（水文学及水资源专业论文）水库汛期分期划分及汛限水位动态调整问题的研究.pdf

摘要 本文在广泛阅读和分析国内外有关研究成果的基础上，基于资源水利、生态水利 的基本指导思想，按照洪水资源化的主要原则，以充分认识于桥水库控制流域汛期所 具有的模糊性、随机性和过程性为基本目标，从最基本的降雨时空分布特征研究入手， 利用模糊集合理论、分形理论、随机模拟技术、风险分析理论以及相对较为成熟的水 库调洪演算方法，对于桥水库控制流域汛期分期规律及水库汛限水位调整等问题进行 了深入的探讨，获得了较好的结果。 ( 1 ) 基于汛期发展变化所具有的模糊性和过程性，本文将数据挖掘技术引入到 传统的模糊集合分析方法中，对汛期分期进行了分析研究，确定该流域汛期开始于6 月6 日结束于9 月1 8 日，并根据逐日隶属度的变化过程把汛期进一步划分为包括主 汛期( 7 月2 1 日至8 月4 日) 在内的7 个小分期；利用汛期逐日模糊隶属度函数确定 了基于模糊集合分析方法的于桥水库汛限水位的静态变化过程线，理论上可使水库汛 后多蓄水近5 0 0 0 万m 3 ，为实现汛限水位动态控制打下了坚实的理论基础。 ( 2 ) 基于汛期发展变化所具有的随机性和过程性，计算得出各分期不同频率设 计暴雨值；通过对实测七日最大雨量时间序列混沌特征进行的定量研究，确定该流域 内汛期降雨最大可预测时间尺度为8 - 9 个分期；运用随机模拟技术对分期七日最大雨 量时间序列进行模拟展延，建立根据前期降雨状况预测后期降雨的风险分析模型，从 风险分析的角度论证了降雨预测的的合理性； ( 3 ) 按照设计暴雨与设计洪水在频率上所具有的对应关系，确定各分期不同频 率的设计洪水过程线，并按既定调洪演算原则，确定出各分期汛限水位，得出基于分 期设计洪水的汛限水位静态过程线，通过与基于模糊集合分析方法确定的汛限水位过 程线进行分析比较，最终确定出较为合理的汛限水位静态过程线。结合降雨预测风险 分析结果，给出基于前期降雨预测紧后一期降雨实现汛限水位动态控制的风险。 关键词：汛期分期，汛限水位，模糊集合分析，风险分析 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h er e l e v a n tr e s e a r c ha th o m ea n da b o a r d w i t h t h ef u n d a m e n t a lg u i l d i n gi d e o l o g i e so ft h er e s o u r c ea n de c o l o g yw a t e r - c o n s e r v a n c ya n d t h ep r i m a r yp r i n c i p l eo ff l o o dr e s o u r o eu t i l i z a t i o n ，t h em a i no b j e c to ft h i st h e s i si s d e t e r m i n e dt oc o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t a n dt h ef u z z i n e s s ，r a n d o m n e s sa n dp r o c e s sn a t u r e ， w h i c hp o s s e s st h ed e v e l o p m e n ta n dc h a n g e so ft h ef l o o d s e a s o ni nt h ew a t e r s h e d c o n t r o l l e db yt h ey u q h or e s e r v i o r s t a r t i n gw i t ht h es t u d yo nt h et i m ea n ds p a c e d i s t r i b u t i o no fr a i n f a l l ，t h ea u t h o ri n t r o d u c ea n da p p l yt h et h e o r yo ff u z z ys e ta n a l y s i s ， f r a c t a lt h e o r y , t h es t o c h a s t i cs i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h er i s ka n a l y s i st h e o r ya n dt h ef l o o d r o u t i n gm e t h o di nt h er e s e a r c ho nt h es t a g er e g u l a t i o no ft h ef l o o d - s e a s o na n dt h e a d j u s t m e n to fl i m i tw a t e rl e v e li nf l o o d s e a s o n a tl a s t , t h ec o m p a r a b l ys a t i s f a c t o r ya n d p r a c t i c a lr e s e a r c hr e s u l ti sg a i n e da n ds h a l lb eh e l p f u lt or e l e a s et h ep r o b l e mo f t h ew a t e r r e s o u r e 宅t os o m ee x t e n ti f a p p l i e d ( 1 ) b a s e do nt h ef u z z i n e s sa n dp r o c e s sn a t u r ep o s s e s s i n gt h ef l o o ds e a s o n ，t h e d a t a - m i n i n gt e c h n i q u eh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h ef u s s ys e ta n a l y s i si nt h er e s e a r c ho n d i v i d i n gt h en 0 0 ds e a s o n t h ef l o o d - s e a o ni ni n t e r e s tr e g i o nd a t e sf r o mj u n e , 6t o s e p t e m b e r , 1 8 f u r t h e r m o r e ，t h i sf l o o d s e a s o n ，w i t ht h em a j o rf l o o dp e r i o df r o mj u l y , 2 1t o a u g e s t ，1 8 ，c a l lb ed i v i d e di n t os e v e ns u b s t a g e si n a c c o r d a n c ew i t ht h ev a r y i n gf u z z y m e m b e r s h i pg r a d eo f p e rd a y t h es t a t i ch y d r o g r a p ho f t h el i m i tw a t e rl e v e lb a s e do nt h e t h em e t h o do ft h ef u z z ys e ta n a l y s i sh a sb e e ne s t a b l i s h e db yt h eu t i l i z a t i o no ft h ef u z z y m e m b e r s h i pg r a d ef u n c t i o n ，w h i c hs h a l lt h e o r e t i c a l l yh e l pt h er e s e r v o i rt os t o r em o r e 5 0 ，0 0 0 ，0 0 0m 3w a t e ri fa p p l i e d t h er e s e a r c hs h a l lp r o v i d et h es o l i dt h e o r yf u n d a m e n tf o r d y n a m i c a l l yc o n t r o l l i n gt h el i m i tw a t e rl e v e l ( 2 ) b a s e do nt h er a n d o m n e s sa n dp r o c e s sn a t u r ep o s s e s s i n gt h ef l o o ds e a s o n ，t h e d i f f e r e n tf r e q u e n c yd e s i g ns t o r mh a sb e e nc a l c u l a t e df o re v e r ys u b s t a g e w i t ht h e q u a n t i t a t i v er e s e a r c ho nt h ec h a o sn a t u r eo ft h ea c t u r a lt i m es e r i e so ft h em a x i m u m r a i n f a l li ns e v e nd a y sf o re a c hs u b s t a g e ，t h ep r e d i c t a b l et i m es c a l eo ft h a tr a i n f a l ls e r i e s h a sb e e nc o m f i r m e da s8t o9s u b s t a g e ，t h a ti st os a y , i na b o u to n ey e a r , t h er a i n f a l ls e r i e s c a nb ef o r c a s t e ds u c c e s s f u l l yt os o m ee x t e n ti ft h es u i t a b l em o d e le s t a b l i s h e d t h e s t o c h a s t i cs i m u l a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt os i m u l a t ea n ds t r e t c ht h a ta c u t u a l r a i n f a l ls e r i e sa n dar i s ka n a l y s i sm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e do nt h eb a s i sp r e d i c t i n gt h e r a i n f a l li nn e x ts u b s t a g ew i t ht h e a n t e c e d e n tr a i n f a l l t h er a t i o n a l i t yo fr a i n f a l lp r e d i c t i o n h a sa c h i c v e dt h ed e m o n s t r a t i o nf r o mt h ev i e wo f t h er i s ka n a l y s i s ( 3 ) w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go nt h ec o i n c i d e n c cr e l a t i o no f t h ef r e q u e n c yb g = t - w e e nt h e d e s i g ns t o r ma n dd e s i g nf l o o d ，t h ef l o o dh y d r o g r a p hf o rd i f f e r e n td e s i g nf r e q u e n c eh a s b e e nd e f i n e df o re a c hs u b s t a g e t h es t a t i c a lh y d r o g r a p ho fl i m i tw a t e rl e v e lb a s e do nt h e s u b s t a g ed e s i g nf l o o dh a sb e e nc a l c u l a t e db yf l o o dr o u t i n g c o m p a r e dt h e s et w os t a t i c a l h y d r o g r a p h so fl i m i tw a t e rl e v e l ，t h er e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a lh y d r o g r a g hi sc o n c l u d e df o r t h ea d j u s t m e n to fi i m i tw a t e rl e v e li nf l o o ds e a s o n t h er e a l i z a t i o no ft h ed y n a m i c a l a d j u s t m e n to ft h el i m i tw a t e rl c v c ih a sb e e na c h i e v e do nt h eb a s i so ft h ec o m b i n a t i o no f t h i sf i n a lh y d r o g r a p ha n da b o v e - m e n t i o n dr i s ka n a l y s i so nt h er a i n f a l lf o r e c a s t k e y w o r d s ：f l o o d - s e a s o nd i v i s i o n ，l i m i tw a t e rl e v e l , f u z z ys e ta n a l y s i s ，r i s ka n a l y a 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，也不包含为获得鑫鲞盘茎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。 一繇砖压 签字日期酊r 年何月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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) 一签麓恼 签字日期：) 矾年l 月咯日 名：场爷 签字日期：粥年f 月；j 日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国是一个水资源相对短缺的国家，人均水资源占有量仅为2 3 5 0 m 3 ，只相当于 世界人均占有量的2 7 ，在世界1 4 9 个国家中排第1l o 位。面对不断增长的水资源需 求和日益严重的水环境污染问题，如何充分合理的开发利用有限的水资源已经成为关 系到国民经济是否能够实现可持续发展的一个紧迫任务。近年来我国广大地区水资源 紧缺问题日见突出，如黄河断流天数逐年增加，海河流域自“9 6 8 ”大水后发生的连 年干旱，导致不得不引黄河水来应对河北省以及天津市城市供水短缺的严峻局面【1 】。 随着我国经济社会的发展，水资源问题将会变得更加紧张。如何通过多种途径，缓解 水资源短缺状况、改善水资源环境已经成为人们关注的焦点。 水库工程是流域防洪安全保护系统和永资源开发利用系统的重要组成部分。利用 水库调蓄洪水、调节丰枯水年供水状况，是目前防洪安全保护系统和水资源开发利用 系统所普遍采用的方法。建国后，我国兴建了各种水库8 6 0 0 0 余座，占全世界总水库 数量的5 3 ，总库容达4 5 0 0 亿1 1 1 3 ，其中大型水库3 6 6 座，中型水库2 4 9 9 座，总库容 4 0 0 0 多亿m 3 ，这些水库工程的兴建在一定程度上提高了其控制流域的防洪能力，并 初步实现了水资源的年内和年际调节。几十年来，这些水库在防洪、蓄水、灌溉、发 电和提供人民生活用水等方面发挥了巨大的作用。然而，在水资源状况随国民经济的 发展而变得相当严峻的今天，我国仍有很多水库的调度运行没有注意到社会经济发展 对水资源需求的现实情况以及水库控制流域“人工”自然环境的变迁。仍然过分的以 水库初建时所确定的保护防洪安全为主要目标，这就造成这些水库虽在防洪方面起到 了重要作用，但不能根据时代的发展以及环境的变化而有针对性的发挥其兴利作用， 造成水资源的很大浪费，特别是对于干旱、半干旱地区以及象北京、天津这样的缺水 城市。 第一章绪论 我国地处东亚大陆的东南部，季风气候盛行，降水量往往集中在全年中相对较短 的一段暖热时期，这就决定了我国水资源时空分布的不均匀性。据统计，全国河川年 径流中约2 3 以上属于洪水径流。洪水径流集中发生在汛期，往往造成洪涝灾害，这 在海河流域尤其明显。由于没有事先有针对性的制定相关措施和调度方案，洪水发生 时惟恐宣泄不及而不敢蓄水，致使天然降水不能有效的转变为可资利用的水资源，而 目前我国水资源供需状况随国民经济的高速发展已经变得相当严峻【2 1 因此，千方百 计的将洪水转化为可利用的水资源不仅是十分必要的而且是与我国的自然与国情特 点相配合的。 目前，我国的水库调度主要考虑的是落地雨量，如果事先没有有针对性的制定防 洪与洪水资源化利用相结合的合理措施，就会造成在汛期来水较多的情况下，单纯的 以保护防洪安全为目标不加利用的宣泄洪水，造成水库汛后蓄水少、下泄洪水不能得 到有效利用的不利局面，致使水库工程调节控制流域内水环境状况的综合能力下降。 例如，我国北方地区在每年汛期到来之前( 一般在七月上旬) 就将水库的蓄水( 或发 电后的尾水) 不加利用的泄掉，使水位下降至汛限水位，等待汛期洪水的到来，汛期 来水充分下泄，使水库只发挥防洪作用，直到汛后( 一般在九月下旬) 才允许蓄水。 而北方地区的汛期降水占全年降水量的8 0 以上，汛期洪水如不得到充分有效的利 用，汛后也就无水可蓄、可用，而在非汛期来水较少的情况下，水库为满足供水需要， 很少下泄蓄水，造成在这些大型水库的下游非汛期断流，控制流域内地下水开发利用 得不到有效补给，河道内的污染物得不到有效冲刷，生态环境恶化【”。 充分利用天然洪水是近期内缓解水资源供需矛盾、水生态环境恶化等问题的一个 有效途径。在不影响水库防洪目标的前提下，在充分认识流域汛期降雨分布规律的基 础上，采取一定的洪水资源化措施，以现有水库工程为点，以水库控制流域的上下游 河道为线，以水库控制流域为面，根据水库上游控制流域的汛期降水状况和上游河道 的来水情况，莉用水库工程调控洪水的能力，有针对性的合理调节天然来水，充分利 用下游河道的作用，调节水库下游控制流域的地表水、地下水水资源状况，改善水库 控制流域的生态环境，实现天然洪水的资源化利用，最终达到水库控制流域内的天然 洪水与控制流域内社会经济的协调发展。根据水库控制流域内的天然来水状况，通过 一定的手段充分利用点、线的调控能力，使天然洪水在整个控制流域面积内得到更加 第一章绪论 有效的利用，实现改善面间水资源状况和水环境的目标、实现天然洪永的资源化利用 正是本文研究水库控制流域汛期分期规律及水库汛限水位动态调整问题的目的所在。 1 1 2 研究意义 人类社会的进步与发展，从来都是以解决人与自然的关系这一重大课题为前提， 处理和解决人与自然关系的水平和能力，标志着社会进步和发展的程度。历史上大量 事实证明，如果处理不好人与自然的关系，就会遭受大自然的惩罚。以水库为主要控 制“点”、以水库控制流域上下游河道为控制“线”辅以相应的洪水资源化手段实现 水库控制流域内的洪水资源化就是一条处理人类社会与洪水关系的正确道路。 以水库为其控制流域的主要控制“点”、以控制流域的上下游河道为控制“线”， 以水库控制流域为控制“面”，在正确认识汛期洪水分期规律的基础上，通过水库汛 限水位的动态调整等洪水资源化手段，科学合理的调控洪水，实现点、线、面的有机 结合，既可以补充地下水和地表水资源，改善河流和水库天然淤积或冲刷状况，延长 堤防和水库的使用寿命，还可以为湿地、滩地等输沙送水改善水生态环境，稀释污水 提高受污水体的自净能力等。以水库为主要控制点、以水库上下游河道为控制线的洪 水资源化，就是要利用洪水自身有利的一面，最大限度地挖掘天然洪水对于促进流域 内经济社会和生态环境可持续发展的作用。通过一定的资源化手段，使天然洪水具有 可供人类使用的属性，并进而加以科学有效的利用，这本身就是一种科学刨新和认识 提高，对洪水的资源化处理既可以获得经济上的效益，更能取得环境方面的收益。 首先，通过运用一定的洪水资源化手段，可以实现对洪水性质的改变，变害为利， 变废为宝，在一定程度上克服或减小干旱地区的灾害损失。当前，我国水资源的特点 决定了洪水资源的开发利用策略，通过综合治理手段，依靠对天然洪水的科学分配调 度，实现洪水向资源的转化；通过洪水从水资源丰沛地区或相对过剩地区向水资源缺 少地区、从水资源相对较丰沛的时段向水资源较缺少时段的时空双向转移提高洪水的 经济价值，促进社会经济的持续发展。 其次，通过运用一定的洪水资源化手段，对洪水进行资源化处理，可以在一定程 度内恢复地下水位，避免地下水位漏斗面积的扩大。由于过去盲目的超采地下水，采 3 第一章绪论 补不平衡，造成我国许多城市和地区出现大面积地面沉陷，严重威胁城市安全和发展。 而洪水也是一种具有资源潜力的淡水，我们采取一些有效的措施把某一地区，某一特 定时间内过剩的洪水通过时空转换储存起来加以利用，可以缓解地下水位急剧下降的 局面，在一定程度上还可以逐步恢复地下水位。 再次，通过运用一定的洪水资源化手段，拦蓄洪水，实现对季节性河流的调节， 维持健康的河流生命。不可否认我国有许多河流已经变成或即将变成季节性河流，这 些流域的生态系统变的相当脆弱，一旦断流就会给流域生态带来不可估量的损失。通 过在汛期适时拦蓄洪水、跨流域调水等措施，维持河流不断流，确保流域生态系统安 全。 还有，通过运用一定的洪水资源化手段。充分利用峰前洪水，实现对下游河道内 的污染物和淤积泥沙进行冲刷，在洗清河道的同时，在一定的程度上恢复河道的行洪 能力，为维持良好的水库控制流域水环境和保护防洪安全打下坚实的基础。 洪水资源化是资源化的手段与资源化的目的的统一，更是人与洪水、人与自然和 谐共处、协调发展的重要体现。科学合理的实现洪水资源化可以为流域社会经济的可 持续发展提供有利支撑。但洪水资源化是一项复杂的系统工程，对我国来说还属于一 个相对较新的研究课题，其中有众多问题极待解决。因此，在我国十分有必要展开( 特 别是在干旱、半干旱地区) 洪水资源化问题的研究工作。本文仅就流域汛期分期规律 等基本问题以及如何通过汛限水位动态调整等手段实现洪水的资源化利用展开研究。 1 2 相关学科研究现状 洪水资源化是一项很复杂的系统工程，而且对于我国来说，属于一个相对较新的 研究课题。由于我国水资源供需形式日见严峻，特别是在北方干旱半干旱地区，在相 关区域已经小规模的开展了洪水资源化的实践活动【3 】。但这些实践活动的经验表明， 洪水资源化还缺乏足够的成功经验和基础理论的指导。在不同流域、不同地区对洪水 概念、洪水是不是资源、洪水资源利用的理解，差异很大。 首先是关于洪水的概念。一种说法认为洪水是指水库汛限水位以上的来水；一种 第一章绪论 说法认为洪水是指河道内警戒水位以上的来水：还有一种说法认为汛期的来水就是洪 水。中国水利大百科全书定义洪水是河流中在较短时间内发生的水位明显上升的 大流量水流；中国水旱灾害定义洪水是暴雨或急剧融冰融雪等自然因素和水库垮 坝等人为因素引起的江河湖水量迅速增加或水位急剧上涨的自然现象。本人认为，洪 水是自然界的一种异常现象，其成因主要是暴雨或急剧融冰融雪，其表征为河流水位 明显上升、流量明显增大、水体总量明显增多。洪水应该按照重现期、发生时间等划 分不同等级标准、类型。 其次，洪水是不是水资源。联合国教科文组织和世界气象组织关于水资源的定义： 水资源是可供利用或有可能被利用，具有足够数量和可用质量，并可适合某地对水的 需求而能长期供应的水源。多年来，在我国很多地方形成了传统的看法，即平水年尤 其是枯水年，水是宝贵资源，要充分加以利用；而丰水年尤其是大洪水年份，没有把 洪水当做资源，是水害，要尽快排走、入海为安。从计算方法看，我国2 8 万亿m 3 的 水资源总量是多年平均的概念，其中9 6 是地表水即河川径流量。全国或一个流域长 序列的水资源总量中都包含了枯水、平水、丰水年的水量，从年际概念和计算方法可 以看出，洪水是水资源的组成部分。从年内角度看，我国大部分地区降水主要集中在 汛期，其降水量占全年降水量的6 0 以上。而汛期正是洪水频繁发生的时期，大部分 的地表径流伴随洪水而来，洪水构成水资源的重要组成部分【2 】。由此可以看出，洪水 虽然是水资源，具有水资源的一般属性，但是，只有通过采取一定的控导手段，才能 达到资源化利用的目的，这就如同在没有掌握铁矿石冶炼技术之前，铁矿石虽然具有 冶炼成铁的潜力，但由于技术水平的限制，无法发挥其作为资源的作用，而只能以一 种潜在资源的形式存在。另外，洪水作为水源不具有长期利用的特性，供水保证率低， 又不是一般意义的水资源，具有水害、兴利的双重属性，而且开发利用洪水资源的难 度、风险比常规水资源要大，甚至造成灾害，具有超越一般意义水资源的特殊性。 再次，对洪水资源化或洪水资源利用的理解。对洪水资源化或洪水资源利用目前 存在有两种不同的看法。有一种观点认为，现在搞水利工程建设就是开发利用水资源， 包括对洪水的调控、水能资源的开发，不存在洪水资源化的说法，或者说几十年前就 在利用洪水资源。另一种观点认为，今天提出洪水资源化是因为过去考虑防洪安全多， 考虑利用洪水兴利少【4 j 。本人认为洪水资源化是针对传统水利的传统治水法而提出 第一章绪论 的，是兴利与除害结合、防洪与抗旱、开发利用与生态保护并举的新时期治水思路的 一个具体体现。洪水资源化就是按照新时期治水思路和理念，全过程、全方位、多角 度的从传统治水思想转变到新时期资源水利、生态水利治水思想，统筹安排防洪抗旱、 兴利除害、开发利用、生态保护，在对水资源时空分布规律、水资源开发利用状况进 行客观的分析、评价和研究基础上，综合运用系统论、风险管理、信息技术等现代理 论、管理方法、科技手段和工程措施，实旌有效洪水管理，对洪水资源进行合理配置， 在保障防洪安全的同时，努力增加水资源的有效供给，保护并在一定程度上恢复已经 受到破坏的生态环境，从而为水资源开发利用的可持续发展打下坚实的基础嘲。 洪水资源化问题是一项庞大的系统工程，而且针对不同流域范围的洪水资源化在 目的和手段上虽然有一定的共性，但不同类型的流域具有自身的特点，致使洪水资源 化的目的和手段又存在一定的个性。本论文以在北方地区具有典型意义的大型外调水 调蓄水库于桥水库及其控制流域为研究对象，主要涉及研究区域内汛期划分及分期汛 限水位的确定、分期洪水可预测性及预测风险分析、基于分期洪水预测的动态汛限水 位实现等三个主要方面。下面简要回顾国内外的相关研究成果。 1 2 1 汛期划分及分期汛限水位的研究现状 长期以来的水库调度实践，使人们认识到既要确保水库及其下游的防洪安全， 又要不失时机地充分利用工程措施和非工程措施实现天然洪水的资源化，其中一个重 要的课题就是对汛期变化规律及与之对应的水库汛限水位变化规律的研究嘲 冯平等人分析了水库联合调度下不同汛限水位的风险效益，研究了水库运行中 提高汛限水位对水库带来的各种影响，提出了具体估算方法，并通过风险效益比较， 定量地给出合理的汛限水位川。 郭忠在分析河西内陆河流域洪水发生规律的基础上，对大中型水库提高汛限水位 运行的安全性、可行性进行了探讨 8 1 。 陈继东利用模糊集合理论，对岳城水库的汛期进行了模糊分析，计算出汛期的经 验隶属度和拟合隶属度，确定其不同时刻的汛限水位，为水库在汛期不失时机的蓄水 提供了理论依据f 9 】。 6 第一章绪论 孙秀玲结合北方水库的特点，根据模糊数学理论和最小二乘法原理，提出了确定 水库汛限水位过程线的方法，并给出了门楼水库的实例i 。 田庆贺、刘德波利用流域降雨洪水的变化规律，采用模糊集理论，将整个汛期划 分为主汛期和后汛期，推求了河南省大型水利工程白龟山水库的分期汛限水位1 1 l 】。 吴晋青、李文奇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，增加水库供水的可能性【1 2 1 。 武鹏林指出，对洪水分期，首先要对暴雨成因或暴雨洪水发生的规律进行分析。 一般认为，当汛期洪水的变化具有明显的规律性时，才可以将汛期按不同类型的洪水 划分为若干时段，如果洪水的大小在整个汛期无明显差异，但由于下游河道的允许泄 量在各个时期有所不同因而能够留出不同的防洪库容，在此情况下，也可认为具备分 期的条件。在实际工作中，对水库形成洪水的降雨系统在时间上虽无明显分界，但在 强度上逐渐减弱，亦可进行分期，而这样做必须具备以下三个条件：第一，具有较长 的洪水资料；第二，有大洪水调查资料；第三，除单站资料外，还有条件对流域洪水 分期进行可行性分析 1 3 j 。 高永胜、吴煜楠以模糊集合分析法为基础，通过成因分析和数理统计，大致确定 出音河水库的汛期及主汛期的期限，并通过平均面雨量分析确定出关于汛期的隶属 度，从而确定出水库的汛限水位【。 胡四一、高波等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。探讨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，对水库运行的蓄水效益和防洪风险评价提出了建议1 1 5 j 。 李成林针对察尔森水库及其所处流域的实际情况，应用模糊水文学理论方法推求 出水库汛限水位过程线，解决了水库在实际运行中难以实现分期抬高汛限水位达到蓄 水期望值的关键问题，进一步增加了水库蓄水量和汛后蓄满的几率，为更好地发挥水 库的兴利效益奠定了基础【1 6 1 。 综合以上研究成果，对于汛期分期的确定可以大致分为以下三类方法：( 1 ) 分析 形成暴雨洪水的天气系统的运行规律，确定分期起讫日期；( 2 ) 通过统计年最大或大 第一章绪论 于某一标准洪水( 暴雨) 在各月、各旬出现的次数所占百分比来确定分期的起讫日期； ( 3 ) 根据汛期划分的模糊性，采用模糊分析法，运用模糊集理论推求不同时刻的汛 期隶属度，确定汛期起讫时间并进而确定分期汛限水位。纵观以上三类方法，各方法 上在研究角度上虽各有侧重，但都强调对水库控制流域的汛期进行划分，而不同分期 水库汛限水位必须以所在地区的暴雨洪水特性为基础。 1 2 2 分期暴雨洪水预测的研究现状 所谓预测，就是对尚未发生或目前还不明确的事物进行预先的估计和推测，是在 现时对事物将要发生的结果进行的探讨和研究【m 。预测是这样一个过程，从过去和现 在已知的情况出发，利用一定的方法和技术去探索或模拟不可知的、未出现的或复杂 的中间过程，推断出未来的结果。认识事物的发展变化规律，利用规律的必然性是进 行科学的预测所应遵循的总的原则。此外，惯性原则、类推原则、相关原则和概率推 断原则等都应具体的体现在各种相应的预测技术和方法中，他们是这些预测技术和方 法成立的基础【1 8 】i 埘。 预测工作是一项“技艺”性很强的工作，它既需要预测者掌握多项预测技术，而 且需要预测工作者具有灵活运用预测技术的能力。目前，被广泛使用的预测技术大致 有：回归预测技术、确定型时间序列预测技术、随机时间序列预测技术、概率预测技 术、调查预测技术、专用预测技术以及多目标预测技术等1 1 7 1 9 1 1 2 0 。 在水文科学领域中，传统的中长期降雨预测包括：确定性预报、随机水文模型预 报和确定与随机相耦合的预报方法。近年来，随着数值计算技术的飞速发展，水文预 测同其他学科也有了交叉并产生出新的预测方法，使水文中长期预测取得了长足的进 展。 人工神经网络预测方法。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是基于模仿人类大脑结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机，它具有很多与 人类智能相类似的特点，通过训练学习而具备适应外部环境的能力、模式识别能力和 综合推理能力。人工神经网络的学习算法较多，其中反传学习算法( b a c k p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ，简称b p 算法) 方便、直观且训练有效，被广泛应用于降雨径流模拟及预 第一章绪论 测、河川径流预测、水质参数预测以及水库调度决策等方面【2 1 2 4 】。人工神经网络虽然 具备许多其他水文预测方法所不具备的容错性、鲁棒性、自学习能力以及复杂的非线 性特性，但是由于a n n 由复杂的非线性函数构成，带有很多参数，这就造成无法明确 模型参数的物理意义，而这又恰恰是研究者所关注的重要内容之一，显然，a n n 在这 一方面无法满足要求。 均生函数预测方法。均生函数模型是基于系统状态前后记忆的基本思想，构造一 组周期函数，通过分析原时问序列与这组周期函数问的统计关系，建立相应的统计预 测模型进行历史资料的拟合和未来趋势的预n t 2 5 j 。均生函数预测方法具有两个优点： 一个是可以制作长时间的多步预测模型：另外，它还能够很好的拟合出预测对象的趋 势及极值。正因为如此，均生函数预测方法已经在国内被广泛应用1 2 6 2 9 。 灰色系统预报方法。灰色系统是指部分信息已知、部分信息未知或非确知的系统， 即信息不完全的系统 3 0 1 。1 9 8 2 年，我国学者邓聚龙教授从系统控制的不确定元研究 出发，首次提出了灰色系统的概念和研究思想，并已逐步应用到社会、经济、工程等 多个领域。水文灰色系统理论方法是指将水文研究对象视为一个收到不确定性干扰并 且水文气象信息不完全的系统，运用灰色系统的分析观点与理论来研究水文系统输入 输出、状态与变量、结构与参数、识别与预测、确定性与不确定性等关系的方法 3 1 3 4 】。 水文灰色系统理论方法的问世，为水文学的研究提供了新的方法论视野。 此外，随着数值计算技术的不断提高以及各种优化方法的改进，水文工作者已经 尝试运用其他一些方法来进行水文预测【3 删，如：非线性时序模型一门限自回归模型 3 5 1 、相似预报方法阁、投影寻踪方法【轫以及混沌预测技术【3 8 】等。 1 2 3 汛限水位动态实现的研究现状 水库汛限水位动态控制是指在汛期，水库根据实时雨、水情，利用预报成果，在 不降低水库防洪标准，确保水库、上下游地区防洪安全的前提下，按照经科学论证并 经有关部门审批的水库汛限水位动态控制方案所确定的控制范围对汛限水位进行浮 动控制的调度过程。 凌桂珍、项丽媛根据参窝水库一次洪水前的预泄能力，提出了对汛限水位进行动 第一章绪论 态控制的调度方式，并通过对影响水库预泄因素的分析，计算了动态蓄水位的上限， 并做为水库进行动态控制的依据。 李杰、雒文生等针对古田溪一级水库，在考虑洪水预报、科学制定调洪规则的基 础上，通过动态在线调洪演算，确定汛限水位，同时用几种方法相互验证，研究提高 汛限水位的可行性，为更好地发挥已建水库的防洪、兴利效益提供了参考和依据【4 2 】。 方崇惠、徐高洪等从水库下游河道实际防洪标准和水库允许下泄安全流量出发， 在汛期分期设计洪水的基础上对漳河水库不同情况下的动态汛限水位进行研究，得出 了符合实际情况的水库动态汛限水位。同时，通过长系列兴利调节计算、实例和定量 对比分析表明，水库采用动态汛限水位运行，既可以预防提高汛限水位而带来防洪风 险，又可以拦蓄雨洪资源，提高水库兴利效益【4 3 1 。 刘攀、郭生练等针对三峡水库，阐述了水库运行初期的调度规则，建立了实时调 度模型，提出了防洪、发电和航运等指标体系，在此基础上建立了用于动态汛限水位 和蓄水时机优化的混合规划数学模型，并设计了一种混合编码方式，运用遗传算法对 该模型进行优化求解。利用宜昌站1 8 8 2 2 0 0 1 年实测日流量资料进行模拟优化，生 成了一系列非劣解；然后运用模糊决策的方法，得到了相对合理的动态汛限水位与蓄 水时机方案，提高了三峡水库运行初期的综合效益。 曹永强、殷峻暹等探讨了利用水文和气象等预报信息来指导水库实时调度，研究 了实施防洪预报调度方法的内涵、机理、需要满足的基本条件等几个关键问题，并结 合碧流河水库的应用实例证明了以累积净雨总量控制防洪预报调度运用方法的实用 性和可行性【4 5 】。 刘攀、郭生练等通过对水库实时调度中的可接受风险的研究，在调度期内控制防 洪风险在可接受水平内，讨论了实时调度与传统汛限水位之间的关系，由调度期末水 位耦合汛限水位，建立了带有机遇约束的水库汛限水位实时动态控制模型。结合三峡 水库围堰发电期的汛期调度，进行了实例研究，结果表明，在不同的预报来水以及预 报精度情况下，水库汛限水位实时动态控制模型能在不降低防洪标准的前提下，显著 提高水库的兴利效益。 o 第一章绪论 曹升乐在国内外首次提出了设计暴雨的动态变化及动态汛限水位过程线的概念、 理论和确定方法，并将研究成果应用于门楼水库控制流域，取得了令人满意的结果m 。 纵观以上研究成果，工作大多集中在以下几个方面：水库状况分析；汛期分期、 分期设计洪水及分期汛限水位确定：降水预报、洪水预报成果可利用性分析；水库汛 限水位动态控制范围；水库汛限水位动态控制方法研究与选定；水库汛限水位动态控 制风险、效益分析。 1 3 本文研究的主要内容 基于资源水利、生态水利的基本指导思想，在对我国水资源问题及洪水资源化 利用研究现状分析的基础上，结合于桥水库控制流域的实际情况，对如何实现该流域 的洪水资源化问题进行了深入的探讨，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析研究区域内降雨的时空分布规律，确定以累计雨量做为基本研究对象， 在正反向累计雨量的基础上，重新构建累计雨量序列，采用模糊集合理论并结合数据 挖掘方法，合理确定汛期分期，同时根据计算所得汛期逐日隶属度，提出基于模糊集 合分析的静态汛限水位变化过程线； ( 2 ) 引入分期设计暴雨分析的新方法，计算各分期不同频率设计暴雨值；借助 分形理论中的关联维等参数，对于桥水库控制流域汛期降雨分布时间序列的混沌特征 进行定量研究，确定分期降雨的可预测时限； ( 3 ) 基于蒙特卡罗方法，建立汛期分期降雨随机模拟模型，对分期七日最大雨 量序列进行模拟展延，并运用统计理论确定各分期洪水资源化利用的可能性以及相应 的风险； ( 4 ) 根据设计暴雨与设计洪水的频率对应关系，确定各分期不同频率设计洪水 过程线：提出基于洪峰流量和峰前洪量的基本判定指标公式，建立分期设计洪水与年 设计洪水的对应关系，通过调洪演算，确定各分期汛限水位； ( 5 ) 综合分析研究过程中所确定的两静态汛限水位过程线，确定于桥水库汛期 静态汛限水位过程线；在各分期洪水资源化利用的可能性及相应风险分析结论的基础 上，对水库实现汛限水位动态控制进行初步探讨。 第二章于桥水库及其控制流域概况 2 1 流域概况 第二章于桥水库及其控制流域概况 于桥水库位于天津市蓟县城东，建于蓟运河左支流州河出口处，控制流域面积 2 0 6 0 平方公里，占整个州河流域面积的9 6 ( 图2 1 ) 【4 司。 图2 - 1 于桥水库水系图 州河由沙河、淋河、黎河三大支流汇合而成，各支流上游沟涧甚多，支流分散成 辐射状汇集于州河盆地，水库库区即位于该盆地，最大回水东西长约3 0 公里、南北 宽8 公里，最大淹没面积2 5 0 平方公里( 正常蓄水位时淹没面积8 6 8 平方公里) 。 影响于桥水库控制流域暴雨的主要天气系统包括西风带高空槽、西北涡、台风及 台风倒槽、切变线、西南涡等。整个流域地处燕山南麓由群山环绕形成的盆地区，又 处于暖湿气流的迎风面，非常有利于暴雨的形成。因而，本流域为暴雨多发带，雨量 较为丰沛，流域多年平均降雨量为7 5 0 m m ，汛期6 v 9 月份降雨量占多年平均值的8 0 第二章于桥水库及其控制流域概况 左右。流域多年平均径流量5 0 6 亿m 3 。 水库下游直接影响范围有蓟县、宝坻、宁河、玉田、汉沽等各县( 区) 的低洼地 区近百万人口，3 0 0 余万亩耕地，并影响京秦、大秦、京山、津蓟4 条铁路干线和京 哈、津围等公路干线的安全。 2 2 于桥水库枢纽工程概况 水库枢纽工程有拦河坝、放水洞、溢洪道、水电站。拦河坝为均质土坝，全长 2 2 2 2 m ，最大坝高2 4 m ，坝顶高程2 8 7 2 m ( 大沽高程，以下同) 。放水洞( 兼发电洞) 洞径5 m ，原设计最大放水能力1 5 0 m 3 s ( 根据电厂实际运行状况，因消能设施未做全， 不能达到原设计标准，最大只能放l o o m 3 s ) 。坝后电站设贯流式机组四台，总装机 5 0 0 0 千瓦。溢洪道为开敞式堰闸，8 孔闸门，净宽8 0 m ，最大泄洪能力4 1 3 8 m 3 s 。 2 3 洪水调度方案现状 l 、水位控制现状 ( 1 ) 汛期限制水位按设计及天津市防汛抗旱指挥部办公室批定的1 9 8 7 m 标准控 制运用，相应库容2 9 7 亿m 3 。 ( 2 ) 汛末正常水位2 1 1 6 m ，相应库容4 2 l 亿m 3 。 2 、洪水调度现状 根据上下游实际情况，运用时视上下游水情，按天津市防汛抗旱指挥部办公室指 令，调度洪水。 具