万新宇,管秀峰,钟平安,汪曼琳,梅 杰
(河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)
摘要：以淮河流域鲁台子上游大型水库群为例,比较水库修建前后下游断面洪水过程变化情况,分析水库群对洪水过程的总影响,提出逐库添加法划分各水库在洪水过程变化中的贡献,明确各水库的影响程度,采用分级聚类法对水库影响程度进行划分,甑别重要水库。结果显示淮河流域大型水库群显著削减了鲁台子断面洪水总量与洪峰流量,峰现时间也有所变化,各库贡献差异较大,其中梅山、响洪甸、宿鸭湖、南湾、鲇鱼山和佛子岭等6座水库对鲁台子断面洪水过程影响显著,是流域防洪调度的重点水库。
关键词：水库群;洪水过程;聚类分析;防洪决策;淮河流域
气候变化与人类活动是影响流域水文循环的两大因素,其中人类活动对流域水文特性的影响程度日趋加深[1]。在流域内修建水库是人类活动的主要形式,但随着流域内水库数量的不断增多,导致流域下垫面特征发生显著变化,从而影响了流域径流形成过程,给流域水文预报、水资源规划以及水文分析计算等研究带来诸多困难。为了弄清流域水库(群)对径流形成过程的影响,国内外不少学者就此展开了深入研究。
在水文预报方面,为了提高流域洪水预报精度,熊金和等[2]通过定性分析乌江主要水电站对乌江流域水文特性的影响,对其洪水预报方案做了相应的调整;李成林等[3-4]研究了流域小水库塘坝对径流变化的影响,通过对不同场次洪水小水库塘坝蓄放比的计算,分析了小水库塘坝蓄放比在汛期不同阶段的变化规律,合理设置水利工程拦蓄比,校正了洪水预报值,又通过改进新安江模型流域蓄水能力参数,使模型能够考虑水利工程对洪水的影响,以考虑影响后的模拟径流值作为真实值,与原始模拟径流值比较,分析水利工程对洪水的影响程度,并按一般洪水、较大洪水和大洪水,分别研究了水利工程影响程度随时间的变化趋势;魏子钧等[5]在水文模型中引入产流面积比例系数来考虑小水库的截留变化过程;孙新国等[6]通过建立土壤非饱和区干旱湿润程度与水利工程蓄放作用之间的关系来改进TOPMODEL模型,使得模拟结果能够反映水利工程的影响。在水资源规划方面,为了摸清流域尺度上水资源时空变异特征,张正浩等[7]分别采用多元线性回归、人工神经网络和支持向量机等3种方法对水利工程建成前的流域月径流过程进行了模拟,并选用神经网络模型模拟水库建成后的月径流过程,比较水库建成后实测月径流与模拟月径流,分析了水库对月径流的时空影响;Biemans等[8]分别从全球、大洲及流域3个尺度定量分析了20世纪水库对河流流量及灌溉供水的影响。在水文分析计算方面,为了提高水库大坝设计的合理性,Yigzaw等[9]研究了水库规模对流域可能最大降雨和可能最大洪水的影响,陈甜等[10]分析了不同典型年梯级水库群防洪调度对下游水电站设计洪水的影响。
在目前的研究中鲜有从水库调度角度去研究流域水库(群)对径流过程的影响。事实上,流域内水库数目增多,必然加大调度决策的难度,就非常有必要根据各水库对径流过程的影响程度筛选出重要水库进行联合调度,以降低调度决策难度。另外,上述研究均是从整体上分析水库群对流域径流的影响,未曾就单个水库对径流的影响进行分析,难以区分各水库的影响程度。为此,本文以淮河流域鲁台子断面上游为研究区域,分析区域内大型水库群对鲁台子断面洪水过程的影响,明确各水库对断面洪水过程影响的贡献,评价各水库的影响程度,筛选重要水库,为淮河流域大型水库群联合防洪调度提供决策支持。
首先利用水量平衡原理以及马斯京根法,分别进行水库入库洪水还原计算、无水库条件下区间洪水还原计算以及无水库条件下断面洪水还原计算,再以无水库条件下流域洪水过程为背景,比较水库修建前后流域断面洪水过程变化情况,分析水库群对洪水过程的总体影响,明确各水库对断面洪水过程变化的贡献,划分水库影响强度。
1.1 库群影响分析
假设流域内建有n座水库,比较流域出口断面实测洪水过程与无水库条件下洪水过程,分析断面洪量、洪峰流量以及峰现时间的变化,可得库群影响效果。
洪量变化的计算公式为
ΔW=Wn-Wr
(1)
式中:ΔW为断面洪量变化,m3;Wn为无水库条件下断面洪量,m3;Wr为断面实际洪量,m3。
洪峰流量变化可用断面洪水过程削峰率表示:
(2)
式中:η为断面洪水过程削峰率;ΔQm为断面洪峰流量变化值,m3/s;Qmn为无水库条件下断面洪峰流量,m3/s;Qmr为实际洪峰流量,m3/s。
峰现时间变化的计算公式为
ΔTm=Tmr-Tmn
(3)
式中:ΔTm为洪峰出现的时间差,h;ΔTmr为实际峰现时间;ΔTmn为无水库条件下峰现时间。
1.2 单库影响分析
流域内各水库的库容、泄流能力以及地理位置不尽相同,对流域出口断面洪水过程的影响亦有强有弱,明确各水库对出口断面洪水过程影响的程度,有利于提高流域水库群联合防洪调度的效率。本文提出逐库添加法来分析各单库对出口断面洪水过程的影响,即假定初始时刻流域内无任何水库,以无水库条件下洪水过程为初始过程,按照一定顺序逐次添加水库,每次添加一座水库并按其现行调度规则从实际起调水位进行运用,分析流域出口断面洪水过程相对于添加前过程的变化情况,直至所有水库添加完毕。对于n座水库,可得n条洪水过程线,如图1所示。
图1 逐次添加水库后流域断面洪水过程线簇
不同的水库添加顺序,产生不同的断面洪水过程线簇。为了降低水库添加顺序对分析结果的影响,这里仅分析指标值相对稳定且决策者更为关心的洪水总量和洪峰流量两个指标。比较前后两次洪水过程变化,得水库的洪量变化ΔWj和洪峰流量变化ΔQmj(j=1,2,…,n),且满足
(4)
根据变化系列,计算各水库对流域断面洪水过程影响的贡献率,即洪量影响贡献率和洪峰影响贡献率:
(5)
(6)
1.3 水库影响强度划分
水库在不同场次洪水中对流域出口断面洪水过程影响的贡献有所差异,以水库在所有场次洪水中的洪量影响贡献最大值ΔWmax,j和洪峰影响贡献最大值ΔQm max,j为指标(j=1,2,…,n),构建指标矩阵X=(xjk)n×s(s为指标数),进行聚类分析,划分水库影响程度。为了减少划分的主观性,本研究采用非监督学习的分级聚类方法[11],具体步骤如下:
步骤1 计算n座水库两两间的距离dij,记作D=(dij)n×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)。水库i和j之间的距离通常可以采用绝对值距离、欧氏距离、明考斯基距离和切比雪夫距离等。这里采用欧氏距离,即
(7)
步骤2 构造n个类,每个类只包含1座水库样本,即各水库自成一类。
步骤3 合并类间距离最近的两类为一新类。类间距离与上述水库样本间的距离不同,常用的有最近距离法、最远距离法和均值距离法3种,本研究采用均值距离法。将两类之间的距离平方定义为这两类元素两两之间的平均平方距离
(8)
式中np、nq分别为类Gp和Gq的水库样本个数。假设Gp和Gq合并为某一新类Gu,Gu内有水库nu=np+nq个,则类Gu与类Gv的平均平方距离的递推公式为
(9)
步骤4 计算新类与当前各类的距离。若类的个数等于1,转至步骤5,否则回到步骤2。
步骤5 画分级聚类树。
步骤6 根据求解的问题,确定类的个数和类。
各水库对流域出口断面洪量和洪峰流量的影响程度不同,有强有弱。根据分级聚类树以及各水库的影响,划分水库影响强度,确定各水库所属类型。
本研究以淮河流域鲁台子断面上游为研究区域,总面积为10.5万km2。该区域雨季暴雨频繁,洪涝灾害较为突出,其中数据资料收集齐全的历史典型大洪水年份有1968年、1969年、1983年、1991年、1996年、2003年、2005年和2007年。目前,淮河流域共建有20座大型水库,均分布在鲁台子断面上游各支流上,水库群总控制面积2.2万km2,占研究区的20.9%,各水库的具体位置见图2。20座大型水库中,除了白莲崖水库在建外,其他19座水库均已投入运行,包括花山-南湾、薄山-板桥-宿鸭湖、昭平台-白龟山以及白莲崖-磨子潭-响洪甸等4个水库群。除去位于库群上游的6座水库,与鲁台子断面有直接水力联系的水库有14座,其中燕山水库因缺少相应洪水资料,在本研究中暂不考虑。因此,本研究着重分析13座大型水库在10场历史典型大洪水中对鲁台子断面洪水过程的影响。
图2 淮河流域20座大型水库分布
在无水库条件下流域洪水还原计算以及水库群防洪调度模拟计算[12]的基础上,根据前面的方法,通过分析计算得到淮河流域大型水库群及其各库对鲁台子断面洪水过程影响的结果。
3.1 库群总影响
按实际调度规则运行,淮河大型水库群对鲁台子断面洪水过程的总体影响结果见表1。在10场历史典型大洪水中,由于上游大型水库的防洪运用,通过鲁台子断面的洪水总量平均减少13.04亿m3,其中减少量最大为29.11亿m3,最小为5.90亿m3;平均削减洪峰17.47%,其中削峰最大为31.04%,最小为7.06%;峰现时间也有所变化,有提前也有延迟,其中20030629号洪水峰现时间提前168 h,这是由于该场洪水为双峰洪水,无水库条件下主峰为第2个洪峰,在水库群防洪调度的影响下第2个洪峰被显著削减,使得第1个洪峰变为主峰。
表1 淮河流域大型水库群对鲁台子断面洪水过程的总体影响
洪水编号洪水总量/亿m3洪峰流量/(m3·s-1)峰现时间无水库实际差值无水库实际削峰率/%无水库实际差值/h196807171335912428931164401527970607?22T20：0007?22T21：0011969070899718526144582076940154407?18T15：0007?18T22：007198307225387448290582156960152807?27T20：0007?27T20：000199106116917632759073676180161106?18T02：0006?18T02：0001991070111404101461258108477480310407?11T21：0007?11T20：00?1199606281455511644291180646710167907?20T02：0007?20T05：003200306291215110825132697687890192307?12T14：0007?5T14：00?168200507095808508372568285980124207?15T05：0007?15T08：00320050822102898770151992556680278209?05T12：0009?05T12：000200707011868517254143192197970135507?11T16：0007?11T16：000
3.2 单库影响
根据逐库添加法,按照从上游到下游、从左岸到右岸的顺序添加水库,计算淮河流域各大型水库对鲁台子断面洪水过程的影响,结果见表2。表2列出了各水库在10场历史典型大洪水中的平均影响和最大影响。从表2可以看出,各水库对鲁台子断面洪水过程的影响程度不一。就平均影响而言,梅山水库对鲁台子断面洪水的影响最大,平均削减断面洪量4.29亿m3,削减洪峰575 m3/s,两个指标的贡献率均超过30%;相反,白沙水库对鲁台子断面洪水的影响最小,平均削减洪量仅0.0545亿m3,削减洪峰仅有2.00 m3/s,两个指标的贡献率均不及0.5%。
表2 淮河流域大型水库对鲁台子断面洪水过程的单库影响结果
水 库平均影响最大影响洪量/亿m3洪量贡献率/%洪峰/(m3·s-1)洪峰贡献率/%洪量/亿m3洪量贡献率/%洪峰/(m3·s-1)洪峰贡献率/%南 湾1911481642122429348467402石山口0546379346240114794760608五 岳0110069611908600387213400295泼 河02652043012070718379670495宿鸭湖204210227190547619537633石漫滩00702057040003270216150140121孤石滩013213165706100178300230271白龟山03112511360862138910650252白 沙005450408200014801021144000340鲇鱼山126760140828395136262194梅 山4293175753479724651190560响洪甸2742015092766894771330602佛子岭0666647131788167186423334
然而,每场洪水所对应的降水时空分布不同,水库在每场洪水中发挥的作用也有所差异,若只考虑各水库的平均情况,易弱化各水库的实际影响,因此有必要考察各水库对鲁台子断面洪水过程的最大影响。在10场洪水中,梅山水库最大削减洪量9.72亿m3,最大削减洪量贡献率46.5%,最大削减洪峰1 190 m3/s,最大削减洪峰贡献率56.0%;而宿鸭湖水库最大削减洪量5.47亿m3,最大削减洪量贡献率却达到61.9%,最大削减洪峰537 m3/s,最大削减洪峰贡献率亦达到63.3%。可见,水库对每场洪水的影响不尽相同,贡献率仅反映水库在某场洪水中发挥的作用,而不能正确反映水库对断面洪水过程影响的程度。因此,削减洪量绝对值和削减洪峰绝对值更能合理反映水库对断面洪水的影响,而且相对于平均影响,最大影响更能真实地反映水库在流域防洪中发挥的作用。
需要指出的是,水库添加顺序对单库洪峰削减量计算可能产生一定的影响,且不同场次洪水,影响程度也不同。比如在10场洪水中,水库添加顺序对20030629号洪水计算结果影响最大,宿鸭湖水库均方差达187 m3/s,而对20070701号洪水计算结果无影响。究其原因,20030629号洪水属于双峰洪水,主次峰变换导致计算结果差异较大,而其他洪水均为单峰洪水。本研究采用水库在所有洪水中的最大削减洪量和最大削减洪峰来反映水库对断面洪水的影响程度,可以弱化水库添加顺序对后续计算结果的影响。
3.3 水库影响强度
以表2中淮河流域各大型水库对鲁台子断面洪水过程影响的最大削减洪量和最大削减洪峰为指标,通过聚类分析法对水库群划分类别,聚类结果如图3所示，图中线段长度表示类间距离,比如泼河水库与白龟山水库之间线段长度最短,表示该两座水库间距离最短,对鲁台子断面洪水过程影响强度最接近。
从图3可以明显看出,淮河流域梅山、响洪甸和宿鸭湖等13座大型水库可分为3类,其中梅山和响洪甸水库归为一类,最大削减鲁台子断面洪量分别达到9.72亿m3和6.89亿m3,最大削减断面洪峰分别达到1 190 m3/s和1 330 m3/s,对断面洪水过程影响强烈;鲇鱼山、宿鸭湖、南湾和佛子岭水库划为一类,最大削减鲁台子断面洪量分别为5.47亿m3、4.29亿m3、3.95亿m3和1.67亿m3,最大削减断面洪峰分别为537 m3/s、467 m3/s、262 m3/s和423 m3/s,对断面洪水过程影响较强烈;剩余水库可归于一类,对断面洪水过程影响较弱。因此,在淮河流域防洪决策中,可以根据各水库对鲁台子断面洪水过程的影响强度,选取梅山、响洪甸、鲇鱼山、宿鸭湖、南湾和佛子岭等6座水库为流域防洪调度重点水库,通过该6座水库的优化调度来控制鲁台子断面洪水过程,可以有效缓解下游防洪压力。
图3 淮河流域13座大型水库分级聚类树
a. 在分析水库群对流域洪水过程影响的基础上,提出的逐库添加法能够明晰各水库的贡献,考虑水库添加顺序对计算结果的可能影响,以水库对断面洪水的最大影响来确定各水库对下游断面的影响程度,利用分级聚类方法划分各水库影响程度,结果合理。
b. 在历史典型大洪水中,淮河流域大型水库群对下游鲁台子断面洪水过程影响显著,平均减少断面洪量13.04亿m3,平均削减断面洪峰17.47%。各水库对鲁台子断面洪水过程影响程度各有差异,且在不同洪水中对断面洪水过程的影响程度也有所变化。
c. 相对于水库对流域断面洪水过程的平均影响指标而言,最大影响指标更能真实反映水库对其下游断面洪水过程的影响程度。梅山和响洪甸水库对鲁台子断面洪水过程影响强烈,鲇鱼山、宿鸭湖、南湾和佛子岭水库影响较强烈,加强该6座水库的联合防洪调度,能有效削减鲁台子断面洪量及洪峰流量。
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Impact of large-scale multiple reservoirs on basin flood hydrograph//
WAN Xinyu, GUAN Xiufeng, ZHONG Ping’an,WANG Manlin, Mei Jie
(College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China)
Abstract：Using the large-scale multiple reservoirs upstream of the Lutaizi section in the Huaihe River Basin as an example, the flood hydrographs of downstream sections before and after construction of reservoirs were compared, and the total impact of multiple reservoirs on the flood hydrograph was analyzed. An approach that adds reservoirs one by one was used to determine the contribution of each reservoir to the change in the flood hydrograph, and the degree of influence of each reservoir was determined. The hierarchical clustering method was used to determine the degree of influence of reservoirs, and the highly important reservoirs were picked out. The results show that large-scale multiple reservoirs in the Huaihe River Basin significantly reduces the flood volume and flood peak of the Lutaizi section, and the time of the peak is changed. The impacts of each of the reservoirs on the flood hydrograph are different. The Meishan, Xianghongdian, Suyahu, Nanwan, Nianyushan, and Foziling reservoirs have significant influences on the flood hydrograph of the Lutaizi section, and are important to flood control decisions in the Huaihe River Basin.
Key words：multiple reservoirs; flood hydrograph; clustering analysis; flood control decision; Huaihe River Basin
基金项目：国家自然科学基金(51379055);国家重点研发计划(2016YFC0400909)
作者简介：万新宇(1976—),男,副教授,博士,主要从事水资源规划与管理研究。E-mail:wanxinyu@hhu.edu.cn
通信作者：钟平安(1962—),男,教授,博士,主要从事水资源规划与管理研究。E-mail:zhongpa@yahoo.cn
DOI：10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.011
中图分类号：TV697
文献标志码：A
文章编号：1006-7647(2017)03-0066-06
(收稿日期：2016-03-27 编辑：郑孝宇)
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