摘要：為完善變化環(huán)境下水庫防洪調(diào)度方案，建立了集水文非一致性診斷、水文模型還現(xiàn)、設(shè)計洪水計算與水庫調(diào)度規(guī)則優(yōu)化于一體的水庫適應(yīng)性調(diào)控方法體系，并應(yīng)用于沂沭泗水系仕陽水庫.結(jié)果表明，仕陽水庫入庫洪水變異點發(fā)生在1975年;利用新安江模型對水文序列還現(xiàn)處理，得到滿足一致性的設(shè)計洪水，其洪峰、最大24和最大72洪量均值，較原設(shè)計分別增大了19.7%、14.5%和10.0%;建立了以防洪效益最大為目標函數(shù)的水庫優(yōu)化調(diào)度模型，采用動態(tài)規(guī)劃進行求解.提出的適應(yīng)性調(diào)度方案在20年、100年、000年和5000年一遇設(shè)計洪水條件下，較水庫現(xiàn)行設(shè)計方案最高洪水位分別降低了0.32、0.11、0.19和0.11m.

　　關(guān)鍵詞：防洪減災(zāi);水庫優(yōu)化調(diào)度;非一致性;動態(tài)規(guī)劃;仕陽水庫

　　水庫是在降雨時空分布不均勻地區(qū)，緩解防洪與興利矛盾，保障防洪、供水和生態(tài)安全的重要工程措施[12].截至201年底，我國已建成9882座水庫，總庫容707億，僅大中型水庫近690座，總庫容超過243億[3].可以說，在我國已幾乎不存在完全意義上的天然流域了.近年來，氣候變化和人類活動加劇，流域水文情勢發(fā)生了較大變化，很多水庫(湖泊)其入庫洪水序列已經(jīng)不再滿足水文一致性假設(shè)，設(shè)計洪水、水庫設(shè)計及運行調(diào)度的原有計算方法面臨嚴峻挑戰(zhàn)，據(jù)此給出的水庫調(diào)度方案，或因高估設(shè)計洪水、導(dǎo)致水庫功能發(fā)揮不充分，或因低估設(shè)計洪水、增大水庫安全風(fēng)險.因此，在診斷水文非一致特性的基礎(chǔ)上，對水文序列進行一致性處理，并建立適應(yīng)非一致性條件、充分發(fā)揮水庫設(shè)計效益的調(diào)度方法，是當前亟待解決的重要研究課題.自2008年Milly等在Science上發(fā)表論文“Climatechange.Stationarityisdead:whitherwatermanagement?”以來，有關(guān)水文非一致性診斷方面的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.先后提出了多種檢驗方法，主要有MannKendall、Spearman秩次相關(guān)檢驗法和貝葉斯方法等10.

　　由于單一檢驗方法存在不穩(wěn)定性，2010年謝平等[1提出了融合多種方法的水文變異診斷系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明與單一診斷方法相比，綜合診斷系統(tǒng)結(jié)果更加可靠，現(xiàn)已成為趨勢性和跳躍性分析的常用方法.對已發(fā)生變異的水文序列進行還原或還現(xiàn)，再對其進行頻率分析是非一致分布水文序列頻率分析的重要內(nèi)容[1.目前，還原或還現(xiàn)的方法主要包括：變異點前后序列與某一參數(shù)的關(guān)系分析法、時間序列的分解與合成方法和水文模型方法.

　　其中，水文模型法利用模型參數(shù)的變化反映流域下墊面變化帶來的影響，通過不同時期的降雨資料與某一時期(變異點前或后)的參數(shù)結(jié)合，實現(xiàn)水文序列的還原與還現(xiàn),1.由于該方法具有一定的物理意義和較強的解釋能力，是目前較為常用的方法.王國慶等[1以黃河中游三川河流域為例，采用流域水文模型模擬了1970后的天然徑流過程，定量評估了氣候變化人類活動對流域徑流的影響.王忠靜等[1針對變化環(huán)境條件下水資源評價中的“還原失真”和“還原失效”問題，基于分布式水文模型提出了變化環(huán)境下水資源評價新方法.韓瑞光等[1應(yīng)用河北雨洪模型對阜平站1980前后的洪水序列進行了研究，把洪水序列統(tǒng)一修正到80后下墊面條件下的洪水序列.

　　環(huán)境變化下如何更好地對水庫進行適應(yīng)性調(diào)度受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1.張瑋等[1針對氣候變化對水庫調(diào)度帶來的不利影響，提出一種基于DS理論的水庫適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則.吳書悅等20評估了氣候變化對徑流和新安江水庫調(diào)度的影響，并結(jié)合氣候模型與新安江模型繪制了水庫適應(yīng)性調(diào)度圖.為在一定約束條件下，實現(xiàn)水庫防洪與興利效益最大化，學(xué)者們提出了多個數(shù)學(xué)規(guī)劃和啟發(fā)式算法21.數(shù)學(xué)規(guī)劃方法一般有嚴密的數(shù)學(xué)理論支撐，具有收斂速度快、約束條件明確的優(yōu)點，雖在計算效率和靈活性上有時不如啟發(fā)式算法，但在目標函數(shù)和水庫數(shù)量較少的情況下優(yōu)勢明顯.

　　其中，動態(tài)規(guī)劃(ynamicprograming，DP)在利用遞歸公式逐時段尋優(yōu)的同時，保證了全局最優(yōu)性，是水庫優(yōu)化調(diào)度的常用方法，應(yīng)用廣泛3].綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者分別在水文非一致性診斷、一致性處理與水庫適應(yīng)性調(diào)度等方面開展了系列研究，取得了豐富的研究成果，但鮮見適應(yīng)非一致性條件的水庫優(yōu)化調(diào)度方法體系.為此，本文建立集水文非一致性診斷、水文模型還現(xiàn)、設(shè)計洪水計算與面向防洪安全的水庫調(diào)度規(guī)則優(yōu)化于一體的水庫適應(yīng)性調(diào)控方法體系，并在沭河流域仕陽水庫開展應(yīng)用研究，旨在定量解析人類活動對流域洪水影響程度的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程的調(diào)度方式，降低環(huán)境變化對入庫洪水改變帶來的不利影響，提出現(xiàn)狀條件下最大化防洪效益的水庫調(diào)度方案，保障水庫預(yù)期效益的發(fā)揮.

　　1適應(yīng)水文非一致條件的水庫優(yōu)化調(diào)度方法

　　適應(yīng)水文非一致條件的水庫優(yōu)化調(diào)度方法體系主要包括：(1)水文非一致性診斷.目的是判斷水文序列是否存在非一致性變化，特別是變異特性，并確定變異點;(2)水文一致性處理.對于確定存在變異特性的水文序列，利用水文模型進行還現(xiàn)，得到滿足一致性的水文序列;然后進行頻率分析，計算滿足一致性的水庫設(shè)計洪水;(3)水庫調(diào)度方案優(yōu)化.建立最大化防洪效益的水庫優(yōu)化調(diào)度模型，通過模型求解得到變化條件下水庫適應(yīng)性調(diào)度方案.

　　(1)水文序列變異診斷：水文序列一致性審查是工程設(shè)計的前提[.首先采用線性滑動平均法、Hurst系數(shù)法及累積模比系數(shù)法對水文序列進行初步診斷，判斷其序列是否可能存在變異;如發(fā)生變異，就要進一步診斷和分析突變性和趨勢性.借鑒綜合診斷法[1，本研究中采用的趨勢性診斷方法包括非參數(shù)Speraman秩次相關(guān)檢驗法和線性趨勢相關(guān)系數(shù);變異診斷方法包括采用annendall(MK)檢驗法、有序聚類檢驗法、LeeHeghinian檢驗法、滑動檢驗法、滑動秩和檢驗法及MWP檢驗法.通過上述非參數(shù)統(tǒng)計方法獲得數(shù)值分析結(jié)果后，根據(jù)需要再結(jié)合物理成因，確定最可能的變異點.(2)水文序列一致性處理及設(shè)計洪水推求：對于診斷出具有非一致性的水文序列，首先利用水文模型方法進行還現(xiàn)，獲得滿足一致性的水文序列，然后進行頻率分析.主要步驟是：首先建立符合現(xiàn)狀下墊面條件(變異點后)的水文模型;然后將不同時期降雨、蒸發(fā)等資料，輸入具有良好精度的水文模型，計算得到現(xiàn)條件下滿足一致性要求的徑流過程，并根據(jù)需要遴選水文特征序列，例如洪峰、時段洪量;最后采用III概率分布對還現(xiàn)后的特征序列進行頻率分析，進而基于同頻率放大法對水庫入庫典型洪水過程進行放大，得到不同頻率的設(shè)計洪水過程線.

　　(3)最大化防洪效益的水庫優(yōu)化調(diào)度模型：水文序列一致性條件發(fā)生改變，直接影響設(shè)計洪水成果的大小，從而影響水庫預(yù)期功能的發(fā)揮.若變異后設(shè)計洪水變小，即相當于水庫工程原設(shè)計時高估了設(shè)計洪水，則會導(dǎo)致水庫功能發(fā)揮不充分;反之，若變異后設(shè)計洪水變大，導(dǎo)致水庫規(guī)模一定條件下，水庫運行安全風(fēng)險加大.但無論如何變化，對于建成后的水庫而言，最有效的辦法是完善水庫調(diào)度方案，實現(xiàn)水庫預(yù)期功能最大化.

　　對于前一種情況，通過抬升退水期的運行水位，適量增加水庫蓄量，一方面能減輕下游河道或者水庫的防洪壓力;另一方面由于水庫防洪庫容偏大，也能保障水庫自身安全.對于第二種情況，則需要在洪水起漲前，適當降低水庫的運行水位，為超過原設(shè)計的洪水騰空更多的防洪庫容.為此，本研究構(gòu)建了以防洪效益最大化(水庫最高水位最小)為目標的水庫優(yōu)化調(diào)度模型.

　　2應(yīng)用實例

　　2.1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

　　仕陽水庫位于沂沭泗流域中的沭河流域，控制流域面積281km，總庫容1.2億³，興利庫容0.6億³，是一座具有多年調(diào)節(jié)能力的大型水利樞紐，以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電與養(yǎng)魚.水庫2010年經(jīng)除險加固后，滿足00年一遇洪水設(shè)計、000年一遇洪水校核要求.仕陽水庫保護下游1.63萬hm耕地和30萬人口，還有206國道、335省道、日東高速公路、膠新鐵路等重要交通設(shè)施.下游小仕陽村處河道安全下泄流量為400m/s，招賢鎮(zhèn)斷面河道安全行洪流量910m/s.

　　仕陽水庫汛限水位為153.00，設(shè)計洪水位為155.55m，校核洪水位為158.11m.水庫現(xiàn)狀防洪調(diào)度規(guī)則為：遭遇年一遇設(shè)計洪水，153.00起調(diào)，控泄400m/s，保護小仕陽村，計算最高雍水位155.00;00年一遇設(shè)計洪水，153.0起調(diào)，水位上漲到155.0前控泄400m/s，155.0后敞泄，計算最高雍水位155.33.此外，本研究還收集了1961—2013年間水庫入庫洪水和庫區(qū)逐小時降雨等資料.并對入庫洪水年最大洪峰流量序列、年最大24h洪量序列與年最大72h洪量序列進行初步分析，個序列存在增大趨勢，尤其是年最大洪峰增加趨勢較為明顯.

　　2.2計算結(jié)果分析

　　2.2.1變異診斷

　　經(jīng)等方法診斷仕陽水庫1961—2013年實測入庫洪水年最大洪峰流量序列、年最大24h洪量序列與年最大72h洪量序列.如表所示，各序列變異點大致有965、975、1976、1998、1999、2000和001年個變異點，其中1976年是1975年的延遲變異點，999—2001年是1998年的延遲變異點，故上述序列存在965、975和1998年個可能變異點.為了從上述個變異點中識別最可能變異點，從氣候變化和人類活動角度開展了如下分析：

　　(1)仕陽水庫實測洪水序列年限為1961—2013年，故從統(tǒng)計角度而言，靠近序列首端的1965年作為變異點不太可靠.(2)借助降雨量分析，由于遭遇“1997•”暴雨，故診斷出的998年延遲變異點不能認為是由于流域下墊面變化導(dǎo)致的變異點，而歸結(jié)于氣候所導(dǎo)致的變異點又過于片面，還需針對長系列水文氣象資料進一步分析確認，多種診斷方法中998年出現(xiàn)的次數(shù)很少，暫不考慮這個變異點.

　　年最大洪峰序列分析中，取置信度水平為.05時，有序聚類、LeeHeghinian、滑動檢驗的值都在975年達到了最大，為.68;年最大4洪量檢驗中，有序聚類、LeeHeghinian、滑動檢驗的值都在1975年達到了最大，為3.45，滑動秩和檢驗和MWP分析檢驗值同樣最大，分別為.8和.04，均為顯著跳躍;年最大72h洪量檢驗結(jié)果與最大72h洪量檢驗結(jié)果類似.綜合各診斷方法的診斷結(jié)論，仕陽水庫年最大洪峰序列、年最大24h洪量序列、年最大72h洪量序列的變異點確定為1975年.

　　2.3討論

　　為分析水文非一致性對水庫防洪安全的影響，基于仕陽水庫現(xiàn)行調(diào)度方式，分別對上述不考慮變異和考慮變異兩種入庫設(shè)計洪水進行了調(diào)度.由圖可以看出，如不改變水庫調(diào)度方式，水文變異導(dǎo)致的設(shè)計洪水增大，顯著抬升水庫最高壅水位，特別是對防洪標準內(nèi)的洪水.其中年和00年一遇設(shè)計洪水下，水庫最高水位分別增加了和.31m.此外，雖然水庫最大下泄流量沒有增加，但泄洪時長均顯著增加.事實上，這些出現(xiàn)概率相對較大的洪水，如本例中的年一遇和00年一遇洪水更容易造成洪水災(zāi)害，是流域防御的重點對象[2.

　　因此，針對水文變異導(dǎo)致的防洪風(fēng)險增加，水庫有必要進行對應(yīng)的改變.本文提出適應(yīng)性調(diào)度方法的基本思想是，變異后的設(shè)計洪水經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后水庫的最高洪水位與最大下泄流量均不超過現(xiàn)狀調(diào)度下的特征值.然而，對于大多數(shù)水庫，特別是單庫，現(xiàn)行的削峰調(diào)度規(guī)則對于防洪來說已然是非常優(yōu)秀的調(diào)度規(guī)則，其優(yōu)化空間很小[3031.

　　為實現(xiàn)洪水適應(yīng)性調(diào)度的目的，優(yōu)化模型實質(zhì)上是通過在洪峰到來前進行預(yù)泄，騰空了部分庫容.可以預(yù)見的是，若不進行預(yù)泄，現(xiàn)狀條件下由于洪水量級變化某些水庫可能會出現(xiàn)調(diào)洪最高水位高于常規(guī)調(diào)度的最高水位，這更突顯了進行適應(yīng)性調(diào)度研究的重要性.此外，通過優(yōu)化調(diào)度得到的解最優(yōu)解是水庫實際調(diào)度能夠達到的上限，預(yù)報調(diào)度只有在預(yù)見期足夠長、預(yù)報精度非常高的情況下才能接近該效果.

　　對于設(shè)計標準外的稀遇洪水，即使水文變異增大了設(shè)計洪水的洪峰與洪量，但由于原設(shè)計洪水已經(jīng)很大，即使調(diào)度規(guī)則不改變，水庫最高水位變化不明顯，本例中000年一遇和000年一遇分別增大了.06和0.22m.000年一遇洪水下最高洪水位雖然變化不大，但洪水下泄提前，持續(xù)時間增大;而000年一遇設(shè)計洪水下，洪水下泄過程幾乎相同，說明常規(guī)調(diào)度規(guī)則已沒有進一步調(diào)節(jié)洪水的能力.本文提出適應(yīng)性調(diào)度方法的結(jié)果表明，在超標準洪水下，仕陽水庫仍能以控泄形式對洪水進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)保護水庫自身和下游保護目的. 從仕陽水庫的運用結(jié)果來看，本文提出的非一致性條件下水庫適應(yīng)性調(diào)度方法相較于水庫現(xiàn)行調(diào)度技術(shù)能夠更加充分地發(fā)揮水庫預(yù)期功能.

　　在實際運用中，對于入庫洪水序列不滿足一致性假設(shè)的水庫，根據(jù)本文提出的方法計算得到現(xiàn)狀條件下設(shè)計洪水，然后與原設(shè)計洪水比較，當設(shè)計洪水確有改變時應(yīng)重新制定水庫調(diào)度規(guī)則.當設(shè)計洪水增大時，可在現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，降低水庫的起調(diào)水位，來確保水庫安全;當設(shè)計洪水變小時，可在現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，適當減小最大下泄流流量以減小下游防洪壓力，或者增加水庫蓄量，更好地發(fā)揮水庫興利效益.由于不同水庫的工程調(diào)控能力和現(xiàn)行調(diào)度規(guī)則不同，在運用本文所提出的方法時，適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則的提出需要決策者通過優(yōu)化或者多方案比較來最終確定.相關(guān)研究27指出未來氣候變化可能導(dǎo)致淮河流域中小洪水(20年一遇)的洪量設(shè)計值較歷史時期增大.

　　因此，結(jié)合氣候模式與本文提出的適應(yīng)性調(diào)控技術(shù)框架，預(yù)測未來降雨變化，研究未來情景下的水庫防洪調(diào)度方案是保障仕陽及類似水庫防洪安全的可行措施之一.結(jié)論受氣候變化和人類活動的強烈影響，絕大部分水庫入庫洪水序列不再滿足一致性假設(shè)，繼續(xù)采用水庫設(shè)計時形成的調(diào)度規(guī)則，往往難以充分發(fā)揮水庫設(shè)計功能與效益，甚至可能帶來防洪或供水風(fēng)險.為此，本文提出了水文非一致性診斷→水文模型還現(xiàn)→設(shè)計洪水計算→面向防洪安全的水庫優(yōu)化調(diào)度于一體的水庫適應(yīng)性調(diào)控方法體系，并將其運用于仕陽水庫.取得的主要結(jié)論有：

　　1)仕陽水庫年最大洪峰序列、年最大24h洪量序列、年最大72h洪量序列的變異點均為1975年.考慮一致性影響后，仕陽水庫設(shè)計洪水明顯增大，特別是洪峰，5000年一遇、1000年一遇、100年一遇和20年一遇設(shè)計洪水洪峰分別增加了2065、1595、942和512m/s.2)如繼續(xù)采用水庫原調(diào)度方式，水文變異導(dǎo)致的設(shè)計洪水增大，將顯著抬升水庫最高壅水位，特別是對防洪標準內(nèi)的洪水.其中，20年和100年一遇設(shè)計洪水下，仕陽水庫最高水位分別增加了0.2和0.31m.3)針對滿足一致性要求的設(shè)計洪水，通過優(yōu)化調(diào)度，水庫最高水位下降量在0.110.32m之間，20年一遇設(shè)計洪水情景水位下降最為明顯;水庫最大下泄流量均未超過原設(shè)計值，能滿足保護下游小仕陽村的要求，且在超標準洪水情況下，全程未出現(xiàn)敞泄情況，較現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則，更好地實現(xiàn)了對下游的防洪.

　　水文論文范例：考慮水文非一致性變異的河道基本生態(tài)流量

　　本研究中仕陽水庫屬于水文變異導(dǎo)致設(shè)計洪水增大、防洪風(fēng)險增大的案例，適應(yīng)性調(diào)度的主要目的是降低由水文變異增加的防洪風(fēng)險，這對于防洪為主的流域具有很好的借鑒意義.可以預(yù)見的是，對于水文序列具有明顯下降趨勢的流域，如黃河流域32與海河流域33等北方缺水地區(qū)，適應(yīng)性調(diào)度的主要目標應(yīng)是在水文變異導(dǎo)致水資源不足的情況下，如何通過適應(yīng)性調(diào)度增加洪水資源的利用量，有待進一步研究.

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　　作者：王宗志1**，賀雨暉1,2，王坤1,3，王衛(wèi)光2