 m3/s的洪水，相當(dāng)于壩址5年一遇設(shè)計(jì)洪水量級(jí)；

② 日平均流量在21 000～34 500 m3/s之間洪水主要發(fā)生在5月中旬至9月上旬，而且在6月中旬至8月下旬發(fā)生頻率較高，發(fā)生此量級(jí)以上洪水時(shí)，樞紐需要保持閘門敞泄?fàn)顟B(tài)，樞紐基本恢復(fù)天然河道的泄洪狀態(tài)；

③ 日平均流量在16 300～21 000 m3/s之間洪水主要發(fā)生在5月中旬至9月下旬，且發(fā)生頻率較高的時(shí)段集中在6月上旬至9月上旬，發(fā)生此量級(jí)洪水時(shí)，發(fā)電機(jī)組需全部停機(jī)，并且閘門需要從控泄調(diào)度逐步過渡到敞泄?fàn)顟B(tài)；

④ 日平均流量在11 800～16 300 m3/s之間洪水發(fā)生在汛期的5月1日至10月20日期間，發(fā)生頻率較高的時(shí)段集中在5月中旬至9月下旬，發(fā)生此量級(jí)洪水時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告淹沒范圍計(jì)算邊界條件，必須通過閘門控泄，保證壩前水位維持在18.6 m，確保上游淹沒安全，且隨著流量上漲機(jī)組將從滿發(fā)狀態(tài)逐步過渡到全部停機(jī)狀態(tài)；

⑤日平均流量在7 450～11 800 m3/s之間洪水基本發(fā)生在整個(gè)汛期5 — 10月，除10月下旬以外，其他時(shí)段發(fā)生頻率較高(≥10%)，此量級(jí)洪水已經(jīng)超出了機(jī)組最大發(fā)電流量，為了維持水庫水位，必須通過閘門控泄調(diào)度，水庫存在棄水現(xiàn)象，同時(shí)可能受下游水位頂托使機(jī)組出力受阻；

⑥日平均流量在 6 120～7 450 m3/s之間時(shí)，電站無棄水發(fā)生，可以根據(jù)來水進(jìn)行發(fā)電調(diào)度，在9月上旬至10月下旬，與其他量級(jí)來水相比，此量級(jí)來水發(fā)生頻率最高。

表2 壩址逐日流量(Q)各旬分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)表(1971 — 2013年)

注：加粗字體為發(fā)生頻率大于等于25次。

根據(jù)以上所述洪水年內(nèi)分布，結(jié)合表2，可以將5月作為前汛期，6月上旬至9月上旬作為主汛期，9月中旬至10月下旬為后汛期。

3.2 徑流統(tǒng)計(jì)分析

壩址斷面汛期各旬多年平均流量及多年平均來水量統(tǒng)計(jì)如表3所示。從整個(gè)汛期的來水總量呈現(xiàn)由小至大再由大至小的總體規(guī)律。

表3 汛期各旬多年平均流量及多年平均來水量統(tǒng)計(jì)(1971 — 2013年)

從表3可以看到，6 — 8月期間，來水量較大，時(shí)間歷時(shí)占汛期總時(shí)長的50%，多年平均來水量占汛期總來水量的65.4%，而5月和9 — 10月兩個(gè)時(shí)間段的歷時(shí)分別占汛期時(shí)長16.8%和32.2%，其多年平均來水量分別僅占汛期總水量的13%和21.6%。

因此將5月上旬至5月中旬劃分為前汛期，5月下旬至9月上旬劃分為主汛期，9月中旬至10月下旬劃分為后汛期，3個(gè)階段的來水量、時(shí)長比重如表4所示。

表4 汛期分期來水量統(tǒng)計(jì)分析

3.3 年最大洪峰流量統(tǒng)計(jì)分析

該樞紐壩址年最大洪峰流量如圖2所示，可見年最大日平均流量最早出現(xiàn)在5月15日，最晚出現(xiàn)在9月3日， 2011年5月15日出現(xiàn)的年最大日平均流量15 377 m3/s、1972年6月26日出現(xiàn)的年最大日平均流量12 835 m3/s，除這兩年流量小于21 000 m3/s臨界值以外，其他均在21 000 m3/s臨界值附近及以上，且在汛期呈現(xiàn)分散式分布。

該大型水利樞紐汛期各天的歷年最大日平均流量Qd，max散點(diǎn)分布如圖3所示，以流量21 000 m3/s為臨界值，存在如下規(guī)律：① 5月1日至5月14日，日最大平均流量Qd，max均小于21 000 m3/s，且從5月1日至5月14日期間存在逐漸增大趨勢，符合前汛期的特征規(guī)律；②5月15日至9月8日期間日最大流量Qd，max絕大部分時(shí)間都大于21 000 m3/s，體現(xiàn)了主汛期多發(fā)生大洪水的特征；③9月9日至10月31日，日最大流量Qd，max均小于21 000 m3/s，并且從9月9日至10月31日總體上呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，符合后汛期“汛—枯”過渡的規(guī)律。

圖2 壩址年最大洪峰流量散點(diǎn)分布示意

圖3 壩址日最大流量散點(diǎn)分布示意

根據(jù)年最大洪峰流量和壩址日最大流量兩項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可以將該大型水利樞紐汛期分為以下3個(gè)階段，① 5月上旬至5月中旬，為前汛期，日最大流量小于21 000 m3/s，且未曾發(fā)生年最大洪水；②5月下旬至9月上旬為主汛期，日最大流量Qd，max絕大部分時(shí)間都接近或大于21 000 m3/s，是年最大洪水發(fā)生最集中的時(shí)間段；③9月中旬至10月下旬為后汛期，日最大流量Qd，max小于21 000 m3/s，且年最大洪水基本未出現(xiàn)在此期間。

4 分期方案綜合分析

根據(jù)天氣系統(tǒng)成因分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析分期計(jì)算成果，將多種汛期分期方法的計(jì)算成果進(jìn)行綜合比較，見表5。

表5 汛期分期計(jì)算結(jié)果比較

在樞紐初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)1946 — 2004年連續(xù)徑流系列，統(tǒng)計(jì)得知約有90%的年最大洪水均發(fā)生在6 — 8月[11]。經(jīng)以上綜合分析，6 — 8月是西江流域中上游特大洪水的多發(fā)期，暴雨集中，洪量較大，進(jìn)入9月以后，洪峰流量的量級(jí)比前期洪水要小一些，但也會(huì)發(fā)生秋汛，仍然有發(fā)生較大洪水的可能?？紤]到洪水特性及水庫調(diào)度可操作性，《水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制技術(shù)導(dǎo)則(征求意見稿)》要求，一般汛期分期不宜超過3期，且各分期時(shí)段不宜小于1個(gè)月。

綜上所述，通過對(duì)流域天氣系統(tǒng)成因、徑流數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析以及相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則的要求，建議將某大型水利樞紐的汛期分為3期：前汛期：5月份(5.1 — 5.31)；主汛期：6 — 8月(6.1 — 8.31)；后汛期：9 — 10月(9.1 — 10.31)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步開展汛期分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和分期汛限水位研究。

5 結(jié)語

本文通過采用成因分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等多種方法，對(duì)某大型水利樞紐洪水發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了深入分析，研究表明西江流域洪水具有顯著的季節(jié)性規(guī)律，并提出了可以將該大型水利樞紐汛期5 — 10月劃分為3個(gè)階段，分別是前汛期5月份、主汛期6 — 8月和后汛期9 — 10月。汛期分期方案將作為該樞紐開展汛期水位動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究的邊界條件，同時(shí)也可以為西江干流相關(guān)水利樞紐開展洪水資源化利用相關(guān)研究提供參考和依據(jù)。

[1] 葉長青，吳禮國. 長洲水利樞紐三江分流對(duì)發(fā)電影響的研究[J]. 紅水河，2012(3)：34-37．

[2] 胡四一，高波，王忠靜. 海河流域洪水資源安全利用——水庫汛限水位的確定與運(yùn)用[J]. 中國水利，2002(10)：105-108.

[3] 王宗志，王銀堂，胡四一. 水庫控制流域汛期分期的有效聚類分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2007(4)：580-585．

[4] 喻婷，郭生練，劉攀，等. 水庫汛期分期方法研究及其應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2006(8)：24-26,56．

[5] 馮尚友，余敷秋. 丹江口水庫汛期劃分的研究和實(shí)踐效果[J]. 水利水電技術(shù)，1982(2)：56-61．

[6] 陳守煜. 從研究汛期描述論水文系統(tǒng)模糊集分析的方法論[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，1995(2)：133-138．[7] 李林，梁國華. 水庫汛期分期的關(guān)鍵問題研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(2)：41-42，110，113．

[8] 陳芷菁，許揚(yáng)生. “05.6”西江暴雨洪水特性及預(yù)報(bào)分析[J]. 廣東水利水電，2009(2)：31-34．

[9] 陸航波，楊水陸. 長洲水利樞紐壩址洪水設(shè)計(jì)[J]. 廣西水利水電，2006(4)：37-40．

[10] 郭生練.三峽水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2011．

[11] 廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院. 廣西長洲水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].廣西：廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院， 2004．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Study on a Hydraulic Project Flood Season Staging Program

ZHAO Bikui, HUANG Bensheng, QIU Jing, TAN Chao, LUO Shuyan

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research,National and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine water technology, Guangzhou 510635, China)

The study of flood stage constitutes an important basis for the research of reservoir water level dynamic control in flood season. By using of both cause analysis method and mathematical statistics, an analysis to the occurrence law of rainstorms and floods in reservoir area of a large hydro project has been made, and a flood staging method of dividing flood season into such three stages as pre-flood season, major flood season and post-flood season has been proposed. The research results can provide a fundamental basis on utilization of rainwater resources for both the hydro project and related project in the same river basin.

large hydro project； flood stage；cause analysis；mathematical statistics

2016-07-15;

2016-08-20

廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012-02、2011-06、2014-06)。

趙璧奎(1985)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事水資源優(yōu)化配置研究工作。

TV213.9；TV697.1

A

1008-0112(2016)09-0006-05