水利工程對洪水的影響探索

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1研究方法

本文選用傳統的集總式水文模型)))新安江模型,該模型理論發展較為成熟,在國內外都有較廣泛的應用,對其模型基本原理不再細述。隨著對水文模型研究的不斷進步與深入,人們通過不斷改進或提出新的算法來提高模型參數率定的效率與結果,從而提高模型模擬精度達到改進效果,如GA、PSO、SCE2UA等。同時也有人開始對模型結構與參數組成進行改進,使模型更加適應于流域實際情景。本文通過以下改進模型參數的方法對考慮人類活動影響的流域水文模擬研究進行了探索。在新安江模型中,流域平均蓄水能力WM反映流域特性,基本是一個不變的值。但在工程實際中,下墊面土地利用變化與水利工程建設,使得流域內部發生了巨大變化。在小尺度的短期水文研究中下墊面土地利用變化相比不太顯著,而水利工程的不斷建設明顯改變了流域實際蓄水能力。流域實際蓄水能力由流域天然的蓄水能力WM1與水利工程帶來的蓄水能力WM2兩部分組成。水庫的蓄水能力可以通過均攤到流域面積上的方式,利用流域調查資料整理,按年代分階段進行統計分析。設上游水庫的有效攔蓄能力為Bm3,流域面積為Akm2,該水庫反應在流域上的最大蓄水能力為WM2(mm),則:WM2=B/1000A(1)流域的實際最大蓄水能力為:WM=WM1+WM2(2)將改進后的流域蓄水能力參數WM用上述值WM替代進行模擬計算,當水庫建設逐漸增多,流域總蓄水庫容增大的同時,相應的WM2也增大。在水利工程建設最少的年代,流域下墊面可以認為是相對天然的,因此通過有關年代場次洪水進行模型參數率定,就可得到流域天然蓄水能力WM1。在改進新安江模型應用參數的基礎上,利用流域調查所得到的有關水利工程資料,結合流域相關水文數據采用遺傳算法,就可以進行新安江模型參數率定以及洪水場次模擬。

2實例

2.1流域概況

豐滿II區五道溝以上流域出口控制站為五道溝水文站,流域面積12391km2。流域內的輝發河是松花江上游的一個較大支流,全長240km,發源于遼寧省清原縣龍崗山脈中部,流經清原、東豐、柳河、梅河口、輝南、磐石和樺甸7個縣(市),于樺甸市頭道溝附近注入松花江,匯合后一并匯入松花湖,流域及水利工程分布見圖1。該流域屬半濕潤地區,降水量年內分配不均,7月、8月降水占全年降水量的44.7%,多年平均降水720mm,汛期年均降水510mm,占全年降水量的70%以上。2006年流域調查顯示,區內共有大型水庫1座,中型水庫12座,小(一)型水庫86座,小(二)型水庫390座,塘壩則無以計數,中小水利工程總庫容為6.42億m3,占全流域中小型水利工程總庫容7.05億m3的91%[15],流域內各類水利工程控制流域面積為7421.27km2,占總流域面積的63.98%。通過流域調查得到水利工程的有關資料,如水庫基本信息(包括水庫名稱、經緯度、總庫容、防洪庫容、控制面積、修建時間)、大中型水庫運行信息(包括日入庫、出庫流量,時段入庫、出庫流量)、無資料水庫及塘壩信息(包括控制面積、總庫容、地理位置),結合流域各個控制站的水文資料(日降雨、時段降雨、日流量、時段流量),整理分析后運用傳統統計方法進行分析,得到各類型水利工程在不同類型洪水中的影響程度。

2.2水利工程對一般洪水影響分析

根據5水文情報預報規范6SL25022000(以下簡稱5規范6)中5.1.5規定,根據水文要素重現期將洪水劃分為4類:一般洪水、較大洪水、大洪水和特大洪水。一般洪水的發生比較頻繁,其主要特征為量小、峰低,一般不會成災。通過對流域下墊面及水利工程資料的分析,按水利工程規模將模擬時段分為天然期與人類活動影響期。對天然期場次洪水應用遺傳算法進行參數率定,得到天然期新安江模型基本參數,使用天然期參數進行洪水模擬計算即為原始模擬。在天然期參數的基礎上加入水利工程影響進行計算即為考慮影響模擬。原始模擬徑流和考慮影響模擬徑流,以及水利工程影響量、影響程度及其變化趨勢分析。任何水文模型本身都存在模型系統誤差,該誤差基本控制在水文預報允許誤差范圍之內,因此,若將實測徑流與原始模擬徑流的差值作為影響量來考慮必然會將系統誤差考慮進去,而原始模擬徑流與考慮影響模擬徑流的比值可以將這種系統誤差相互抵消。該比值可能不是最準確的影響量,但避免了系統誤差所帶來的影響,得到的是實際的水利工程影響量。因此,以原始模擬徑流與考慮影響模擬徑流的差值作為水利工程的影響量,以影響量與實測值之比作為水利工程對實測徑流的影響程度,在表1中分別為影響量與影響程度的兩列數據。對于一般性洪水,絕對影響程度與變化時間的線性擬合相關系數為0.6,尚不到中度相關性,說明水利工程對洪水的絕對影響程度隨時間的變化不太明顯,但水利工程對一般類型洪水的影響隨水利工程的逐年增多整體上呈穩步增加趨勢,水利工程對這類洪水的影響基數較大(20%以上),變化趨勢也較快,且其在洪水過程中主要發揮攔蓄作用,使得洪水量值與峰值均減小。

2.3水利工程對較大洪水影響分析

據5規范6,較大洪水為重現期在10~20年之間的洪水,發生的頻率較一般洪水要小,但還不至于太大,一般不會造成較大的災害或者僅有局部成災發生,通過模型模擬及考慮水利工程的影響計算,其結果與變化趨勢分析見表2、圖3。對于較大型洪水,絕對影響程度與變化時間的線性擬合相關系數只有0.45。20世紀80年代前的洪水基本在趨勢線上下浮動,但80年代之后有了較為明顯的突變現象,盡管仍是在趨勢線上下擺動,但擺動幅度忽大忽小,點距分布極其沒有規律。總體上,水利工程對較大類型洪水的影響程度基數比一般類型洪水約小10%,但隨水利工程的逐年增多基本也呈上升趨勢,而且這種趨勢要比對一般洪水影響程度的趨勢增加得更快,且其對洪水的影響使洪水減小。

2.4水利工程對大洪水及以上洪水影響分析

據5規范6,重現期在20~50年間為大洪水,大于50年為特大洪水。大洪水的發生本身就比較稀遇,特大洪水的發生更為罕見,這類洪水基本上是峰高、量大型洪水,對流域內及其下游產生較大破壞,因此可以將這兩類洪水稱為具有破壞性的大洪水來考慮。其場次洪水模擬結果以及考慮水利工程的徑流預報結果及其影響變化趨勢見表3、圖4。對于大型、特大型洪水,水利工程對洪水的絕對影響程度與變化時間的線性擬合相關系數為0.4,相關系數非常低,場次洪水的點距分布較為散亂,很難找到合適的相關關系。但是從年代最大值、年代最小值的角度來看,隨水利工程的不斷增加,人類可能的其他活動因素日趨復雜,使得影響程度整體上呈增加趨勢,但個別場次洪水可能存在與整體趨勢不一致的突變現象。在以上三種基本分類分析中,既存在著一定的差異性,又有著一定的共同點,首先幾類洪水受人類活動影響的絕對量隨時間變化的趨勢線相關系數差異較大,且普遍較低,但其影響程度基本均呈增加趨勢;在每一個變化趨勢圖中,樣本點越多其相關性越大,在較大與大型洪水中,由于點值樣本有限,點的分布較散,點值之間差異性比趨同性特征更加明顯,所以相關系數也較低。通過以上計算分析,可知水利工程對洪水的影響主要為負影響(使之減小),但在不同類型的洪水中影響程度不同,洪水越小影響越大(表4)。水利工程對一般洪水的平均影響程度將近50%,對較大洪水的平均影響程度為22%,而在大洪水及以上洪水中水利工程的平均影響程度僅為10%。以上表1-表3中所有影響量均為實際影響量。對比發現,水利工程對場次洪水的實際影響量與可影響量并不一致,實際影響量與流域降雨及其分布甚至前期影響雨量即PA等因素有關;可影響量為一個極值,是水庫最大可發揮的影響程度,在實際場次洪水并不一定會用到。因此在實際每次洪水中,一般洪水、較大洪水、大洪水的實際影響量沒有確定的大小先后關系,但可影響量卻有明確的大小順序,大洪水>較大洪水>一般洪水。

3結語

通過對豐滿五道溝以上各類型洪水的模擬計算結果進行分析,發現水利工程對中、小洪水的影響比大洪水的影響要大很多。一方面因為大洪水本身量較大,即使較小的影響比例也能帶來較大的影響量,而小洪水本身量小,就算有再大影響比例也不會有太大的影響量;另一方面是非工程措施發揮的作用也越來越重要。在水庫實際控制運行中,基于經濟利益的考慮,工程管理人員會盡可能的多蓄水,以達到其發電或灌溉等的經濟效益,但同時還要考慮水利工程以及流域本身的防洪安全。因此對蓄/泄水量的控制、出入庫流量的調節必須要找到一個邊際經濟效益最高而邊際風險最低的動態平衡點。本文這種考慮水利工程影響的場次洪水攔蓄符合現階段我國修建、管理并運行的大量水利工程現狀,能有效應對汛期防洪與枯水期抗旱的矛盾。但是在實際研究中對資料的收集難度較大,在小流域探索性研究的同時應逐漸開放有關資料的共享程度,通過不同的模型進行對比研究,繼續尋求并深入掌握這種影響規律及其變化對以后水庫防洪調度具有重要的借鑒意義。

作者：李成林薛志春彭勇周惠成劉媛媛單位：水利部松遼水利委員會大連理工大學水資源與防洪研究所