鬧德海水庫水沙聯(lián)合調(diào)度模擬研究

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新　123000)

1　概　述

我國水資源缺乏，水資源時(shí)空分布不均，為了緩解這一矛盾，自上世紀(jì)50年代以來，修建了大量的水庫等攔蓄水工程，對減少洪澇災(zāi)害、充分利用水資源、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全等起到了重要作用。水庫的修建改變了河流的流態(tài)，使泥沙淤積在庫內(nèi)，造成一定的庫容損失，尤其在多沙河流中更為明顯。水庫淤積不僅使水庫防洪和興利作用及設(shè)計(jì)壽命降低，影響大壩運(yùn)行安全，也使庫區(qū)上游淹沒和土地鹽堿化，使下游河道河床形態(tài)發(fā)生變化。為了更好地發(fā)揮水庫各方面的效益，應(yīng)對泥沙淤積的機(jī)理進(jìn)行充分的研究，并制定出減緩淤積和排沙的水庫運(yùn)行調(diào)度方案。

遼寧省水資源相對較少，尤其是西北部的阜新市供水矛盾十分突出。鬧德海水庫是位于遼寧省阜新市的遼河支流柳河上的大(2)型水庫，柳河干流泥沙含量較高，該水庫修建是為了滯洪和攔截柳河泥沙，但隨著阜新市水資源日益緊張，該水庫的主要功能變成為阜新市供水。隨著該水庫主要功能的改變，水庫的調(diào)度運(yùn)行目標(biāo)也變?yōu)榉篮榕派撑c供水。柳河枯水期水量較小，而洪水期水量暴增且攜帶大量泥沙，造成每年有1億m3以上的水白白流失。如何解決柳河防洪排沙與興利蓄水之間的矛盾，在滿足防洪要求的前提下，減少泥沙淤積，增加需水量，是亟待解決的問題。本文通過對鬧德海水庫20場洪水的調(diào)查，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對20場洪水在各汛限控制水位下的排沙量進(jìn)行模擬計(jì)算，為水庫的水沙聯(lián)合調(diào)度提供了科學(xué)的依據(jù)。

2　工程概況

鬧德海水庫位于柳河上游，大壩地處遼寧省阜新市彰武縣，壩址以上河道長約155km，流域面積4050km2，建于1938—1942年，并在1965年、1970年、1991—1994年歷經(jīng)加固、改建和除險(xiǎn)加固。大壩高44.50m、長167m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)水位189.50m，相應(yīng)庫容1.37億m3；校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，校核水位193.10m，相應(yīng)庫容2.23億m3；興利水位181.50m，對應(yīng)庫容0.5億m3。水庫上游地貌主要有低山丘陵區(qū)、漫崗區(qū)、坨甸區(qū)和平原區(qū)等，地形較為復(fù)雜，植被覆蓋率較低，徑流主要由降水形成，泥沙含量較大，多年平均含沙量約40kg/m3，多年平均輸沙量1050萬t，上游河道比降大，水流湍急，壩址處多年平均徑流量為2.65億m3，其中6—9月徑流量約占全年的6成左右。暴雨多發(fā)生在7月或8月，暴雨時(shí)間較短，洪水呈暴漲急落的特點(diǎn)，水庫的泥沙主要來自于上游的支流養(yǎng)畜牧河和扣河子河。水庫自建成至1969年之前一直未蓄水，幾乎沒有淤積；自1970—1994年冬季蓄水春季放水，汛期敞排，淤積量約940萬m3；自1995—2000年主汛期敞排，其余時(shí)間關(guān)閘供水，受來水?dāng)y沙量減小的影響，未產(chǎn)生淤積反而產(chǎn)生沖刷，沖刷量約690萬m3；自2001至今采用汛期汛限水位運(yùn)行，淤積量約140萬m3。

3　水沙聯(lián)合調(diào)度

3.1　洪水調(diào)度準(zhǔn)則

根據(jù)水庫的防洪、供水和排沙等方面目標(biāo)，對水庫1989—2007年之間的汛期20場洪水資料的分析，制定了三種汛限水位動態(tài)控制上限，分別為171.00m、174.00m、177.50m，并制定洪水調(diào)度準(zhǔn)則：當(dāng)洪水開始上漲，入庫流量不大于200m3/s時(shí)，使下泄流量與入庫流量相等并保持庫水位在汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m；當(dāng)入庫流量超過200m3/s時(shí)，閘門全開，開敞泄洪；當(dāng)洪水消退、庫水位低于171.00m、174.00m、177.50m，且入庫流量小于50m3/s時(shí)，可蓄水，但應(yīng)使庫水位不超過171.00m、174.00m、177.50m。

3.2　水沙聯(lián)合調(diào)度方案

3.2.1出庫水沙關(guān)系模型

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立出庫水沙關(guān)系模型，首先確定模型的輸入和輸出條件，根據(jù)水庫運(yùn)行調(diào)度的情況，確定輸入條件為入庫沙量等級S、某一時(shí)段出庫流量Q(t)，某一時(shí)段水位H(t)，確定輸出條件為出庫輸沙率SS(t)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1　出庫水沙關(guān)系BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

采用BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)模型計(jì)算前，需要對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，公式如下：

(1)

式中x——轉(zhuǎn)換前的數(shù)值；

y——轉(zhuǎn)換后的數(shù)值；

maxValue——數(shù)值中的最大值；

minValue——數(shù)值中的最小值。

將歸一化處理過的數(shù)值(入庫沙量等級S、某一時(shí)段出庫流量Q(t)、某一時(shí)段水位H(t))輸入到模型中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型按(2)式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中S(t)——某一時(shí)段入庫沙量等級；

Q(t)——某一時(shí)段出庫流量；

H(t)——某一時(shí)段水位；

SS(t)——某一時(shí)段出庫輸沙率。

根據(jù)對水庫1989—2007年之間的汛期20場洪水資料的分析，制定了入庫沙量分級標(biāo)準(zhǔn)，并對20場洪水進(jìn)行了入庫沙量等級分級。入庫沙量分級標(biāo)準(zhǔn)見下表，入庫沙量等級如圖2所示。

入庫沙量分級標(biāo)準(zhǔn)表

圖2　各場次洪水的入庫沙量等級

3.2.2調(diào)度方案

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，按照汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m進(jìn)行調(diào)度，分別模擬計(jì)算1989—2007年間20場洪水各場次各控制水位下的排沙量，并與實(shí)際出庫沙量對比。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：在同一場洪水中，隨著調(diào)度采用的汛限水位的升高，出庫沙量逐漸減小，且大部分均小于敞排時(shí)實(shí)際出庫沙量，僅199602場次在177.50m汛限水位下出庫沙量增大且大于實(shí)際出庫沙量，此外2003、200501、200502、2007場次在171.00m汛限水位下出庫沙量較實(shí)際出庫沙量大。結(jié)合圖2各場次洪水入庫沙量等級還可以發(fā)現(xiàn)，洪水場次的入庫沙量等級越大，即該場次的入庫沙量越大時(shí)，不同汛限水位調(diào)度方案的排沙量差別越大，對比不同等級的洪水場次沙量在相同水位級下差值很大，但是不同洪水場次的沙量都是隨著水位級升高而減小如：199002場次的入庫沙量等級為6，171.00m汛限水位時(shí)的排沙量為164萬m3，174.00m汛限水位時(shí)的排沙量為92萬m3，175.50m汛限水位時(shí)的排沙量為46萬m3，三者差距依次為72萬m3、46萬m3和118萬m3；199403場次的入庫沙量等級為4，171.00m汛限水位時(shí)的排沙量為253萬m3，174.00m汛限水位時(shí)的排沙量為167萬m3，175.50m汛限水位時(shí)的排沙量為95萬m3，三者差距依次為86萬m3、72萬m3和158萬m3。當(dāng)洪水場次的入庫沙量等級越小時(shí)，不同汛限水位調(diào)度方案的排沙量差別很小，如：1997場次的入庫沙量等級為1，171.00m汛限水位時(shí)的排沙量為19萬m3，174.00m汛限水位時(shí)的排沙量為18萬m3，175.50m汛限水位時(shí)的排沙量為17萬m3，三者差距依次為1萬m3、1萬m3和2萬m3；2007場次的入庫沙量等級為1，171m汛限水位時(shí)的排沙量為6萬m3，174.00m汛限水位時(shí)的排沙量為4萬m3，175.50m汛限水位時(shí)的排沙量為4萬m3，三者差距依次為2萬m3、0萬m3和2萬m3。

圖3　各調(diào)度方案排沙量與實(shí)際出庫沙量結(jié)果對比

4　結(jié)　論

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和汛限控制水位171.00m、174.00m、177.50m對1989—2007年間20場洪水在各控制水位下的排沙量進(jìn)行模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：在同一場洪水中，隨著調(diào)度采用的汛限水位的升高，出庫沙量逐漸減小，且大部分均小于敞排時(shí)實(shí)際出庫沙量；洪水場次的入庫沙量等級越大，即該場次的入庫沙量越大時(shí)，不同汛限水位調(diào)度方案的排沙量差別越大；洪水場次的入庫沙量等級越小時(shí)，不同汛限水位調(diào)度方案的排沙量差別很小。

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