南水水庫(kù)汛期分期與汛期限制水位研究

陳阿平，唐丹丹

(自貢市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 自貢，643000)

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水文水資源

南水水庫(kù)汛期分期與汛期限制水位研究

陳阿平，唐丹丹

(自貢市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 自貢，643000)

本文應(yīng)用模糊聚類法對(duì)南水水庫(kù)汛期進(jìn)行了劃分。結(jié)合廣東地區(qū)的降雨成因特性以及歷史洪水，將南水水庫(kù)汛期分為兩期：4月～6月為前汛期；7月～9月為后汛期。通過(guò)對(duì)水庫(kù)前汛期、后汛期和全汛期不同汛期限制水位方案進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，結(jié)合水庫(kù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)、校核洪水位，提出水庫(kù)前汛期、后汛期和全汛期汛期限制水位。

南水水庫(kù) 分期 模糊聚類法 調(diào)洪演算 汛期限制水位

1 概述

南水水庫(kù)位于南水河(北江水系的一級(jí)支流，發(fā)源于廣東省乳源縣黃坭峽頂)上，是一個(gè)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉的綜合利用樞紐工程。水庫(kù)壩址以上集水面積為608km2，占南水河流域的41.4%；多年平均入庫(kù)流量為30.4m3/s，相應(yīng)水量為9.61億m3。工程按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪水位為222.5m，按最大可能洪水(即0.01+20%)校核，相應(yīng)洪水位為225.9m；汛期控制水位為220.0m，死水位為197.0m。總庫(kù)容12.804×108m3，有效庫(kù)容為7.14×108m3，庫(kù)容系數(shù)為68%，屬于多年調(diào)節(jié)。

廣東省的雨季為4～9月[1、2]，通常分為兩個(gè)階段，第一階段為4～6月，以峰面降水為主，稱為前汛期；第二階段為7～9月，降水主要是由熱帶天氣系統(tǒng)如臺(tái)風(fēng)所造成，稱為后汛期。實(shí)際上，每年前汛期和后汛期來(lái)水都具有隨機(jī)性，在各汛期內(nèi)的不同時(shí)期，發(fā)生洪水的量級(jí)大小還是有一定差別的，而且前汛期到后汛期之間的氣候特性又具有一定的模糊性。所以，本文利用模糊聚類法來(lái)探討水庫(kù)汛期合理的分期方案。

2 分期指標(biāo)的選取

暴雨和洪水的時(shí)程分布和變化是水庫(kù)汛期分期的主要影響因素。暴雨反映了氣象因素的影響，是洪水成因變化規(guī)律的體現(xiàn)，而且降雨受人類活動(dòng)的影響比較小，基本無(wú)趨勢(shì)性變化?；谝陨戏治?，本文選取流域4個(gè)代表站的逐日降雨資料進(jìn)行分析，具體選取4個(gè)指標(biāo)，即多年平均月最大1日面平均雨量、多年平均月最大3日面平均雨量、多年平均月最大5日面平均雨量、多年平均月最大7日面平均雨量。其特征值見(jiàn)表1。

表1 南水水庫(kù)汛期分期指標(biāo)特征值 單位：mm

3 模糊聚類法汛期分期

模糊聚類法[3、4]是把具有相同屬性或相同特點(diǎn)的事物歸為一類，是多元統(tǒng)計(jì)“物以類聚”的一種統(tǒng)計(jì)方法。模糊聚類的一般步驟為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立模糊相似矩陣，聚類。在實(shí)際問(wèn)題中，不同的數(shù)據(jù)一般有不同的量綱。為了使有不同量綱的量也能比較，且數(shù)據(jù)在[0，1]區(qū)間上，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)淖儞Q；建立模糊相似矩陣就是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)系矩陣，計(jì)算樣本之間的接近程度，用一個(gè)絕對(duì)值小于1的相似系數(shù)r表示。相似系數(shù)的計(jì)算方法很多[5]，應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題選用，本文采用直接切比雪夫距離法，聚類推薦采用傳遞閉包法。該方法通過(guò)構(gòu)建滿足對(duì)稱性、自反性和傳遞性的模糊等價(jià)矩陣進(jìn)行聚類分析。

利用上述4個(gè)指標(biāo)，根據(jù)模糊聚類法的計(jì)算步驟求出模糊等價(jià)矩陣，取截度λ=0.85，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，4月、7月和8月的相似度為1，歸為一類；5月和6月歸為一類；9月獨(dú)立為一類。但考慮時(shí)間的連續(xù)性和汛期分期不宜太細(xì)，將4月歸于5月、6月一類，9月歸于7月、8月一類。將汛期分為2期：4月～6月為一類，作為前汛期；7月～9月為一類，為后汛期。

表2 模糊聚類法聚類結(jié)果

4 汛期限制水位推求

目前南水水庫(kù)的校核洪水位Z校=225.9m，設(shè)計(jì)洪水位Z設(shè)=222.5m，故本次計(jì)算取水庫(kù)校核洪水位Z校=225.9m、設(shè)計(jì)洪水位Z設(shè)=222.5m作為風(fēng)險(xiǎn)的控制指標(biāo)。

(1)以0.01%+Δ頻率各種典型的最高水位均不超過(guò)225.9m，0.1%頻率各種典型設(shè)計(jì)洪水的最高水位均不超過(guò)222.5m為控制，確定各個(gè)汛期的防洪限制水位；

(2)目前南水水庫(kù)的校核洪水位Z校=225.9m，故本次計(jì)算也取水庫(kù)校核洪水位Z校=225.9m作為極限風(fēng)險(xiǎn)的控制指標(biāo)。

因水庫(kù)下游沒(méi)有具體的防洪要求，且水庫(kù)僅有一個(gè)泄洪洞，在水庫(kù)水位達(dá)到壩頂高程(225.9m)的情況下，泄洪洞的敞泄流量與電站滿發(fā)流量加在一起不超過(guò)500m3/s，即可滿足下游防洪要求。

根據(jù)擬定的防洪調(diào)度規(guī)則，采用水量平衡方程〔5〕計(jì)算出各種汛限水位調(diào)整方案下前汛期、后汛期和全汛期的水庫(kù)特征水位(見(jiàn)表3)。

從表3和圖1～圖3可以得出：

(1)隨著汛限水位的提高，調(diào)洪高水位也在不斷增加；

(2)前汛期，當(dāng)汛限水位約在219.7m時(shí)，調(diào)洪高水位等于設(shè)計(jì)洪水位；當(dāng)汛限水位約為219.1m時(shí)，調(diào)洪高水位等于校核洪水位。根據(jù)調(diào)洪指標(biāo)，確定前汛期的汛限水位為219.1m；

(3)后汛期，當(dāng)汛限水位約為220.6m時(shí)，調(diào)洪高水位等于設(shè)計(jì)洪水位；當(dāng)汛限水位約為219.7m時(shí)，調(diào)洪高水位等于校核洪水位。根據(jù)調(diào)洪指標(biāo)，確定后汛期的汛限水位為219.7m；

表3 水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算成果

(4)全汛期，當(dāng)汛限水位約為219.6m時(shí)，調(diào)洪高水位等于設(shè)計(jì)洪水位；當(dāng)汛限水位約為218.4m時(shí)，調(diào)洪高水位等于校核洪水位。根據(jù)調(diào)洪指標(biāo)，確定全汛期的汛限水位為218.4m；

圖1 前汛期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算成果

圖2 后汛期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算成果

(5)綜合比較前汛期、后汛期及全汛期所得的汛限水位，得出各汛期汛限水位基本合理。

當(dāng)南水水庫(kù)分期調(diào)度運(yùn)行時(shí)，前汛期汛期限制水位219.1m，后汛期汛期限制水位219.7m，均比無(wú)分期調(diào)度運(yùn)行汛期限制水位有所抬高，前汛期抬高約0.7m，后汛期抬高約1.3m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用模糊聚類法對(duì)南水水庫(kù)汛期進(jìn)行了劃分。結(jié)合廣東地區(qū)的降雨成因特性以及歷史洪水，將南水水庫(kù)汛期分為兩期：4月～6月為前汛期；7月～9月為后汛期。通過(guò)對(duì)水庫(kù)前汛期、后汛期和全汛期不同汛期限制水位方案進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，結(jié)合水庫(kù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)、校核洪水位，提出水庫(kù)前汛期、后汛期汛期限制水位：前汛期汛期限制水位219.1m，后汛期汛期限制水位219.7m，可供水庫(kù)分期調(diào)度運(yùn)用參考。限于資料條件，本文只考慮降水特性，是對(duì)華南地區(qū)水庫(kù)分期的一個(gè)初步探索。對(duì)于具體水庫(kù)汛期的劃分，還要進(jìn)一步考慮洪水特性，以使水庫(kù)汛期劃分更為合理。

〔1〕梁必騏.天氣學(xué)教程.北京：氣象出版社，1990：536～585.

〔2〕章 淹主編.暴雨預(yù)報(bào).北京：氣象出版社，1990：27～87.

〔3〕謝季堅(jiān).模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005：62～64.

〔4〕洪家寧.模糊聚類分析在寶珠寺水電站施工洪水分期中的初步探討[J].四川水利發(fā)電，1993，(2)：15～19.

〔5〕葉秉如.水利計(jì)算及水資源規(guī)劃[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：92.

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