黑河金盆水库汛期分期及分期汛限水位研究.pdf
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1、第10 期2023年10 月文章编号:16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)10-0 0 6 9-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023黑河金盆水库汛期分期及分期汛限水位研究张向飞,高敏超,任录全,齐允之1,刘博(1.西安黑河供水有限责任公司金盆水库分公司,陕西西安7 10 4 0 0;2.西安水务(集团)有限责任公司,陕西 西安 7 10 0 6 1)【摘要水库汛期限制水位设置的是否合理是决定洪水资源化利用的关键所在。水库传统上使用的常规调度方式大多基于单一的汛限水位值进行,单一汛限水位模式下水库的洪水资源利用率有限且可能存在部分
2、兴利库容浪费问题。以黑河金盆水库为研究对象,基于2 0 0 3 年 2 0 2 1年共19 年洪水系列资料数据,使用改进的模糊集法对水库控制流域的汛期划分进行了研究。基于推求的金盆水库汛期经验隶属频率结果,表明流域内6 月1日 7月19 日为前汛期,7 月2 0 日 9 月2 0 日为主汛期,9 月2 1日 10 月3 1日为后汛期。在分期结果基础上,求出汛期的分期设计洪水,结合调度规则进行调洪演算得到分期汛限水位,分别为前汛期汛限水位为59 4 m,主汛期汛限水位为59 1m,后汛期汛限水位为59 4 m。考虑水库的预报调度系统,主汛期的汛期后段可划分为9 月1日 9 月10日限水位为59
3、2 m、9 月11日 9 月2 0 日汛限水位为59 3 m。【关键词模糊集;汛期分期;调洪演算;分期汛限水中图分类号TV697.1【文献标识码B随着国民经济的高速发展,用水需求不断增加,水资源供需形势十分严峻,但是降水量变化不大甚至出现减少,水资源的供需矛盾日渐突出。为了能充分地利用当地的水资源,对水库等水利工程实施汛期分期控制汛限水位,最大利用水库的调蓄能力,将洪水拦蓄进而转化为可利用的水资源2-5。汛期的合理划分是实现洪水的资源化关键所在,研究途径有定性法和定量法两类。定性分析法主要为气象成因分析法,定量计算法包括统计分析法和聚类分析法。目前广泛应用的有模糊集分析法和投影寻踪法。单一汛限
4、水位着重考虑汛期防洪安全而忽视了兴利效益,易造成汛期水资源浪费,现已逐步被分期汛限水位及汛限水位动态控制所代替。在关中地区,汛期采用汛限水位静态调控方式,这是当地管理部门从安全因素方面考虑的结果,但是这样的处理方式浪费了巨大的洪水资源。分期汛限水位相较于单一汛限水位更适合于洪水季节性变化规律较为明显的流域,能够有效提高汛期洪水资源的利用率,但其确定方法以及理论依据较为复杂。在汛期,根据不同时段、不同来水规律,结合中长期径流预报,对水库水位采取分期控制17。李凯等建立模型对富水水库调蓄和下游洪水演进进行模拟计算得出所采取的汛限水位研究方法对于下游有重要防洪任务的水库的汛限水位研究较为适用18。余
5、玉聪等基于改进的模糊集分析方法确定梯级水库分期汛限水位,提出利用跨期选样法对分期结果及汛限水位进行修正。李英海等10 针对运行期溪洛渡、向家坝梯级水库调蓄引起的三峡水库人库洪水规律改变,开展三峡水库分期汛限水位研究。李晓英等I利用圆形分布法进行汛期分期,确定汛限水位分期控制的效益、风险指标集,建立风险效益多目标协同决策模型。黑河金盆水库是西安市的主要供水水源,占全市供水总量的7 0%以上。合理确定黑河金盆水库汛期分期汛限水位,对于保障西安用水安全具有重要的现实意义2 。因此,本研究采用传统模糊集的方法确定该水库的最佳汛期分期方案,求出分期设计洪水过程,确定水库汛期的分期汛限水位。1工程概况黑河
6、是渭河在陕西境内秦岭北麓的较大河流,属渭河一级支流。金盆水利枢纽工程位于黑河黑峪口以上1.5km处,是西安市黑河引水工程的主要水源工程,是一项以城市供水为主,兼顾灌溉,结合发电等综合利用的大(2)型水利工程。水库总库容为2.0 亿m,兴利库容1.6 8 亿m汛期水位为591m,设计洪水位(P=0.2%)为59 3.7 4 m,校核洪水位(P=0.02%)为59 8.0 4 m,对应的拦洪库容0.12 亿m,调洪库容0.3 2 亿m。黑河水库水情测报系统于2 0 2 0 年进行了升级更新改造,由超短波通信方式升级为北斗卫星传输方式,水雨情信息监测和预警的准确性、时效性及可靠性得到了改善,流域内由
7、17 个遥测站组成,包括13 个纯雨量站、2 个水位雨量站、1个纯水位站、1个中心站,流域站点分布图见图1。本研究采用黑河金盆水库站点测报的2 0 0 3 年 2 0 2 1年的日人库流量数据。收稿日期2 0 2 2-11-2 8作者简介张向飞(19 8 6-),男,陕西西安人,工程师,主要从事水库调度及运行管理工作。.69第10 期2023年10 月N.O.SI.te107450EN.0.0.teN.O.St.EE2汛期分期2.1改进模糊集法汛期划分是制定和调整分期汛限水位的一个重要参考,对水库调度具有重要意义和作用13 。汛期属于模糊现象,不仅具有模糊性,还具有随机性,可采用模糊统计法进行
8、分析。本研究采用正态分布函数拟合经验隶属度函数。确定非汛期向主汛期过渡段的隶属函数为升半正态分布,主汛期隶属函数为矩形分布,主汛期向非汛期过渡段隶属函数按对称性可取为半正态分布。汛期模糊集内任意时间段的隶属函数计算公式见式(1):e-MA(t)=11212ta2,b20式中:a1、z为根据经验隶属度得到的主汛期开始和结束时间;br、b 2 为与汛期最早最晚时间所需调洪库容有关的参数。al、2、bi、b 2 根据水库防洪安全理论与经验隶属度函数的最佳拟合原则进行确定,其中,b1、b 2 计算公式见式(2)和式(3)。月份年最大洪水出现次数出现概率1%各月最大洪峰流量/(m/s)各月次大洪峰流量/
9、(m/s)综合以上结果,在保证水库安全度汛前提下,确保一定的兴利蓄水,并充分利用水库的调蓄作用,传统模糊集法将黑河金盆水库汛期划分为:6 月1日 7 月19 日为前汛期,7月2 0 日 9 月2 0 日为主汛期,9 月2 1日10 月3 1日为后汛期:需要说明的是,该分期结果是基于对实测洪水系列的理论分析得到,综合考虑汛期不同时段的主要问题和调度需求,可考虑对9 月、10 月汛末期进行更加具体的调整和细分。3分期汛限水位的确定3.1分期设计洪水参考黑河金盆水库设计资料,并结合本次划分的水库前.70.陕西水利Shaanxi WaterResourcesN.O.SI.tE10800E108150E
10、金盆水库位置高程高:3 7 19集水区边界1029km107450E图1黑河金盆水库控制流域分布图al-t72611005.25No.10October,2023108300Ebi=西安市=1Nu0.0.te6b2=式中:i为天数;m为模糊集上边界至ai天数;n为z至模雨量站点N.O.St.EE低:4 4 910800E108150Et0aita220011.510(a;-t)IInl (t,)-1n(t-a.)1Inl (t,)1-1糊集下边界的天数。2.2金盆水库汛期划分金盆水库所在流域洪水主要由暴雨形成,洪水最早出现108300E在4 月 5月,其峰量小,年最大洪水一般出现在7 月 9
11、月;10月份受霆雨影响,亦有洪水发生。本次汛期划分时段为6月1日10 月3 1日,总时间跨度为153 天。由于6 月上中旬发生洪水概率较小,结合改进模糊集理论,设定汛期模糊集为6 月下旬10 月下旬。根据式(1计算得,j=7月19 日,a2=9月2 2 日。根据式(2)和(3)计算得到:b,=29.78,bz=21.45,隶属度曲线图见图2。1.00.80.60.40.26/207/118/1(1)图2金盆水库汛期隶属度曲线图统计近19 年的实测入库流量,得到各月份历史最大入库流量、最大洪水出现次数和次大洪峰流量统计表,见表1。由表1可得,近19 年洪水在9 月发生频率最大,为3 7%,9 月
12、最大洪峰流量为2 17 0 m/s,次大洪峰流量为19 0 0 m/s,均为各月最大值。且7 月、8 月的洪水发生频率都超过2 5%,7 和8月最大洪峰流量分别为14 4 0 m/s和13 2 9 m/s,次大洪峰流量分别为14 2 0 ms 和12 8 5m/s。验证了ai=7月19 日,z=9月2 1日的合理性。表1近19 年历史洪水情况统计表34010538.758028540(2)(3)推求隶属度拟合隶属度一修正隶属度8/22 9/1210/310/24日期560000497658469594汛期、主汛期和后汛期,依据2 0 0 3 年 2 0 2 1年日最大流量比例关系,求出水库的分
13、期设计洪峰流量,见表2。采用同倍比放大法,求出不同频率的人库洪水过程线见图3。表2 分期设计洪水成果表X/%分期500前汛期2548主汛期5100后汛期3495752614401420852613291285973721701900101511581104110064.761.5单位:m/s5000369774005070120018.516第10 期2023年10 月6000500024000三300020001000010203040506070.80时间/h(a)P=0.2%图3 黑河金盆水库不同频率分期设计洪水过程线图3.2分期汛限水位当前黑河金盆水库的汛限水位为59 1m,正常蓄水位
14、为594m,本次针对汛前期和汛后期分别设定汛限水位为59 2 m,593m,594m,主汛期汛限水位为59 1m,进行调洪演算。调洪演算依据水量平衡方程进行,其基本形式为:Qi+Q2 4t-i+2 At=Va-Vi2式中:Q1、Q2 为时段4 t始、末的人库流量,m/s;9 1、9 2 为时段t始、末的出库流量,m/s;Vi、Vz 为时段t始末的水库蓄水量,m;4 t 为计算时段。由于前汛期设计洪水的洪峰流量较小,调度过程中采用泄洪洞、溢洪洞全开的调度方式,结合金盆水库的泄流能力曲线(见图4),针对前汛期,汛限水位为59 2 m、59 3 m、59 4 m时,前汛期的设计洪水峰值均小于相应水位
15、对应的水库泄流能力,即在前汛期内能满足出库流量等于人库流量,考虑到水库综合经济效益,汛限水位设定为59 4 m比较合理。在主汛期和后汛期,洪峰流量较大,在流量较大时散泄,主汛期汛限水位为59 1m,后汛期汛限水位分别设定为59 2 m、59 3 m、594m时,设计洪水50 0 年一遇洪水和校核洪水50 0 0 年一遇洪水的水库调节成果中最高水位均未超过设计值,其中主汛期汛限水位为59 1m,前汛期和后汛期汛限水位为59 4 m时的各分期调洪演算过程见图5、图6,调洪结果见表3、表4。结合图5、图6 和表3、表4 可知,前汛期汛限水位为594m,主汛期汛限水位为59 1m,后汛期汛限水位为59
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