改進(jìn)逐月頻率法在前坪水庫(kù)最小下泄流量上的應(yīng)用

陳 青 楊 智

改進(jìn)逐月頻率法在前坪水庫(kù)最小下泄流量上的應(yīng)用

陳 青 楊 智

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，在淮河流域水利工程建設(shè)中，尤其是新建水庫(kù)在水資源調(diào)度時(shí)逐步重視并兼顧下游河道的環(huán)境用水和生態(tài)用水。下泄生態(tài)需水量是指為滿足河流等生態(tài)系統(tǒng)正常繁衍、自凈、可持續(xù)發(fā)展等功能需要消耗的水量，最小下泄流量是指統(tǒng)籌考慮流域和區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)等各方面需求，不間斷地向下游泄放滿足生態(tài)環(huán)境等需水的最小流量。

一、研究方法

本文以河南省前坪水庫(kù)為例開(kāi)展多目標(biāo)約束下的水庫(kù)最小下泄流量?jī)?yōu)化方案研究。研究目標(biāo)為滿足水庫(kù)壩址下游河段維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量、維持河流水環(huán)境質(zhì)量的最小稀釋凈化水量、維持下游供水區(qū)城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)用水量三個(gè)約束條件。前坪水庫(kù)建議最小下泄流量過(guò)程線計(jì)算如下：

式中：EQj為推薦最小下泄流量過(guò)程線第j月的流量值；Qij為各目標(biāo)流量過(guò)程線的第j月的流量值，j=1，2，……，12；i=1，2，3（1指最小生態(tài)流量，2指滿足下游水環(huán)境的需水量，3指滿足灌溉用水要求后的下泄水量）。

1.生態(tài)需水量計(jì)算

生態(tài)需水量以Tennant法中10%的年平均天然徑流量作為上游來(lái)水為P=75%的不利水文條件下的基流水量，以改進(jìn)的逐月頻率計(jì)算法得到的流量作為P=90%和P=95%的不利水文條件下的基流水量。

2.環(huán)境需水量計(jì)算

前坪水庫(kù)建成后為山谷型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)水質(zhì)COD和NH3-N預(yù)測(cè)采用導(dǎo)則中的狹長(zhǎng)湖庫(kù)移流衰減模式：

式中：K1為湖庫(kù)污染物降解系數(shù)，1/d；V為湖庫(kù)體積，m3；Cp為污水的污染物濃度，mg/L；Qp為污水量，m3/s；Ch為湖庫(kù)污染物本底濃度，mg/L；Qh為湖水流出量，m3/s；C1為湖庫(kù)出口污染物平均濃度，mg/L。

根據(jù)壩下水源地、入河排污口和已有橡膠壩工程等的位置，將壩下北汝河劃為六個(gè)主要控制斷面，由于各控制斷面間的距離較遠(yuǎn)，可認(rèn)為點(diǎn)源污染物和面源污染物經(jīng)支流匯入時(shí)斷面為完全混合。河道水質(zhì)采用一維水質(zhì)模型，算出下游各斷面水質(zhì)指標(biāo)濃度值，檢驗(yàn)是否滿足下游水質(zhì)控制斷面的水質(zhì)，若滿足則認(rèn)為達(dá)到環(huán)境需水要求。

式中：Cx為河道預(yù)測(cè)斷面污染物濃度，mg/L；K為河道污染物降解系數(shù)，1/d；x為斷面間河段長(zhǎng)，m；u為河流平均流速，m/s；C0為本地濃度，mg/L；C面為點(diǎn)源污染物與面源污染物混合處的面源污染物濃度，mg/L；Q面為點(diǎn)源污染物與面源污染物混合處的面源污染物流速，m/s；C面為點(diǎn)源污染物與面源污染物混合處的面源污染物濃度，mg/L；Q點(diǎn)為點(diǎn)源污染物與面源污染物混合處的點(diǎn)源污染物流速，m/s。

3.水資源利用需水量計(jì)算

根據(jù)確定下泄流量后調(diào)算水資源利用需水量是否滿足，水資源利用量為扣除生態(tài)環(huán)境用水、蒸滲損失水量后，來(lái)水和水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容的水量應(yīng)能滿足給定保證率下的城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉等供水量。

二、改進(jìn)的逐月頻率計(jì)算法

（1）首先按傳統(tǒng)的逐月頻率法給出逐月的保證率，并計(jì)算不同時(shí)期不同保證率條件下的天然徑流量。本文根據(jù)淮河流域汛期多集中于6～9月，前坪水庫(kù)所在的伏牛山區(qū)降雨又多集中在8月的具體情況，分為豐水期（夏季）、平水期（春秋季）、枯水期（冬季）三個(gè)時(shí)期，并分別簡(jiǎn)記為Q豐、Q平、Q枯，考慮到在平、枯和特枯年時(shí)，水庫(kù)的來(lái)水、出水量較少，是水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)的重點(diǎn)時(shí)段或年份，需保障在最不利水文條件下水質(zhì)仍能維持河道生態(tài)穩(wěn)定，因此選擇來(lái)水保證率P=95%。

（2）分別計(jì)算Q豐、Q平、Q枯對(duì)應(yīng)典型年月份的平均值，簡(jiǎn)記為。

（3）計(jì)算逐月長(zhǎng)系列水文資料的平均值，簡(jiǎn)記為Q1、Q2、Q3、……Q12；再根據(jù)Q豐、Q平、Q枯對(duì)應(yīng)典型年的月份，分別計(jì)算出長(zhǎng)系列水文資料在該條件下的對(duì)應(yīng)平均值，簡(jiǎn)記為。

（5）最后得出修正后的逐月頻率法計(jì)算值為q=γij·Qj，其中i=1，2……12；j=豐、平、枯（先確定j值，即得到對(duì)應(yīng)的i值）。

三、前坪水庫(kù)最小下泄流量方案優(yōu)化

河南省前坪水庫(kù)是《淮河流域防洪規(guī)劃》中確定在北汝河干流上修建的以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水、兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水庫(kù)工程，水庫(kù)總庫(kù)容 5.90億 m3，最大壩高90.7m，控制流域面積1325km2。

在計(jì)算環(huán)境需水量時(shí)，用傳統(tǒng)的逐月徑流法得出的結(jié)果年內(nèi)分布符合實(shí)際規(guī)律，各月間徑流量有明顯差異。采用改進(jìn)后的逐月徑流法時(shí)，長(zhǎng)系列水文資料的各月徑流量差異更為顯著，因此需要對(duì)選取典型年過(guò)程中可能產(chǎn)生的隨機(jī)性進(jìn)行修正。該例中豐水期取7～9月，平水期取3～6月、10月、11月，枯水期取1月、2月、12月，見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)的逐月頻率法計(jì)算前坪水庫(kù)P=95%保證率生態(tài)用水過(guò)程表 單位：萬(wàn)m3

表2 不同來(lái)水保證率水資源供需分析表 單位：萬(wàn)m3

圖1 用改進(jìn)的逐月頻率法計(jì)算的逐月最小下泄流量圖

四、結(jié)論

對(duì)于有長(zhǎng)系列水文資料的大中型河流，可根據(jù)資料確定通過(guò)自我調(diào)節(jié)，并最終恢復(fù)維持河道內(nèi)生態(tài)穩(wěn)定的最小流量，理論上水文資料系列越長(zhǎng)，得出的典型年越具有代表性。但在實(shí)際應(yīng)用中，河道情況、來(lái)水等水文條件仍具有一定的隨機(jī)性。在同一保證率下使用改進(jìn)的逐月頻率法，通過(guò)對(duì)典型年的不同時(shí)期和逐月流量系列分別取平均值，并加權(quán)平均到對(duì)應(yīng)的具體典型年內(nèi)，可在一定程度上減少隨機(jī)誤差，從而得出更加適宜于計(jì)算河流實(shí)際情況的水文數(shù)據(jù)。

盡管改進(jìn)的逐月頻率法已經(jīng)在一定程度上減少了水文隨機(jī)誤差，但由于水文隨機(jī)現(xiàn)象是周期的、循環(huán)的、隨機(jī)的，在確定最終結(jié)果之前仍需多方面比較判斷是否對(duì)個(gè)別值進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于具體的水庫(kù)調(diào)度計(jì)算中，則是要遵循“循環(huán)波動(dòng)補(bǔ)償”原理，即全面考量循環(huán)的周期性、波動(dòng)的隨機(jī)性和補(bǔ)償?shù)目傮w性，得出綜合條件下的最優(yōu)最小下泄流量結(jié)果■

（作者單位：1.河海大學(xué) 210098 2.淮河流域水資源保護(hù)局淮河水資源保護(hù)科學(xué)研究所 233001）