双牌水库水量损失研究分析

双牌水库水量损失研究分析徐兴国 田瑞年 廖胜利2018年12月 第1章 研究区域概况1.1 自然地理潇水是湘江最大的一级支流，古称营水。流域内水系发育均匀，左右岸流域面积比较接近，不对称系数为0.93。潇水流域地势西南高，东北低，群山连绵，丘陵起伏，有萌渚岭九嶷山山脉和都庞岭阳阴山山脉，形成宁远道县江永盆地。地质构造较为复杂，土壤以红壤、黄壤为主，岩性组合主要为花岗岩、变质岩和石灰岩等。整个潇水流域位于东经1110611210，北纬24382616之间。1.2 流域水文潇水流域年平均气温17.618.6，极端最高气温为43.7，极端最低气温-7.0，属于亚热带湿润性季风气候区，森林植被覆盖率在50以上。流域多年平均水面蒸发量为966.0 mm，多年平均降雨量为1376.3 mm，年内降雨分布如图1.1所示，年内70以上的降雨都集中在38月份，多年平均径流系数为0.63。图1.1 双牌水库控制面积年内平均降雨分布流域严寒期短，冰雪少见，春季由于冰暖气团进退频繁，造成春季天气多变，气温升高异常剧烈，每到寒流侵入，造成气温剧降，大风大雨阴雨连绵，据水库运行多年实况表明，多雨季节时有提前在2月中旬以后至3月发生，俗称早汛。流域洪水主要由暴雨形成，降水有气旋雨、台风雨、地形雨、对流雨四种。年降水量空间分布为：流域中部道县一带最大，南部江华、江永次之，北部双牌、宁远稍少。暴雨中心经常出现在道县、宁远九嶷山、江华码市一带。综上所述，本流域的气候、水文特点：气温高、湿度大、雨量充沛、洪水陡涨陡落，集流时间迅速，为一条典型的山区性河流。1.3 水利工程潇水流域已有三个水电站，双牌水电站、涔天河水电站和南津渡水电站。其中本报告的研究区域主要就是双牌水库的流域控制面积。双牌水库位于中国湖南省永州市双牌县，是湘江一级支流潇水中游上一座大型水库，径流调节类型为季调节。水库大坝建在双牌县城关镇周冲，正常蓄水位170.00 m，相应库容3.738 亿m3，死水位158.00 m，库容为1.330 亿m3。水库建设以灌溉为主，结合发电、航运和滞洪，控制流域面积10594平方公里，多年平均径流总量92.5亿m3，多年平均流量293.4 m3/s，平均径流深873.4 mm。水库设计总库容6.9亿m3，设计灌溉农田32万亩，水库右干渠道设计灌溉面积30万亩，设计流量为25 m3/s，全长97公里，1966年通水，灌溉范围为双牌、永州、冷水滩、祁阳等地。左岸渠道因工程艰巨，效益又不显著，故未兴建，现已由何仙观、单江水库、石坝仔水库等取代其灌溉范围。水库为保证农田供水期（510月）用水，供水期水位消落一般不低于161 m，发电用水做到量入为出。2012年前电站装机3台，容量13.5万千瓦，设计年发电量5.85亿千瓦时。2012年后通过增容改造，电站装机容量为15万千瓦，设计年发电量6.2亿千瓦时。涔天河水库位于双牌水库的上游，控制面积边界部分和双牌水库控制面积边界重合，该水库扩建前总库容1.05 亿m3，多年平均径流总量26.6 亿m3，多年平均降雨量为1598.9 mm，降雨的年内分配如图1.2所示，年内分配规律和双牌水库的控制面积年内分配规律一致。涔天河水库扩建后总库容15.1 亿m3，扩建后的水库于2016年12月30日下闸蓄水，流域控制面积为2446平方公里。图1.2 涔天河水库控制面积年内平均降雨分布双牌水库以及涔天河的流域边界、干支流分布以及测站分布如图1.3所示。双牌水库控制面积内的雨量站点有12个，站点名称分别是大路铺、涔天河、江永、道县、驷马桥、豪福、油湘、水市、宁远、江村、柏家坪和双牌坝上，其中道县测站位于潇水干流，大坝上游66公里处，涔天河雨量站位于涔天河坝址下游1公里处。图1.3 流域概况第2章 降水-径流关系分析2.1 概念介绍径流深：径流深是指在某一时段内通过河流上指定断面的径流总量（W，以m3计）除以该断面以上的流域面积（F，以km计）所得的值。即是计算时段内某一过水断面上的径流总量平铺在断面以上的流域面积上所得到的水层深度，它的常用单位为mm。定义式如下：R=W/1000F（mm）。径流系数：任意时段内径流深度（R，以mm计）与同时段内降水深度（P，以mm计）之比。用符号表示，即=R/P,式中：a为径流系数，无量纲；R为径流深度，mm；P为降水深度mm。月径流系数：计算时段取一个月时，计算得到的径流系数。汛期：河水在一年中有规律显著上涨的时期。枯水期：指流域内地表水流枯竭，主要依靠地下水补给水源的时期。基流：即“基本径流”，它是河道中能常年存在的那部分径流。枯季河流所能维持的最小水流，由于枯水季节流域降水补给已终止或甚少，因此基流主要是由地下水补给。蓄水容量曲线：蓄水容量与小于或等于该蓄水量的面积同全流域面积的比值所建立的关系曲线。前期影响雨量：本次降雨发生时，前期降雨滞留在土壤中的雨量。2.2 数据支撑本节用到的数据有双牌水库控制面积内19662018年月平均降雨量，其中2018年只有111月份，见表2-1；双牌水库19662018年月平均入库水量，其中2018年只有111月份，见表2-2。其中，月平均降雨量是通过双牌水库上游控制面积内的各个站点的观测月平均雨量数据根据面积加权平均得到的，平均入库水量数据是根据还原计算的入库流量数据与对应月份的时间的乘积得到。所有数据均认为真实可靠，满足计算的精度要求。 表2-1 19662018年月平均降雨量（mm）月份年份123456789101112196659.954.174.821113122014131.86.510832.735.6196747.293.8126.7192.5231.2114.375.6263149.912.47166.7196850.568.1126.2255206.8373207.6258.145.516.450.94419698443.392.8125.4189.2176.5118.6120.918.1168.546.63.8197088.358.3148192296.4261.8120.4157111.6136.5103.8111197142.244.849.6201.6293169.991.8204.266.333.56.353.8197215.3102.275.2254314.6150.139.7154.671.6111.1153122.31973115.451.8141.7241.4322.1248.3160.2298.2107.384.7911.2197410561.872.8175.1161.7201.7230.66411.646.26.280.9197582.284.9188.6326.6376.7150.8179.8120.26091.786.134.519768.887.168.5211.8287.4238.420412970.420232920197770.832.227196338343119.415372.2130.5677.9197879.317.9127.5156.1403.1124.667.5164.644.415.734.928.719795862.5143.2166.4266.8232.599.9200.455.84.814.821198085.1120.4131.5295.8240.899.8101143.258.1105.26.745.8198144.3125.2199.8347.4188.1192238.27549.510897.92.7198225.8188.180156.2308176.354.521273.761.5147.357198384.7250.1185.1147.8244206.332.8110.7139.462.328.762.7198435.140.691.9252.4301.8100.851.713963.14540.831.6198542.2175.9122.5148.9247.6103.565.1206.7119.4285723.71986258873.2150140.4202169108.53756.954.18.719872346.3146187236174175112.778.485.31140.3198829.3123.3162.4147.4210108.7139148.574.142.122.20.91989148.981.288.3174.4197.398.164.234.437.95.51017.21990118.4151.2272.6159.6216.8120.8104.912.880.948.1106.213.5199172.767.5126.894.3124152.176.7119.723.450.994.250199267.8172.1229140.5178.3188.7151.851.690.27.87.456.6199366113123.3171.2312.6244.289.9119.364.664.143.39.71994797.1120.6199.7182.6264.9277.9198.33766.316.218.51995697865.4166.3117.433445.479.946.9159.818.15.2199637.417.7109.9135.3260.6142.8132.3132.41811.61.68.519970.737.3101.7179.4175.2122.3159.4126.383.162.818.945.9199859.532.4136.196.1206.7249.461.641.229.514.98.65.5199917.66.918.6234.1218.1154.8142.4188.640.946.515.50.7200019.827.1158.5232.3229.7122.864.258.538205.428.614200184.259.1104.4269.8140276.9167.4163.219.3104.850.645.7200274.969.6121.7219.7197.7317.9284.5326.551235.520.3102.2200394.559.875.7204.4292.4265.71.874.378818.618.4200477.669150.5147299196.1194.5165.415.9118327.3200560.3102.4180.3104.2324.2273.233.375.621.710.272.847200638.6113.2109.1111.3272.1200.5276.7111.347.933.4140.914.4200777.295.586.1151.2135.3374.616.793.554.220.73.956.1200829.544.2120.9144.8176293115.582.458.540.5158.85.9200920.510.1130.1152.1201.4138.8206.373.89.812.852.143.72010132.824.237.9341.3299.7363.615.7221006.323.674.8201146.663.787.558.3201.3109.222.971.1114.873.818.8102012132.568.5153.5313.6161.8148.189136.742.727.113879.1201330.330170.9189.2271.4156.429.4343.773.54.6107.864.120141455.8140.6157.4197.6212.1107.3221.241.212.8108.839.7201545.772.977.6130.6348.2163.3216.6108.564.9163.7269.1159.52016104.735.6200.2362.5306.4296.963.8115.175.463.1139.432201757.460.6246.766.1161.6325.6180105.321.81262.529.4201858.923.9197.2106.9204.6160.2161.8170.390.9103.1121.2/ 表2-2 19662018年来水量（万m3） 月份年份1234567891011121966275972009031286175879817461060941251121894569881364412406108111967782435008567761371961593525721327890113030944642073025456264181968203643446876807240185128920339210235893163624410111775616123132821969220652119952369594401149029415543567677541410839734238041104119702046234255741481678742423132003931024917608273209105777313868926219712472221231330049767821659113806535666953123768915911130048814197297252321622911156453260937991721865845478223444653280987758311973122425567107345421438626281718037911440619347211170942382428992321719742769570853239049157912679510440117754841144151701388192151078519752738947243116396250705382684133505909316231825418354045683528974197615531272894516117102126846215242919781853653214078091649535161811977351013424514892110479216209298209747388384841029419402473915396197842569199947592699663322726137791284743843417254118261042080161979983627292620937756421807816516650105966016607118056898810130198017345513678050422592420931068515317513765736680273391244812637198113674534381170243252012832313807619931958208218605072646139221991982139768464473578929412651341787563677090516389032265675451755031983544281577452484521192932122651668892894931386471012835917369161661984157462457346765212599195522126516275833427128592232591178414892198511870791701240801213531689141000462336868402675733123417067166121986121693277356533105823101583157391136740425981911115911809376261987858963956223513953817016912387191579674033578642495724902735319881323949240134598134450154809550865607554520594451502914203108041989283907505855359125413222953912354558211433918583857190427519902701867096161042168690118575127956598941822516992176004548618511199145859645108275186639918231145503101556250185511558718750186111992639111245682072871416322135581165011473432155536311121971105584471993236173980288900121026326730252618980226820144894349413237220524199413808588117136719202513339726377923652022759341424498351911860647199564897108566611418444813663292815920943040180221073621977815156199622866213941010021698081610619153212105514376342137230021238310314199721115459291017812068051575638857121146911946166818574612370058290199810334897776229749110822161639243991681671917518700123454565903819994912359179638383015083616029592369996628795826150286541394220007725115469437317844414200088674291553042315465920423016118330200126996343516690118402613802925772111904981566461942863533481217972002197653914176867103029147339185019287999326228405551055636079287107200377168650784988914433721969718331532480258872579613993813968582004730613463361236914715497511511512780264298305421309240679157782005207066284289867114198193419258642422652582416090995012401945520061440128581733007315217982622428620441111598328459182444278929660200731761433077151269046801292725613503322302231731112176847549200898694829959773701169572527339287983412893100515521572451442920091178593354739872636136631109837101460451331607915100872010339201059665263791984022552019542436939163803225353100519408103783053120112150725796603452011217400149138315011953730783372781716110838201246261435841431361807321427841561066109163135319731754839885483282013430272606568504157656284762139435344102586667590930597346334464820142094621535611741168721598401253026914299480350471789923068184962015219132661745581483523580681421311342465343452052565032568701536112016940886410214232726965730108028930258404595244013421781465232945820173261520576112294646588301417557317344532464179062042112602131592018294871521265185567721102058208652099662908183949382593702.3 全年降雨-径流关系分析双牌水库19662017年平均径流量92.5亿m3/s，多年月平均径流量分配如图2.1所示，与图1.1中降雨量的年内分配基本一致，来水主要集中在38月份。根据降水的年内分配，本报告将每年的38月份划分为汛期，12月份和912月份划分为非汛期。应当注意到，由于降雨需要经过产汇流过程才能反映到出口断面处的流量监测处，所以具有一定的时间滞后性，7月份的平均降雨小于8月份，但是平均径流量却大于8月份，此处是由于6月份丰沛的降雨形成的一部分地下径流汇流持续到7月份。汛期枯水期枯水期图2.1 多年月平均径流量根据水量平衡的原理可知，降雨-径流的关系近似用线性函数进行拟合，如图2.2所示，通过绘制19662018年的降雨量与平均径流的散点图并进行线性拟合得到式（2-1）。（2-1）式中，Q表示年平均径流，单位是m3；P表示降雨量，单位是mm。图2.2 19662018年的降雨-径流关系通过对散点图进一步观察可知，部分年份的数据点偏离拟合线较大，考虑到降雨产汇流的滞后性，分析可能是每年的1月份和12月份的产流的计算受到相邻年份降雨产流的影响，即是，前一年12月末的降雨可能会使得当前年份1月的降雨计算汇流增加，当前年份12月末的一部分降雨可能在明年1月份才能转化为出口断面的径流，导致当前年份12月的计算汇流减少。结合现有数据，利用式（2-2）计算每年1月和12月份的径流系数。（2-2）式中，i 指第i个月的径流系数，无量纲；Wi指第i个月的入库水量，单位是万m3；d指第i个月的天数，无量纲；Pi指第i个月的降雨量，单位是mm。计算19662017年每年1月和12月份的径流系数将1大于1.0或1小于0.2的年份筛选出，列于表2-3。表2-3 产流计算不准确的年份年份19711973197419761977199219941月径流系数/1.00/1.67/1.8612月径流系数0.15/0.13/0.190.14/年份1997199820052007201320141月径流系数28.471.64/1.341.4112月径流系数/0.190.13/剔除表2-3中的年份对应的数据点，画散点图得到图2.3，从可以看出确定系数R2由0.57增加到0.73，精度有所提升，矫正后的年平均降雨和径流关系线性拟合公式即为式（2-3）。（2-3）式中，字母的含义与式（2-1）中字母的含义相同。图2.3 筛选后年份的降雨-径流关系可以通过式（2-3）可以预测年平均径流，2018年111月的降雨量为1399 mm，代入公式（2-3）可得平均径流为288.29 m3/s，每个月平均有30.4天，平均径流乘以28892160换算成11个月的径流总量可以得到径流量为83.29 亿m3，实际径流量为67.09 亿m3，径流量比式（2-3）的预测值偏少16.2 亿m3。2.4 汛期降雨-径流关系分析为了更加准确的了解产流损失的原因，在年内分段进行降雨-径流关系分析。同理， 19662017年汛期即是每年的38月的降雨-径流关系如图2.4。图2.4 汛期降雨-径流关系为了更加准确的预测2018年的汛期来水，仍需要筛除一些汛期降雨和来水受到2月或9月干扰的年份，是否干扰的判断标准仍采用月径流系数进行判断，表2-4列出了3月或者9月径流系数大于1.0的年份。表2-4 汛期产流计算不准确的年份年份19661973197419831994199619983月径流系数/1.27/1.539月径流系数1.011.231.12/1.052.21/年份19992001200420093月径流系数/9月径流系数2.022.251.811.54筛除表2-4中的汛期产流不准确的年份后，绘制新降雨径流关系图如图2.5所示，可以看出确定性系数R2从0.62提高到0.70。从图中得到线性汛期降雨-径流线性拟合方程即式（2-4）。（2-4）式中，字母的含义同式（2-1）相同。图2.5 筛选后的降雨-径流关系2018年38月的降雨量为1001 mm，代入公式（2-4）可得汛期平均径流为447.15 m3/s，每个月平均30.4天，换算成汛期6个月的径流总量可以得到径流量为70.47亿m3，实际径流量为43.26亿m3，实际径流量比式（2-4）预测的径流量偏少27.21亿m3，由此可以看出，2018年的水量损失的根本原因在于汛期的产流相对于往年产流较少。2.5 逐月降雨-径流关系分析利用式（2-2）计算逐月的径流系数，见表2-5。需要说明的是，表2-5中的平均值行的计算分两步，第一步是筛选出各年份对应月份月径流系数在0.201.00范围之间的，第二步是计算筛选后的月径流系数的平均值作为多年平均月径流系数。表2-5 月径流系数月份年份12345678910111219660.43 0.35 0.39 0.79 0.59 0.46 0.84 0.56 1.01 0.12 0.36 0.29 19670.16 0.35 0.42 0.67 0.65 0.47 0.35 0.41 0.59 1.58 0.34 0.37 19680.38 0.48 0.57 0.89 0.59 0.86 1.07 0.60 0.85 1.02 0.30 0.28 19690.25 0.46 0.53 0.45 0.57 0.50 0.35 0.53 0.74 0.22 0.48 2.74 19700.22 0.55 0.47 0.83 0.77 0.72 0.80 0.46 0.62 0.73 0.29 0.76 19710.55 0.45 0.63 0.46 0.70 0.77 0.37 0.44 0.54 0.45 1.95 0.15 19720.60 0.21 0.29 0.58 0.78 0.62 0.44 0.28 0.29 0.40 0.50 0.59 19731.00 1.03 0.49 0.84 0.77 0.69 0.67 0.61 0.98 0.47 0.44 18.26 19740.25 1.08 0.31 0.49 0.74 0.49 0.73 0.61 1.23 0.28 1.40 0.13 19750.31 0.53 0.58 0.72 0.96 0.84 0.48 0.49 0.40 0.36 0.62 0.79 19761.67 0.30 0.62 0.76 0.88 0.60 0.92 0.39 0.29 0.38 0.14 0.76 19770.47 1.00 0.52 0.53 0.60 0.82 0.59 0.52 0.54 0.30 3.89 0.19 19780.51 1.05 0.56 0.60 0.76 1.04 0.40 0.22 0.37 0.71 0.28 0.26 19790.16 0.41 0.41 0.44 0.77 0.67 0.47 0.46 1.12 3.55 0.57 0.46 19800.19 0.40 0.58 0.72 0.82 0.65 0.30 0.25 0.60 0.25 1.75 0.26 19810.29 0.40 0.55 0.09 0.64 0.68 0.79 0.73 0.42 0.44 0.44 7.76 19820.51 0.42 0.87 0.56 0.81 0.96 0.64 0.40 0.50 0.35 0.48 1.25 19830.61 0.60 1.27 0.76 0.82 0.76 0.83 0.27 0.32 0.43 0.57 0.24 19840.42 0.57 0.48 0.80 0.61 1.18 0.50 0.23 0.43 0.49 0.27 0.44 19850.27 0.42 0.96 0.77 0.64 0.91 0.34 0.31 0.53 1.05 0.28 0.66 19860.46 0.35 0.73 0.67 0.68 0.74 0.76 0.37 0.49 0.03 0.32 0.83 19870.35 0.13 0.40 0.70 0.68 0.67 0.49 0.56 0.43 0.47 0.60 86.06 19880.43 0.38 0.78 0.86 0.70 0.48 0.38 0.35 0.76 0.34 0.60 11.33 19890.18 0.87 0.59 0.68 1.07 0.88 0.67 0.31 0.23 1.44 0.68 0.23 19900.22 0.42 0.56 1.00 0.52 1.00 0.54 1.34 0.20 0.35 0.40 1.29 19910.60 0.90 0.62 0.87 0.70 0.71 0.38 0.44 0.75 0.29 0.19 0.35 19920.89 0.68 0.85 0.95 1.13 0.58 0.92 0.39 0.38 1.48 1.41 0.14 19930.34 0.33 0.68 0.67 0.99 0.98 1.03 0.54 0.66 0.51 0.71 2.00 19941.86 0.57 0.56 0.91 0.69 0.94 0.80 1.08 1.06 0.71 1.11 3.09 19950.89 0.13 0.95 1.05 0.11 0.08 1.23 0.51 0.36 0.63 1.03 2.75 19960.58 1.14 0.87 1.18 0.58 0.61 0.86 1.02 2.21 1.87 7.31 1.15 199728.47 1.16 0.94 1.09 0.85 0.68 1.25 0.89 0.76 0.86 1.18 1.20 19981.64 2.85 1.59 1.09 0.74 0.92 1.04 0.44 0.60 0.78 0.50 1.55 19990.26 0.49 0.40 0.34 0.65 0.98 0.61 0.50 2.03 0.53 1.74 18.80 20000.37 0.40 0.56 0.73 0.58 0.68 0.43 0.49 0.38 0.42 1.00 1.24 20010.30 0.55 0.60 0.64 0.93 0.88 0.67 0.47 2.26 0.26 0.62 0.45 20020.25 0.53 0.60 0.44 0.70 0.55 0.96 0.94 0.75 0.42 2.83 0.80 20030.77 1.03 0.62 0.67 0.71 0.65 17.03 0.33 0.31 1.65 0.41 0.35 20040.09 0.18 0.23 0.44 0.49 0.55 0.62 0.37 1.81 12.36 0.21 0.55 20050.32 0.58 0.47 1.03 0.56 0.89 1.20 0.32 0.70 0.92 0.16 0.19 20060.35 0.24 0.63 0.62 0.62 1.06 0.70 0.98 0.56 0.52 0.29 1.94 20070.39 0.43 0.78 0.43 0.56 0.69 1.98 0.23 0.40 0.51 1.86 0.13 20080.32 1.03 0.47 0.46 0.51 0.88 0.72 0.47 0.50 0.36 0.34 2.31 20090.54 0.87 0.34 0.45 0.64 0.75 0.46 0.58 1.55 1.11 0.16 0.22 20100.42 1.03 0.49 0.62 0.62 0.96 3.84 0.97 0.29 2.91 0.42 0.39 20110.44 0.38 0.65 0.33 0.82 0.42 1.30 0.26 0.25 0.48 0.86 1.02 20120.33 0.60 0.88 0.54 0.83 0.99 0.65 0.44 0.71 0.61 0.2