改進逐月頻率法在前坪水庫最小下泄流量上的應用

陳 青 楊 智

改進逐月頻率法在前坪水庫最小下泄流量上的應用

陳 青 楊 智

隨著經濟社會進步與發展，在淮河流域水利工程建設中，尤其是新建水庫在水資源調度時逐步重視并兼顧下游河道的環境用水和生態用水。下泄生態需水量是指為滿足河流等生態系統正常繁衍、自凈、可持續發展等功能需要消耗的水量，最小下泄流量是指統籌考慮流域和區域經濟、環境和生態等各方面需求，不間斷地向下游泄放滿足生態環境等需水的最小流量。

一、研究方法

本文以河南省前坪水庫為例開展多目標約束下的水庫最小下泄流量優化方案研究。研究目標為滿足水庫壩址下游河段維持水生生態系統穩定所需水量、維持河流水環境質量的最小稀釋凈化水量、維持下游供水區城鎮和農業用水量三個約束條件。前坪水庫建議最小下泄流量過程線計算如下：

式中：EQj為推薦最小下泄流量過程線第j月的流量值；Qij為各目標流量過程線的第j月的流量值，j=1，2，……，12；i=1，2，3（1指最小生態流量，2指滿足下游水環境的需水量，3指滿足灌溉用水要求后的下泄水量）。

1.生態需水量計算

生態需水量以Tennant法中10%的年平均天然徑流量作為上游來水為P=75%的不利水文條件下的基流水量，以改進的逐月頻率計算法得到的流量作為P=90%和P=95%的不利水文條件下的基流水量。

2.環境需水量計算

前坪水庫建成后為山谷型水庫，庫區水質COD和NH3-N預測采用導則中的狹長湖庫移流衰減模式：

式中：K1為湖庫污染物降解系數，1/d；V為湖庫體積，m3；Cp為污水的污染物濃度，mg/L；Qp為污水量，m3/s；Ch為湖庫污染物本底濃度，mg/L；Qh為湖水流出量，m3/s；C1為湖庫出口污染物平均濃度，mg/L。

根據壩下水源地、入河排污口和已有橡膠壩工程等的位置，將壩下北汝河劃為六個主要控制斷面，由于各控制斷面間的距離較遠，可認為點源污染物和面源污染物經支流匯入時斷面為完全混合。河道水質采用一維水質模型，算出下游各斷面水質指標濃度值，檢驗是否滿足下游水質控制斷面的水質，若滿足則認為達到環境需水要求。

式中：Cx為河道預測斷面污染物濃度，mg/L；K為河道污染物降解系數，1/d；x為斷面間河段長，m；u為河流平均流速，m/s；C0為本地濃度，mg/L；C面為點源污染物與面源污染物混合處的面源污染物濃度，mg/L；Q面為點源污染物與面源污染物混合處的面源污染物流速，m/s；C面為點源污染物與面源污染物混合處的面源污染物濃度，mg/L；Q點為點源污染物與面源污染物混合處的點源污染物流速，m/s。

3.水資源利用需水量計算

根據確定下泄流量后調算水資源利用需水量是否滿足，水資源利用量為扣除生態環境用水、蒸滲損失水量后，來水和水庫調節庫容的水量應能滿足給定保證率下的城鎮供水和農業灌溉等供水量。

二、改進的逐月頻率計算法

（1）首先按傳統的逐月頻率法給出逐月的保證率，并計算不同時期不同保證率條件下的天然徑流量。本文根據淮河流域汛期多集中于6～9月，前坪水庫所在的伏牛山區降雨又多集中在8月的具體情況，分為豐水期（夏季）、平水期（春秋季）、枯水期（冬季）三個時期，并分別簡記為Q豐、Q平、Q枯，考慮到在平、枯和特枯年時，水庫的來水、出水量較少，是水庫水質保護的重點時段或年份，需保障在最不利水文條件下水質仍能維持河道生態穩定，因此選擇來水保證率P=95%。

（2）分別計算Q豐、Q平、Q枯對應典型年月份的平均值，簡記為。

（3）計算逐月長系列水文資料的平均值，簡記為Q1、Q2、Q3、……Q12；再根據Q豐、Q平、Q枯對應典型年的月份，分別計算出長系列水文資料在該條件下的對應平均值，簡記為。

（5）最后得出修正后的逐月頻率法計算值為q=γij·Qj，其中i=1，2……12；j=豐、平、枯（先確定j值，即得到對應的i值）。

三、前坪水庫最小下泄流量方案優化

河南省前坪水庫是《淮河流域防洪規劃》中確定在北汝河干流上修建的以防洪為主，結合灌溉、供水、兼顧發電等綜合利用的大型水庫工程，水庫總庫容 5.90億 m3，最大壩高90.7m，控制流域面積1325km2。

在計算環境需水量時，用傳統的逐月徑流法得出的結果年內分布符合實際規律，各月間徑流量有明顯差異。采用改進后的逐月徑流法時，長系列水文資料的各月徑流量差異更為顯著，因此需要對選取典型年過程中可能產生的隨機性進行修正。該例中豐水期取7～9月，平水期取3～6月、10月、11月，枯水期取1月、2月、12月，見表1。

表1 改進的逐月頻率法計算前坪水庫P=95%保證率生態用水過程表 單位：萬m3

表2 不同來水保證率水資源供需分析表 單位：萬m3

圖1 用改進的逐月頻率法計算的逐月最小下泄流量圖

四、結論

對于有長系列水文資料的大中型河流，可根據資料確定通過自我調節，并最終恢復維持河道內生態穩定的最小流量，理論上水文資料系列越長，得出的典型年越具有代表性。但在實際應用中，河道情況、來水等水文條件仍具有一定的隨機性。在同一保證率下使用改進的逐月頻率法，通過對典型年的不同時期和逐月流量系列分別取平均值，并加權平均到對應的具體典型年內，可在一定程度上減少隨機誤差，從而得出更加適宜于計算河流實際情況的水文數據。

盡管改進的逐月頻率法已經在一定程度上減少了水文隨機誤差，但由于水文隨機現象是周期的、循環的、隨機的，在確定最終結果之前仍需多方面比較判斷是否對個別值進行優化。對于具體的水庫調度計算中，則是要遵循“循環波動補償”原理，即全面考量循環的周期性、波動的隨機性和補償的總體性，得出綜合條件下的最優最小下泄流量結果■

（作者單位：1.河海大學 210098 2.淮河流域水資源保護局淮河水資源保護科學研究所 233001）