（水利水电工程专业论文）入库洪水资源化问题的研究与应用.pdf

摘要 我国许多地区水资源紧缺的问题日益严重，但为了保证防洪安全，在汛期 又不敢蓄水，使洪水资源得不到充分利用。为了充分发挥洪水资源的潜力，开 发利用汛期洪水资源，最大限度的发挥水库的防洪兴利效益，作者在广泛阅读 和分析国内外有关研究成果的基础上，基于洪水资源化的指导思想，按照洪水 资源化的主要原则，结合目前水资源开发利用的实际情况，运用当代比较成熟 的理论方法和技术手段，对潘家口水库的来水特征进行了分析，并对东武仕水 库超汛限水位蓄水的防洪风险进行了探讨，获得了较好的结果。经过分析研究， 得出如下主要结论： 1 、分析水文现象的趋势变化和周期变化，对了解和认识整个水文过程是 非常重要的。本文将小波变换引入随机水文过程的研究领域，通过对引滦供水 系统来水时间序列进行小波变换，研究了其时间序列的尺度问题和来水情况的 变化趋势。结果表明引滦供水系统的来水量每经过l o 1 2 年，就会出现一次径 流量高峰。但总来水量有呈阶梯状下降的总体变化趋势。因此，随着天津市的 经济发展，生产用水、生活用水和生态用水的需求量的不断增大，仅依靠引滦 供水系统是保证不了天津市的用水需求。在保证防洪安全的前提下，根据来水 的变化规律，充分利用其洪水资源，也是解决缺水问题的有效途径。 2 、根据东武仕水库1 9 5 1 2 0 0 0 年入库洪水的统计特征，应用一阶白回归 模型对入库洪水进行了模拟，并考虑了泄洪能力的不确定性、及不同的典型洪 水过程和历史特大洪水等因素，探讨了东武仕水库调整汛限水位，提高水资源 利用率的可能性。结果表明入库洪水是影响水库防洪风险的重要因素。东武仕 水库的汛限水位在目前的1 0 2 m 的基础上，可以进行适当的调整，但最多不要超 过1 0 4 m 。此时，库水位超过其设计洪水位1 0 6 1 8 m 的风险不超过1 9 6 ，超过 校核洪水位1 1 0 7 0 m 的风险为0 0 3 。并可增加蓄水约2 0 0 0 万m 3 ，占其设计兴 利库容的1 3 8 ，所能增加的经济效益还是非常可观的。 关键词：洪水资源化汛限水位防洪风险水文序列 小波分析 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo f w a t e rr e s o u r c ei sv e r ys e r i o u si nm a n y p a r t so f o u rc o u n t r ya t p r e s e n t b u tf o rt h es a f e t yo f f l o o dc o n t r o ld u r i n gt h e p e r i o do f f l o o ds e a s o n ，m a n y r e s e r v o i r sc l o u dn o td a r et os t o r ew a t e r i no r d e rt om a k eab e s tu s eo ft h ep o t e n t i a l o ft h ef l o o dr e s o u r c e sa n dt og e tt h em o s tb e n e f i t so ft h ef l o o dc o n t r o la n dw a t e r s u p p l y , s o m em e t h o d so f r e s e r v o i ro p e r a t i o nh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d ， b a s e do nr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ep r i n c i p l eo f t h eu t i l i z i n gf l o o dr e s o u r c e s a n o t h e r ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo f t h ew a t e r r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，s o m et h e o r ya n d t e c h n i c a lm e t h o dh a v eb e e np r o p o s e dt os t u d yt h ei n f l o wt e n d e n c yo ft h ep a n j i a k o u r e s e r v o i ra n dt h ef l o o dr i s ko fa d j u s t i n gt h el i m i tf l o o dw a t e rl e v e lo ft h e d o n g w u s h ir e s e r v o i ra d v i s a b l y t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ev e r yh e l p f u lf o rt h eu s eo f t h ef l o o dr e s o u r c e s t h ef o l l o w i n go u t c o m e sa n dc o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e di n t h i st h e s i s 1 i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h et e n d e n c ya n dt h ep e r i o d i cv a r i a t i o no f h y d r o l o g i ce l e m e n t sf o rc o m p r e h e n d i n gt h eh y d r o l o g i cp r o c e s s s oi nt h i sp a p e r , w a v e l e tt r a n s f o r i l lw a si n t r o d u c e dt ot h er e s e a r c hf i e l do fs t o c h a s t i ch y d r o l o g y n e i n f l o wt i m es e r i e so f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mt h a tt r a n s f e rw a t e rf r o ml u a n h er i v e r f w s s t l ) i sa n a l y z e db yw a v e l e ta n a l y s i s ，a n d t h et i m es c a l ea n de v o l u t i o n t e n d e n c ya r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e d t h ei n f l o wo f w s s t li sl i k e l yt o m e e to n er u n o f fp e a ke v e r y1o 12y e a r s a n dt h ea n n u a lm e a no ft h ei n f l o wi s g r a d u a l l yd e s c e n d e d t h e r e f o r e i tw o u l db ed i 衢c u l tt o m e e tt h ew a t e rn e e do f t i a n j i nc i t yo n l yd e p e n d i n go nt h ew s s t l ，i nv i e wo f t h ee c o n o m yd e v e l o p m e n t a n dt h ei n c r e a s eo f w a t e rd e m a n d 2 a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e ro f i n f l o wf l o o di nd o n g w u s h ir e s e r v o i r f r o m1 9 5 1t o2 0 0 0 f i r s t l y as e a s o n a la r ( 1 ) m o d e li su s e dt os i m u l a t et h e r e s e r v o i ri n f l o wf l o o d a f t e rt h a t ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ep o s s i b i l i t yt oa d j u s tt h e i i m i tf l o o dw a t e ri e v e ia n dt ou t i l i z et h er e s o u r c e s a n ds o m ee f f e c t ss u c ha st h e u n c e r t a i n t yo ff l o o dd i s c h a r g ec a p a c i t y ，t h ed i f f e r e n tr e p r e s e n t a t i v ef l o o da n dt h e h i s t o r i c a ll a r g ef l o o da r et a k e ni n t oa c c o u n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s e r v o i r i n f i o wf l o o di st h em a i nc o n t r i b u t i n gf a c t o rt ot h ef l o o dr i s k t h el i m i tf l o o dw a t e r l e v e 】i nd o n g w u s h ir e s e r v o i rc o u l db er a i s e dt o10 4m e t e rf r o mp r e s e n t10 2m e t e r i nt h i ss i t u a t i o n t h er i s kt oe x c e s st h ed e s i g nf l o o dl e v e l1 0 6 1 6m e t e ri s1 9 6 ， m a dt h er i s kt oe x c e s st h ec h e c k i n gf l o o dl e v e l1 1 0 7 0m e t e ri s0 0 3 o t h e r w i s e t h er e s e r v o i rc a l li n c r e a s es t o r a g ew a t e r2 0m i l l i o nc u b i cm e t e r st h a ti sa b o u tt h e 1 3 8 o ft h ed e s i g na v a i l a b l es t o r a g e t h ei n c r e a s i n ge c o n o m i cb e n e f i ti sv e r y d j s t i n c t k e y w o r d s ：t h eu t i l i z a t i o no f f l o o dr e s o u r c el i m i tf l o o dw a t e rl e v e l f l o o dr i s k h y d r o l o g i cs e q u e n c e w a v e l e t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂盗苤茔或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韩松 签字日期： 。f 年月字日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权盘盗基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韩凇 签字日期：d f 年月g 日 导师签名 签字日期：d u 年l 月譬日 移场 第一章前言 1 1 问题的提出 第一章前言 1 1 1 我国的水资源紧缺问题 我国地处欧亚大陆的东南部，东、南面濒i 性广阔的海洋，冷暖季节差异明显， 属于大陆性季风气候。冬半年，受欧亚大陆气团的影响，干燥少雨；夏半年，源 白海洋上的湿润气流加强，雨水增多。但在副热带高压控制下的广大地区，即便 是在夏季，不少地区也常常出现早象，甚至在我国的长江流域一带，梅雨期过后， 也往往有一段显著的“伏旱”期出现。地球大陆上，干旱与半干旱气候区约占全 球大陆面积的们，而我国干旱与半干旱气候区约占陆地面积的1 2 ，是世界上千 旱区面积广、缺水严重的国家之一。据统计，我国江河年径流总量为2 7 0 5 亿m 3 ， 水资源总量在世界排第4 位【i 】，但因人口众多，人均水资源占有量很低，在1 4 9 个国家中，我国人均水资源占有量排在第1 1 0 位。由于我国降水在时间和地域上 分布很不均匀，北方人口稠密、工业集中的城市地区，人均水资源占有量仅为全 国平均值的6 1 1 。北方半干旱区的海河流域尤为突出，人均占有水量为 2 6 0 m 3 ，这仅比世界上最干旱的沙特阿拉伯( 人均占有水量1 8 0 m 3 ) 稍多，比世界 上其他干旱地区的国家，如突尼斯、以色列、约旦、黎巴嫩、也门、阿尔及利亚、 肯尼亚、布隆迪等国的平均值3 6 0 8 3 0 m 3 还少。2 0 世纪9 0 年代初，我国4 7 6 个城市中，缺水的城市近3 0 0 个，其中严重缺水城市就有5 8 个，严重影响了人 民的生活、工农业生产和可持续发展。近几年来，我国水资源紧缺以及水质污染 问题日益突出，特别是在现代化城市建设与工农业生产快速发展中，缺水形势更 趋于严峻。为了解决水资源供需紧张的局面，人们长期以来过量开采地下水，造 成地下水水位急剧下降，使大批水井报废、地面下沉、房屋裂缝、管道断裂，以 致引起爆炸事故，海水倒灌，严重破坏了自然环境的生态平衡。 1 1 2 水库防洪与蓄水的矛盾 1 9 4 9 年建国以来，我国的水利水电事业蓬勃发展，水库方面的建设也取得 了巨大的成就，已修建的各种水库达8 6 0 0 0 余座，占全世界已建水库的5 3 ，总 库容4 5 0 0 多亿m 3 。其中大中型水库2 8 0 0 余座，总库容4 0 0 0 多亿m 3 ，可实现 水资源的年内和年际调节 2 】。几十年来，这些水库在防洪、蓄水、灌溉、发电和 提供人民生产、生活用水等方面都起到了有益的作用。 但是任何事物都具有两面性：一方面，水库能给社会带来防洪效益；另一方 第一章前言 面，水库又涉及自身及库区的安全问题。例如，某河道下游大堤可防御2 0 年一 遇的洪水，上游修建水库以后，如果发生百年一遇的洪水，利用水库滞洪，将下 游不能承受的一部分洪水存在水库里，在不加高下游河道防洪大堤的情况下，使 百年一遇的洪水在下游地区不发生洪水灾害，可产生水库的防洪效益。人们修建 水库以后，到汛期经常担心水库会失事，因为一旦失事，就会造成更惨重的人 为灾害。为了确保水库的万无一失，就要考虑水库的自身防洪安全问题。大型水 库的设计洪水一般为千年一遇洪水，经过计算来确定防御这种稀遇洪水水库需要 预留多大的库容，这个预留库容所对应的水位称为汛限水位。以往水文气象预报 水平较低，为了确保水库安全，尽管设计洪水的标准较高，大多数年份不会发生 设计洪水，但仍要求每年都要以汛限水位迎汛。在汛期，即使是枯水年和平水年 也不准超过汛限水位蓄水。一场洪水过后，要求尽快将库水位降至汛限水位以迎 接下次洪水的到来。这是目前通常采用的水库调度运行方式，称为库前水位法【3 】。 我国西北和北方的干旱与半干旱地区，一年之中绝大部分降水量往往集中发 生于盛夏季节的一两场强降雨过程中，即便是在较为近海的华北和黄河下游一 带，主要的雨季一般也多出现于7 月下半月至8 月上半月的短期内。如果在汛期 不能科学地拦蓄汛期径流，那么在汛期过后往往就没有多少径流可蓄了。上述水 库的调度运行方式常致使水库处于“汛期不能蓄水，汛后蓄水又不足”的工作状 态。例如，河北省岳城水库建库以来，除4 年外都处在汛后蓄水不足的状态，十 分可惜。由于水库长期蓄水不足，水库对农田的实际灌溉面积大多低于设计灌溉 面积。例如，河北省有大型水库1 8 座，设计灌溉面积为8 3 4 万公顷，实际灌溉 面积仅有6 6 i 万公顷，是设计灌溉面积的7 9 - 3 。中型水库2 2 座，设计灌溉面 积为5 4 万公顷，实际灌溉面积为2 1 万公顷，是设计灌溉面积的3 8 9 。小型 水库5 8 0 座，设计灌溉面积为6 6 万公顷，实际灌溉面积为3 6 万公顷，是设计 灌溉面积的5 4 7 ，长期未能发挥其原有的设计效益1 4j 。由于大量水库长期蓄水 不足，工业用水和城市生活与建设用水也就受到了很大的限制。 针对目前的这种状况，我们应该改进旧的蓄水与调度方案，要改变水库处于 “汛期不能蓄水，汛后蓄水又不足”的局面，就要更新蓄水观念。周恩来总理早 在1 9 6 6 年视察岳城水库时就明确地指出：究竟是防御5 0 年一遇的洪水重要还是 年年遇到的灌溉供水重要? 毫无疑问这两方面都重要。我们要抓好防洪和抗旱两 方面的问题，不能强调问题的一面而忽视另一面。尤其是在缺水形势严峻的情况 下，我国水资源紧缺的矛盾已成为制约经济和社会可持续发展的重要因素，我们 已经到了必须更新蓄水观念的时候了。我们可以依赖现代科学技术，在保证安全 的前提下，充分利用入库洪水资源，以获得更大的效益口j 。 第一章前言 1 2 课题的研究意义 我国许多地区存在着水资源紧缺的问题，即使在许多已建水库的地区，也因 水库在运行管理中出现的一些问题而使水资源得不到充分利用f 6 】。主要是为防洪 安全，汛期不敢蓄水，以致于汛期之后库水位常常达不到正常蓄水位，影响了水 库的供水。要改变上述这种水库汛期弃水而汛后又缺水的矛盾局面，有两个关键 难题需要突破：是改变现行水库固定时间固定汛限水位的调度方式，实现防洪 效益与兴利效益的转换；二是利用洪水预报以及对入库径流的分析，挖掘水库预 报调度的潜力，实现水库安全有效的汛期蓄水。上述两种途径，都是在保证防洪 安全的前提下，对入库洪水资源进行利用。本文将以东武仕水库和潘家口水库为 例进行分析研究。 东武仕水库位于河北省磁县境内的滏阳河干流上，控制流域面积3 4 0 k i n 2 ， 是一座以防洪和城市工业用水，兼顾灌溉、发电等综合利用的大型水库。目前， 东武仕水库承担着给邯郸市工业用水和下游农业灌溉的任务，其水资源的供需矛 盾比较突出，水库调蓄任务很大。如果有条件地提高其汛限水位，协调好防洪与 兴利之间的矛盾，可以提高其水资源利用率，增加水库的兴利效益。但是提高原 有汛限水位，必须兼顾经济效益和风险事实，通过风险效益分析，才能为水库确 定一个合理的汛期水位，这可为其入库洪水资源的利用提供依据。可见该项研究 工作是非常有价值的。 潘家口水库是引滦供水系统龙头水库，即引滦供水系统的水源地。该水库大 坝以上控制流域面积3 3 7 0 0 k m 2 ，占流域总面积的7 5 ，多年平均径流量2 4 ，5 亿 i n 3 ，占流域总水量的5 0 以上。流域水量较丰沛，但年内分配不均。因此，分 析潘家1 3 水库入库径流量的变化规律，可为引滦供水系统的规划管理提供主要依 据，故本文利用小波理论，通过小波变换充分突出问题某些方面的特征，探讨了 引滦供水系统来水时间序列有序性和周期成份的状况，并通过对其月径流量的总 体趋势的分析，发现总来水量呈阶梯状下降，反映出随着天津市的经济发展，生 产用水、生活用水和生态用水的需求量都在增大，水资源紧缺问题的解决，迫在 眉睫，刻不容缓。分析其来水特征，掌握水情变化规律，对其水资源的开发利用 也是非常有意义的。 1 3 国内外的相关研究动态 1 3 1 小波在水文学中的应用研究1 7 1 1 8 1 1 9 i 第一章前言 长期以来，水文水资源的分析计算及预测一直是人们关心的重大课题之一， 这些计算及预测必须以大量的观测资料为基础，而观测的这些资料一般都是按时 间次序获得的，所以这些资料均为时间序列，人们根据这些实测资料利用各种方 法进行分析，探索规律，达到合理计算和正确预测的目的。由于水文是一种自然 现象，变化异常复杂，而观测到的资料又相对较短，现有的分析方法都不能取得 令人满意的结果。在这种情况下，将小波分析引入到水文水资源领域当中必然开 辟一条新的研究途径，极大的丰富水文学的内容，具有十分重要的科学意义。小 波分析可以充分利用有限的信息量反映出水文时间序列过程中的变换，揭示出各 种水文序列的特性，识别不同的水文序列过程，还可以通过小波分解重构随机的 模拟水文序列模型，用于预测和仿真。 随着小波理论的形成和发展，其自身的优越性表现得越来越明显，引起了 几乎各个领域的专家和学者的重视。1 9 9 3 年，k u m a r 和g e g i o u s 首次将小波理 论引入到水文学中来，此后，在大量水科学工作者的努力下，小波理论在水科学 中的应用取得了一定的成果，主要表现在水文多时间尺度分析、水文时间序列变 化特性分析、水文预报和随机模拟等方面。 1 9 9 3 年，k u m a r 和g e g i o u s 运用h a r r 小波变换研究了空间降水的尺度和振 荡特征。研究表明空间降水存在标度的自相似性和时间尺度的多种成份。1 9 9 6 年，v v e n c k p 和f o u f o u l a r g e g i o u s 用小波包理论对降水序列进行小波分解，识 别其刚间一频率尺度，从而进行能量分解，为研究降水形成机制开辟了新的途径。 1 9 9 7 年邓自旺等根据m o r l e t 小波变换系数的模、位相和实部分析西安市近5 0 年 月降水量多时间尺度结构；胡增臻利用墨西哥帽小波研究了华北夏季降水变化对 时间尺度的依赖性：1 9 9 8 年纪忠萍等通过对1 9 9 4 年6 月广东省洪涝期间南雄与 电白两站逐时地面降水、气压和温度的小波分析，清楚地将影响两站的不同尺度 的扰动显示出来，利用小波方差图可帮助确定该时间段的主要天气系统。 1 9 9 9 年杨辉等通过m o r l e t 小波变换法分析了华北地区的水资源各分量( p 、 e 及可利用降水p e ) 的时间一频率的多层次结构和突变特征：它们具有相似的 周期演变特征，主要年际变化周期有2 3 年、5 6 年，在2 0 世纪5 0 年代中期 到7 0 年代初以及到9 0 年代初明显，主要年际尺度周期是1 5 年，在7 0 年代后期 明显：p 、e 和p e 都有两个明显的突变点。 2 0 0 1 年姚建群对上海地区1 9 0 0 1 9 9 9 年月降水，用m a r r 小波及m o r l e t 小 波变换法分析了上海地区近百年冬、夏季降水一频率的多层次时间尺度演变特征 及其突变特征。 郑昱等将w t 引入随机水文过程研究领域，根据水文现象的物理成因，对 水文序列进行小波变换。借以确定水文序列隐含的近似周期【i 。 4 第一章前言 近十多年来，出现了许多新理论瓶方法并在水文水资源预测预报中得到了 广泛应用。将它们相互耦合并结合传统预测预报技术，将是现代水文预测的发展 方向。小波分析与分形、混沌、a n n 、随机理论结合，不失一种有效途径。 c a o 等( 1 9 9 5 ) 将小波分析与混沌、a n n 结合建立了小波网络模型对具有 混沌特征的时间序列进行了短期和长期预测并取得了成功。尤卫红等将小波分析 与混沌耦合建立了不同尺度的气候预测模型，对滇中月降水距平值在月、季、年 三种尺度上进行了预测。 金龙等基于a n n 与小波的优点提出了多步预测的小波神经网络预报模型， 研究结果表明，建议模型对历史样本具有很好的拟合效果，独立样本的预报结果 也令人满意。 水资源的合理开发、利用和有效配置，关系到社会和国民经济持续健康的 发展。将小波分丰厅引入水科学应用研究中，并与现代科学理论和方法结合，从多 方面揭示水科学的内在规律，为水资源合理开发利用和有效配置提供了更多的依 据。将小波分析引入水科学前景十分广阔，不但拓宽了小波的应用范围，而且还 推动了小波理论本身的发展。肼j 1 3 2 水库汛限水位的设计与运用 研究汛限水位设计和运用，目的是在不降低水库防洪标准前提下，根据水 库设计及建成后的调度运行资料，运用当代比较成熟的理论方法和技术手段，全 面分析水库汛限水位等主要特征值的合理性，针对水库运用中存在的问题，开展 专题研究，依据研究成果提出水库汛限水位调整和调度运用方案，从而达到提高 水库蓄水能力和雨洪利用率的目的，改善区域水资源承载能力，使水库更好的为 经济发展服务”j 。 冯平，陈根福等人，根据风险决策理论，通过概率组合方法估算了水库的 实际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断提高汛限水位的可能性。 并通过风险效益的分析给出合理的汛限水位”“。 冯平，陈根福等人，针对岗南水库多年运行中库水位常达不到正常蓄水位 这一问题，在岗南水库和黄壁庄水库联合调度下，采用风险效益的分析法，对岗 南水库提高汛限水位的可能性进行了研究，切合实际地给出了合理的汛限水位， 提高了水库的兴利效益“。 吴晋青，李文起等人，针对北京市严重缺水状况，对密云水库汛限水位及 汛期调度方式进行分析研究，提出抬高密云水库汛限水位，增加水库供水的可行 性。1 9 9 3 年，密云水库增加建库后1 6 年的水文资料，重新修正了水文参数， 汛限水位由1 4 7 ，0 米可提高到1 5 0 ，3 米。经水利部审核后，密云水库汛限水位 第一章前言 按1 5 0 米执行，由此多蓄3 亿多n 1 3 的汛期洪水。 钟安平在阐述了防洪限制水位物理意义以及设置防洪限制水位的必要条件 的基础上，并考虑防洪限制水位设计主要因素，从洪水信息获取方式，设计运用 条件，调度运行规则等方面分析了防洪限制水位在水库设计与运行阶段的差异， 总结了在水库长期运行中由于社会经济条件、运行管理体制变化对变动防洪限制 水位的客观需求，并从高新技术应用、风险分析、水库特性等角度论述了防洪限 制水位动态控制的可能性，提出实现防洪限制水位科学管理所亟待研究的 课题【3 】。 胡四一，高波，王忠静等人，系统地论述了海河流域利用水库分期汛限水 位调控洪水资源的研究思路和技术框架。首先通过对变化条件下的洪水资源特 性、水利工程功能和运行特征的分析与再评估研究，摸清流域可供利用的洪水资 源潜力，提出流域洪水资源利用模式及合理配置。在此基础上，重点论述了暴雨 洪水季节特征和分期规律以及水库分期汛限水位合理确定和安全运用的分析方 法，提出了基于预报调度的实时调度方式，安全利用洪水资源，并对水库运行的 蓄水效益和防洪风险的评价提出了建议【l “。 1 4 本文的主要研究内容 通过对该问题研究现状的分析，本文基于入库洪水资源化的指导思想，结合 实际情况，利用小波理论对潘家口水库的入库径流进行分析，并对东武仕水库汛 限水位的调整进行防洪风险分析，通过各种实际资料对计算结果进行了分析论 证，结果表明，所获得的计算成果是合理可靠的。本文研究的内容主要包括以下 几个方面： ( 1 ) 洪水资源化问题的分析 首先对目前有关的观点和结论进行系统分析，认识到洪水资源化的重要性以 及实现的主要途径：其次提出了洪水资源化的风险分析以及相应的管理对策；最 后，针对海河流域的实际情况，分析了海河流域目前存在的问题，进而发现海河 流域洪水资源化的巨大潜力。 ( 2 ) 潘家口水库入库径流的分析 首先对引滦供水系统及其来水情况进行了适当的分析，并在此基础上，通过 对各项指标的比较，进行了小波函数的选取。选择了最优的小波母函数对入库径 流进行分析；其次，利用小波分析计算了入库径流的信息量系数，探讨了引滦供 水系统来水时间序列有序性和周期成份的状况；最后。基于小波分解和重构的思 想，利用小波分解得到的系数，通过对低频的信号进行分析，得出入库径流的近 第一章前言 似周期变化以及总体趋势。 ( 3 ) 东武仕水库调整汛限水位的防洪风险分析 首先介绍了东武仕水库的概况，并根据东武仕水库1 9 5 1 - - 2 0 0 0 年入库洪水的 统计特征，应用一阶自回归模型a r ( 1 ) 对入库洪水进行了模拟：其次，对东 武仕水库提高汛限水位可能性进行了分析，同时考虑了泄洪能力的不确定性以及 不同的典型洪水过程和历史特大洪水等因素，探讨了东武仕水库调整汛限水位的 防洪风险及提高水资源利用率的可能性。 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 2 1 洪水资源化及其重要性 洪水资源化是指在不成灾的情况下，尽量利用水保工程，水库拦河闸坝，自 然洼地、人工湖泊、地下水库等蓄水工程拦蓄洪水，以及延长洪水在河道、蓄滞 洪区等的滞留时间，恢复河流及湖泊、洼地的水面景观、人类居住环境，最大可 能的补充地下水口”。从洪水资源化的重要性讲，洪水资源化是挖掘现有工程的 能力，具有相对投资小、潜力大、易操作等特点，将为缓解区域水资源紧缺开辟 一个主要途径。 洪水虽给人类带来过巨大灾难，但其本身具有水害和水利双重特性，其中洪 水的水利特性就是指洪水所具备的提供水土资源、生态环境资源的属性。人们通 过对洪水的管理控制，努力实现其水利特性的一面，避免或减少洪水灾害。众所 周知，洪水管理的模式多种多样，洪水风险管理就是之一，而洪水资源化又是洪 水风险管理的重要内容。 洪水风险管理是指在深入细致地把握流域水系洪水风险特性与演变趋向的 基础上，因地制宣，将工程措施与非工程措施有机地结合起来，以非工程措施来 推动更加有利于全局与长远利益的工程措施，辅以风险分组与风险补偿政策，形 成与洪水共存的治水方略，将洪水风险控制在可承受的限度之内，促使人与自然 间的关系向良性互动转变。洪水风险管理追求的是系统整体的协调发展。风险管 理不是最大限度地满足局部地区当前的最大需求，而是以实现系统整体的长远的 最大利益作为管理的目标，防洪原则应放在更宽阔的背景下，与水资源紧缺、 水污染治理统一考虑。洪水资源化是实施洪水风险管理的重要内容，其指导思想 是在防洪时不是单纯地追求洪水安全人海，而是在风险分析的基础上统筹考虑洪 水的资源化利用。这不仅是解决水资源短缺的重要开源之举，而且也是治水方略 的重要内涵。 2 2 洪水资源化的主要途径 洪水资源化的主要途径有：通过水库蓄水，将汛期洪水转化为非汛期洪水。 水库是调节水资源分配的重要工程措旆，适当抬高水库的汛限水位，可多蓄汛期 洪水增加水资源可调度量，可以用于下游城市供水和农田灌溉。利用洪水输送水 库和河道中的泥沙和污染物，将洪水作为调沙用水和驱污用水。另外，在洪水发 生时，还可以利用洪水冲刷河道污染物，由于洪水的冲刷与稀释自净作用，受洪 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 水影响的水系，水质普遍会得到明显改善，洪水的环境效益显著。将汛期洪水用 于补源和灌溉，如可以弥补湿地水源不足和地下水源不足等，同时还可以引洪水 灌溉。 为了解决我国北方大部分地区的干旱问题，抓紧开发利用汛期洪水资源是当 务之急。随着水文气象科学的发展，利用汛期洪水资源的条件已经大大提高。通 过一定的信息调研，结合各水库的实际情况，因地制宜地提出水文气象相结合的 调度方案，适当考虑在汛限水位以上蓄水，把汛期洪水转化为可利用的水资源， 以缓解干旱与半干旱地区水资源供需紧张的矛盾。针对这种情况，可以采用以下 具体步骤实现洪水资源化： ( 1 ) 使用建库后的水文资料，校核汛限水位 当前的大中型水库多数都是几十年前修建的，当时确定调洪库容所用的水文 资料是建库前的资料。建库后，又积累了数十年新的水文资料，但一直没有对调 洪库容进行修正。在7 0 8 0 年代，我国北方大部分地区出现长时段的平水年和 枯水年，用这些水文资料重新计算调洪库容有可能会使调洪库容变小，汛限水位 提高，增加水库可利用的水量。 ( 2 ) 提高水文气象预见期，超汛限水位蓄水 如果超过汛限水位蓄水，当水库出现稀遇洪水时，由于调洪库容被起蓄的洪 水占用，有可能危及水库的安全。但是，暴雨落地以后，经过土壤的下渗、坡面 的汇流，流入河道，最后进入水库，这是需要经过一段时间过程的。如果人们能 预先知道入库洪水的到来，利用这个时间过程就可以把超蓄的洪水提前放掉，确 保水库的安全。在洪水进入水库之前根据水文部门预报的入库洪水量，就获得了 水文预见期。在暴雨发生之前，预报暴雨的量级，就获得了气象的预见期。两者 时间之和称为水文气象预见期。水文气象预见期越长，可超蓄的水量就越大。比 如：海河流域的密云、官厅、潘家口、岳城等2 6 座大型水库的下游河道允许安 全泄量为3 5 5 8 0 m 3 s ，若预见期为2 4 小时，按此计算，可合理超蓄汛期径流3 0 6 亿1 1 1 3 的水量。如果出现稀遇洪水，根据水文气象预报，稀遇洪水入库前2 4 小时， 水库开始按下游河道允许安全泄量放水，当暴雨径流入库时，起蓄的水量已全部 下泄完毕，迎接稀遇洪水的到来，可确保水库的防洪安全。如果不出现稀遇洪水， 这部分超蓄的水量就可以得到有效的利用。随着现代通讯设施和手段的不断完 善，获得水文气象预报的预见期是完全可以办得到的。由于设计洪水和特大暴雨 出现的几率非常小，尤其是在干旱和半干旱地区，这种暂时的超蓄量在大多数不 出现稀遇洪水的年份里都可以转化为可利用的水资源。当然，挖掘这种超蓄洪水 的潜力是在确保防洪安全的前提下实现的。 ( 3 ) 水文气象相结合，判断入库洪水级别 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 暴雨洪水是有一定规律性且有部分随机性的自然现象。随着水文气象科学的 发展，人们对一场3 5 天暴雨过程产生不同等级洪水的判别方法和产生稀遇洪 水的水文气象条件已经有了认识，可以利用连续的数值预报、常规气象资料及陆 面水情资料，在洪水入库之前判断洪水级别是可以实现的。大洪水来临之前总是 有前期征兆的，这种征兆对大流域的大洪水有预警作用。近年来，气象部门可以 为当地水库提供2 4 小时定量降水预报和3 7 天左右的中期降水预报，并用雷达 探测雨情，给出降水量的临近和短时预报，为水库管理部门在进行蓄水和放水的 决策时提供可靠的依据。有了这些科学依据便可以在大多数年份超蓄一定的水 量。在我国大多数地区，一般无雨预报的准确率远高于降水预报，而不会产生暴 雨的天气系统更多于暴雨天气系统，在减免水库不必要的弃水方面，正好可以利 用“无暴雨预报”这一优势特点尽可能地增加蓄水，兼之可以利用上游在强大高 压控制下的大晴天等实际情况，使得预报无大洪水到来更有把握。 由于水文气象预报目前不可能达到1 0 0 的准确率，在实际操作中，当中、 短期预报发现可能有降雨的趋势而其雨量预报不易掌握时，为确保水库的万无一 失，可按有稀遇洪水处理，提前放水。腾出库容以容纳入库洪水。这样就仅仅是 在遇到有这种趋势时才提前放水，而不是在整个汛期都要腾出库容来等待稀遇的 设计洪水，因此在未放水的很多时日里，还有很多水量可供利用。若该年一直没 有这种趋势出现f 这种年份并不少) 就可以一直不放水。所以在不发生稀遇洪水的 年份( 或时季1 蓄水，改变目前在绝大多数年份也要硬性弃水的局面，就可以进一 步发挥水库的蓄水抗旱效益。 ( 4 ) 提前做好水库加固工作 大中型水库要提前做好除险加固工作，以便迎接高水位蓄水。病险水库不易 开展超汛限水位蓄水。由于小型水库抗洪能力低，小流域面积上的暴雨预报难度 大，也不易开展超汛限水位蓄水。 2 3 洪水资源化的风险分析及管理对策 2 3 1 洪水资源化存在的风险【2 o j 【2 i j ( 1 ) 水库应急泄洪风险。水库汛期超汛限水位蓄水，以防当年水库上游少雨的 情况，可提高供水保证率，但是因此可能增加水库应急泄洪的几率。水库应急泄 洪增加了出现破坏下游河道安全行洪的水情条件的机会，如黄河下游可能出现斜 河、滚河等不利的水情，下游滩区和河道工程遭受损害的风险加大。 ( 2 ) 垮坝风险。这也是水库超汛限水位蓄水带来的更大风险。垮坝对下游防洪 是致命的打击，下游洪泛区将因此遭受灭顶之灾。 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 ( 3 ) 动用蓄滞洪区的风险。当水库蓄水位过高时，如果水库应急泄洪或水库垮 坝时河道不能及时排泄洪水，则增大了蓄滞洪区运用的可能性。 ( 4 ) 引洪水补源和灌溉时，由于汛期洪水含沙量大，将造成引洪渠道淤积，从 而缩短灌区灌溉设施的寿命。 ( 5 ) 水库在发生洪水时进行驱污和调沙调度，洪水有可能对滩区和河道工程造 成损害，过水的滩区有可能受到污染。 上述情况下，风险越大，可能的利益也越大，可能的损失也越大。风险超出 一定限度的方案，所造成的损失可能是难以承受的，而风险最小的方案又可能是 无利可图甚至在其他方面带来不利影响的方案。因此，在这种情况下，往往不能 以风险小作为决策选择的依据，应在风险分析的基础上合理控制风险的程度，审 时度势，精心调度，最大限度地趋利避害。 2 3 2 洪水资源化风险的管理对策 针对上述洪水资源化中存在的风险，其管理对策主要有： ( 1 ) 加强防洪调度，提高水库调度技术，防范水库应急泄洪风险、垮坝风险和 动用蓄滞洪区的风险。洪水的发生过程具有可预见性与可调控性。通过历史洪水 的调查与分析，人们可以掌握洪水现象的各种统计特征与变化规律；利用现代化 的计算机仿真模拟手段，可以预测在流域孕灾环境与防洪工程能力变化的条件 下，不同量级洪水可能形成的淹没范围、水深、流速以及淹没持续时间等，评估 洪涝灾害的损失；利用现代化的监测手段和计算方法，人们可以对即将发生的洪 涝进行实时预报，根据洪水的预测、预报结果，可以科学地制定防洪工程规划与 调度方案，约束洪水的泛滥范围、控制洪峰流量与水位，降低淹没的水深以及缩 短淹没的历时等等，从而达到减轻洪涝危害性的目的。 ( 2 ) 加强调水调沙调度，实现水沙污的统一调度。洪水是很好的冲沙、冲污的 资源，因此必须在做好水、沙、污预报工作的基础上，实行水沙污统一调度。防 止污水上滩后污染物留在滩上，防止因洪水调度导致淤积加重。 ( 3 ) 提高工程质量和加强工程管理。消除病险水库，严格水库管理，提高工程 质量，加强大坝监测是防止垮坝风险的重要手段。 ( 4 ) 加强信息化建设，及时获知水情信息。信息化是现代水利的重要标志。及 时精确的获知信息是弱化洪水风险的重要手段。目前正在建设的水利信息化工 程，如数字黄河等，将极大地弱化洪水资源化的风险。 ( 5 ) 建立蓄滞洪区的洪水保险机制和风险补偿机制。由于洪水资源化工作，增 加了蓄滞洪区的受灾风险，因此应该对蓄滞洪区进行风险补偿，其补偿机制应和 洪水保险机制共同建立，补偿资金的来源应是洪水资源的收益。 第二章洪水资源化问题及其可行性分析 2 4 海河流域的洪水资源化问题及可行性分析 2 4 1 洪水资源化在海河流域的重要性 海河流域是我国七大流域之一，由海河、滦河和徒骇马颊河三大水系组成， 面积3 1 8 万m 2 ，人口1 2 4 亿，多年平均降水量5 3 9 m m ，年均径流量2 2 0 亿m 3 。 作为政治文化中心和经济发达地区，在全国具有举足轻重的地位。然而，海河流 域又是我国严重缺水的地区之一，人均占有水资源量3 0 5 m 3 ，仅相当于全国人均 水资源量的1 7 ；加之水资源时空分配极不均衡，水资源短缺问题更为突出。随 着人口增长和社会经济的发展，水资源利用量与污水排放量不断增加，水资源短 缺矛盾加剧，生态环境日趋恶化，水资源问题已成为海河流域国民经济可持续发 展的主要制约因素一j 【”j 。 我们知道，由于海河流域河川径流受季风影响，在年内和年际分配极不均匀， 只有经过水库调蓄，才能得到充分利用。现有的大中型水库仅有少数能对入库径 流进行多年调节，大部分水库库容较小，而且还承担着防洪任务，汛期需要预留 相当的防洪库容，以确保水库下游保护对象的防洪安全。因此，每年汛期，当水 库水位超过汛期限制水位时，水库不能蓄水，形成汛期弃水，而汛期过后因来水 少又蓄不上水，导致来年缺水的矛盾。 尽管海河流域每年汛期的来水是随机的，但经常出现的还是中小洪水。每年 汛期一般出现1 2 次中小洪水，每次洪水过程一般不过l o 天左右( 有些河流的 洪水历时甚至更短】，水库往往蓄不上多少水，大部分水库库容闲置着，准备拦 蓄稀遇的设计洪水或特大洪水。因此，对于泄洪关系已定的现有水库，应在总结 几十年调度经验的基础上，根据当地中小洪水与设计洪水或特大洪水出现的规 律，结合水文气象预报信息，改进水库目前采用的固定时间、固定汛限水位的防 洪调度方式，在一般年份可以多拦蓄些洪水，以提高水资源的利用效率，这对于 缓解海河流域水资源危机，改善流域生态环境具有非常重要的意义。 2 4 2 海河流域洪水资源化的可行性分析 经过近5 0 年的大规模水利建设，海河流域调蓄洪水的主要场所已经由平原 搬到了山区，原有的湖泊洼淀被划定为蓄滞洪区，并逐步改造成了良田。流域内 形成的由水库群、堤防、分蓄洪区、水闸控制枢纽等构成的防洪工程体系，不仅 对流域的防洪减灾发挥了重要作用，而且也为山区水资源的充分开发利用与合理 配置和平原地区有控制的适度的洪水资源化利用提供了基础。依赖科技进步，充 分发挥水利工程体系的作用，通过调整流域上下游蓄泄关系，可以进一步开发利