長系列法在水庫初期蓄水計(jì)算中的應(yīng)用

張峰遠(yuǎn)，何建航（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110006）

長系列法在水庫初期蓄水計(jì)算中的應(yīng)用

張峰遠(yuǎn)，何建航
（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對(duì)水庫初期蓄水計(jì)算問題，給出了長系列法計(jì)算的實(shí)現(xiàn)流程，并分析該方法較典型年法的優(yōu)勢(shì)。以三座店水庫為例，采用該方法得出以概率形式的水庫蓄滿時(shí)間及保證程度結(jié)果。在條件許可的情況下，采用該方法可更加全面的分析水庫蓄水過程。

水庫；初期蓄水；長系列法；代表年法

1　引言

水庫建成后，從開始蓄水到水庫蓄滿進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，都需要一個(gè)初期運(yùn)轉(zhuǎn)階段，稱為水庫初期蓄水期。調(diào)節(jié)性能差、庫容系數(shù)小的水庫往往一個(gè)汛期即可蓄滿，且對(duì)下游的影響較小，而調(diào)節(jié)性能較好，庫容系數(shù)較大的水庫，特別是多年調(diào)節(jié)水庫，水庫從下閘蓄水到轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行往往要延續(xù)數(shù)年的時(shí)間［1］。

水庫初期蓄水計(jì)算常采用代表年法，代表年法計(jì)算簡(jiǎn)便、對(duì)資料要求不高，同時(shí)又較能說明問題，被廣泛采用。但代表年法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，代表年的選取有較大的經(jīng)驗(yàn)因素，按不同的水文要素排頻可能造成代表年選取的差異，選擇合適的代表年，具有一定的難度和偶然性，計(jì)算過程中需要選擇多個(gè)典型年進(jìn)行比較以提高計(jì)算精度。目前，長系列法在水庫調(diào)度、規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用［2-4］。長系列法得到的參數(shù)（設(shè)計(jì)庫容、設(shè)計(jì)供水量等），其設(shè)計(jì)保證率概念比較明確，所以在條件許可時(shí)應(yīng)采用長系列操作確定參數(shù)。

2　長系列法計(jì)算流程

確定水庫初期蓄水時(shí)機(jī)、蓄水規(guī)則后，根據(jù)水庫長系列逐年月（旬）徑流過程，從第一年相應(yīng)開始蓄水時(shí)間起徑流全系列順序滑動(dòng)計(jì)算，即徑流全系列中，每一年都可以成為初期蓄水計(jì)算的第一年，求得所有年份的蓄水時(shí)間和蓄水過程。然后按經(jīng)驗(yàn)頻率繪制“蓄水時(shí)間”的保證率曲線，再由設(shè)計(jì)保證率（P=75%，P=50%，P=25%）確定初期蓄水時(shí)間和相應(yīng)過程。計(jì)算流程如圖1所示。

圖1　水庫初期蓄水長系列法計(jì)算流程圖

3　實(shí)例應(yīng)用

3.1工程概況

三座店水利樞紐工程位于西遼河上游老哈河水系英金河的支流陰河下游，赤峰市松山區(qū)初頭朗鎮(zhèn)三座店村附近，距赤峰市城區(qū)35 km。三座店水庫是一座集城市防洪、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉等功能為一體的綜合性大型水利樞紐工程。水庫總庫容3.052億m3，屬于大（2）型工程，工程等別為Ⅱ等，主壩為瀝青混凝土心墻堆石壩、副壩為復(fù)合土工膜心墻砂礫石壩。

3.2蓄水時(shí)機(jī)

三座店水庫2009年已經(jīng)下閘蓄水，水庫目前蓄水采用水庫蓄水安全鑒定時(shí)確定的蓄水方案，即在汛期7月1日至9月10日最高蓄水水位為688.0 m，非汛期9月11日至次年6月30日最高蓄水水位為698.0 m。水庫進(jìn)一步蓄水起始時(shí)間確定為庫區(qū)移民動(dòng)遷全部完成后的次年1月初，起始水位采用水庫下閘蓄水時(shí)確定的非汛期控制蓄水水位698.0 m。

3.3蓄水規(guī)則

1）蓄水控制水位。按水庫初步設(shè)計(jì)時(shí)確定的前10年控制運(yùn)用水位運(yùn)行，即非汛期9月11日至次年6月30日水庫最高蓄水位為717.0 m，汛期7月1日至9月10日，最高蓄水水位為717.0 m，死水位為700.0 m。

2）下游用水和水庫初期運(yùn)行期興利要求。水庫初步設(shè)計(jì)時(shí)水庫供水對(duì)象為向赤峰市城市、下游農(nóng)業(yè)及河道生態(tài)供水。目前，三座店水利樞紐中心城區(qū)引供水工程初設(shè)（赤峰市城市供水工程）已通過審查，工程設(shè)計(jì)工期14個(gè)月，但工程尚未開工建設(shè)，不具備供水條件。因此該階段運(yùn)用期間暫不考慮赤峰市供水任務(wù)。

下游用水主要考慮壩下環(huán)境用水及初頭朗灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水。壩下環(huán)境用水量：按水庫初步設(shè)計(jì)時(shí)批復(fù)的按天然最枯月平均流量的 90%即0.283 m3/s考慮。農(nóng)業(yè)灌溉用水：主要是初頭朗灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水，水庫初步設(shè)計(jì)時(shí)，水庫直供灌區(qū)灌溉水量為719萬m3，灌溉保證率75%?，F(xiàn)在灌區(qū)內(nèi)由于工程占地、作物調(diào)整及水源方式改變等原因，灌溉面積減少，需水庫供給的水量為402萬m3，灌溉保證率75%。這次水庫初期運(yùn)用，按直供農(nóng)業(yè)水量402萬m3考慮。

3.4計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1長系列法計(jì)算結(jié)果

三座店水庫蓄滿時(shí)間最短為第一年的7月上旬，最長為第三年七月下旬；第一年8月上旬至第二年8月下旬之間的蓄滿的機(jī)率最大，為66%；第一年9月上旬蓄滿的機(jī)率為25%；第二年6月下旬蓄滿的機(jī)率為50%，第二年8月下旬蓄滿的機(jī)率為75%，蓄水時(shí)間少于3年的累計(jì)概率為100%，水庫三年內(nèi)蓄滿是有保障的?！靶钏畷r(shí)間”保證率曲線見圖2。

面的反應(yīng)水庫蓄滿機(jī)率分布，使水庫運(yùn)行管理者更充分的了解不同時(shí)段水庫可能蓄水位的分布機(jī)率，便于水庫的控制運(yùn)行。

4　結(jié)論

水庫建設(shè)是以蓄水發(fā)揮效益為最終興利目標(biāo)，合理選取蓄水進(jìn)度既不影響水庫效益又能減少工程投資及水庫蓄水對(duì)下游影響十分重要。長系列法以歷史長系列資料為基礎(chǔ)，能夠避免典型年法多輪選取的繁瑣過程，較典型年法能更全面的反應(yīng)水庫蓄水可能經(jīng)歷的過程，可以給出水庫在不同時(shí)間蓄滿的機(jī)率。水庫蓄水計(jì)算可在原工程設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，選擇該方法更加全面分析水庫蓄水過程。

水庫實(shí)際蓄水過程中存在一些不確定的因素將增加水庫初期蓄水的風(fēng)險(xiǎn)，這次初期蓄水計(jì)算未考慮蓄水率約束及水質(zhì)因素等對(duì)水庫初期蓄水的影響，今后需結(jié)合多種影響因素進(jìn)一步論證蓄水方案的可靠性。持一致，與豐水期相比，枯水期改善效果較為明顯。聯(lián)合調(diào)度方案實(shí)施后，遼陽監(jiān)測(cè)斷面COD濃度全年變化趨勢(shì)基本與現(xiàn)狀值保持一致，年平均濃度為8.03 mg/l，水質(zhì)類別維持在I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；氨氮濃度在枯水期有較明顯降低，枯水期平均濃度為0.69 mg/l，與現(xiàn)狀值相比降低了14.29%，水質(zhì)類別維持在III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氨氮濃度的超標(biāo)是制約河道水質(zhì)（枯水期）達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素，通過增加枯水期河道流量，稀釋作用效果明顯，生態(tài)調(diào)度方案可行。

3）聯(lián)合調(diào)度方案實(shí)施后，唐馬寨監(jiān)測(cè)斷面各月水質(zhì)特征污染物濃度均基本小于現(xiàn)狀實(shí)測(cè)值。COD濃度降低程度較大，年內(nèi)平均濃度為7.81 mg/l，降低了38.21%，水質(zhì)類別基本維持在I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；氨氮濃度枯水期下降較為明顯，平均濃度為2.57 mg/l，降低了16.43%，豐水期特征污染物濃度基本與現(xiàn)狀值保持一致。唐馬寨控制斷面氨氮濃度的超標(biāo)是制約河道水質(zhì)（枯水期）達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素，通過增加河道流量，稀釋作用效果明顯，生態(tài)調(diào)度方案可行；若徹底改善水生態(tài)環(huán)境，還需從污染源控制措施入手。

4結(jié)論

1）MIKE11模型軟件模擬精度較高，不僅能夠?qū)泳W(wǎng)進(jìn)行水動(dòng)力水質(zhì)模擬，還能將水庫、閘壩等水利工程進(jìn)行概化處理與耦合計(jì)算，最大程度地還原河道真實(shí)徑流水質(zhì)演變過程，可為閘壩聯(lián)合調(diào)度提供水量水質(zhì)響應(yīng)工具。

2）渾太河流域研究實(shí)例表明，在流域尺度內(nèi)制定水庫群與閘壩水量聯(lián)合調(diào)度方案，不僅能夠在一定程度上促進(jìn)河流水質(zhì)改善，還能保障工農(nóng)業(yè)及生活用水不發(fā)生破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理調(diào)配與利用；但對(duì)于排污口密集、水體污染嚴(yán)重河段，還需從污染源頭控制等根本性措施入手。

3）文中僅從水環(huán)境水質(zhì)改善角度對(duì)水庫群與閘壩聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如何以水生態(tài)改善為目標(biāo)，并結(jié)合相關(guān)指標(biāo)對(duì)聯(lián)合調(diào)度方案的改善效果進(jìn)行分析與評(píng)估是進(jìn)一步的研究展望與探索。

［1］王強(qiáng)，周惠城，梁國華.渾太流域水庫群聯(lián)合供水調(diào)度模型研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33（3）：42-54.

［2］黃琳煜，聶秋月，周全，等.基于MIKE11的白蓮涇區(qū)域水量水質(zhì)模型研究［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（8）：21 -24.

［3］王領(lǐng)元.丹麥MIKE11水動(dòng)力模塊在河網(wǎng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用研究［J］.中國水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2007，7（2）：106-107.

［4］顧玨蓉，徐祖信，林衛(wèi)青.蘇州河水系水動(dòng)力模型建立及應(yīng)用［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（10）：606-609.

［5］楊洵.太子河觀一參河段水質(zhì)改善調(diào)控技術(shù)研究［D］.遼寧大連：大連理工大學(xué)，2011.

[收稿日期]2016-04-14

圖2三座店水庫“蓄水時(shí)間”保證率曲線

3.4.2典型年法計(jì)算結(jié)果

按1956—2009年系列入庫水量連續(xù)2年滑動(dòng)排頻，選擇豐、平、枯三個(gè)典型年組，頻率為25%左右的的典型豐水年組有 1960—1961年、1985—1986年、1991—1992年；頻率為50%左右的典型豐水年組有 1971—1972年、1990—1991年、1970—1971年；頻率為75%左右的典型豐水年組有2001—2002年、2004—2005年、1977—1978年。

頻率相近的不同典型年組由于徑流過程不同，蓄滿時(shí)間可能有較大差異。以豐水年為例，分別以1960—1961年、1985—1986年、1991—1992年為典型過程，計(jì)算得到的蓄滿時(shí)間分別為第一年的9月下旬、第二年的6月下旬、第二年的7月上旬。

經(jīng)多輪計(jì)算分析，最終選取典型年25%（1960—1961年）、50%（1990—1991年）及75%（1977—1978年）。通過對(duì)豐、平、枯三個(gè)典型年組下的水庫興利調(diào)節(jié)計(jì)算，可知當(dāng)遇到豐水年時(shí)，水庫水位于第一年9月下旬即可蓄滿；當(dāng)遇到平水年時(shí)，水庫水位于第二年7月中旬即可蓄滿；當(dāng)遇到枯水年時(shí)，水庫水位于第二年9月上旬即可蓄滿。

3.4.3結(jié)果分析

1）長系列法能夠避免典型年法多輪選取典型年的繁瑣過程，特別是對(duì)于多年調(diào)節(jié)水庫，典型年法選取不當(dāng)，可能造成較大的誤差。位于徑流系列變差系數(shù)較大河流上的多年調(diào)節(jié)水庫，可能得出豐水年蓄滿時(shí)間反而比平水年長的矛盾結(jié)論，但長系列法對(duì)資料的完整性要求比較高。

2）長系列法較典型年法的計(jì)算結(jié)果能更加全

TV12

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1002－0624（2016）08－0035－02

2016-03-03

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“重點(diǎn)流域環(huán)境流量保障與容量總量控制管理關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范（2013ZX07501-04）”課題