清漳河水量調(diào)度方案研究分析

馮宇鵬，鄭永路，叢娜，高誠(chéng)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 基本情況

清漳河屬漳河兩大支流中的北支，流域總面積5 142 km2，干流上有劉家莊、匡門口2個(gè)水文站。地表水供水工程主要有戀思水庫(kù)、九京供水工程、石匣水庫(kù)、漳北渠、漳西渠、漳南渠和大躍峰渠等。地下水水井約1 670眼，供水能力為1.06億m3，主要包括：山西省和順縣自來(lái)水廠若干水井，左權(quán)縣自來(lái)水廠若干水井、鑫源電廠水井以及若干煤礦水井；河北省涉縣自來(lái)水廠若干水井以及天鐵集團(tuán)、龍山電廠、崇利冶鋼、焦化廠和一些中小型企業(yè)的自備井。再生水源主要來(lái)自3座污水處理廠，其中和順縣污水處理廠處理能力為1.0萬(wàn)m3/d，潛在供水對(duì)象為潞安星光煤電公司，目前暫未供水；左權(quán)縣污水處理廠處理能力為1.0萬(wàn)m3/d，供水對(duì)象為左權(quán)縣華能電廠；涉縣污水處理廠處理能力為5.0萬(wàn)m3/d，供水對(duì)象為涉縣龍山電廠。流域內(nèi)供、用水量2.14億m3，供水工程供水量情況詳見表1。

表1 清漳河流域供水工程供水量 億m3

海河水利委員會(huì)制定的《清漳河水資源配置方案》［1］中對(duì)清漳河上劉家莊、匡門口水文站斷面的下泄水量做出了要求，詳見表2。

表2 清漳河水資源配置方案中斷面下泄水量要求億m3

2 水文年景的判別方法——直接法

為了管理需要，需對(duì)當(dāng)年的水文年景進(jìn)行預(yù)判。直接法首先分析劉家莊水文站、匡門口水文站的還原計(jì)算方案，提出主要還原項(xiàng)，給出天然徑流量計(jì)算公式。之后，通過(guò)分析相關(guān)關(guān)系確定該方法的預(yù)判期，并給出截至預(yù)判期的天然徑流量與全年天然徑流量相關(guān)關(guān)系，即由預(yù)判期天然徑流量計(jì)算全年天然徑流量的公式。該方法可由預(yù)判期內(nèi)獲得的諸數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)該年天然徑流量，以此獲得水文年景，由水文年景來(lái)確定應(yīng)下泄水量。

根據(jù)對(duì)流域的實(shí)際調(diào)查情況，建立了流域供需分析模型，模型中率定了各用水戶的回歸系數(shù)。結(jié)合調(diào)查與模型，給出劉家莊水文站、匡門口水文站徑流量還原計(jì)算公式：

式中：h為農(nóng)業(yè)灌溉回歸系數(shù)，取0.1；如進(jìn)行全年徑流 量 還 原 計(jì) 算，W劉家莊以上農(nóng)業(yè)耗水量取0.23億m3，W劉家莊至匡門口區(qū)間農(nóng)業(yè)耗水量取0.33億m3；如計(jì)算劉家莊水文站與匡門口水文站截至某一月份的天然徑流量，則蓄變量還原項(xiàng)中的末期蓄水量為截至該月底水庫(kù)蓄水量，供水量為截至該月份累計(jì)供水量；W劉家莊以上農(nóng)業(yè)耗水量和W劉家莊至匡門口區(qū)間農(nóng)業(yè)耗水量根據(jù)實(shí)際情況打折采用。

預(yù)判期的研究方法是逐一建立全年徑流量與截至某一月份的徑流量相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過(guò)分析，全年徑流量與1—8月的相關(guān)關(guān)系尚可（見圖1），與1—7月及以前的相關(guān)關(guān)系均不好，因此預(yù)判期定為8月底。選取1—8月天然徑流量來(lái)預(yù)測(cè)全年徑流量，其計(jì)算公式如下：

圖1 劉家莊和匡門口水文站1—8月徑流量與全年徑流量相關(guān)關(guān)系

根據(jù)灌溉制度，1—8月灌溉用水量占全年的約70%，因此W劉家莊以上農(nóng)業(yè)耗水量取0.23億m3的70%，為0.16億m3；W劉家莊至匡門口區(qū)間農(nóng)業(yè)耗水量取0.33億m3的70%，為0.23億m3。

3 水文年景的判別方法——間接法

由于人類活動(dòng)和下墊面因素變化等方面的影響，地表徑流量在某些情況下不能很好地對(duì)下泄水量做出客觀的預(yù)判，而降水從降落、觀測(cè)到形成地表徑流的過(guò)程中受外界因素影響小，因此可作為水量下泄目標(biāo)的指示性因子。間接法（降水徑流法）通過(guò)流域內(nèi)截止某一月底降水資料等推算劉家莊水文站、匡門口水文站全年天然徑流量。

影響地表徑流量的因子主要為降水，汛期雨量充沛，是徑流形成的主要時(shí)期。而短期連續(xù)降水的集中強(qiáng)度和降水量級(jí)等往往決定地表徑流量的大小，日降水大于20 mm的累積降水量和連續(xù)10 d降水量能夠很好地表現(xiàn)這一特征；同時(shí)，上一年的徑流退水量和汛期降水量對(duì)次年的水量也有一定的影響關(guān)系。本次選取清漳河流域1—8月降水量、最大10 d降水量、主汛期7—8月降水量和上一年5—9月降水量作為影響因子進(jìn)行初步分析。

由于影響因子的復(fù)雜性，在一般情況下只考慮一個(gè)因子是不夠的，必須考慮多個(gè)因子對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象的影響。這類問題就是多元回歸分析所要解決的問題。分別對(duì)全年徑流與上述諸因子中的兩者或兩者以上進(jìn)行多元線性回歸分析。其預(yù)報(bào)模型為：

式中：b0，b1，b2，…，bm為回歸系數(shù)，根據(jù)Y與每個(gè)X過(guò)去的實(shí)測(cè)資料確定。本次計(jì)算置信度α=0.05。

以匡門口水文站1961—2000年天然徑流系列為預(yù)測(cè)對(duì)象，以諸因子不同組合建立多元線性回歸模型進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)兩組共計(jì)24個(gè)方案的比選，得出以1—8月降水量、最大旬降水量、主汛期7—8月降水量和上一年5—9月降水量為組合的影響因子，計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，模擬效果最好。

4 水文年景判別方法的取舍

從客觀情況來(lái)看，直接法所需諸參數(shù)中，每一參數(shù)的獲取環(huán)節(jié)均存在一定的誤差，而間接法主要使用降水資料進(jìn)行計(jì)算，降水資料屬于較為客觀的數(shù)據(jù)，誤差較小。同時(shí)，從管理機(jī)構(gòu)的可操作性來(lái)講[2]，間接法有一定優(yōu)勢(shì)，推薦采用間接法，直接法為備選方法，待實(shí)踐后進(jìn)一步驗(yàn)證2種方法的優(yōu)劣。間接法計(jì)算公式如下：

式中：W匡門口為匡門口水文站當(dāng)年天然徑流量（億m3）；P1—8為當(dāng)年1—8月降水量（mm）；P10為最大10 d降水量（mm）；P7—8為主汛期7—8月降水量（mm）；P上年5—9為上一年5—9月降水量（mm）。

由于匡門口水文站與劉家莊水文站年徑流相關(guān)系數(shù)達(dá)99%，因此劉家莊水文站的預(yù)測(cè)水量可根據(jù)兩者相關(guān)關(guān)系公式進(jìn)行推求：

5 流域內(nèi)可調(diào)度水量預(yù)測(cè)方法

清漳河流域內(nèi)具有調(diào)蓄功能的供水工程主要為山西省和順縣的戀思水庫(kù)、左權(quán)縣的石匣水庫(kù)及澤城西安水電站（二期）工程[3]，其調(diào)節(jié)庫(kù)容分別為戀思水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容1 234萬(wàn)m3、石匣水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容1 732萬(wàn)m3、澤城西安水電站（二期）調(diào)節(jié)庫(kù)容2 099萬(wàn)m3。根據(jù)前述的水文年型預(yù)判方法，預(yù)見期設(shè)置在8月底，因此需預(yù)測(cè)兩工程9—12月的徑流量（澤城西安水電站無(wú)供水任務(wù)，不必要預(yù)測(cè)其徑流量）。戀思水庫(kù)、石匣水庫(kù)上游基本無(wú)引水工程，開發(fā)利用程度很低，因此將戀思水庫(kù)、石匣水庫(kù)天然徑流量作為入庫(kù)水量，應(yīng)用劉家莊水文站水文比擬法計(jì)算。

劉家莊水文站全年天然徑流量系列與9—12月天然徑流量系列的相關(guān)關(guān)系較好，因此該站全年徑流量計(jì)算公式為：

式中：W戀思9—12月徑流量為戀思水庫(kù)9—12月預(yù)測(cè)徑流量（億m3）；W石匣9—12月徑流量為石匣水庫(kù)9—12月預(yù)測(cè)徑流量（億m3）；W劉家莊9—12月徑流量為劉家莊水文站9—12月預(yù)測(cè)徑流量（億m3）；F戀思，F(xiàn)石匣分別為戀思水庫(kù)，石匣水庫(kù)流域面積（km2）；F劉家莊為劉家莊水文站以上流域面積（km2）；P戀思，P石匣為戀思水庫(kù)，石匣水庫(kù)多年平均面雨量（mm）；P劉家莊為劉家莊水文站多年平均面雨量（mm）。

劉家莊水文站、戀思水庫(kù)和石匣水庫(kù)相關(guān)參數(shù)，詳見表3。

表3 劉家莊水文站、戀思水庫(kù)和石匣水庫(kù)相關(guān)參數(shù)

可將戀思水庫(kù)、石匣水庫(kù)9—12月徑流量計(jì)算公式整理如下：

式中：W9—12月可調(diào)度水量為9—12月可調(diào)度水量（億m3）；W戀思蓄水量為 戀思水庫(kù)8月末的蓄水量（億m3）；W石匣蓄水量為 石 匣水庫(kù)8月 末的蓄水量（億m3）；W澤城西安水電站（二期）蓄水量為澤城西安水電站（二期）8月末蓄水量（億m3）；W戀思9—12月徑流量為戀思水庫(kù)9—12月預(yù)測(cè)徑流量（億m3）；W石匣9—12月徑流量為石匣水庫(kù)9—12月預(yù)測(cè)徑流量（億m3）；W戀思9—12月供水量為戀思水庫(kù)9—12月預(yù)計(jì)供水量（億m3）；W石匣9—12月供水量為石匣水庫(kù)9—12月預(yù)計(jì)供水量（億m3）。

6 水量調(diào)度方案

通過(guò)以上水文年景、可調(diào)度水量的預(yù)判方法的技術(shù)準(zhǔn)備，可以制定可操作性強(qiáng)的清漳河水量調(diào)度方案，相關(guān)參數(shù)詳見表4—5。①預(yù)判年景，在預(yù)判期（8月底9月初）提供流域內(nèi)雨量站的降水量資料。②確定應(yīng)下泄水量。通過(guò)預(yù)測(cè)的年景對(duì)照水量分配的要求表格，得到當(dāng)年全年應(yīng)下泄水量。③判斷豐欠程度。將應(yīng)下泄水量與截至8月底的已下泄水量（1—8月累計(jì)實(shí)測(cè)徑流量）進(jìn)行對(duì)比，判斷豐欠程度。④可調(diào)度水量計(jì)算，按表4—5進(jìn)行。⑤行政干預(yù)。通過(guò)流域機(jī)構(gòu)建立的監(jiān)督管理辦法，完成水量下泄目標(biāo)。從前述可調(diào)度水量計(jì)算公式可見，需要建立供水計(jì)劃申報(bào)制度，流域內(nèi)的供水工程管理單位需在年初向流域管理機(jī)構(gòu)申報(bào)全年的供水計(jì)劃。

表4 水文年景計(jì)算相關(guān)參數(shù)

表5 可調(diào)度水量計(jì)算相關(guān)參數(shù) 億m3