漳澤水庫(kù)優(yōu)化汛限水位必要性可行性分析

葉 秀

（山西漳澤水庫(kù)管理有限公司山西長(zhǎng)治046021）

0 引言

漳澤水庫(kù)位于山西省長(zhǎng)治市潞州區(qū)，是海河流域漳衛(wèi)南運(yùn)河水系濁漳南源干流上的一座以工業(yè)、城市供水、防洪、灌溉為主兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的大（2）型水利工程。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)、2000年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)年供水能力1 億m3，運(yùn)用指標(biāo)為100年一遇洪水位903.94 m、903.85 m,2000年一遇洪水位907.66 m、907.61 m。水庫(kù)采用“臺(tái)階式汛限水位”調(diào)度：全年汛期從6月1日開始至9月30日結(jié)束，主汛期汛限水位901.0 m（7月15日-8月15日），前、后汛期汛限水位均為901.5 m，非汛期正常蓄水位為902.4 m。汛期水庫(kù)現(xiàn)行防洪預(yù)案調(diào)度為：當(dāng)庫(kù)水位在901.00～902.40 m 時(shí)，開溢洪道2 孔，控制最大泄量300 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位在902.40～903.60 m 時(shí)，開溢洪道2 孔和泄水洞敞泄，控制最大泄量為660 m3/s；當(dāng)庫(kù)水位在903.60 m 以上時(shí)，開溢洪道4 孔和泄水洞敞泄，最大泄量為2 190 m3/s；庫(kù)水位下降至903.6 m以下時(shí)關(guān)閉溢洪道2 孔。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水量大量增加，水庫(kù)防洪和興利的矛盾日益突出，且水庫(kù)“臺(tái)階式汛限水位”調(diào)度方式存在不合理性，汛期不敢蓄水、汛后蓄不上水的情況時(shí)有發(fā)生，汛期汛限水位變化缺乏過渡性等問題，因此實(shí)行汛限水位優(yōu)化調(diào)度迫在眉睫。

1 優(yōu)化汛限水位

運(yùn)用模糊水文學(xué)理論計(jì)算水庫(kù)汛限水位，把汛期作為全年的一個(gè)模糊子集，利用流域的水文資料采用直接模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法得出的汛期模糊隸屬度（日期屬于主汛期屬于的程度）為水庫(kù)汛期每日的經(jīng)驗(yàn)隸屬度；采用余弦函數(shù)方法得出的汛期模糊隸屬度為水庫(kù)汛期每日的理論隸屬度，選取兩者小值作為汛期綜合隸屬度，然后由綜合隸屬度與防洪庫(kù)容函數(shù)關(guān)系計(jì)算出每日水庫(kù)庫(kù)容，通過查水位庫(kù)容曲線表,進(jìn)而計(jì)算出優(yōu)化后每日汛限水位。

1.1 汛期經(jīng)驗(yàn)隸屬度計(jì)算

汛期經(jīng)驗(yàn)隸屬度的計(jì)算采用的是直接模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，即利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算模糊隸屬度，計(jì)算步驟如下。

1）以濁漳河流域多年平均日降水量（3.27 mm）為參考值，選擇其附近區(qū)間（3 mm，6 mm）為指標(biāo)區(qū)間，確定非汛期至主汛期和主汛期至非汛期的期限，“主汛期”經(jīng)驗(yàn)隸屬函數(shù)圖見圖1。

圖1 “主汛期”經(jīng)驗(yàn)隸屬函數(shù)圖

2）由第i年的實(shí)際日降水量和指標(biāo)區(qū)間（3 mm，6 mm）來確定4 個(gè)分隔點(diǎn)t1、t2、t3和t4，日降雨量大于等于指標(biāo)下限出現(xiàn)的最早和最晚時(shí)間分別為t1和t4，日降雨量大于等于指標(biāo)上限出現(xiàn)的最早和最晚時(shí)間為t2和t3。

3）由4 個(gè)分隔點(diǎn)計(jì)算第i年各時(shí)刻j的相對(duì)隸屬度。t1、t4時(shí)刻的相對(duì)隸屬度為0，t2、t3時(shí)刻的相對(duì)隸屬度值為1，t2至t3時(shí)段內(nèi)的為1，t1至t2和t3至t4時(shí)段內(nèi)的值為0 至1 的線性內(nèi)插值。

4）按步驟2、3 計(jì)算每一年的相對(duì)隸屬度函數(shù)，然后計(jì)算24年的算術(shù)平均值，為汛期每日的經(jīng)驗(yàn)隸屬度。

1.2 汛期理論隸屬度計(jì)算

選取三角函數(shù)中的正余弦函數(shù)[1]，分別做為前汛期和后汛期的隸屬度函數(shù)，它的函數(shù)曲線在臨近主汛期隸屬度線兩端呈現(xiàn)了平穩(wěn)過渡的形態(tài)，能體現(xiàn)暴雨洪水在宏觀上漸變的特點(diǎn)。這雖然是一種無參數(shù)控制的曲線，但反映了通常情況下的暴雨洪水規(guī)律，該函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，對(duì)水文資料沒有依賴性，對(duì)于我國(guó)北方大多數(shù)水庫(kù)是一種較好的選擇。假設(shè)t為日期數(shù)，t1、t2、t3、t4分別是前汛期、后汛期的開始結(jié)束時(shí)間，μA（t）為汛期理論隸屬度函數(shù)，其汛期理論隸屬度圖和數(shù)學(xué)模型表達(dá)如圖2所示。

圖2 正余玄函數(shù)隸屬度函數(shù)圖

1.3 汛限水位的計(jì)算

應(yīng)用μA（t）計(jì)算水庫(kù)某一天汛限水位的基本方法是該日的μA（t）乘以防洪庫(kù)容，為該日所需防洪庫(kù)容。

其基本公式為:

V（t）=μA（t）V

μA（t）=max（μ1A（t），μ2A（t））

這里V是主汛期汛限水位以上到水庫(kù)興利水位以下的防洪庫(kù)容，V（t）為汛期t日汛限水位以上到興利水位以下所需的防洪庫(kù)容。μ1A（t）為汛期經(jīng)驗(yàn)隸屬度，μ2A（t）為汛期理論隸屬度，μA（t）取兩者之間的較大值。以此為基礎(chǔ)，求出水庫(kù)過渡期每日的庫(kù)容，通過水位—庫(kù)容關(guān)系表，插值計(jì)算可求出每日的汛限水位Z（t）。

1.4 優(yōu)化汛限水位與臺(tái)階式汛限水位的對(duì)比

優(yōu)化汛限水位從6月1日的902.4m（正常蓄水位），按照余弦函數(shù)下降，到6月23日降至901.5 m（前后汛期汛限水位）；6月24日至7月17日之間繼續(xù)按余弦函數(shù)下降至901.0 m（主汛期汛限水位），之后一直保持901.0 m 至8月13日，隨后又逐漸上升，8月19日恢復(fù)至901.5 m，之后繼續(xù)上升，9月30日上升至902.40 m（如圖3所示）。由圖3 可知，前汛期6月1日-6月22日、后汛期9月8日-9月30日的優(yōu)化汛限水位高于“臺(tái)階式汛限水位”。

圖3 優(yōu)化汛限水位與臺(tái)階式汛限水位對(duì)比圖

2 優(yōu)化汛限水位必要性分析

“臺(tái)階式汛限水位”能嚴(yán)格執(zhí)行的只有主汛期汛限水位，若前、后汛期汛限水位嚴(yán)格按照目前方式調(diào)度，尤其是在主汛期和前、后汛期之間缺乏逐步過渡的時(shí)間，一天之內(nèi)庫(kù)水位突升突降實(shí)不可取，不利于工程安全運(yùn)行。在實(shí)踐中我們也并非教條地在非主汛期執(zhí)行“臺(tái)階式汛限水位”，但我們不知道該階段哪一天汛限水位多高是合理的，因此，在實(shí)際操作中，前汛期和后汛期汛限水位存在較大隨意性，這種隨意性在后汛期的初期汛限水位太高有工程事故風(fēng)險(xiǎn)，在后汛期的后期汛限水位過低不利于汛后蓄水，不能很好地發(fā)揮效益。后汛期期間降雨主要以強(qiáng)度低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的秋雨居多，來水含沙量低于主汛期，正是水庫(kù)蓄水的大好時(shí)機(jī)，若按照優(yōu)化汛限水位進(jìn)行調(diào)度，將主汛期汛限水位逐步過渡到后汛期汛限水位，有利于水資源利用。因此，優(yōu)化汛限水位是必要的。

3 優(yōu)化汛限水位的可行性分析

3.1 暴雨情況下優(yōu)化汛限水位的安全性分析

通過查閱暴雨和進(jìn)庫(kù)站洪水資料，6月1日-6月22日期間未發(fā)生過暴雨，選擇離其時(shí)間最近歷史上發(fā)生暴雨進(jìn)行研究。2011年7月2日漳澤水庫(kù)上游突降大暴雨，暴雨中心位于陶清河?xùn)|柏林雨量站，日降雨量為133.4 mm，另有3 個(gè)雨量站日降雨量也達(dá)到大暴雨級(jí)別，還有8 個(gè)雨量站日降雨量達(dá)到暴雨級(jí)別。經(jīng)上游水庫(kù)調(diào)節(jié)，嵐河?xùn)|大關(guān)站7月3日7:00 洪峰流量3.67m3/s，漳河高河站7月3日20:00 洪峰流量7.41m3/s，石子河湛上站7月2日18:30 洪峰流量36.3 m3/s，絳河西蓮站7月3日10:30 洪峰流量?jī)H0.821 m3/s；加上區(qū)間洪水總?cè)霂?kù)洪峰在100 m3/s 以內(nèi)，這樣的洪水顯然不足以對(duì)漳澤水庫(kù)防洪構(gòu)成威脅。

2005年9月19日漳澤水庫(kù)上游突降大暴雨，暴雨中心位于嵐水河西豐宜雨量站，日降雨量為148.6mm，另有9 個(gè)雨量站日降雨量也達(dá)到大暴雨級(jí)別，還有9 個(gè)雨量站日降雨量達(dá)到暴雨級(jí)別。經(jīng)上游水庫(kù)調(diào)節(jié)，嵐河?xùn)|大關(guān)站9月21日18 時(shí)洪峰流量42.5 m3/s，絳河西蓮站9月21日8 時(shí)洪峰流量23.2 m3/s,漳河高河站9月21日4 時(shí)洪峰流量?jī)H9.78 m3/s。加上區(qū)間洪水總?cè)霂?kù)洪峰在100 m3/s 以內(nèi)，這樣的洪水顯然也不足以對(duì)漳澤水庫(kù)防洪構(gòu)成威脅。

3.2 設(shè)計(jì)洪水情況下優(yōu)化汛限水位的安全性分析

根據(jù)歷史洪水資料（見表1），漳澤水庫(kù)發(fā)生50年一遇全汛期典型年洪水的概率很小，如果按分期洪水計(jì)算，50年一遇的洪水將有更小的發(fā)生概率，在6月上旬、9月中下旬稀有發(fā)生。故選擇6月9日和9月20日發(fā)生50年一遇、20年一遇洪水進(jìn)行分析（結(jié)果見表2）。分析表明，在前、后汛期汛限水位高于901.5 m 的時(shí)間段，發(fā)生洪水后的最高水位均低于設(shè)計(jì)水位903.85，水庫(kù)防汛風(fēng)險(xiǎn)是在可控范圍之內(nèi)，是安全的。

表1 漳澤水庫(kù)歷史調(diào)查洪水

表2 典型洪水分析表

3.3 優(yōu)化汛限水位與臺(tái)階式汛限水位各時(shí)間段風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析

查閱降雨量統(tǒng)計(jì)資料，漳澤水庫(kù)前汛期候最大降雨量發(fā)生在7月，6月未發(fā)生過暴雨和強(qiáng)降雨。在6月上中旬，優(yōu)化汛限水位高于現(xiàn)行的汛限水位，但該段時(shí)間雨量不大，沒有必要將庫(kù)水位過早下降至901.5 m，故在該時(shí)間段逐步降低庫(kù)水位，實(shí)際防汛風(fēng)險(xiǎn)很低。6月24日至7月14日，優(yōu)化汛限水位低于現(xiàn)行的汛限水位，減低了防汛風(fēng)險(xiǎn)。7月15日-8月15日為主汛期，與現(xiàn)行主訊期汛限水位相同，沒有增加主汛期防汛風(fēng)險(xiǎn)。從8月16日到9月6日，優(yōu)化汛限水位低于現(xiàn)行的汛限水位，在該時(shí)間段比現(xiàn)行的汛限水位防汛風(fēng)險(xiǎn)低。9月7日后優(yōu)化汛限水位逐步高于現(xiàn)行的汛限水位，但此時(shí)降雨洪水減小，預(yù)留較大的防洪庫(kù)容已經(jīng)沒有必要，應(yīng)及時(shí)將防洪庫(kù)容轉(zhuǎn)化為興利庫(kù)容，實(shí)際防汛風(fēng)險(xiǎn)也很低。因此，優(yōu)化汛限水位各時(shí)間段風(fēng)險(xiǎn)與臺(tái)階式汛限水位各時(shí)間段風(fēng)險(xiǎn)相比更低，是安全的。

4 結(jié)論

漳澤水庫(kù)的“臺(tái)階式汛限水位”調(diào)度方式，雖降低了后汛期初期防洪風(fēng)險(xiǎn)，但不利于后汛期后期的蓄水，而且一天之內(nèi)庫(kù)水位突升突降不利于工程安全運(yùn)行；優(yōu)化汛限水位調(diào)度后不但防汛風(fēng)險(xiǎn)整體上低于現(xiàn)行的“臺(tái)階式汛限水位”，而且明確了前后汛期的具體水位，還可以降低后汛期初期的防汛風(fēng)險(xiǎn)，提高的蓄水能力，更有利于水資源的充分合理利用，因此，對(duì)汛限水位進(jìn)行優(yōu)化是必要且可行的。