水利工程对洪水的影响探索

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1研究方法

本文选用传统的集总式水文模型)))新安江模型,该模型理论发展较为成熟,在国内外都有较广泛的应用,对其模型基本原理不再细述。随着对水文模型研究的不断进步与深入,人们通过不断改进或提出新的算法来提高模型参数率定的效率与结果,从而提高模型模拟精度达到改进效果,如GA、PSO、SCE2UA等。同时也有人开始对模型结构与参数组成进行改进,使模型更加适应于流域实际情景。本文通过以下改进模型参数的方法对考虑人类活动影响的流域水文模拟研究进行了探索。在新安江模型中,流域平均蓄水能力WM反映流域特性,基本是一个不变的值。但在工程实际中,下垫面土地利用变化与水利工程建设,使得流域内部发生了巨大变化。在小尺度的短期水文研究中下垫面土地利用变化相比不太显著,而水利工程的不断建设明显改变了流域实际蓄水能力。流域实际蓄水能力由流域天然的蓄水能力WM1与水利工程带来的蓄水能力WM2两部分组成。水库的蓄水能力可以通过均摊到流域面积上的方式,利用流域调查资料整理,按年代分阶段进行统计分析。设上游水库的有效拦蓄能力为Bm3,流域面积为Akm2,该水库反应在流域上的最大蓄水能力为WM2(mm),则:WM2=B/1000A(1)流域的实际最大蓄水能力为:WM=WM1+WM2(2)将改进后的流域蓄水能力参数WM用上述值WM替代进行模拟计算,当水库建设逐渐增多,流域总蓄水库容增大的同时,相应的WM2也增大。在水利工程建设最少的年代,流域下垫面可以认为是相对天然的,因此通过有关年代场次洪水进行模型参数率定,就可得到流域天然蓄水能力WM1。在改进新安江模型应用参数的基础上,利用流域调查所得到的有关水利工程资料,结合流域相关水文数据采用遗传算法,就可以进行新安江模型参数率定以及洪水场次模拟。

2实例

2.1流域概况

丰满II区五道沟以上流域出口控制站为五道沟水文站,流域面积12391km2。流域内的辉发河是松花江上游的一个较大支流,全长240km,发源于辽宁省清原县龙岗山脉中部,流经清原、东丰、柳河、梅河口、辉南、磐石和桦甸7个县(市),于桦甸市头道沟附近注入松花江,汇合后一并汇入松花湖,流域及水利工程分布见图1。该流域属半湿润地区,降水量年内分配不均,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年流域调查显示,区内共有大型水库1座,中型水库12座,小(一)型水库86座,小(二)型水库390座,塘坝则无以计数,中小水利工程总库容为6.42亿m3,占全流域中小型水利工程总库容7.05亿m3的91%[15],流域内各类水利工程控制流域面积为7421.27km2,占总流域面积的63.98%。通过流域调查得到水利工程的有关资料,如水库基本信息(包括水库名称、经纬度、总库容、防洪库容、控制面积、修建时间)、大中型水库运行信息(包括日入库、出库流量,时段入库、出库流量)、无资料水库及塘坝信息(包括控制面积、总库容、地理位置),结合流域各个控制站的水文资料(日降雨、时段降雨、日流量、时段流量),整理分析后运用传统统计方法进行分析,得到各类型水利工程在不同类型洪水中的影响程度。

2.2水利工程对一般洪水影响分析

根据5水文情报预报规范6SL25022000(以下简称5规范6)中5.1.5规定,根据水文要素重现期将洪水划分为4类:一般洪水、较大洪水、大洪水和特大洪水。一般洪水的发生比较频繁,其主要特征为量小、峰低,一般不会成灾。通过对流域下垫面及水利工程资料的分析,按水利工程规模将模拟时段分为天然期与人类活动影响期。对天然期场次洪水应用遗传算法进行参数率定,得到天然期新安江模型基本参数,使用天然期参数进行洪水模拟计算即为原始模拟。在天然期参数的基础上加入水利工程影响进行计算即为考虑影响模拟。原始模拟径流和考虑影响模拟径流,以及水利工程影响量、影响程度及其变化趋势分析。任何水文模型本身都存在模型系统误差,该误差基本控制在水文预报允许误差范围之内,因此,若将实测径流与原始模拟径流的差值作为影响量来考虑必然会将系统误差考虑进去,而原始模拟径流与考虑影响模拟径流的比值可以将这种系统误差相互抵消。该比值可能不是最准确的影响量,但避免了系统误差所带来的影响,得到的是实际的水利工程影响量。因此,以原始模拟径流与考虑影响模拟径流的差值作为水利工程的影响量,以影响量与实测值之比作为水利工程对实测径流的影响程度,在表1中分别为影响量与影响程度的两列数据。对于一般性洪水,绝对影响程度与变化时间的线性拟合相关系数为0.6,尚不到中度相关性,说明水利工程对洪水的绝对影响程度随时间的变化不太明显,但水利工程对一般类型洪水的影响随水利工程的逐年增多整体上呈稳步增加趋势,水利工程对这类洪水的影响基数较大(20%以上),变化趋势也较快,且其在洪水过程中主要发挥拦蓄作用,使得洪水量值与峰值均减小。

2.3水利工程对较大洪水影响分析

据5规范6,较大洪水为重现期在10~20年之间的洪水,发生的频率较一般洪水要小,但还不至于太大,一般不会造成较大的灾害或者仅有局部成灾发生,通过模型模拟及考虑水利工程的影响计算,其结果与变化趋势分析见表2、图3。对于较大型洪水,绝对影响程度与变化时间的线性拟合相关系数只有0.45。20世纪80年代前的洪水基本在趋势线上下浮动,但80年代之后有了较为明显的突变现象,尽管仍是在趋势线上下摆动,但摆动幅度忽大忽小,点距分布极其没有规律。总体上,水利工程对较大类型洪水的影响程度基数比一般类型洪水约小10%,但随水利工程的逐年增多基本也呈上升趋势,而且这种趋势要比对一般洪水影响程度的趋势增加得更快,且其对洪水的影响使洪水减小。

2.4水利工程对大洪水及以上洪水影响分析

据5规范6,重现期在20~50年间为大洪水,大于50年为特大洪水。大洪水的发生本身就比较稀遇,特大洪水的发生更为罕见,这类洪水基本上是峰高、量大型洪水,对流域内及其下游产生较大破坏,因此可以将这两类洪水称为具有破坏性的大洪水来考虑。其场次洪水模拟结果以及考虑水利工程的径流预报结果及其影响变化趋势见表3、图4。对于大型、特大型洪水,水利工程对洪水的绝对影响程度与变化时间的线性拟合相关系数为0.4,相关系数非常低,场次洪水的点距分布较为散乱,很难找到合适的相关关系。但是从年代最大值、年代最小值的角度来看,随水利工程的不断增加,人类可能的其他活动因素日趋复杂,使得影响程度整体上呈增加趋势,但个别场次洪水可能存在与整体趋势不一致的突变现象。在以上三种基本分类分析中,既存在着一定的差异性,又有着一定的共同点,首先几类洪水受人类活动影响的绝对量随时间变化的趋势线相关系数差异较大,且普遍较低,但其影响程度基本均呈增加趋势;在每一个变化趋势图中,样本点越多其相关性越大,在较大与大型洪水中,由于点值样本有限,点的分布较散,点值之间差异性比趋同性特征更加明显,所以相关系数也较低。通过以上计算分析,可知水利工程对洪水的影响主要为负影响(使之减小),但在不同类型的洪水中影响程度不同,洪水越小影响越大(表4)。水利工程对一般洪水的平均影响程度将近50%,对较大洪水的平均影响程度为22%,而在大洪水及以上洪水中水利工程的平均影响程度仅为10%。以上表1-表3中所有影响量均为实际影响量。对比发现,水利工程对场次洪水的实际影响量与可影响量并不一致,实际影响量与流域降雨及其分布甚至前期影响雨量即PA等因素有关;可影响量为一个极值,是水库最大可发挥的影响程度,在实际场次洪水并不一定会用到。因此在实际每次洪水中,一般洪水、较大洪水、大洪水的实际影响量没有确定的大小先后关系,但可影响量却有明确的大小顺序,大洪水>较大洪水>一般洪水。

3结语

通过对丰满五道沟以上各类型洪水的模拟计算结果进行分析,发现水利工程对中、小洪水的影响比大洪水的影响要大很多。一方面因为大洪水本身量较大,即使较小的影响比例也能带来较大的影响量,而小洪水本身量小,就算有再大影响比例也不会有太大的影响量;另一方面是非工程措施发挥的作用也越来越重要。在水库实际控制运行中,基于经济利益的考虑,工程管理人员会尽可能的多蓄水,以达到其发电或灌溉等的经济效益,但同时还要考虑水利工程以及流域本身的防洪安全。因此对蓄/泄水量的控制、出入库流量的调节必须要找到一个边际经济效益最高而边际风险最低的动态平衡点。本文这种考虑水利工程影响的场次洪水拦蓄符合现阶段我国修建、管理并运行的大量水利工程现状,能有效应对汛期防洪与枯水期抗旱的矛盾。但是在实际研究中对资料的收集难度较大,在小流域探索性研究的同时应逐渐开放有关资料的共享程度,通过不同的模型进行对比研究,继续寻求并深入掌握这种影响规律及其变化对以后水库防洪调度具有重要的借鉴意义。

作者：李成林薛志春彭勇周惠成刘媛媛单位：水利部松辽水利委员会大连理工大学水资源与防洪研究所