长系列法在水库初期蓄水计算中的应用

张峰远，何建航（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

长系列法在水库初期蓄水计算中的应用

张峰远，何建航
（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

针对水库初期蓄水计算问题，给出了长系列法计算的实现流程，并分析该方法较典型年法的优势。以三座店水库为例，采用该方法得出以概率形式的水库蓄满时间及保证程度结果。在条件许可的情况下，采用该方法可更加全面的分析水库蓄水过程。

水库；初期蓄水；长系列法；代表年法

1　引言

水库建成后，从开始蓄水到水库蓄满进入正常运转，都需要一个初期运转阶段，称为水库初期蓄水期。调节性能差、库容系数小的水库往往一个汛期即可蓄满，且对下游的影响较小，而调节性能较好，库容系数较大的水库，特别是多年调节水库，水库从下闸蓄水到转入正常运行往往要延续数年的时间［1］。

水库初期蓄水计算常采用代表年法，代表年法计算简便、对资料要求不高，同时又较能说明问题，被广泛采用。但代表年法有一个很大的缺点，代表年的选取有较大的经验因素，按不同的水文要素排频可能造成代表年选取的差异，选择合适的代表年，具有一定的难度和偶然性，计算过程中需要选择多个典型年进行比较以提高计算精度。目前，长系列法在水库调度、规划设计领域已经得到了比较广泛的应用［2-4］。长系列法得到的参数（设计库容、设计供水量等），其设计保证率概念比较明确，所以在条件许可时应采用长系列操作确定参数。

2　长系列法计算流程

确定水库初期蓄水时机、蓄水规则后，根据水库长系列逐年月（旬）径流过程，从第一年相应开始蓄水时间起径流全系列顺序滑动计算，即径流全系列中，每一年都可以成为初期蓄水计算的第一年，求得所有年份的蓄水时间和蓄水过程。然后按经验频率绘制“蓄水时间”的保证率曲线，再由设计保证率（P=75%，P=50%，P=25%）确定初期蓄水时间和相应过程。计算流程如图1所示。

图1　水库初期蓄水长系列法计算流程图

3　实例应用

3.1工程概况

三座店水利枢纽工程位于西辽河上游老哈河水系英金河的支流阴河下游，赤峰市松山区初头朗镇三座店村附近，距赤峰市城区35 km。三座店水库是一座集城市防洪、城市供水、农业灌溉等功能为一体的综合性大型水利枢纽工程。水库总库容3.052亿m3，属于大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等，主坝为沥青混凝土心墙堆石坝、副坝为复合土工膜心墙砂砾石坝。

3.2蓄水时机

三座店水库2009年已经下闸蓄水，水库目前蓄水采用水库蓄水安全鉴定时确定的蓄水方案，即在汛期7月1日至9月10日最高蓄水水位为688.0 m，非汛期9月11日至次年6月30日最高蓄水水位为698.0 m。水库进一步蓄水起始时间确定为库区移民动迁全部完成后的次年1月初，起始水位采用水库下闸蓄水时确定的非汛期控制蓄水水位698.0 m。

3.3蓄水规则

1）蓄水控制水位。按水库初步设计时确定的前10年控制运用水位运行，即非汛期9月11日至次年6月30日水库最高蓄水位为717.0 m，汛期7月1日至9月10日，最高蓄水水位为717.0 m，死水位为700.0 m。

2）下游用水和水库初期运行期兴利要求。水库初步设计时水库供水对象为向赤峰市城市、下游农业及河道生态供水。目前，三座店水利枢纽中心城区引供水工程初设（赤峰市城市供水工程）已通过审查，工程设计工期14个月，但工程尚未开工建设，不具备供水条件。因此该阶段运用期间暂不考虑赤峰市供水任务。

下游用水主要考虑坝下环境用水及初头朗灌区农业灌溉用水。坝下环境用水量：按水库初步设计时批复的按天然最枯月平均流量的 90%即0.283 m3/s考虑。农业灌溉用水：主要是初头朗灌区农业用水，水库初步设计时，水库直供灌区灌溉水量为719万m3，灌溉保证率75%。现在灌区内由于工程占地、作物调整及水源方式改变等原因，灌溉面积减少，需水库供给的水量为402万m3，灌溉保证率75%。这次水库初期运用，按直供农业水量402万m3考虑。

3.4计算结果及分析

3.4.1长系列法计算结果

三座店水库蓄满时间最短为第一年的7月上旬，最长为第三年七月下旬；第一年8月上旬至第二年8月下旬之间的蓄满的机率最大，为66%；第一年9月上旬蓄满的机率为25%；第二年6月下旬蓄满的机率为50%，第二年8月下旬蓄满的机率为75%，蓄水时间少于3年的累计概率为100%，水库三年内蓄满是有保障的。“蓄水时间”保证率曲线见图2。

面的反应水库蓄满机率分布，使水库运行管理者更充分的了解不同时段水库可能蓄水位的分布机率，便于水库的控制运行。

4　结论

水库建设是以蓄水发挥效益为最终兴利目标，合理选取蓄水进度既不影响水库效益又能减少工程投资及水库蓄水对下游影响十分重要。长系列法以历史长系列资料为基础，能够避免典型年法多轮选取的繁琐过程，较典型年法能更全面的反应水库蓄水可能经历的过程，可以给出水库在不同时间蓄满的机率。水库蓄水计算可在原工程设计资料的基础上，选择该方法更加全面分析水库蓄水过程。

水库实际蓄水过程中存在一些不确定的因素将增加水库初期蓄水的风险，这次初期蓄水计算未考虑蓄水率约束及水质因素等对水库初期蓄水的影响，今后需结合多种影响因素进一步论证蓄水方案的可靠性。持一致，与丰水期相比，枯水期改善效果较为明显。联合调度方案实施后，辽阳监测断面COD浓度全年变化趋势基本与现状值保持一致，年平均浓度为8.03 mg/l，水质类别维持在I类水质标准；氨氮浓度在枯水期有较明显降低，枯水期平均浓度为0.69 mg/l，与现状值相比降低了14.29%，水质类别维持在III类水质标准。氨氮浓度的超标是制约河道水质（枯水期）达标的关键因素，通过增加枯水期河道流量，稀释作用效果明显，生态调度方案可行。

3）联合调度方案实施后，唐马寨监测断面各月水质特征污染物浓度均基本小于现状实测值。COD浓度降低程度较大，年内平均浓度为7.81 mg/l，降低了38.21%，水质类别基本维持在I类水质标准；氨氮浓度枯水期下降较为明显，平均浓度为2.57 mg/l，降低了16.43%，丰水期特征污染物浓度基本与现状值保持一致。唐马寨控制断面氨氮浓度的超标是制约河道水质（枯水期）达标的关键因素，通过增加河道流量，稀释作用效果明显，生态调度方案可行；若彻底改善水生态环境，还需从污染源控制措施入手。

4结论

1）MIKE11模型软件模拟精度较高，不仅能够对河网进行水动力水质模拟，还能将水库、闸坝等水利工程进行概化处理与耦合计算，最大程度地还原河道真实径流水质演变过程，可为闸坝联合调度提供水量水质响应工具。

2）浑太河流域研究实例表明，在流域尺度内制定水库群与闸坝水量联合调度方案，不仅能够在一定程度上促进河流水质改善，还能保障工农业及生活用水不发生破坏，实现对水资源的合理调配与利用；但对于排污口密集、水体污染严重河段，还需从污染源头控制等根本性措施入手。

3）文中仅从水环境水质改善角度对水库群与闸坝联合调度方案进行评价，如何以水生态改善为目标，并结合相关指标对联合调度方案的改善效果进行分析与评估是进一步的研究展望与探索。

［1］王强，周惠城，梁国华.浑太流域水库群联合供水调度模型研究［J］.水力发电学报，2014，33（3）：42-54.

［2］黄琳煜，聂秋月，周全，等.基于MIKE11的白莲泾区域水量水质模型研究［J］.水电能源科学，2011，29（8）：21 -24.

［3］王领元.丹麦MIKE11水动力模块在河网模拟计算中的应用研究［J］.中国水运（学术版），2007，7（2）：106-107.

［4］顾珏蓉，徐祖信，林卫青.苏州河水系水动力模型建立及应用［J］.上海环境科学，2002，21（10）：606-609.

［5］杨洵.太子河观一参河段水质改善调控技术研究［D］.辽宁大连：大连理工大学，2011.

[收稿日期]2016-04-14

图2三座店水库“蓄水时间”保证率曲线

3.4.2典型年法计算结果

按1956—2009年系列入库水量连续2年滑动排频，选择丰、平、枯三个典型年组，频率为25%左右的的典型丰水年组有 1960—1961年、1985—1986年、1991—1992年；频率为50%左右的典型丰水年组有 1971—1972年、1990—1991年、1970—1971年；频率为75%左右的典型丰水年组有2001—2002年、2004—2005年、1977—1978年。

频率相近的不同典型年组由于径流过程不同，蓄满时间可能有较大差异。以丰水年为例，分别以1960—1961年、1985—1986年、1991—1992年为典型过程，计算得到的蓄满时间分别为第一年的9月下旬、第二年的6月下旬、第二年的7月上旬。

经多轮计算分析，最终选取典型年25%（1960—1961年）、50%（1990—1991年）及75%（1977—1978年）。通过对丰、平、枯三个典型年组下的水库兴利调节计算，可知当遇到丰水年时，水库水位于第一年9月下旬即可蓄满；当遇到平水年时，水库水位于第二年7月中旬即可蓄满；当遇到枯水年时，水库水位于第二年9月上旬即可蓄满。

3.4.3结果分析

1）长系列法能够避免典型年法多轮选取典型年的繁琐过程，特别是对于多年调节水库，典型年法选取不当，可能造成较大的误差。位于径流系列变差系数较大河流上的多年调节水库，可能得出丰水年蓄满时间反而比平水年长的矛盾结论，但长系列法对资料的完整性要求比较高。

2）长系列法较典型年法的计算结果能更加全

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1002－0624（2016）08－0035－02

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国家水体污染控制与治理科技重大专项“重点流域环境流量保障与容量总量控制管理关键技术与应用示范（2013ZX07501-04）”课题