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1研究方法

本文選用傳統(tǒng)的集總式水文模型)))新安江模型,該模型理論發(fā)展較為成熟,在國(guó)內(nèi)外都有較廣泛的應(yīng)用,對(duì)其模型基本原理不再細(xì)述。隨著對(duì)水文模型研究的不斷進(jìn)步與深入,人們通過(guò)不斷改進(jìn)或提出新的算法來(lái)提高模型參數(shù)率定的效率與結(jié)果,從而提高模型模擬精度達(dá)到改進(jìn)效果,如GA、PSO、SCE2UA等。同時(shí)也有人開(kāi)始對(duì)模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)組成進(jìn)行改進(jìn),使模型更加適應(yīng)于流域?qū)嶋H情景。本文通過(guò)以下改進(jìn)模型參數(shù)的方法對(duì)考慮人類活動(dòng)影響的流域水文模擬研究進(jìn)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(gè)不變的值。但在工程實(shí)際中,下墊面土地利用變化與水利工程建設(shè),使得流域內(nèi)部發(fā)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(shè)明顯改變了流域?qū)嶋H蓄水能力。流域?qū)嶋H蓄水能力由流域天然的蓄水能力WM1與水利工程帶來(lái)的蓄水能力WM2兩部分組成。水庫(kù)的蓄水能力可以通過(guò)均攤到流域面積上的方式,利用流域調(diào)查資料整理,按年代分階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)上游水庫(kù)的有效攔蓄能力為Bm3,流域面積為Akm2,該水庫(kù)反應(yīng)在流域上的最大蓄水能力為WM2(mm),則:WM2=B/1000A(1)流域的實(shí)際最大蓄水能力為:WM=WM1+WM2(2)將改進(jìn)后的流域蓄水能力參數(shù)WM用上述值WM替代進(jìn)行模擬計(jì)算,當(dāng)水庫(kù)建設(shè)逐漸增多,流域總蓄水庫(kù)容增大的同時(shí),相應(yīng)的WM2也增大。在水利工程建設(shè)最少的年代,流域下墊面可以認(rèn)為是相對(duì)天然的,因此通過(guò)有關(guān)年代場(chǎng)次洪水進(jìn)行模型參數(shù)率定,就可得到流域天然蓄水能力WM1。在改進(jìn)新安江模型應(yīng)用參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用流域調(diào)查所得到的有關(guān)水利工程資料,結(jié)合流域相關(guān)水文數(shù)據(jù)采用遺傳算法,就可以進(jìn)行新安江模型參數(shù)率定以及洪水場(chǎng)次模擬。

2實(shí)例

2.1流域概況

豐滿II區(qū)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(nèi)的輝發(fā)河是松花江上游的一個(gè)較大支流,全長(zhǎng)240km,發(fā)源于遼寧省清原縣龍崗山脈中部,流經(jīng)清原、東豐、柳河、梅河口、輝南、磐石和樺甸7個(gè)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(jiàn)圖1。該流域?qū)侔霛駶?rùn)地區(qū),降水量年內(nèi)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(diào)查顯示,區(qū)內(nèi)共有大型水庫(kù)1座,中型水庫(kù)12座,小(一)型水庫(kù)86座,小(二)型水庫(kù)390座,塘壩則無(wú)以計(jì)數(shù),中小水利工程總庫(kù)容為6.42億m3,占全流域中小型水利工程總庫(kù)容7.05億m3的91%[15],流域內(nèi)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(guò)流域調(diào)查得到水利工程的有關(guān)資料,如水庫(kù)基本信息(包括水庫(kù)名稱、經(jīng)緯度、總庫(kù)容、防洪庫(kù)容、控制面積、修建時(shí)間)、大中型水庫(kù)運(yùn)行信息(包括日入庫(kù)、出庫(kù)流量,時(shí)段入庫(kù)、出庫(kù)流量)、無(wú)資料水庫(kù)及塘壩信息(包括控制面積、總庫(kù)容、地理位置),結(jié)合流域各個(gè)控制站的水文資料(日降雨、時(shí)段降雨、日流量、時(shí)段流量),整理分析后運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)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(duì)一般洪水影響分析

根據(jù)5水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范6SL25022000(以下簡(jiǎn)稱5規(guī)范6)中5.1.5規(guī)定,根據(jù)水文要素重現(xiàn)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(fā)生比較頻繁,其主要特征為量小、峰低,一般不會(huì)成災(zāi)。通過(guò)對(duì)流域下墊面及水利工程資料的分析,按水利工程規(guī)模將模擬時(shí)段分為天然期與人類活動(dòng)影響期。對(duì)天然期場(chǎng)次洪水應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)率定,得到天然期新安江模型基本參數(shù),使用天然期參數(shù)進(jìn)行洪水模擬計(jì)算即為原始模擬。在天然期參數(shù)的基礎(chǔ)上加入水利工程影響進(jìn)行計(jì)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(shì)分析。任何水文模型本身都存在模型系統(tǒng)誤差,該誤差基本控制在水文預(yù)報(bào)允許誤差范圍之內(nèi),因此,若將實(shí)測(cè)徑流與原始模擬徑流的差值作為影響量來(lái)考慮必然會(huì)將系統(tǒng)誤差考慮進(jìn)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(tǒng)誤差相互抵消。該比值可能不是最準(zhǔn)確的影響量,但避免了系統(tǒng)誤差所帶來(lái)的影響,得到的是實(shí)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(shí)測(cè)值之比作為水利工程對(duì)實(shí)測(cè)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(shù)據(jù)。對(duì)于一般性洪水,絕對(duì)影響程度與變化時(shí)間的線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.6,尚不到中度相關(guān)性,說(shuō)明水利工程對(duì)洪水的絕對(duì)影響程度隨時(shí)間的變化不太明顯,但水利工程對(duì)一般類型洪水的影響隨水利工程的逐年增多整體上呈穩(wěn)步增加趨勢(shì),水利工程對(duì)這類洪水的影響基數(shù)較大(20%以上),變化趨勢(shì)也較快,且其在洪水過(guò)程中主要發(fā)揮攔蓄作用,使得洪水量值與峰值均減小。

2.3水利工程對(duì)較大洪水影響分析

據(jù)5規(guī)范6,較大洪水為重現(xiàn)期在10~20年之間的洪水,發(fā)生的頻率較一般洪水要小,但還不至于太大,一般不會(huì)造成較大的災(zāi)害或者僅有局部成災(zāi)發(fā)生,通過(guò)模型模擬及考慮水利工程的影響計(jì)算,其結(jié)果與變化趨勢(shì)分析見(jiàn)表2、圖3。對(duì)于較大型洪水,絕對(duì)影響程度與變化時(shí)間的線性擬合相關(guān)系數(shù)只有0.45。20世紀(jì)80年代前的洪水基本在趨勢(shì)線上下浮動(dòng),但80年代之后有了較為明顯的突變現(xiàn)象,盡管仍是在趨勢(shì)線上下擺動(dòng),但擺動(dòng)幅度忽大忽小,點(diǎn)距分布極其沒(méi)有規(guī)律。總體上,水利工程對(duì)較大類型洪水的影響程度基數(shù)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(shì),而且這種趨勢(shì)要比對(duì)一般洪水影響程度的趨勢(shì)增加得更快,且其對(duì)洪水的影響使洪水減小。

2.4水利工程對(duì)大洪水及以上洪水影響分析

據(jù)5規(guī)范6,重現(xiàn)期在20~50年間為大洪水,大于50年為特大洪水。大洪水的發(fā)生本身就比較稀遇,特大洪水的發(fā)生更為罕見(jiàn),這類洪水基本上是峰高、量大型洪水,對(duì)流域內(nèi)及其下游產(chǎn)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(lái)考慮。其場(chǎng)次洪水模擬結(jié)果以及考慮水利工程的徑流預(yù)報(bào)結(jié)果及其影響變化趨勢(shì)見(jiàn)表3、圖4。對(duì)于大型、特大型洪水,水利工程對(duì)洪水的絕對(duì)影響程度與變化時(shí)間的線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.4,相關(guān)系數(shù)非常低,場(chǎng)次洪水的點(diǎn)距分布較為散亂,很難找到合適的相關(guān)關(guān)系。但是從年代最大值、年代最小值的角度來(lái)看,隨水利工程的不斷增加,人類可能的其他活動(dòng)因素日趨復(fù)雜,使得影響程度整體上呈增加趨勢(shì),但個(gè)別場(chǎng)次洪水可能存在與整體趨勢(shì)不一致的突變現(xiàn)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(diǎn),首先幾類洪水受人類活動(dòng)影響的絕對(duì)量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)線相關(guān)系數(shù)差異較大,且普遍較低,但其影響程度基本均呈增加趨勢(shì);在每一個(gè)變化趨勢(shì)圖中,樣本點(diǎn)越多其相關(guān)性越大,在較大與大型洪水中,由于點(diǎn)值樣本有限,點(diǎn)的分布較散,點(diǎn)值之間差異性比趨同性特征更加明顯,所以相關(guān)系數(shù)也較低。通過(guò)以上計(jì)算分析,可知水利工程對(duì)洪水的影響主要為負(fù)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(duì)一般洪水的平均影響程度將近50%,對(duì)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(shí)際影響量。對(duì)比發(fā)現(xiàn),水利工程對(duì)場(chǎng)次洪水的實(shí)際影響量與可影響量并不一致,實(shí)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(guān);可影響量為一個(gè)極值,是水庫(kù)最大可發(fā)揮的影響程度,在實(shí)際場(chǎng)次洪水并不一定會(huì)用到。因此在實(shí)際每次洪水中,一般洪水、較大洪水、大洪水的實(shí)際影響量沒(méi)有確定的大小先后關(guān)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)豐滿五道溝以上各類型洪水的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)水利工程對(duì)中、小洪水的影響比大洪水的影響要大很多。一方面因?yàn)榇蠛樗旧砹枯^大,即使較小的影響比例也能帶來(lái)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(huì)有太大的影響量;另一方面是非工程措施發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要。在水庫(kù)實(shí)際控制運(yùn)行中,基于經(jīng)濟(jì)利益的考慮,工程管理人員會(huì)盡可能的多蓄水,以達(dá)到其發(fā)電或灌溉等的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)還要考慮水利工程以及流域本身的防洪安全。因此對(duì)蓄/泄水量的控制、出入庫(kù)流量的調(diào)節(jié)必須要找到一個(gè)邊際經(jīng)濟(jì)效益最高而邊際風(fēng)險(xiǎn)最低的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。本文這種考慮水利工程影響的場(chǎng)次洪水?dāng)r蓄符合現(xiàn)階段我國(guó)修建、管理并運(yùn)行的大量水利工程現(xiàn)狀,能有效應(yīng)對(duì)汛期防洪與枯水期抗旱的矛盾。但是在實(shí)際研究中對(duì)資料的收集難度較大,在小流域探索性研究的同時(shí)應(yīng)逐漸開(kāi)放有關(guān)資料的共享程度,通過(guò)不同的模型進(jìn)行對(duì)比研究,繼續(xù)尋求并深入掌握這種影響規(guī)律及其變化對(duì)以后水庫(kù)防洪調(diào)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(huì)大連理工大學(xué)水資源與防洪研究所