基于多指標(biāo)的尼爾基水庫汛期分期研究

徐愛華

（遼寧燕東土木建筑工程咨詢有限公司，遼寧 本溪 117000）

尼爾基水庫位于嫩江干流中上游， 水面面積498.33km2， 水庫正常蓄水位216m， 設(shè)計(jì)洪水位218.15m，校核洪水位219.9m［1-3］。 水庫總庫容86.1億m3，興利庫容59.68億m3。水庫主要承擔(dān)城鎮(zhèn)生活、工業(yè)及農(nóng)田灌溉等供水任務(wù)， 近年來用水戶需水量不斷加大， 另外水庫本身也不斷增加蓄水量， 用于發(fā)電需求。在水庫保證安全運(yùn)行的前提下，為了更好地協(xié)調(diào)水庫防洪、興利等功能之間的關(guān)系，開展尼爾基水庫汛期分期研究，為水庫的防洪調(diào)度提供依據(jù)。

1 暴雨洪水季節(jié)性變化規(guī)律

1.1 暴雨時(shí)間分布特征

1.1.1 逐旬降水量分析

結(jié)合水庫1962—2019年共58年逐旬降水量統(tǒng)計(jì)資料，7月下旬降水量最大，達(dá)到63.5mm，其次為7月上旬和8月上旬。在汛期中降水量主要集中在6月下旬到8月下旬，平均旬降水量40.8mm，遠(yuǎn)大于汛期平均降水量32.8mm。 多年平均逐旬降水量分布趨勢如圖1。

圖1 多年平均逐旬降水量分布趨勢

1.1.2 25mm以上降水量級分析

根據(jù)1962—2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)日降水量在25mm以上的降水， 并按照旬統(tǒng)計(jì)該降水量下的次數(shù)。由圖2可知，大于25mm降水主要集中在6月下旬到8月下旬，達(dá)到58次，占整個(gè)汛期的83%。 其中7月下旬最大，達(dá)到16次，占整個(gè)汛期的23%。

圖2 大于25mm以上降水次數(shù)分布趨勢

1.1.3 1—3日最大降水量分析

根據(jù)1962—2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)6—9月范圍內(nèi)1—3日最大降水量次數(shù)。 由圖3可知，1—3日最大降水量集中分布在6月下旬到8月下旬，7月中旬1—3日最大降水次數(shù)平均在6次左右，7月下旬1—3日最大降水次數(shù)平均在12次左右，7月上旬和8月上旬1—3日最大降水次數(shù)平均近4次，8月中下旬1—3日最大降水次數(shù)平均近5次。通過對58年的1—3日最大降水量統(tǒng)計(jì)分析，1—3日的最大降水量分別為53.2，93.1，138.6mm。

圖3 1—3日最大降水量次數(shù)分布趨勢

根據(jù)降水時(shí)空分布的分析， 降水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個(gè)汛期分為前汛期、主汛期和后汛期3個(gè)階段。 逐旬降水量、25mm以上降水量級和1—3日最大降水量3項(xiàng)指標(biāo)的主汛期一致， 發(fā)生在6月下旬至8月下旬。

1.2 洪水時(shí)間分布特征

1.2.1 逐旬流量時(shí)間分布

根據(jù)1972—2019年6—9月份逐旬入庫流量資料，繪制了逐旬入庫流量變化趨勢線。同時(shí)與逐旬降水量進(jìn)行對比分析。由圖4可知，在整個(gè)汛期階段7月中旬到8月下旬水庫的入庫流量達(dá)到了最大值，均在逐旬平均流量以上。從發(fā)生的次數(shù)來看，旬流量大于1000m3/s次數(shù)發(fā)生在7月中旬—8月下旬。從降水量與流量兩項(xiàng)指標(biāo)的分析結(jié)果來看，基本一致，降水量、入庫流量的最大值均發(fā)生在整個(gè)汛期的7月中旬至8月下旬，但入庫流量略有滯后。

圖4 旬降雨量與旬入庫流量對比

1.2.2 最大洪峰流量分析

統(tǒng)計(jì)了1972—2019年共48年尼爾基水庫峰值及時(shí)間如表1。

表1 1972—2019年年最大洪峰發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表1可知，最大峰值出集中在6月下旬到8月下旬，所占比重達(dá)67%。 洪峰流量大于3000m3/s的洪水主要集中在6月下旬至9月上旬，大于5600m3/s的洪水最遲在8月下旬出現(xiàn)。

根據(jù)洪水時(shí)空分布的分析， 洪水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個(gè)汛期分為前汛期、主汛期和后汛期3個(gè)階段。逐旬流量與最大洪峰兩項(xiàng)指標(biāo)的主汛期一致，發(fā)生在6月下旬至8月下旬。

2 模糊統(tǒng)計(jì)法檢驗(yàn)汛期

為了確定汛期分期的合理性， 分別采用日降雨量、日入庫流量為指標(biāo)模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行檢驗(yàn)［4-5］。 以6—9月為汛期變化范圍， 確定汛期與非汛期界線的指標(biāo)為YT徑流=350m3/s、YT降雨=15mm/d。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)大于等于YT的起止時(shí)間來確定汛期范圍。 經(jīng)計(jì)算分析，日降水量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在6月21日—9月5日，日入庫流量指標(biāo)的主汛期發(fā)生在6月20日—9月5日，兩項(xiàng)指標(biāo)隸屬度變化曲線如圖5。

由圖5可知，日降水量、日流量作為分析指標(biāo)，隸屬度均為大于等于0.7，進(jìn)入主汛期，結(jié)果顯示日降水量作為指標(biāo)，6月21日—9月5日進(jìn)入主汛期； 日流量作為指標(biāo)，6月20日—9月5日進(jìn)入主汛期。

綜合以上分析， 兩項(xiàng)指標(biāo)的主汛期時(shí)間基本一致，只是開始時(shí)間略有差異，但考慮到主汛期來臨時(shí)洪水流量較大及結(jié)束時(shí)安全等因素， 最終確定主汛期為6月20日至8月31日。

3 汛期分期結(jié)果與分析

尼爾基水庫采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊統(tǒng)計(jì)兩種方法，分期結(jié)果如表2。

表2 水庫汛期分期成果統(tǒng)計(jì)

由表2可知， 在數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中采用旬降水量、25mm以上降水量級、1—3日最大降水量、 旬流量和洪峰流量為指標(biāo)研究汛期分期時(shí)， 主汛期結(jié)束的時(shí)間都是8月下旬。 當(dāng)旬降水大于汛期旬降水量、25mm以上降水量級次數(shù)占汛期的大于10%、1—3日最大降水量次數(shù)占汛期的大于5%、年最大洪峰流量次數(shù)占汛期的大于5%，均作為入主汛期考慮。

在模糊統(tǒng)計(jì)法中采用日降水量和日流量為指標(biāo)， 當(dāng)日降水量與日流量大于等于旬降水量與徑流系數(shù)之積的流量值時(shí)，隸屬度值大于等于0.7，進(jìn)入主汛期，也說明了數(shù)理統(tǒng)計(jì)法以各項(xiàng)指標(biāo)的汛期劃分。

根據(jù)水庫的多年運(yùn)行實(shí)際狀況， 在每年的9月1日之后抬升汛限水位后， 普遍在接下來的月份來水量較少，有效庫容很難蓄滿，達(dá)不到正常蓄水位，因此設(shè)置過渡階段，根據(jù)降水量的多少逐漸抬升水位。

根據(jù)兩種方法及實(shí)際運(yùn)行情況的分析， 確定水庫主汛期為6月21日至8月31日。

4 不同分期內(nèi)水位動(dòng)態(tài)控制方案

當(dāng)水庫處于退洪階段，且未來24h降雨小于暴雨量級時(shí)，24h預(yù)報(bào)期內(nèi)水庫水位動(dòng)態(tài)控制方案約束區(qū)域?yàn)椋?13.37，214.50m）。 在此約束區(qū)域內(nèi)，等間距生成8個(gè)可行的汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案。 表3列出了水庫汛期實(shí)時(shí)水位控制方案。

表3 水庫汛期實(shí)時(shí)水位控制方案

當(dāng)決策者同時(shí)看中風(fēng)險(xiǎn)和效益時(shí)最優(yōu)方案是方案4，決策者偏好風(fēng)險(xiǎn)時(shí)最優(yōu)方案是方案3，而當(dāng)決策者偏好效益時(shí)最優(yōu)方案是方案8。 由此可以看出，模糊優(yōu)選模型對權(quán)重較為敏感。 綜合以上分析，方案3為最佳推薦方案。

5 結(jié)語

通過尼爾基水庫汛期分期研究，汛期分期成果對尼爾基水庫汛期防洪、 調(diào)蓄供水具有一定指導(dǎo)和依據(jù)，使水庫發(fā)揮了最佳效益。 由于水庫汛期分期受到的影響因素眾多， 汛期分期結(jié)果與水庫實(shí)際運(yùn)行時(shí)，主汛期可能會(huì)出現(xiàn)提前或滯后，還需要根據(jù)當(dāng)時(shí)條件做相應(yīng)的微調(diào)，但總趨勢與范圍基本沒有變化，進(jìn)一步說明了汛期分期成果是合理的。 隨著氣候、降雨及徑流等因素的變化，汛期分期要做定期復(fù)核，同時(shí)管理部門要加強(qiáng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的水庫調(diào)度，為尼爾基水庫防汛、調(diào)蓄調(diào)度相協(xié)調(diào)且發(fā)揮最大效益提供指導(dǎo)意見。