大型水庫群對流域洪水過程影響分析

萬新宇,管秀峰,鐘平安,汪曼琳,梅 杰

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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大型水庫群對流域洪水過程影響分析

萬新宇,管秀峰,鐘平安,汪曼琳,梅 杰

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

以淮河流域魯臺子上游大型水庫群為例,比較水庫修建前后下游斷面洪水過程變化情況,分析水庫群對洪水過程的總影響,提出逐庫添加法劃分各水庫在洪水過程變化中的貢獻(xiàn),明確各水庫的影響程度,采用分級聚類法對水庫影響程度進(jìn)行劃分,甑別重要水庫。結(jié)果顯示淮河流域大型水庫群顯著削減了魯臺子斷面洪水總量與洪峰流量,峰現(xiàn)時間也有所變化,各庫貢獻(xiàn)差異較大,其中梅山、響洪甸、宿鴨湖、南灣、鲇魚山和佛子嶺等6座水庫對魯臺子斷面洪水過程影響顯著,是流域防洪調(diào)度的重點(diǎn)水庫。

水庫群;洪水過程;聚類分析;防洪決策;淮河流域

氣候變化與人類活動是影響流域水文循環(huán)的兩大因素,其中人類活動對流域水文特性的影響程度日趨加深[1]。在流域內(nèi)修建水庫是人類活動的主要形式,但隨著流域內(nèi)水庫數(shù)量的不斷增多,導(dǎo)致流域下墊面特征發(fā)生顯著變化,從而影響了流域徑流形成過程,給流域水文預(yù)報(bào)、水資源規(guī)劃以及水文分析計(jì)算等研究帶來諸多困難。為了弄清流域水庫(群)對徑流形成過程的影響,國內(nèi)外不少學(xué)者就此展開了深入研究。

在水文預(yù)報(bào)方面,為了提高流域洪水預(yù)報(bào)精度,熊金和等[2]通過定性分析烏江主要水電站對烏江流域水文特性的影響,對其洪水預(yù)報(bào)方案做了相應(yīng)的調(diào)整;李成林等[3-4]研究了流域小水庫塘壩對徑流變化的影響,通過對不同場次洪水小水庫塘壩蓄放比的計(jì)算,分析了小水庫塘壩蓄放比在汛期不同階段的變化規(guī)律,合理設(shè)置水利工程攔蓄比,校正了洪水預(yù)報(bào)值,又通過改進(jìn)新安江模型流域蓄水能力參數(shù),使模型能夠考慮水利工程對洪水的影響,以考慮影響后的模擬徑流值作為真實(shí)值,與原始模擬徑流值比較,分析水利工程對洪水的影響程度,并按一般洪水、較大洪水和大洪水,分別研究了水利工程影響程度隨時間的變化趨勢;魏子鈞等[5]在水文模型中引入產(chǎn)流面積比例系數(shù)來考慮小水庫的截留變化過程;孫新國等[6]通過建立土壤非飽和區(qū)干旱濕潤程度與水利工程蓄放作用之間的關(guān)系來改進(jìn)TOPMODEL模型,使得模擬結(jié)果能夠反映水利工程的影響。在水資源規(guī)劃方面,為了摸清流域尺度上水資源時空變異特征,張正浩等[7]分別采用多元線性回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等3種方法對水利工程建成前的流域月徑流過程進(jìn)行了模擬,并選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬水庫建成后的月徑流過程,比較水庫建成后實(shí)測月徑流與模擬月徑流,分析了水庫對月徑流的時空影響;Biemans等[8]分別從全球、大洲及流域3個尺度定量分析了20世紀(jì)水庫對河流流量及灌溉供水的影響。在水文分析計(jì)算方面,為了提高水庫大壩設(shè)計(jì)的合理性,Yigzaw等[9]研究了水庫規(guī)模對流域可能最大降雨和可能最大洪水的影響,陳甜等[10]分析了不同典型年梯級水庫群防洪調(diào)度對下游水電站設(shè)計(jì)洪水的影響。

在目前的研究中鮮有從水庫調(diào)度角度去研究流域水庫(群)對徑流過程的影響。事實(shí)上,流域內(nèi)水庫數(shù)目增多,必然加大調(diào)度決策的難度,就非常有必要根據(jù)各水庫對徑流過程的影響程度篩選出重要水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度,以降低調(diào)度決策難度。另外,上述研究均是從整體上分析水庫群對流域徑流的影響,未曾就單個水庫對徑流的影響進(jìn)行分析,難以區(qū)分各水庫的影響程度。為此,本文以淮河流域魯臺子斷面上游為研究區(qū)域,分析區(qū)域內(nèi)大型水庫群對魯臺子斷面洪水過程的影響,明確各水庫對斷面洪水過程影響的貢獻(xiàn),評價(jià)各水庫的影響程度,篩選重要水庫,為淮河流域大型水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度提供決策支持。

1 分析方法

首先利用水量平衡原理以及馬斯京根法,分別進(jìn)行水庫入庫洪水還原計(jì)算、無水庫條件下區(qū)間洪水還原計(jì)算以及無水庫條件下斷面洪水還原計(jì)算,再以無水庫條件下流域洪水過程為背景,比較水庫修建前后流域斷面洪水過程變化情況,分析水庫群對洪水過程的總體影響,明確各水庫對斷面洪水過程變化的貢獻(xiàn),劃分水庫影響強(qiáng)度。

1.1 庫群影響分析

假設(shè)流域內(nèi)建有n座水庫,比較流域出口斷面實(shí)測洪水過程與無水庫條件下洪水過程,分析斷面洪量、洪峰流量以及峰現(xiàn)時間的變化,可得庫群影響效果。

洪量變化的計(jì)算公式為

ΔW=Wn-Wr

(1)

式中:ΔW為斷面洪量變化,m3;Wn為無水庫條件下斷面洪量,m3;Wr為斷面實(shí)際洪量,m3。

洪峰流量變化可用斷面洪水過程削峰率表示:

(2)

式中:η為斷面洪水過程削峰率;ΔQm為斷面洪峰流量變化值,m3/s;Qmn為無水庫條件下斷面洪峰流量,m3/s;Qmr為實(shí)際洪峰流量,m3/s。

峰現(xiàn)時間變化的計(jì)算公式為

ΔTm=Tmr-Tmn

(3)

式中:ΔTm為洪峰出現(xiàn)的時間差,h;ΔTmr為實(shí)際峰現(xiàn)時間;ΔTmn為無水庫條件下峰現(xiàn)時間。

1.2 單庫影響分析

流域內(nèi)各水庫的庫容、泄流能力以及地理位置不盡相同,對流域出口斷面洪水過程的影響亦有強(qiáng)有弱,明確各水庫對出口斷面洪水過程影響的程度,有利于提高流域水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度的效率。本文提出逐庫添加法來分析各單庫對出口斷面洪水過程的影響,即假定初始時刻流域內(nèi)無任何水庫,以無水庫條件下洪水過程為初始過程,按照一定順序逐次添加水庫,每次添加一座水庫并按其現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則從實(shí)際起調(diào)水位進(jìn)行運(yùn)用,分析流域出口斷面洪水過程相對于添加前過程的變化情況,直至所有水庫添加完畢。對于n座水庫,可得n條洪水過程線,如圖1所示。

圖1 逐次添加水庫后流域斷面洪水過程線簇

不同的水庫添加順序,產(chǎn)生不同的斷面洪水過程線簇。為了降低水庫添加順序?qū)Ψ治鼋Y(jié)果的影響,這里僅分析指標(biāo)值相對穩(wěn)定且決策者更為關(guān)心的洪水總量和洪峰流量兩個指標(biāo)。比較前后兩次洪水過程變化,得水庫的洪量變化ΔWj和洪峰流量變化ΔQmj(j=1,2,…,n),且滿足

(4)

根據(jù)變化系列,計(jì)算各水庫對流域斷面洪水過程影響的貢獻(xiàn)率,即洪量影響貢獻(xiàn)率和洪峰影響貢獻(xiàn)率:

(5)

(6)

1.3 水庫影響強(qiáng)度劃分

水庫在不同場次洪水中對流域出口斷面洪水過程影響的貢獻(xiàn)有所差異,以水庫在所有場次洪水中的洪量影響貢獻(xiàn)最大值ΔWmax,j和洪峰影響貢獻(xiàn)最大值ΔQm max,j為指標(biāo)(j=1,2,…,n),構(gòu)建指標(biāo)矩陣X=(xjk)n×s(s為指標(biāo)數(shù)),進(jìn)行聚類分析,劃分水庫影響程度。為了減少劃分的主觀性,本研究采用非監(jiān)督學(xué)習(xí)的分級聚類方法[11],具體步驟如下:

步驟1 計(jì)算n座水庫兩兩間的距離dij,記作D=(dij)n×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)。水庫i和j之間的距離通?？梢圆捎媒^對值距離、歐氏距離、明考斯基距離和切比雪夫距離等。這里采用歐氏距離,即

(7)

步驟2 構(gòu)造n個類,每個類只包含1座水庫樣本,即各水庫自成一類。

(8)

式中np、nq分別為類Gp和Gq的水庫樣本個數(shù)。假設(shè)Gp和Gq合并為某一新類Gu,Gu內(nèi)有水庫nu=np+nq個,則類Gu與類Gv的平均平方距離的遞推公式為

(9)

步驟4 計(jì)算新類與當(dāng)前各類的距離。若類的個數(shù)等于1,轉(zhuǎn)至步驟5,否則回到步驟2。

步驟5 畫分級聚類樹。

步驟6 根據(jù)求解的問題,確定類的個數(shù)和類。

各水庫對流域出口斷面洪量和洪峰流量的影響程度不同,有強(qiáng)有弱。根據(jù)分級聚類樹以及各水庫的影響,劃分水庫影響強(qiáng)度,確定各水庫所屬類型。

2 研究實(shí)例

本研究以淮河流域魯臺子斷面上游為研究區(qū)域,總面積為10.5萬km2。該區(qū)域雨季暴雨頻繁,洪澇災(zāi)害較為突出,其中數(shù)據(jù)資料收集齊全的歷史典型大洪水年份有1968年、1969年、1983年、1991年、1996年、2003年、2005年和2007年。目前,淮河流域共建有20座大型水庫,均分布在魯臺子斷面上游各支流上,水庫群總控制面積2.2萬km2,占研究區(qū)的20.9%,各水庫的具體位置見圖2。20座大型水庫中,除了白蓮崖水庫在建外,其他19座水庫均已投入運(yùn)行,包括花山-南灣、薄山-板橋-宿鴨湖、昭平臺-白龜山以及白蓮崖-磨子潭-響洪甸等4個水庫群。除去位于庫群上游的6座水庫,與魯臺子斷面有直接水力聯(lián)系的水庫有14座,其中燕山水庫因缺少相應(yīng)洪水資料,在本研究中暫不考慮。因此,本研究著重分析13座大型水庫在10場歷史典型大洪水中對魯臺子斷面洪水過程的影響。

圖2 淮河流域20座大型水庫分布

3 結(jié)果討論

在無水庫條件下流域洪水還原計(jì)算以及水庫群防洪調(diào)度模擬計(jì)算[12]的基礎(chǔ)上,根據(jù)前面的方法,通過分析計(jì)算得到淮河流域大型水庫群及其各庫對魯臺子斷面洪水過程影響的結(jié)果。

3.1 庫群總影響

按實(shí)際調(diào)度規(guī)則運(yùn)行,淮河大型水庫群對魯臺子斷面洪水過程的總體影響結(jié)果見表1。在10場歷史典型大洪水中,由于上游大型水庫的防洪運(yùn)用,通過魯臺子斷面的洪水總量平均減少13.04億m3,其中減少量最大為29.11億m3,最小為5.90億m3;平均削減洪峰17.47%,其中削峰最大為31.04%,最小為7.06%;峰現(xiàn)時間也有所變化,有提前也有延遲,其中20030629號洪水峰現(xiàn)時間提前168 h,這是由于該場洪水為雙峰洪水,無水庫條件下主峰為第2個洪峰,在水庫群防洪調(diào)度的影響下第2個洪峰被顯著削減,使得第1個洪峰變?yōu)橹鞣濉?/p>

表1 淮河流域大型水庫群對魯臺子斷面洪水過程的總體影響

3.2 單庫影響

根據(jù)逐庫添加法,按照從上游到下游、從左岸到右岸的順序添加水庫,計(jì)算淮河流域各大型水庫對魯臺子斷面洪水過程的影響,結(jié)果見表2。表2列出了各水庫在10場歷史典型大洪水中的平均影響和最大影響。從表2可以看出,各水庫對魯臺子斷面洪水過程的影響程度不一。就平均影響而言,梅山水庫對魯臺子斷面洪水的影響最大,平均削減斷面洪量4.29億m3,削減洪峰575 m3/s,兩個指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均超過30%;相反,白沙水庫對魯臺子斷面洪水的影響最小,平均削減洪量僅0.0545億m3,削減洪峰僅有2.00 m3/s,兩個指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均不及0.5%。

表2 淮河流域大型水庫對魯臺子斷面洪水過程的單庫影響結(jié)果

然而,每場洪水所對應(yīng)的降水時空分布不同,水庫在每場洪水中發(fā)揮的作用也有所差異,若只考慮各水庫的平均情況,易弱化各水庫的實(shí)際影響,因此有必要考察各水庫對魯臺子斷面洪水過程的最大影響。在10場洪水中,梅山水庫最大削減洪量9.72億m3,最大削減洪量貢獻(xiàn)率46.5%,最大削減洪峰1 190 m3/s,最大削減洪峰貢獻(xiàn)率56.0%;而宿鴨湖水庫最大削減洪量5.47億m3,最大削減洪量貢獻(xiàn)率卻達(dá)到61.9%,最大削減洪峰537 m3/s,最大削減洪峰貢獻(xiàn)率亦達(dá)到63.3%?？梢?水庫對每場洪水的影響不盡相同,貢獻(xiàn)率僅反映水庫在某場洪水中發(fā)揮的作用,而不能正確反映水庫對斷面洪水過程影響的程度。因此,削減洪量絕對值和削減洪峰絕對值更能合理反映水庫對斷面洪水的影響,而且相對于平均影響,最大影響更能真實(shí)地反映水庫在流域防洪中發(fā)揮的作用。

需要指出的是,水庫添加順序?qū)螏旌榉逑鳒p量計(jì)算可能產(chǎn)生一定的影響,且不同場次洪水,影響程度也不同。比如在10場洪水中,水庫添加順序?qū)?0030629號洪水計(jì)算結(jié)果影響最大,宿鴨湖水庫均方差達(dá)187 m3/s,而對20070701號洪水計(jì)算結(jié)果無影響。究其原因,20030629號洪水屬于雙峰洪水,主次峰變換導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異較大,而其他洪水均為單峰洪水。本研究采用水庫在所有洪水中的最大削減洪量和最大削減洪峰來反映水庫對斷面洪水的影響程度,可以弱化水庫添加順序?qū)罄m(xù)計(jì)算結(jié)果的影響。

3.3 水庫影響強(qiáng)度

以表2中淮河流域各大型水庫對魯臺子斷面洪水過程影響的最大削減洪量和最大削減洪峰為指標(biāo),通過聚類分析法對水庫群劃分類別,聚類結(jié)果如圖3所示，圖中線段長度表示類間距離,比如潑河水庫與白龜山水庫之間線段長度最短,表示該兩座水庫間距離最短,對魯臺子斷面洪水過程影響強(qiáng)度最接近。

從圖3可以明顯看出,淮河流域梅山、響洪甸和宿鴨湖等13座大型水庫可分為3類,其中梅山和響洪甸水庫歸為一類,最大削減魯臺子斷面洪量分別達(dá)到9.72億m3和6.89億m3,最大削減斷面洪峰分別達(dá)到1 190 m3/s和1 330 m3/s,對斷面洪水過程影響強(qiáng)烈;鲇魚山、宿鴨湖、南灣和佛子嶺水庫劃為一類,最大削減魯臺子斷面洪量分別為5.47億m3、4.29億m3、3.95億m3和1.67億m3,最大削減斷面洪峰分別為537 m3/s、467 m3/s、262 m3/s和423 m3/s,對斷面洪水過程影響較強(qiáng)烈;剩余水庫可歸于一類,對斷面洪水過程影響較弱。因此,在淮河流域防洪決策中,可以根據(jù)各水庫對魯臺子斷面洪水過程的影響強(qiáng)度,選取梅山、響洪甸、鲇魚山、宿鴨湖、南灣和佛子嶺等6座水庫為流域防洪調(diào)度重點(diǎn)水庫,通過該6座水庫的優(yōu)化調(diào)度來控制魯臺子斷面洪水過程,可以有效緩解下游防洪壓力。

圖3 淮河流域13座大型水庫分級聚類樹

4 結(jié) 論

a. 在分析水庫群對流域洪水過程影響的基礎(chǔ)上,提出的逐庫添加法能夠明晰各水庫的貢獻(xiàn),考慮水庫添加順序?qū)τ?jì)算結(jié)果的可能影響,以水庫對斷面洪水的最大影響來確定各水庫對下游斷面的影響程度,利用分級聚類方法劃分各水庫影響程度,結(jié)果合理。

b. 在歷史典型大洪水中,淮河流域大型水庫群對下游魯臺子斷面洪水過程影響顯著,平均減少斷面洪量13.04億m3,平均削減斷面洪峰17.47%。各水庫對魯臺子斷面洪水過程影響程度各有差異,且在不同洪水中對斷面洪水過程的影響程度也有所變化。

c. 相對于水庫對流域斷面洪水過程的平均影響指標(biāo)而言,最大影響指標(biāo)更能真實(shí)反映水庫對其下游斷面洪水過程的影響程度。梅山和響洪甸水庫對魯臺子斷面洪水過程影響強(qiáng)烈,鲇魚山、宿鴨湖、南灣和佛子嶺水庫影響較強(qiáng)烈,加強(qiáng)該6座水庫的聯(lián)合防洪調(diào)度,能有效削減魯臺子斷面洪量及洪峰流量。

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Impact of large-scale multiple reservoirs on basin flood hydrograph//

WAN Xinyu, GUAN Xiufeng, ZHONG Ping’an,WANG Manlin, Mei Jie

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Using the large-scale multiple reservoirs upstream of the Lutaizi section in the Huaihe River Basin as an example, the flood hydrographs of downstream sections before and after construction of reservoirs were compared, and the total impact of multiple reservoirs on the flood hydrograph was analyzed. An approach that adds reservoirs one by one was used to determine the contribution of each reservoir to the change in the flood hydrograph, and the degree of influence of each reservoir was determined. The hierarchical clustering method was used to determine the degree of influence of reservoirs, and the highly important reservoirs were picked out. The results show that large-scale multiple reservoirs in the Huaihe River Basin significantly reduces the flood volume and flood peak of the Lutaizi section, and the time of the peak is changed. The impacts of each of the reservoirs on the flood hydrograph are different. The Meishan, Xianghongdian, Suyahu, Nanwan, Nianyushan, and Foziling reservoirs have significant influences on the flood hydrograph of the Lutaizi section, and are important to flood control decisions in the Huaihe River Basin.

multiple reservoirs; flood hydrograph; clustering analysis; flood control decision; Huaihe River Basin

國家自然科學(xué)基金(51379055);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0400909)

萬新宇(1976—),男,副教授,博士,主要從事水資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:wanxinyu@hhu.edu.cn

鐘平安(1962—),男,教授,博士,主要從事水資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:zhongpa@yahoo.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.011

TV697

A

1006-7647(2017)03-0066-06

2016-03-27 編輯：鄭孝宇)