密云水库过渡期汛限水位动态控制分析（顾拓,唐延芳）

时间：2022-02-19 15:17:51 浏览量：次

摘要：汛期分期控制限制水位是目前水库普遍采用的调度运用方式。采用降半正态分布模拟汛期相对隶属函数, 根据密云水库的实际运行情况, 分析计算出过渡期逐日汛期隶属度, 确定符合密云水库防洪标准的过渡期汛限水位, 实现了动态控制。

关键词：密云水库过渡期汛限水位汛期隶属度动态控制

中图分类号TV697.1 文献标识码B 文章编号1673- 4637( 2007) 01- 0025- 03

1 工程及流域概况

密云水库位于北京市密云县境内, 由潮白河上游两大支流潮河、白河汇流而成, 是一座以防洪、供水为主的多功能综合利用、多年调节的大型水库。水库坝址以上控制流域面积1 万5 788 km2, 占潮白河总流域面积的88%。

水库按1 000 a 一遇洪水标准设计, 1 万a 一遇洪水标准校核。设计洪水位157.5 m, 相应库容为39.64亿m3; 校核洪水位158.5 m, 相应库容为41.454 亿m3;死水位126.0 m, 相应库容为4.19 亿m3。主体工程由潮河、白河两大工程枢纽组成, 保护着下游京、津、冀地区的防洪安全。建库40 多年来, 拦蓄了水库上游的全部洪水, 累计减淹面积157.4 万hm2, 发挥了巨大的社会效益。

2 水库汛限水位调整过程

密云水库在20 世纪50 年代末规定汛前限制水位为147.0 m, 后来经不同单位的多次研究, 将汛限水位逐步提高到148.0 m、150.0 m。20 世纪80 年代以来,来水量不断减少, 年可能供水量由原设计的10 亿m3,减少到现在的不足5 亿m3。而由于受汛限水位的限制, 1994 — 1998 年汛期水库仍发生了十几亿m3 的弃水。为了更合理地进行防洪调度, 充分利用水资源,2002 年10 月, 北京市防汛办公室委托清华大学承担密云水库汛限水位研究项目, 结合密云水库的特点以及对北京城市供水的特殊重要性, 按照国家防总关于试点水库汛限水位设计与研究工作大纲的要求开展工作。2006 年3 月, 经水利部水汛【2006】98 号文件批复, 水库主汛期( 6 月1 日— 8 月10 日) , 汛限水位升至152 m; 后汛期( 8 月11 日— 9 月30 日) , 汛限水位154 m, 并在后汛期增加一段过渡期( 8 月11日— 20 日) , 库水位控制在152 ~ 154 m, 在过渡期内逐步抬高。

3 过渡期的提出

汛限水位的调整, 一般是根据水库多年的雨洪资料进行洪水分析, 按照主汛期和后汛期2 个阶段分别分析洪水洪峰、洪量, 计算特征值(均值、Cv、Cs 及不同频率洪水的设计值), 推求出设计洪水过程线, 并根据分期洪水过程线和设计的起调水位确定的。设计阶段把汛期只分为主汛期和后汛期2 个时段, 是因为汛期分期起讫日期客观要求基本符合流域气象水文特性, 不宜分期过多。而之所以把8 月11 日— 8 月20日另辟为过渡期, 是因为洪水发生频率和量级随时间变化趋势具有连续性, 主、后汛期之间实际上没有明显的时刻界线, 是逐渐演变的, 期间有一个过渡过程。即过渡期具有主汛期和后汛期的双重属性。用过渡期的方式处理主、后期的衔接问题符合客观实际, 更符合兴利服从防洪、确保水库安全的防洪原则。同时增加一段过渡期, 协调了沿河上下游省市关系, 进一步减轻了密云水库上下游潮白河的防洪压力。

4 动态控制过渡期汛限水位的必要性

密云水库流域地处中纬度地带, 影响暴雨的大气环流系统主要是西太平洋副热带高压、西风带及热带环流系统, 形成暴雨的主要天气系统有切变线、西风槽、西北涡、西南涡、台风及台风倒槽等, 形成不同的暴雨类型, 既有短时局部性大暴雨及中历时区域性大暴雨, 也有长时、大范围的持续性大雨。降雨空间分布有地区性差别, 其中库区附近降雨量大, 降雨量向上游递减。流域多年平均年降雨量为550 mm, 其中6 — 9 月份降雨约占80%。暴雨多集中在7 — 8 月份,可占55%, 特别是7 月下旬至8 月上旬, 8 月中旬至9月底后汛期内发生较大洪水的机遇较小。而在过渡期水库调度运用过程中, 若一味地强调防洪, 仍使用主汛期的汛限水位, 未能适时地抬高汛限水位, 往往会发生不必要的弃水现象, 面对非汛期的干旱缺水却无能为力。反之, 若过分强调洪水资源的有效利用, 直接抬高到后汛期的汛限水位, 将实现多蓄水, 而在现代科技手段尚不能在较长预见期内准确预报降水及径流的情况下, 汛限水位的直接抬高将冒极大的风险。因此, 过渡期汛限水位的动态控制对水库防洪安全和兴利蓄水都非常重要, 要根据水库实际情况具体分析,科学论证, 相机行事。

5 过渡期水库汛限水位的动态控制方法

根据模糊水文水资源学原理, 由主汛期过渡至非汛期, 之间存在共维(时间维) 差异, 从差异的一方向另一方变化, 中间经历一个渐变的连续过渡过程(过渡期), 其间的界限并不清晰, 是模糊的概念, 是客观存在的模糊现象。基于模糊集合论, 过渡期中任意时间属于主汛期的隶属度是不同的, 也就是说, 过渡期中不同时间所要求的防洪库容是不一样的。据此, 当已知主汛期和后汛期所需要的设计防洪库容, 加之研究得出水库汛期的相对隶属函数, 即可完整地勾画出过渡期防洪库容的连续变化过程, 计算出不同时间水库的防洪库容。在一定的防洪标准下, 防洪库容一旦确定, 便可确定水库水位, 从而实现水库汛限水位的动态模糊控制, 再以此为科学依据, 按照分析计算结果进行实际的防洪调度, 达到“保安全、多蓄水”的目的。

5.1 过渡期模糊集的数学模型

汛期相对隶属函数形式要适合模糊现象的物理性质, 即要符合汛期洪水发展变化的总趋势。主汛期走向非汛期是一个逐步过渡过程, 主汛期过后雨洪发生几率及量级是逐渐衰减的, 且初期洪水衰减相对比较缓慢, 模糊分布中的降半正态分布型式可以适应这一原则。

若用一条曲线把主汛期末8 月10 日确定的防洪库容与后汛期起点8 月21 日确定的防洪库容相连, 则这条曲线可显示防洪库容随时差的衰减过程。任取曲线上一点, 其时间与主汛期末的时差就对应一定的防洪库容, 此防洪库容与主汛期防洪库容的比值即表示了该处相对主汛期的属性, 称之为汛期隶属度。

据此, 设定汛期隶属度为降半正态分布模型, 其数学表达式为:

在主汛期的一定时间内, 汛期隶属度为1, 过渡期内, 汛期隶属度从1 逐渐减小。汛限水位除了在主汛期隶属度为1 的阶段维持最低汛限水位外, 在过渡阶段, 根据汛期隶属度的减小而逐步抬高。

5.2 密云水库过渡期汛限水位计算

密云水库汛期调度运用中分期确定的汛限水位是:6 月1 日— 8 月10 日为主汛期, 限制水位152 m; 8月11 日— 8 月20 日为过渡期, 限制水位152 ~ 154 m; 8月21 日— 9 月31 日为后汛期, 限制水位154 m。

密云水库1 000 a 一遇防洪标准的洪水位为157.5m,相应蓄水量为39.640 亿m3, 防洪库容Va=9.277 亿m3。8 月21 日是过渡期与后汛期的结合点, 汛限水位为154 m, 相应蓄水量为33.610 亿m3, 对应防洪库容为Vb=39.640 — 33.610 = 6.030 亿m3。则有

利用式(4), 可求得过渡期不同日期的防洪库容及汛限水位, 详见表1。

6 结语

密云水库是国家防汛抗旱总指挥部确定的全国12座研究试点水库之一, 承担着北京市60% 以上的生活供水任务, 随着2008 年奥运会的日益临近, 北京市水资源紧缺的问题日益尖锐, 密云水库的蓄水情况显得尤为重要。

当前, 水库过渡期汛限水位的控制尚无一套标准模式, 一旦在过渡期内水位较高, 面对防洪与兴利的矛盾, 有关防办和水库管理单位将因不能确定水库当时的防洪标准而难以决策。利用模糊集合分析的方法,以主、后汛期的汛限水位为基础, 分析计算出过渡期密云水库逐日汛限水位, 该结果为密云水库调度人员灵活调度洪水提供了科学依据, 使过渡期的汛限水位更具操作性, 对充分发挥水库工程效益意义十分突出。

参考文献

[1] 陈守煜.从研究汛期描述论水文系统模糊集分析的方法论[J].水科学进展, 1995, 6(2):133- 138.

[2] 陈守煜. 模糊水文学[J]. 大连理工大学学报, 988,28(1):93- 97.

[3] 陈守煜, 王淑英, 等. 水库设计汛限水位动态模糊控制分析[J]. 大连理工大学学报, 2005,45(5):735- 739.

[4] 孙京都, 刘和平. 北京市密云水库汛限水位研究[J]. 北京水利, 2003(3): 25- 26.

[5] 胡四一, 高波, 王忠静.海河流域洪水资源安全利用———水库汛限水位的确定与运用. 中国水利, 2002(10).

作者简介: 顾拓( 1983 —) , 男, 助理工程师。

来源：《北京水务》2007.1

推荐访问:密云过渡期水位水库控制