基于多指標的尼爾基水庫汛期分期研究

徐愛華

（遼寧燕東土木建筑工程咨詢有限公司，遼寧 本溪 117000）

尼爾基水庫位于嫩江干流中上游， 水面面積498.33km2， 水庫正常蓄水位216m， 設計洪水位218.15m，校核洪水位219.9m［1-3］。 水庫總庫容86.1億m3，興利庫容59.68億m3。水庫主要承擔城鎮(zhèn)生活、工業(yè)及農田灌溉等供水任務， 近年來用水戶需水量不斷加大， 另外水庫本身也不斷增加蓄水量， 用于發(fā)電需求。在水庫保證安全運行的前提下，為了更好地協調水庫防洪、興利等功能之間的關系，開展尼爾基水庫汛期分期研究，為水庫的防洪調度提供依據。

1 暴雨洪水季節(jié)性變化規(guī)律

1.1 暴雨時間分布特征

1.1.1 逐旬降水量分析

結合水庫1962—2019年共58年逐旬降水量統(tǒng)計資料，7月下旬降水量最大，達到63.5mm，其次為7月上旬和8月上旬。在汛期中降水量主要集中在6月下旬到8月下旬，平均旬降水量40.8mm，遠大于汛期平均降水量32.8mm。 多年平均逐旬降水量分布趨勢如圖1。

圖1 多年平均逐旬降水量分布趨勢

1.1.2 25mm以上降水量級分析

根據1962—2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計日降水量在25mm以上的降水， 并按照旬統(tǒng)計該降水量下的次數。由圖2可知，大于25mm降水主要集中在6月下旬到8月下旬，達到58次，占整個汛期的83%。 其中7月下旬最大，達到16次，占整個汛期的23%。

圖2 大于25mm以上降水次數分布趨勢

1.1.3 1—3日最大降水量分析

根據1962—2019年共58年逐日降水量資料，統(tǒng)計6—9月范圍內1—3日最大降水量次數。 由圖3可知，1—3日最大降水量集中分布在6月下旬到8月下旬，7月中旬1—3日最大降水次數平均在6次左右，7月下旬1—3日最大降水次數平均在12次左右，7月上旬和8月上旬1—3日最大降水次數平均近4次，8月中下旬1—3日最大降水次數平均近5次。通過對58年的1—3日最大降水量統(tǒng)計分析，1—3日的最大降水量分別為53.2，93.1，138.6mm。

圖3 1—3日最大降水量次數分布趨勢

根據降水時空分布的分析， 降水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個汛期分為前汛期、主汛期和后汛期3個階段。 逐旬降水量、25mm以上降水量級和1—3日最大降水量3項指標的主汛期一致， 發(fā)生在6月下旬至8月下旬。

1.2 洪水時間分布特征

1.2.1 逐旬流量時間分布

根據1972—2019年6—9月份逐旬入庫流量資料，繪制了逐旬入庫流量變化趨勢線。同時與逐旬降水量進行對比分析。由圖4可知，在整個汛期階段7月中旬到8月下旬水庫的入庫流量達到了最大值，均在逐旬平均流量以上。從發(fā)生的次數來看，旬流量大于1000m3/s次數發(fā)生在7月中旬—8月下旬。從降水量與流量兩項指標的分析結果來看，基本一致，降水量、入庫流量的最大值均發(fā)生在整個汛期的7月中旬至8月下旬，但入庫流量略有滯后。

圖4 旬降雨量與旬入庫流量對比

1.2.2 最大洪峰流量分析

統(tǒng)計了1972—2019年共48年尼爾基水庫峰值及時間如表1。

表1 1972—2019年年最大洪峰發(fā)生時間統(tǒng)計

由表1可知，最大峰值出集中在6月下旬到8月下旬，所占比重達67%。 洪峰流量大于3000m3/s的洪水主要集中在6月下旬至9月上旬，大于5600m3/s的洪水最遲在8月下旬出現。

根據洪水時空分布的分析， 洪水具有明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，整個汛期分為前汛期、主汛期和后汛期3個階段。逐旬流量與最大洪峰兩項指標的主汛期一致，發(fā)生在6月下旬至8月下旬。

2 模糊統(tǒng)計法檢驗汛期

為了確定汛期分期的合理性， 分別采用日降雨量、日入庫流量為指標模糊統(tǒng)計法進行檢驗［4-5］。 以6—9月為汛期變化范圍， 確定汛期與非汛期界線的指標為YT徑流=350m3/s、YT降雨=15mm/d。根據樣本數據，當大于等于YT的起止時間來確定汛期范圍。 經計算分析，日降水量指標的主汛期發(fā)生在6月21日—9月5日，日入庫流量指標的主汛期發(fā)生在6月20日—9月5日，兩項指標隸屬度變化曲線如圖5。

由圖5可知，日降水量、日流量作為分析指標，隸屬度均為大于等于0.7，進入主汛期，結果顯示日降水量作為指標，6月21日—9月5日進入主汛期； 日流量作為指標，6月20日—9月5日進入主汛期。

綜合以上分析， 兩項指標的主汛期時間基本一致，只是開始時間略有差異，但考慮到主汛期來臨時洪水流量較大及結束時安全等因素， 最終確定主汛期為6月20日至8月31日。

3 汛期分期結果與分析

尼爾基水庫采用數理統(tǒng)計、模糊統(tǒng)計兩種方法，分期結果如表2。

表2 水庫汛期分期成果統(tǒng)計

由表2可知， 在數理統(tǒng)計法中采用旬降水量、25mm以上降水量級、1—3日最大降水量、 旬流量和洪峰流量為指標研究汛期分期時， 主汛期結束的時間都是8月下旬。 當旬降水大于汛期旬降水量、25mm以上降水量級次數占汛期的大于10%、1—3日最大降水量次數占汛期的大于5%、年最大洪峰流量次數占汛期的大于5%，均作為入主汛期考慮。

在模糊統(tǒng)計法中采用日降水量和日流量為指標， 當日降水量與日流量大于等于旬降水量與徑流系數之積的流量值時，隸屬度值大于等于0.7，進入主汛期，也說明了數理統(tǒng)計法以各項指標的汛期劃分。

根據水庫的多年運行實際狀況， 在每年的9月1日之后抬升汛限水位后， 普遍在接下來的月份來水量較少，有效庫容很難蓄滿，達不到正常蓄水位，因此設置過渡階段，根據降水量的多少逐漸抬升水位。

根據兩種方法及實際運行情況的分析， 確定水庫主汛期為6月21日至8月31日。

4 不同分期內水位動態(tài)控制方案

當水庫處于退洪階段，且未來24h降雨小于暴雨量級時，24h預報期內水庫水位動態(tài)控制方案約束區(qū)域為（213.37，214.50m）。 在此約束區(qū)域內，等間距生成8個可行的汛期水位動態(tài)控制方案。 表3列出了水庫汛期實時水位控制方案。

表3 水庫汛期實時水位控制方案

當決策者同時看中風險和效益時最優(yōu)方案是方案4，決策者偏好風險時最優(yōu)方案是方案3，而當決策者偏好效益時最優(yōu)方案是方案8。 由此可以看出，模糊優(yōu)選模型對權重較為敏感。 綜合以上分析，方案3為最佳推薦方案。

5 結語

通過尼爾基水庫汛期分期研究，汛期分期成果對尼爾基水庫汛期防洪、 調蓄供水具有一定指導和依據，使水庫發(fā)揮了最佳效益。 由于水庫汛期分期受到的影響因素眾多， 汛期分期結果與水庫實際運行時，主汛期可能會出現提前或滯后，還需要根據當時條件做相應的微調，但總趨勢與范圍基本沒有變化，進一步說明了汛期分期成果是合理的。 隨著氣候、降雨及徑流等因素的變化，汛期分期要做定期復核，同時管理部門要加強實際運行時的水庫調度，為尼爾基水庫防汛、調蓄調度相協調且發(fā)揮最大效益提供指導意見。