水库水文范文（精选9篇）
水库水文 第1篇
长潭水库位于台州市黄岩区西部永宁江上游境内, 黄岩城西22km处, 坝址在黄岩区北洋镇长潭村 (东经121度, 北纬28度40分) 。是一座以防洪、灌溉、供水为主, 结合发电、淡水养殖等综合利用的多年调节的大 (Ⅱ) 型水库, 也是温黄平原灌区的水利大型骨干工程, 水库流域集雨面积441.3km2, 总库容7.32亿m3, 兴利库容4.38亿m3。断面以上有4条比较大的支流汇入, 即柔极溪、黄岩溪、联丰溪、上洋溪 (见图1) 。
2 水文特性
长潭水库流域位于浙江东南沿海, 属典型的亚热带季风气候区, 热带气旋 (台风) 活动频繁, 年平均约2个, 最多年份达5个 (1990年、2005年) 。大气候背景为冬夏季风交替显著, 四季分明, 光热丰富, 水汽充沛。
2.1 气象特性
长潭水库流域位于浙江东南沿海, 属典型的亚热带季风气候区, 热带气旋 (台风) 活动频繁, 年平均约2个, 最多年份达5个 (1990年、2005年) 。大气候背景为冬夏季风交替显著, 四季分明, 光热丰富, 水汽充沛, 集雨面积441.3km2, 区域多年平均降水量1935.8mm, 多年平均径流量5.56亿m3。
从降水情况看, 全年大致可分为一个旱季和一个雨季, 其中5月初至10月初为雨季, 其他为旱季。在雨季中又可分为:1、梅汛期 (5月初至7月上旬) ;2、伏旱期 (7月中旬至下旬) ;3、台汛期 (7月下旬～9月份) , 雨季的降水一般占全年总量的70%以上。
对本区域影响较大的降水系统一般分为三类, 一是热带气旋降水 (台风雨) , 强度最大且持续时间长 (一般出现在8～9月) ;二是锋面雨 (梅雨) , 强度略小, 持续时间长, 范围广 (一般出现在6月份) ;三是强对流性降水 (雷雨) , 强度较大但持续时间短, 且范围较小 (多数出现在7、8月份) 。长潭水库设计暴雨成果见表1。
2.2 防洪特性
根据长潭水库除险加固设计报告, 长潭水库梅汛期限制水位为36.05m, 相应库容4.57亿m3;台汛期限制水位为35.05m, 相应库容4.23亿m3。
2.2.1 防洪水位
长潭水库汛期为5～10月, 主汛期为6～9月, 洪水多发生在6～8月, 水库按照百年一遇设计, 按照35.05m起调, 相对应的水库设计洪水位39.44m, 相应库容5.84亿m3。当时按照35.05m起调, 长潭水库下游防洪能力50年一遇, 相对应的水库防洪高水位38.91m, 最大泄量1022m3/s。在实际运用过程中, 我们将2004年第14号台风“云娜” (3日实际降雨量581.3mm, 接近台汛期50年一遇设计3日降雨量602mm) 的入库过程进行调洪演算, 若按照31.05m起调, 水库最高洪水位36.45m, 最大出库流量250m3/s。
2.2.2 防洪调度
由于受水库上游移民和征地不彻底, 道路、电力、通讯线路高程偏低;下游永宁江八一厂段治理未完成, 行洪能力受到限制;库区河流源短急, 洪水预报预见期短。综合以上因素, 长潭水库汛期应考虑运行水位偏低控制, 在汛限水位之下设定洪水起调水位, 腾出适当的库容以缓解上游淹没、下游防洪压力过大的问题。
为兼顾长潭水库多年调节功能和水资源利用, 同时结合防洪的需求, 经过调洪和兴利调节演算, 认为水库起调水位分时段控制比较科学合理。梅汛期起调水位为33.05m。梅汛期水位一般控制在34.05m左右运行, 这样如遇较强降水, 可以通过电厂满发电或者预泄在短时间内将库水位降至33.05m左右, 可以保证梅汛期遇50年一遇洪水 (7日降雨量295mm) 最高库水位不超过36.55m。在梅汛期即将结束时, 库水位应控制在33.05m以下, 为梅汛期向台汛期过渡做准备。台汛期起调水位为31.05m。在7月底之前, 将水库水位控制在32.05m以下 (甚至更低) 运行, 这样可在接到台风 (热带气旋) 影响的预报后, 通过电厂满发电或者预泄等前期调节方式, 将水库起调水位控制在31.05m左右, 可基本满足台汛期一次台风降雨500mm, 水库最高水位不超过36.55m。长潭水库台汛期设计洪水调洪成果见表2。
(起调水位:35.05m)
2.2.3 兴利调度
水库现有径流资料45年, 我们对这45年径流量进行排频计算 (按水利年) , 利用统计适线法配皮Ⅲ型曲线点绘频率曲线, 根据计算得出Cv=0.288、Cs=0.3146、Cs/Cv=1.10, 经查对与经验频率曲线比较相近, 符合技术规定要求, 参数W (平均) =5.667亿m3, 查验皮Ⅲ型分布表得φ (p=90%) =-1.245, 计算可得设计保证率为90%的水库入库径流量W (P=90%) =W (平均) × (Cv×φp+1) [3]=3.635亿m3。偏枯典型年按水利年度计算, 即从4月开始至次年3月底, 根据45年排频计算, 分别选取典型年1971～1972 (W=3.645亿m3) 、1964～1965 (W=3.444亿m3) 、1979～1980 (W=3.432亿m3) , 以上三个典型年的平均径流折算系数分别为0.9972、1.0553、1.0592, 符合技术规定要求, 根据三个典型年的折算系数乘以各月径流量, 得到年内径流分配过程, 用水量以三个典型年综合平均用水量结合当前灌区工农业生产及居民生活用水的实际情况确定各月用水量, 设计农业灌溉保证率90%, 城镇供水保证率95%, 详见图2。
3 结论
长潭水库于2005年3月除险加固工程完毕并通过省级验收后, 功能运行良好。分析长潭水库降水、径流、洪水调度等水文特性, 初步得出流域径流、降水、洪水水文特征, 为实行洪水优化调度发挥水库社会效益提供重要数据, 也为合理开发利用长潭水库水资源以及下游防洪抗旱等方面提供了基本水文依据。
参考文献
[1]蒋金珠.工程水文及水利计算[M].北京:水利电力出版社, 2001, 3.
[2]范世香, 程银才, 高雁著.洪水设计与防治[M].北京:化学工业出版社, 2009, 19.
水库水文 第2篇
[摘要]文章提出渗漏病险水库的水文地质勘察应包含的内容和需采取的手段，为渗漏病险水库的水文地质勘察提供可操作性的建议。
[关键词]水库渗漏；水文地质勘察；方法
[作者简介]戴兵国，广东省水利电力勘测设计研究院工程师，广东广州，510170
[中图分类号]TV62 [文献标识码]A [文章编号]1007-7723(2009)05-0131-0002
一、水库渗漏水文地质勘察内容
(一)地形地貌
主要是了解库区周围的地形地貌对库区地下水运动所产生的影响。如相邻的河谷被切割很深，其河水位低于库水位，当水库间的分水岭比较单薄时，由于渗透途径短、水力梯度大，易造成库水渗漏。
(二)地层岩性及地层的结构
渗透性强烈的岩土体是水库渗漏的主要通道之一。对于平原地区松散岩类坝基水库而言，库水可能会沿着古河道堆积物的渗漏通道流失。而在岩溶地区，当库区存在强岩溶化的碳酸盐底部并无隔水层分布时，或虽有隔水层存在，但其埋藏很深或封闭条件很差时，库水就有可能通过分水岭向邻谷、河谷的下游或远处低洼排泄区发生渗漏。
(三)地质构造
一般而言，褶皱比较发育的地段，各类断层和裂隙也都比较发育。断层破碎带，尤其是横切河谷与邻谷相通的宽大而未胶结的断层破碎带，是形成大量渗透的通道；具有宽大密集裂隙的岩层易造成渗漏；在岩溶地区，在断层带上往往发育着岩溶管道。
(四)水文地质条件
地形地貌、岩性及地质结构是决定水库渗漏的必要条件，但不是充分条件，还必须研究水文地质条件。即要进行水文地质分区，确定含水层及隔水层，查明含水构造，地下水补给、径流、排泄条件，地下水的类型，地下水的水位、流向、流速、水力坡度，地下水的化学特征等情况。
勘察时要特别注意水库周围是否有地下分水岭，以及分水岭的高程与库水位的关系，并以此来大致判断库水向邻谷渗漏的可能性。
(五)岩溶区的岩溶发育特征
在岩溶地区，需要查明库区内岩溶发育强度和岩溶发育规律。具体包括：(1)各个地层的岩溶发育强度(溶隙率)、发育方向以及受地质构造作用控制情况；(2)岩溶形态及分布规律；(3)岩溶水的动力特征(包括补排条件、垂直分带性、流动特点)；(4)建坝前后泉水流量的变化和动态变化等。
(六)渗漏的地质分析
分析水库渗漏的2个条件，即渗漏通道及其连通性。
水库的渗漏通道一般有透水岩层(如砂卵砾石层)、透水带(断层破碎带、裂隙密集带)、岩溶管道等。渗漏通道的分析
岩浆岩地区水库：岩浆岩作坝基、库区的基岩是比较理想的，一般不易发生渗漏。这种水库的可能渗漏通道一般是第四纪砂砾石层(河床沉积物)、基岩表面风化裂隙组成的透水层。
沉积岩地区水库：最常见的是透水层的漏水，此外就是断层破碎带、节理密集带构成的漏水通道。如节理裂隙发育的砂岩，它们只要穿过坝基，同时在上游库区和下游河床出现，即可成为漏水通道。
第四纪堆积物地区水库：坝下渗漏通道主要是古河道、河床和阶地内的砂卵砾石层。古河道穿过坝基或贯通上下游时，可能发生严重渗漏；建坝时如坝下的截水墙太浅，未能将砂卵砾石层全部截断，残留的砂卵砾石层就成为漏水通道。漏水通道连通性分析
砂砾石层等松软岩层渗漏通道的连通性主要取决于其地层的结构特征。山区河流，河床的沉积物多为单一的粗粒物质，透水层的连通性好。中下游河床的细粒成分增加，地层呈多层、双层结构。双层结构时沉积物上细下粗，上部弱透水层构成了天然防渗铺盖，但若在建坝取土时破坏了此相对隔水层，或因受河流冲刷使隔水层出现了部分损坏，则它就不再具有隔水作用，应将其修补完整。
多层结构时，漏水通道的连通性主要受相对隔水层的厚度、延伸情况及其完整性的影响。有的厚度较小，被渗漏水击穿后不再起隔水作用，有的延伸不远即自行消灭。
基岩透水层、透水带及岩溶发育管道的连通性则受地质构造的控制。纵向河谷(岩层走向与河流流水平行)的透水层的连通性良好，而横向河谷透水层的连通性较差。
(七)渗漏量的估算
水库渗漏是指库水沿着透水岩(土)带向库外低处渗漏的现象，可分为坝区渗漏和库区渗漏。其中坝区渗漏又分为坝基渗漏和绕坝渗漏；库区渗漏包含了库水的渗透损失和渗漏损失两部分。
据此，水库的总渗漏量应是以上4个部分的总和，即：Q=Q-Q坝基+Q绕坝+Q库水渗透+O渗漏损失。式中，水库的各项渗漏量可采用地下水动力学公式、数值法或其他方法进行计算。目前在实际工作中应用最多的是地下水动力学公式。虽然用于渗漏计算的地下水动力学的公式很多，但本质上都是由达西公式演变而来。这些公式的适用条件是：地下水必须是达西流、含水介质为均质且各向同性。
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)附录B.0.5条的规定，岩溶地区的水库，其渗漏量必须采用地下水动力学法和水量均衡法进行计算，并相互验证。这是由于岩溶管道中的地下水流可能不再属于达西流，’地下水动力学中的有关公式可能已不再适用。
水量均衡法就是根据多年实测水库水位、水面蒸发量、农业灌溉用水量等资料，利用水位一库容关系资料，计算水库年蓄变量、年平均库容量、年实际库面蒸发量。依据水量平衡原理，水库的渗漏量为：
w=(WQ+WP)-(WE+Wf)±w蓄
式中：w为渗漏量；WQ为上游来水量；wP为水库水面直接接受降水补给量；WE为水库水面蒸发量；Wf为水库放水量；w蓄为水库蓄变量。
(八)对防渗措施提出可行性建议
在勘察报告中要对水库的防渗措施提出合理化建议。目前我国对渗漏水库的处理措施主要有： 坝基的垂直防渗措施：目前主要是应用塑性混凝土地下防渗墙、高压喷射水泥板墙、防渗板桩(如深层搅拌桩)等挡水墙阻断渗水通道。含砂砾石坝体的防渗措施：对于含砂砾石量高的土坝，可用帷幕灌浆、建造粘土防渗墙、冲抓套井回填、防渗土工膜铺设等方法处理坝体。溶洞的防渗措施：对出露的或探明的岩石特别破碎的较大溶洞，应进行开挖、清理、冲洗，采用C25防渗混凝土填筑，并适当扩大防渗范围。基岩破碎带及节理密集带的防渗：将表面破碎体全部清除，然后用C25混凝土封堵，并结合固结灌浆，使断裂破碎带整体封闭，形成区域防渗。砂卵石渗漏区防渗：可铺设塑料薄膜进行防渗。
二、水库渗漏的水文地质勘察手段
(一)地质调查及水文地质测绘
对整个库区进行补充性测绘，其范围应包括渗漏通道及其进出口地段。山区水库应包括库区周围的分水岭及邻谷，平原地区则包括正常高水位以上的第一级阶地，测绘比例尺可选用1／50000。
1／10000。在岩溶地区，凡能追索的岩溶洞穴都应进行测绘，对严重存在岩溶渗漏的地段，测绘的比例尺可采用1／10000～1／2000(库区)及1／5000～1／1000(坝址)。
(二)水文地球化学调查
如利用放射性同位素资料可以估算地下水的年龄(获库水补给的地下水较年轻)；在岩溶地区，可利用饱和指数来了解地下水的循环速率(饱和程度低的地下水，其循环速度较快，获得大气降雨或库水的补给量大)。在对地下水库进行渗漏分析时，根据其库底隔水层内的地下水水化学类型、矿化度、电导率等水化学特征与灰岩含水层相差很大来判定其库底隔水层，可有效地阻止库水向底部渗漏。同时，还根据水库渗漏点的各种常规离子浓度均高于库水的事实分析认为，这是由于库盆内的软物质(岩层)逐渐被渗漏水侵蚀所致。由此判定，随着该水库蓄水年限的增长，水库的渗漏通道将变大，渗漏量也会加大。
(三)钻探和地球物理勘探
勘探剖面线应根据水文地质结构和地下水的分布情况，并结合可能的防渗处理方案作布置。在多层含水层结构区，可能渗漏的各岩组内不应少于2个钻孔，钻孔应进入隔水层或枯水期地下水位以下一定深度；喀斯特区钻孔的深度应穿过喀斯特强烈发育带。可利用井间地震波CT技术探测库区的渗漏通道与渗漏点。
还可用充电瞬变电磁法、瞬变电磁法探测岩溶漏水通道异常范围。
(四)水文地质实验
如果水库建筑前的勘察资料匮乏，还应补充对相关的岩土层的渗透系数测定，为估算水库的渗漏量及其防渗提供依据。
(五)进行地下水动态观测
设立长期观测网，在可能渗漏的各岩组内不应少于2个观测孔。观测内容除常规项目外，还应观测降雨时的洞穴涌水和流量情况。
三、结语
水利水电工程的水文地质勘察是对其工程地质勘察的补充，也是工程地质勘察的一部分。因此，拟建水库渗漏的水文地质勘察也是分阶段进行，不同的阶段其勘察的内容及研究程度不尽相同。但对病险水库而言，因为其勘察的目的是直接为防渗治理设计服务，因此勘察内容及研究程度应与拟建工程的设计阶段类同，不再分阶段进行。
水库水文 第3篇
【关键词】径流系数法；中小水库；水文预报
中小水库水文预报工作是防汛抗旱的耳目，是遇见未来水情变化的一项科研情报工作。它不仅是水库进行科学管理，搞好水库调度运行的重要依据，而且可以在防汛抗旱斗争中做到心中有数，取得主动权，对确保水库及下游安全、充分发挥工程效益、战胜洪涝灾害起着重要作用。水库短期洪水预报中，雨情水情和降雨径流则是其重要的科学数据。
近几年来，我们充分运用劲松水库的水文观测成果，较准确的进行了短期洪水预报和水库调度。三年干旱仍蓄足水，保证了灌溉与渔业所需。遭受较大洪灾时也能安全度汛，做到了泄洪不淹地，使下游群众安心、领导放心，有力地保证了各项工作生产的正常进行。
1 小汇水面积径流系数的核定
劲松水库是1975年建立的一座山区水库，位于完达山麓，流域面积31平方千米，总库容273万立方米，防洪库容240万立方米。自1977年开始，水库管理人员进行了多项水文观测，包括降雨、蒸发、入库流量实测、水位库容、出流量观测等项目。到1981年，整理分析了五年的水文观测资料，编制了大量的相关图，取得了本地区各个时期径流系数的参考值。
（1）一般年份的年径流系数为0.29～0.36。1981年大涝年径流系数达0.48。
（2）大地开化一般在3月8日左右。而山区由于郁密度大，开化较晚，桃花汛时间一般在4月9日至17日，且大都为雨融雪，个别为短期高温化雪。春化期（4、5月份）的径流系数一般为0.58～0.9。前期由于山区蒸发量小，地表未解冻，初损值很小，径流系数一般在0.8～0.9；后期可选小些，桃花汛多为雨融雪，洪水过程短，三小时洪峰即达库区，汛急而猛，安全度汛不可忽视。
（3）雨洪期（夏秋季）径流系数一般为0.06～0.26。1981年大涝，其径流系数为0.49（7、8月份）。對于降雨历时短（7小时～20小时）且强大的（50毫米～100毫米）暴雨，前期多雨的径流系数可达0.28左右；如果前期少雨或无雨可选0.14～0.18，降雨20毫米左右；如果前期多雨，径流系数可选0.11左右；前期无雨或少雨，可选0.03左右，降雨5毫米左右；前期多雨，可选0.06左右。前期无雨或少雨一般不产流。
（4）秋后到封冻期的径流系数一般为0.14～0.48。前期多雨径流系数可选大一些，反之可选小一些。
2 小汇水面积径流系数的事件考证
为了增进水库效益，兴利除害，利用径流系数预报降雨产生的洪量是一个较为简易而广泛应用的方法。九年来的短期洪水预报实践，我们较好的解决了防洪与兴利之间的矛盾，即确保水库安全度汛，又不失时机地蓄上水，保障灌溉和渔业用水。
2.1 越冬水位的确定
由于桃花汛急而猛，加之林区大量采伐，洪水过程极短。如劲松水库1979年4月9日，降雨24毫米，三小时洪峰到达库区，流量为2.2立方米/秒，洪水总量42万立方米，占全年来水量的9.5% 。过去为了安全，往往将水库放空或降至汛前水位，如遇秋冬干旱造成库干鱼死，次年灌溉无水。这样并没有缓解防洪与兴利的矛盾。经过实践，我们针对各水库的防洪能力，将越冬水位定在正常高水位或与汛前水位之间，即保证了灌溉与养鱼所需，又留有一定的防洪库容。3月开始，根据短期洪水预报，采用“小水量、长出流”的办法，将库水缓慢下泄，到四月桃花汛来临时，已将库容腾了出来。这种办法可进可退，稳操胜券，是一个成功措施。
2.2 春汛洪量预报
几年来，我们对春汛水库的运行发出了调度令。做法是：根据封冻后的降水量和气象站的天气预报以及相应的径流系数，求出径流深，再根据汇水面积求出春汛期的入库洪水总量，以此来进行各水库的调度。
如1978年的一号调令规定了各水库五月初的水位库容。是根据11月10日（封冻后）至2月17日的降水量和预报的降水量p=37.8毫米，由于前期雨量影响较大，径流系数采用α=0.58。用公式W=0.1αpA （A：流域面积）求出各水库的来水量。如加上现库容，得出各水库5月初的库容。要根据设计兴利库容进行校核，决定蓄泄水量，得出规定的库容。
今年各水库都达到或基本达到规定的兴利库容，保证了灌溉用水和渔业所需。通过上述实例说明，水库调度要有一个科学态度，不蛮干、不碰运气，要做到心中有数。
2.3 雨洪期水库调度
秋汛一般在7月中旬到8月中旬。这个时期的降雨量约占全年的42%～62%，但由于蒸发、植物载留、填洼、入渗等初损值很大，洪水过程线不是较缓慢的。不过对于降雨历时短、强度大的暴雨，其径流系数可达0.12～0.28 。如1979年8月15日降雨32.4毫米，8月18、19日又降雨90.2 毫米，两次降雨122.6毫米，其前期32天无雨，初损值应是很大。但由于降雨历时短、强度大，径流系数达0.14，径流总量达53.5万立方米；又如1981年8月2日降雨55毫米，其前期多雨，初损极小，因降雨历时短、强度大，径流系数达0.28，日洪量为47.5万m立方米。所以水库调度时不可忽视暴雨洪水对水库的影响。
近年，由于进行了科学调度，各水库均运行正常，在战胜旱涝灾害中发挥了显著作用。如1981年大涝，劲松水库8月8、9、11、13、16日，五天降雨41.4毫米，历时17.5小时，前期雨量偏少，求得前期影响雨量为1.31，径流系数选用α=0.028代入公式W=0.1αpA= 0.1×0.028×41.4×31=3.59352万立方米。当时的库容为100万立方米，汇水后得库容103.6万立方米，水库安全。当年汛期，该水库将水位严格控制在108米以下。所以，当8月2日一次暴雨55毫米时，最大入库流量5.5 立方米/秒，日洪量为47.5万立方米，库水位猛涨50厘米，水库仍安然无恙，也不必突击泄洪。
今年气候异常，为防止“厄尔尼诺”现象的影响，我们根据水情雨情和当时各水库的水位情况，连续发出了两次调度令，以一次中阵雨为假设暴雨量计算出来水量，从而给各水库规定了7月前的限制水位和8月警报水位。即保证了水库安全又不至于无水灌溉。
3 结语
几年来，我们利用取得的水位观测成果为水利事业服务，取得了一些经验。但很不成熟，有待进一步积累资料，提高精度，力求科学化、规范化，更好的为国民经济服务，为社会服务。
陈家坑水库水文计算 第4篇
关键词：水库,水文,径流
1 流域概况
拟建的陈家坑水库是桃花山三级电站的调节水库, 坐落在九峰桥河中游主河流上。位于湖北省鹤峰县燕子乡清水湄村三组, 距桃花山三级电站大长湄引水坝上游约2km。九峰桥河是一条以岩溶地下暗河为主的河流, 发源于湖北省五峰县的上弯子河, 上游为夹沙溪, 由北向西南流经鹤峰县的清湖, 燕子坪等地于鹤峰县城关上游4km处汇入溇水, 流域面积216.8km2, 干流长约40km, 总落差1461m, 平均坡降36.5‰。该流域地处灰岩地区, 岩溶发育, 岩溶泉、洼地、天坑、暗河、落水洞以及溶洞遍布是本流域最显著的特征。天坑的面积占全流域面积约30%, 这些天坑溶洞对雨洪和径流有明显的滞蓄和调蓄作用。流域内森林植被茂密, 森林覆盖率在80%以上, 流域内人类活动影响小, 水土流失不严重, 河流含沙量低, 清水期约300d。
2 水文气象
2.1 水文气象站网及基本资料
工程所在的流域九峰桥河没有水文资料, 而该流域属溇水上游的鹤峰水文站控制范围。鹤峰水文站流域面积649km2, 于1959年设站, 从1960年起有实测水位流量资料, 是国家基本水文站网, 水文测验和资料整编均合乎规范要求。鹤峰以上溇水流域共设有鹤峰、清湖、下坪、燕子坪、中营等7个雨量站, 其中燕子坪、清湖站在九峰桥河流域内。上述雨量站以鹤峰站系列最长, 达40年以上, 其他站系列长为20～25年左右。以鹤峰水文站作为陈家坑水库水文分析的参证站, 7个雨量站能满足径流分析中考虑流域降雨量改正的要求。
2.2 水文气象特征
本流域属亚热带湿润地区, 雨量充沛, 且年雨量变差较小。据统计, 溇水上游单站实测最大年降雨量中营站达3049mm (1983年) , 实测最小年降雨量燕子坪站1207.3mm (1971年) 。降雨受流域地形影响明显, 总的趋势是由北而南, 由西而东递增, 每年4～10月为汛期, 降雨量约占全年的80%;11～3月为枯期, 降雨量约占全年的20%。形成暴雨的天气系统主要是梅雨降系, 加上地形对气象抬升作用, 是长江流域著名的暴雨区。“35.7”暴雨就发生在溇水上游五峰县湾潭镇, 调查一日点雨量达600mm以上。流域内的鹤峰气象站, 站址海拔500m, 而研究流域海拔在1300m左右, 海拔悬殊, 地形复杂, 故鹤峰气象站实测资料不能代表全流域, 仅作参考使用。其他特征值为:多年平均蒸发量1002mm;多年平均气温15.4℃;极端最高气温40.7℃;极端最低气温-10.1℃;多年平均风速0.70m/s;历年实测最大风速14.3m/s;最多风向为SSW, 多年平均无霜期226日。溇水径流来自降水, 由于降雨量丰沛, 相应径流深值也较大, 且径流年间变化较小, 枯期径流占全年的比重较小, 是本流域的特点。鹤峰水文站实测年最大径流深为1783.3mm (1964年) , 最小径流深346.6mm (2001年) 。从1960～2002年长43年系列中, 径流特性如表1所示。
洪水由暴雨形成, 洪水发生频繁, 过程陡涨陡落。每年4～10月为汛期, 其中 (6～8) 月为主汛期。九峰桥河的洪水过程线以单峰为主, 历时1d～2d。鹤峰水文站实测最大洪峰流量1960m3/s (1962年) , 最小洪峰流量288m3/s (2001年) 。
3 鹤峰水文站水文年及11～3月径流分析
3.1 统计参数及设计值
鹤峰水文站实测流量系列1960～2002年, 多年平均流量22.74m3/s, 相应径流深1105mm。年平均流量最大值为34.95m3/s (1964.4～1965.3) , 最小值8.74m3/s (2001.4～2002.3) ;枯水期11～3月, 平均流量最大值1 6.0 2 m3/s (1989.1 1～1990.3) , 最小流量1.56 m3/s (199 8.11～1999.3) , 多年平均流量8.63m3/s。
3.2 设计代表年
以设计代表年年径流量和枯季 (11～3月) 径流设计值相接近的原则选取设计代表年。经比较分析, 选取结果如表2所示。由于实测值和设计值有一定的差值, 以设计年平均流量值和实测年平均流量值之比值来修正, 求得该站设计代表年4月至翌年3月的逐日平均流量过程。
4 径流推算
4.1 径流
九峰桥河无实测流量资料, 而该流域为鹤峰水文站所辖的一条支流, 两者具有相同的水文气象特征, 两流域同属一个暴雨区, 下垫面条件基本一致, 流域形状相似, 具有相似的产汇流特点。陈家坑水库集水面积为150.95km2, 占鹤峰水文站流域面积 (649平方公里) 的23.3%, 故以鹤峰水文站作为陈家坑水库坝址的径流设计参证站。
鹤峰水文站1960～2002年多年平均流量为22.74m3/s。考虑到两流域降雨的差异, 进行降雨量修正, 分别计算出本流域分月降雨量修正折算系数, 采用水文比拟法, 得到陈家坑水库坝址1960～2002年共43年径流系列, 其多年平均流量为5.19m3/s, 多年平均径流量为1.637亿m3, 多年平均径流深为1084.5mm, 径流系数为0.61。陈家坑水库坝址多年平均月径流分配见表3。
4.2 径流系列代表性分析
坝址径流计算参证站为鹤峰水文站, 其水文资料能满足本阶段水文精度要求。径流系列中大于系列均值有19年, 小于系列均值24年。连续大于平均值的丰水年不超过5年 (1967～1971年) , 连续小于平均值的枯水年达6年 (1991～1997年) , 连续接近系列均值的平水年不超过3年。从年径流的年序变化过程看, 20世纪60年代末至70年代初为年径流偏丰段, 20世纪60年代中期为年径流偏枯期, 1980～2002年丰枯现象交替出现。
4.3 径流特性
九峰桥流域径流由降水补给形成, 多年平均年降水量约1771.5mm, 径流深为1105mm。与降水量的地区分布较为一致。鹤峰水文站43年系列中包括丰、平、枯水年份, 其中1998年、1983年为丰水年, 丰水年径流约为枯水年的2～3倍, 为平水年的1～2倍;年径流变差系数CV为0.27, 说明该流域位于暴雨区, 径流年际变化不大。径流年内分配不均匀, 径流量主要集中在丰水期5～9月, 占年水量67.5%, 以7月为最大, 占年水量18.5%;4月、10月分别约占年水量7.85%、7.8%, 枯水期中以1、2月为最枯。
4.4 坝址设计年径流
根据鹤峰水文站历年年平均流量, 采用面积比, 用雨量修正推算陈家坑水库坝址年平均流量系列, 采用P-Ⅲ型曲线适线, 统计参数及设计成果见表4。
4.5 陈家坑水库可蓄水量推算
陈家坑水库坝址的径流量由三部份组成, 即 (1) W1桃花山一级电站 (董家坪滚水坝及清湖取水口以上流域) 引水后多余的径流量; (2) W2陈家坑水库坝址至董家坪滚水坝～清湖取水口以下17.55Km2的来水量; (3) W3董家坪滚水坝的渗漏流量 (根据大肠湄站2003～2007年实测流量成果推算) 。
根据统计参数采用配线法求得陈家坑水库丰、平、枯年份来水量, 扣除 (1) 桃花山一级电站引水量, (2) 湖坪分洪遂洞分洪量, (3) 桃花山三级电站引水量。根据水量平衡原理推算陈家坑水库建库后设计频率的可蓄水量如下表5。
5 洪水
九峰桥流域无实测水文资料, 本次采用了以流量及暴雨资料两种方法分别进行计算。
5.1 用流量资料推求设计洪水
九峰桥河为鹤峰水文站以上溇水流域的一条支流, 两者具有相同的水文气象特征。根据鹤峰站实测的流量资料, 采用水文比拟法推求陈家坑水库坝址的洪峰流量, 并以多年平均雨量来修正。
5.2 用暴雨资料推算设计洪水
流域内气候温和多雨, 雨量充沛, 年平均雨量为1771.5mm;雨量的年内分配受季风环流的影响很不均匀, 3、4月进入雨季, 暴雨出现时间多在6～9月, 7月出现机会最多;经统计, 流域内最大日雨量为1981年2 7 7.8 m m。
根据本流域燕子坪雨量站的实测降雨量 (1970～2002年) 资料, 计算出流域面平均降雨量, 并对年最大24h暴雨系列进行了频率分析。雨型分配采用《湖北省可能最大暴雨图集》综合概化24h设计雨型 (△t=1h) 。据《图集》查得不同历时点暴雨统计参数及不同降雨历时点面折算系数, 采用原水科院推理公式推求Qm。
推理公式为:
5.3 洪水成果合理性分析
用流量、暴雨两种途径推求的陈家坑水库设计洪水成果, 见表6。
由表6可知, 采用流量方法计算稀有频率的设计洪峰流量比暴雨推算的流量小28%～22%, 百年以下频率设计洪峰比暴雨推算的大1%～2%。由于设计面暴雨采用的是图集最大1h、6h、实测最大24h雨量成果, 图集中降雨等值线勾绘, 考虑了历史特大暴雨资料, 暴雨时空分布、走向及地形对等值线的影响等诸多综合成因, 稀有频率《图表》查算雨量值一般情况下均大于实测资料。因此, 用图集短历时暴雨推算出的洪峰流量偏大, 用实测24h雨量推算出的洪量与流量推算成果较为一致, 从降雨成因上分析是合理的。因此, 本次推荐用流量法计算的成果作为陈家坑水库坝址处的设计洪水。
5.4 产汇流计算
5.4.1 产流计算
产流过程是暴雨通过扣除损失后得到的净雨过程, 净雨过程是由设计面雨量扣去初损和稳损而得。本次设计初损取22.5mm。
稳损计算公式为:
5.4.2 汇流计算
流域汇流采用瞬时单位线法推求本站坝址处的洪峰流量及洪水过程线。陈家坑流域属湖北省七水文分区, 同时也属于岩溶发育流域, 其天坑率按0.30考虑, 水库设计洪水采用岩溶区特殊流域汇流参数计算。
5.4.3 坝址处的单位线及地表径流计算
九峰桥河是一条以岩溶地下暗河为主的河流, 瞬时单位线采用考虑天坑影响的单位线的成果。
5.4.4 坝址处的地下径流计算
退水指数为β=0.133F-0.28=0.044径流过程底宽为T=tc+D-△t小时。
设起涨流量Q0, 地下径流洪峰Qg并计算如下:Q0=0.021*fc^1.14*F;
根据Q0, Qg和T按如下公式计算地下径流Qt;
6 泥沙
流域内森林植被茂密, 森林覆盖率在80%以上, 人类活动影响小, 水土流失不严重, 河流含沙量低, 清水期约300天。因该流域无泥沙资料, 可以借用清江恩施站年平均悬移质含沙量0.539kg/m3, 推移质为悬移质含沙量的20%计算区间年均总输沙量及水库淤积过程。
7 结语
九峰桥河流域自然地理条件特殊, 属于岩溶发育地区, 岩溶泉、洼地、天坑、暗河、落水洞星罗棋布, 其来水量研究的难点在于如何处理好研究断面上游的两处跨流域调水量, 即 (1) 桃花山一级电站引水量, (2) 湖坪分洪遂洞汛期分洪量。本文采用了数理统计法、水文比拟法、参数等值线法, 根据水量平衡原理对径流的形成, 洪水的组成进行了研究。
陈家坑水库的来水量成果对桃花山三级电站的可持续发展 (即调节水库的建设) 具有指导意义, 对岩溶地区类似水电工程设计洪水提供了参考。
参考文献
[1]魏永霞, 王丽学.工程水文学[M].中国水利水电出版社, 2005.
青山水库水文自动测报系统设计研究 第5篇
青山水库是辽宁省葫芦岛市最大的水利工程,由枢纽工程及输水工程组成。青山水库工程的修建是解决葫芦岛市城区缺水的最佳选择,将对葫芦岛城区的经济发展、六股河流域发展,对水资源的需求、水环境的改善及流域防洪体系的建设起到基础性保障。
1 建立水文自动测报系统的必要性
青山水库位于六股河中游的干流上,控制面积1650km2,绥中以上控制面积3008km2。青山水库主要任务是防洪和供水。防洪主要保护下游农田和人民生命财产及绥中县城,特别是保护沈山铁路、沈山公路、沈山高速公路、秦沈客运专线等重要交通设施。因此,保护大坝和供水安全以及下游防护对象的安全,都需要及时较准确的做出水库上下游水情预报。
六股河流域暴雨洪水频繁,多年来,洪涝灾害经常造成交通中断、堤防决口、工矿企业及居民住房等设施被冲毁,给人民生命财产安全带来很大威胁。目前现有的水文气象站的设施陈旧、水文数据采集和报讯手段落后,无法满足水库调度和下游防洪需要,因此需要建设本流域水文自动测报系统。
2 水文自动测报系统覆盖范围
水文自动测报系统覆盖范围应在绥中以上流域,绥中以上面积是3008km2。六股河为独流入海河流,绥中水文站与六股河河口相差仅37km2。因此本次系统设计覆盖范围为六股河整个流域,面积为3045km2。
3 遥测站网布设
3.1 流量站网布设
六股河流域面积3045km2,目前流域内有绥中、前白水两处水文站,青山水库建成后前白水水文站在库区内。为了水库控制运用,确保大坝安全和下游安全及水量平衡计算的要求,必须掌握青山水库入库洪水过程及水库放流过程,故将前白水水文站上迁,并建立青山水库出库水文站。
入库站暂定在于家屯,50年一遇水库末端回水位在99.9m,于家屯断面河底高程在101m左右。
3.2 水位站网布设
为掌握青山水库洪水情况和控制水库洪水运用,在青山坝上设遥测水位站。
3.3 雨量站网布设
六股河流域目前有13个雨量站,八十年代最多时有20个雨量站。雨量站规划按青山库上和青山库下分别进行。根据《水文站网规划技术导则》SL34-92中面积和雨量站数目查算表,流域面积为1000km2相应雨量站数8~12个,流域面积为1500km2相应雨量站数9~13个,流域面积为2000km2相应雨量站数10~14个。青山库上控制面积1650m2,设立11个雨量站较为合理,站网密度为150km2/站;青山库下控制面积1395km2设立10个雨量站较为合理,站网密度为140m2/站。除增加青山水库坝上、坝下雨量站外,其余雨量站均为原有的雨量站,21个遥测雨量站分布较均匀,基本能控制降水的空间变化,各雨量站都设在村庄,生活、交通和通信条件均较好。
4 系统设计
本系统由21个测站组成,其中雨量站17个,水文站3个,水位站1个,系统需建设1个中心站,中心站设于青山水库管理局。设计满足现行国家及行业标准。
4.1 系统工作体制
本系统工作体制为自报式,通讯方式采用GPRS/GSM公网通讯方式,两信道通讯自动切换,互为备用。
4.2 系统遥测项目
本系统遥测项目有降水、水位和蒸发,流量数据采用人工置数方式输入数据采集器。遥测雨量站和水位站设备配置有传感器、遥测终端机、GPRS/GSM数据模块、天馈线、太阳能电源、蓄电池、人工置数器和配套的各种插件等。传感器根据测报项目选择遥测水位计、遥测雨量计、遥测蒸发皿等。
水文站监测雨量、水位、流量和蒸发项目,各水文站设备配置及数据采集方式为:绥中水文站雨量、水位和蒸发数据采集方式为遥测,流量采用人工置数方式。岳家屯水文站和坝下出库站为新建站,雨量、水位和蒸发数据采集方式为遥测。
4.3 流量测量方式
流量测量方式采用半自动缆道测流方式,水文缆道设备包括驱动设备、信号系统、控制设备悬吊设备计算机测流控制系统以及应用软件构成,实现测验设备启动、复位和垂线、测点的布设、各要素信息采集、传输和处理以及实现流量成果的计算与输出等操作的自动化。
遥测站使用太阳能电池与蓄电池组合构成浮充供电系统,水文站设置2组,1组设置在水位监测点,1组设置在水文站房。遥测站太阳能板及蓄电池容量选取表见表1。
中心站设在水库管理局内,采用专用交流电源供电,由管理局用电统一考虑,专用220V电源经浪涌保护器和隔离变压器隔离稳压后,向不间断电源UPS供电,设备的电源均由不间断电源UPS供给。
中心站设有2台主控制计算机,一台主控制计算机用于通信控制、数据接收及处理,另一台工业控制机供防洪预报使用,两者可互为备份,以提高系统的可靠性。
中心站设备的保护接地、工作接地、建筑物的防雷接地应联合一点接地,接地电阻要求小于4Ω,设备安装采用筒式安装结构。
5 结语
水文自动测报系统从工程效益和经济效益两方面来看,具有不可估量的意义。那么,作为青山水库工程的重要组成部分,它将为葫芦岛市的生态建设和经济社会发展做出不可磨灭的贡献。
摘要：青山水库是辽宁省葫芦岛市最大的水利工程,地理位置十分重要,对水资源的需求、水环境的改善及流域防洪体系的建设起到基础性保障。本文主要介绍了青山水库水文自动测报系统的必要性和覆盖范围及遥测站网布设和系统的设计。
关键词：水库,水文,自动测报系统,设计
参考文献
水库水文 第6篇
清河水库位于黑龙江省农垦总局红兴隆分局八五三农场, 该水库地处挠力河的支流宝清河、小清河的中游, 始建于1969年, 2006-2009年进行除险加固。水库流域总控制面积258平方公里, 其上游有小型水库3座, 分别是林源一水库控制面积19.7平方公里, 前进一水库控制面积22.7平方公里, 小清河水库控制面积39平方公里。清河水库总库容量2588万立方米。水库枢纽工程由土坝、溢洪道和输水洞三部分组成。清河水库是一座以防洪、灌溉为主, 兼顾养鱼、旅游等综合利用的中型平原水库。因此, 及时掌握水库的水位、库容、闸位及灌渠水位、流量、闸位等信息是非常重要的。对满足水库防洪调度的需要, 提高运行管理水平和经济效益。建成清河水库大坝自动监测、水文自动测报系统, 提高了水库水文信息采集、传输、处理和调度决策的准确性和时效性, 确保工程安全运行和汛期防洪。
2 大坝自动监测、水文测报系统设置原则
清河水库大坝自动监测、水文测报系统是集工程建筑物、监测仪器、测量控制装置、计算机、自动化和通信技术于一体的系统工程。自动监测系统由监测中心站 (含信息管理) 、现场数据采集网络、传输介质三部分组成。
根据目前国际与国内监测自动化发展状况, 本工程自动监测系统的实施遵循以下基本原则:a.建立一套完善的安全监测体系, 满足水库今后长期安全运行的需要;b.建立一套高度自动化的测报系统, 及时准确地反映大坝运行情况;c.测点布置少而精, 满足观测需要;d.选择可靠的、能实现自动监测的仪器设备。
3 大坝自动监测、水文测报系统构成及配置
黑龙江省农垦总局红兴隆分局八五三农场清河水库大坝自动监测、水文自动测报系统以农场水务局水利工程运管站为调度中心, 建有清河水库0+000和1+600测点、林源一库、前进一库和小青河水库等5个遥测监控点。中心站包括中心站计算机、连接通信控制机及数据接收、处理软件构成的系统。大坝自动监测、水文测报系统的所有遥测数据由遥感设备及连接通信控制机实时收集后, 连接通信控制机软件对数据进行解码、纠错、合理性检测, 以开放式数据库的形式存储, 供查询、统计、显示和打印, 通过汇总、分析进行洪水预报和调度决策。系统采用分层分布式结构, 其现地层包括3个数据测控单元 (MCU) , 测点单元, 所有监测数据经A/D转换后由通信电缆, 上传至监控主机 (上位系统) 集中分析管理。
3.1 监测仪器 (传感器)
布设于坝体、坝基、水位、雨量、闸位等处的传感器, 将渗流压力、液位及库区降雨量等数据转化为可被MCU所采集的电信号。
3.2 测控装置 (MCU数据测控单元)
MCU是整个数据自动采集系统的关键设备。该装置采用完全模块化结构, 多CPU并行运行;整个单元由数据采集智能模块、通信模块、电源模块和防雷模块等组成, 采集智能模块均独立运行, 互不干扰。
根据仪器类型, 渗压计、水位计、闸位计及流量计传感器等输出信号均由四芯屏蔽水工电缆引出, 接入MCU数据测控单元中。根据现场实际情况及管理运行要求, 在大坝0+000m;1+600m断面处各设1个MCU。各测控单元 (MCU) 通过超短波电台与监控主机通讯, 从而形成清河水库大坝安全的自动监测网络。
3.3 中央控制装置 (监控主机)
中央控制装置 (监控主机) 选用性能较好的商用电脑, 配有100/1000M以太网卡、多串口通讯卡、光电转换器及MODEM等组成。
3.4 大坝安全监测信息管理系统 (软件)
大坝安全监测信息管理系统是整个大坝安全自动监测系统的灵魂和中枢, 它担负着自动化数据采集、远程服务、系统管理、文档管理、数据管理、图形制作、测值预报、报表制作、离线分析等大坝安全日常管理工作。
3.5 通信和电源线路
1+300-1+600和1+900-1+600的输水洞的数据传输用通信电缆, 由沿大坝路边埋设 (穿管) 至1+600测控装置 (MCU) 。0+500-0+000输水洞的数据传输也用通信电缆, 由沿大坝路边埋设 (穿管) 至输水洞的测控装置 (MCU) 。桩号为1+600测压管的测控装置 (MCU) 电源采用太阳能配蓄电池供电, 桩号为清河水库0+000输水洞房间内的测控装置 (MCU) 电源采用220V交流电供电。
清河水库的自计井 (0-100) 数据传输到输水洞 (0+000) 内的测控装置 (MCU) 电源取自清河水库输水洞, 配电电缆由清河水库管理中心沿大坝边埋设 (穿管) 至现场测控装置 (MCU) 。
在上游的小清河水库、前进一库和林源一库的雨量计、水位计均设在输水洞周围, 数据传输到输水洞内的测控装置 (MCU) 电源取自各水库输水洞内电源。系统通信采用超短波通讯方式, 在八五三农场水务局中心管理站内设置一套接收设备, 可同时接收清河水库和其他水库的水文测报监测数据。
大坝自动监测、水文测报结构框如图1。
4 监测点布置
4.1 坝体 (坝基) 渗透压力
为了监测坝体渗透压力, 主坝段选取5个剖面, 桩号分别为0+000、0+500、1+300、1+600、1+900, 具体位置为大坝上游坝肩, 下游排水体前缘及下游坝坡位置各1根, 在盖重处增设1根。共设置22根测压管, 为了便于实现自动监测, 每一测压管内放一振弦压力传感器。
4.2 水位监测
在清河水库对应主坝0-100的上游建一座自计井, 井内设置一只浮子式传感器用于测量水库水位, 通讯、电源引入输水洞监测室接入自动化观测系统。
在上游水库输水洞设一支振弦式压力水位计用于测量水库水位, 通讯、电源引入个水库输水洞监测室接入自动化观测系统。
4.3 雨量监测
在主坝0+000输水洞房屋上安装翻斗式雨量计用于测量库区的降雨量。接入输水洞监测室接入自动化观测系统。
在上游林源一水库、前进一水库、小清河水库三个代表区域, 设翻斗式雨量计, 用于测量区域的降雨量, 并接入自动化观测系统。
4.4 流量监测
清河水库输水洞出口灌渠上已建有巴歇尔槽, 设置1台浮子式水位计, 引入输水洞监测室接入自动化观测系统, 通过水位与标准断面流量关系测流量。
5 结论
综上所述, 在清河水库大坝自动监测、水文自动测报系统, 具有以下优点:
5.1系统的运用, 规范了水利管理工作, 使各种水库调度资料从原始数据录入到最终形成档案资料, 对水库监测数据收集查询实现了自动化, 工作效率和质量大大提高, 减少了调水损失, 争取了调度时间, 降低水库的防洪风险度。
5.2减轻了工人的劳动强度, 运行测报系统后, 原本由各基层分别上报的实时数据, 集中到了监测系统中心控制室, 增强了实时性, 使操作人员和水管站随时了解水库水文的实时数据。
5.3数据的可靠性和实时性大大增强了, 并方便管理, 测报系统对水库进行全方位的监控, 实时数据每两分钟上传一次, 使决策机构能快捷地了解水库的实时信息, 对水资源的合理利用和分配提供可靠的依据。
5.4 维护方便, 根据数据的显示情况便可判断出故障的原因, 便于检修人员掌握准确情况, 缩短了检修时间。
5.5清河清河水库大坝自动监测、水文自动测报系统的建立为水库的安全度汛和优化调度提供了可靠的保障, 提高了水库的防洪效益和经济效益。同时, 也为周围地区推广建立水情自动测报系统探索了一条新的途径, 积累了一些成功的经验。
摘要：清河水库大坝自动监测、水文测报自动化系统是清河水库除险加固工程建设项目之一, 介绍了清河水库大坝自动监测、水文自动测报系统的布置、采集软件特点, 该系统的功能和特点。
关键词：水库,观测,监测,自动化,系统
参考文献
[1]黑龙江省八五三农场清河水库大坝安全自动监测系统和水文自动测报系统方案.黑龙江省农垦勘测设计研究院, 2005.
[2]张建云等.水文自动测报系统应用技术[M].北京:中国水利水电出版社, 2005.
水库中长期水文预报模型研究(Ⅱ) 第7篇
1 投影寻踪回归预测模型
1) 预测对象:选定的预报对象。
2) 预测时效:月、季、年。
3) 资料需求:与预报对象相对应的时间长度的水文气象特征量。
投影寻踪回归 (简称pp回归) 技术的实质是将高维数据通过线性组合方法转换为低维数据, 在低维上对数据结构进行分析, 以达到便于统计的目的。PP回归模型采取一系列岭函数的“和”来逼近回归函数。即
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式中:Gm (Z) 表示第m个岭函数;undefined为岭函数的自变量, 它是P维随机变量x在undefined方向上的投影;M为岭函数的个数。
pp回归是运用1984年Friedman教授编制的SMART[1]多重平滑回归计算软件。SMART模型具有如下形式:
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式中:undefined;E (Gm) =0;E (Gm2) =1;undefined;bim, ajm及岭函数值Gm是模型的参数, 模型中线性组合的项数为待定参数。模型的核心采用分层分组迭代交替优化的方法最终估计出岭函数的项次Mu, 岭函数Gm (Z) 以及函数ajm, bim。
其判别准则是:选择适当的参数bimajm, 函数值Gm项数Mu及因变量的权重Wi (i=1, 2, …, Qj;j=1, 2, …, Mu) 使式
undefined
式中:i表示因变量个数;j表示自变量个数;M为岭函数个数。
模型参数寻优
(1) 逐步寻优
用逐步交替优化的方法, 确定模型的最高线性组合项数Mu及对参数a、b、Gm寻优。
①求初始方向undefined。
②沿求得的初始方向undefined求岭函数undefined的值;将Gm进行标准化处理:
undefined
③更新bim的值。
计算判别式L2的值, 当L2 (m) 未满足要求时进行下步计算, 否则结束本过程, 转到第二步继续寻优。
undefined
式中:WWk为第K次观测权重。
④当L2未能满足精度时, 逐一增加模型的项数, 重新计算R:Ri, Km+1=Ri, km-bimGm (Tk) (6)
并返回 (2) 步进行循环迭代, 直到L2满足精度为止。
(2) 全局优化过程
为了寻求较优的模型, 进一步对线性组合的项目数Mu及参数重新寻优, 逐一剔除模型中的不重要项, 重要项是由undefined测度的 (1
2 时间序列-马尔可夫分析预报模型
1) 预测对象:平均流量。
2) 预测时效:月、季、年。
3) 资料需求:与预报对象相对应的时间长度的水文气象特征量。
采用一维非平稳时间序列模型建立降水或水文预测的时间序列模型, 马尔可夫过程利用变量的概率转移状态矩阵可预报变幅较大的随机波动, 将时间序列与随机过程离散状态的马尔可夫链理论相结合可有效地提高降水或水文序列在峰谷处的预报精度, 增强模型对随机波动性较大数列的预测能力。
马尔可夫过程 (Markov Process) 是研究事物状态及状态转移的理论。它通过对事物所处不同状态的初始概率以及状态之间的转移概率关系, 来确定事物所处状态的变化趋势, 从而达到预测的目的。
马乐可夫过程是较普遍机过程的一种, 该过程考虑了以前事件对后事件的影响, 即从一种状态转移到另一种状态, 随时间变化所作的状态转移, 且状态转移具有概率性质。时间离散、状态离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链。对一重 (一阶) 平衡的马尔可夫链, 系统每次转移, 仅依赖于前一次的状态i, 与更前一次的状态i-1无关, 且这个概率与几次转移无关。
在马尔可夫链中, 系统状态的转移可用概率矩阵P表示:
undefined
t到t+1时刻, 状态从Si转移为Sj的频数nij与总频数n之比 (频率) , 则为状态Si转移为Sj的转移概率:
undefined
从任何一个状态出发, 经过一次转移, 必然出现该系统所有状态中的一个, 故undefined, 其中系统停留状态i的概率Pij包含在内。由于Pij是概率, 则0≤Pij≤1, i, j=1, 2…m。
设初始 (0步) 处于状态Si的概率为Ai (0) , 从状态Si转移到状态Sj的概率Pij为在第一步处于的状态Sj的概率为Aj (1) , 按照贝叶斯 (Bayes) 公式:
P (A, B) =P (A) P (B/A) (9)
则有:Aj (1) =Aj (0) Pij (10)
若从第n步推广到n+1步便有:
Aj (n+1) =Aj (n) Pij (11)
若研究的事物在n步有m种状态, 则在n+1可能转入状态Sj的概率为:
undefined
如果考虑从零步到第一步转移过程, j=1, 2, …m;由 (5) 式得:
j=1, A1 (1) =A1 (0) P11+A2 (0) P21+…+Am (0) Pm1
j=1, A2 (1) =A1 (0) P12+A2 (0) P22+…+Am (0) Pm2
︙
j=m, Am (1) =A1 (0) P1m+A2 (0) P2m+…+Am (0) Pmm
上述方程组表示为:
undefined
令A1 (1) =[A1 (1) , A2 (1) , …, Am (1) ], A (1) =[A1 (0) , A2 (0) , …, Am (0) ]
则A1 (1) =A (0) P
A (n+1) =A (n) P (14)
可以导出:n=0时, A (1) =A (0)
n=1时, A (2) =A (1) P=A (0) P2
n=2时, A (3) =A (2) P=A (0) P3
…
n=n-1时, A (n) =A (0) Pn (15)
公式 (9) 称为马尔可夫链预测模型, 它表示只要知道状态转移概率矩阵, 就可以根据初始时刻处于各状态的概念来预测以后任一时刻各状态的概率。
随着过程的持续发展, 初始阶段的影响将逐步消失, 系统在n时刻处于Sj的概率与初始状态无关, 仅决定于转移概率矩阵。当n→∞, 绝对概率分布P (n) 收敛于一个独立的初始分布P (0) 的极限概率undefined这时系统状态趋于一个稳定状态。
3 非线性动力系统学 (Localmodeling) 预测模型
1) 预测对象:选定的预报对象。
2) 预测时效:月。
3) 资料需求:与预报对象相对应的时间长度的水文气象特征量。
动力系统预测方法又称为Local Modeling方法。法国科学家Ruelle[2]提出通过微分方程迭代产生的离散时间序列x (t) 和它的漂移xt-kσ, xt-2kσ, …, xt- (m-1) kσ (k=0, 1, 2, …, m为正整数) 可以用来代连续函数的微分来表征系统的状态并可以进行预测, 这种方法后来被叫做重建相空间技术。Local Modeling方法就是在重建的状态空间理论的基础上发展起来的。Local Modeling对系统未来状态的预测就是在历史数据中, 找到和当前系统状态最为相似的状态点, 即搜索时间序列历史数据 (xt, xt-σ, xt-2σ, …, xt- (m-1) σ) 所确定的状态向量空间中与当前状态向量最为邻近点, 并利用得到的距离和邻近点的后续状态来估计系统的未来状态。
如果一个n维系统随时间的演化规律能够用下式
undefined
描述, 则称该系统为一个n维动力系统, 其中如果f1, f2, …, fn为线性函数, 又称该系统为n维线性动力系统, 反之称该系统为n维非线性动力系统;其中 (x1, x2, …, xn) 成为该系统的状态空间。通过数学变化, 可以将式 (1) 微分方程组化成n阶微分方程:
fundefined=|x1, xundefined, …, xundefined| (17)
此时系统的状态空间就由x1, xundefined, …, xundefined来描述。随着系统的演化, 系统的状态变量x1形成一组时间序列 (x11, x (12) , ……, x (1p) ) 。动力系统能够用微分方程来描述, 因此微分方程相关数学方法也能应用在上述时间序列的分析与预测上。研究表明, 河流就是一个由流域水文、气象自然地理状况等要素控制的多维非线性动力系统, 其中径流量是一个重要的状态因子, 如何分析、预测流量时间序列是本文的主要内容。
经验表明, 系统未来的状态与其以前的若干状态有必然的联系, 也就是如果定义系统的t时刻状态为x1, 那么还可以定义系统一下时刻的状态为:
xt+1=g (xt, x (t-σ) , xt-2σ, …, (t- (m-1) σ) ) (18)
式中:m和σ是需根据模型的具体应用而确定的参数;g (X) 存在的未知形式的函数。在实际应用中, 可以认为河流下一个时刻的流量Rt+1决定于河流的前期流量 (Rt, R (t-1) , …, R (t-σ) ) 以及前期的气候气象状态 (Mt, M (t-1) , …, M (t-σ) ) , 这一点能够通过模式识别理论得到证明。
Local Modeling模型对系统未来状态的预测就是在历史数据中, 找到和当前系统状态最为相似的状态点, 找到和当前系统状态最为相似的状态点, 即搜索时间序列历史数据 (xt, x (t-σ) , xt-2σ, …, (t- (m-1) σ) ) 所确定的状态向量空间中与当前状态向量最为邻近点, 并利用得到的距离和邻近点的后续状态来估计系统的未来状态。当前状态到Xτ到t时刻状态Xt的距离由函数:
undefined
确定。因为越早的系统状态对系统t+1时刻的状态影响越小, 所以距离函数中加入一个 (0, 1) 的参数用来削弱系统早期状态对t+1时刻的状态的影响。
应用距离函数, 可以计算出状态空间中N个距离当前系统状态向量最近的状态点, 这些邻近点的后续状态按照距离的由小到大依次定义为y1, y2, …, ym, 其对应的距离定义为d1, d2, …, dm, 通过距离, 可以计算出邻近点的每个后续状态在预测系统t+1的权重。第i个最为邻近点的权重的计算公式为:
undefined
式中:dm+1是第m+1个最邻近点到当前状态点的距离。系统t+1时刻的状态有以下公式计算:
undefined
式中:m为模型中选择的邻近点个数;yi为较前的状态对下一时刻状态影响的衰减程度;ωi为延滞参数;i为决定系统一个状态的前期状态个数。这些参数, 要根据具体的应用而进行优化。
参考文献
[1]FriedmanJ, H.SMART User's Guide[M].Stanford Uni-versity Technical Report1, 984, California, USA.
水库水文 第8篇
关键词：水库渗漏,水文地质勘察,方法
一、水库渗漏水文地质勘察内容
(一) 地形地貌
主要是了解库区周围的地形地貌对库区地下水运动所产生的影响。如相邻的河谷被切割很深, 其河水位低于库水位, 当水库间的分水岭比较单薄时, 由于渗透途径短、水力梯度大, 易造成库水渗漏。
(二) 地层岩性及地层的结构
渗透性强烈的岩土体是水库渗漏的主要通道之一。对于平原地区松散岩类坝基水库而言, 库水可能会沿着古河道堆积物的渗漏通道流失。而在岩溶地区, 当库区存在强岩溶化的碳酸盐底部并无隔水层分布时, 或虽有隔水层存在, 但其埋藏很深或封闭条件很差时, 库水就有可能通过分水岭向邻谷、河谷的下游或远处低洼排泄区发生渗漏。
(三) 地质构造
一般而言, 褶皱比较发育的地段, 各类断层和裂隙也都比较发育。断层破碎带, 尤其是横切河谷与邻谷相通的宽大而未胶结的断层破碎带, 是形成大量渗透的通道;具有宽大密集裂隙的岩层易造成渗漏;在岩溶地区, 在断层带上往往发育着岩溶管道。
(四) 水文地质条件
地形地貌、岩性及地质结构是决定水库渗漏的必要条件, 但不是充分条件, 还必须研究水文地质条件。即要进行水文地质分区, 确定含水层及隔水层, 查明含水构造, 地下水补给、径流、排泄条件, 地下水的类型, 地下水的水位、流向、流速、水力坡度, 地下水的化学特征等情况。
勘察时要特别注意水库周围是否有地下分水岭, 以及分水岭的高程与库水位的关系, 并以此来大致判断库水向邻谷渗漏的可能性。
(五) 岩溶区的岩溶发育特征
在岩溶地区, 需要查明库区内岩溶发育强度和岩溶发育规律。具体包括: (1) 各个地层的岩溶发育强度 (溶隙率) 、发育方向以及受地质构造作用控制情况; (2) 岩溶形态及分布规律; (3) 岩溶水的动力特征 (包括补排条件、垂直分带性、流动特点) ; (4) 建坝前后泉水流量的变化和动态变化等。
(六) 渗漏的地质分析
分析水库渗漏的2个条件, 即渗漏通道及其连通性。
水库的渗漏通道一般有透水岩层 (如砂卵砾石层) 、透水带 (断层破碎带、裂隙密集带) 、岩溶管道等。
1. 渗漏通道的分析
岩浆岩地区水库:岩浆岩作坝基、库区的基岩是比较理想的, 一般不易发生渗漏。这种水库的可能渗漏通道一般是第四纪砂砾石层 (河床沉积物) 、基岩表面风化裂隙组成的透水层。
沉积岩地区水库:最常见的是透水层的漏水, 此外就是断层破碎带、节理密集带构成的漏水通道。如节理裂隙发育的砂岩, 它们只要穿过坝基, 同时在上游库区和下游河床出现, 即可成为漏水通道。
第四纪堆积物地区水库:坝下渗漏通道主要是古河道、河床和阶地内的砂卵砾石层。古河道穿过坝基或贯通上下游时, 可能发生严重渗漏;建坝时如坝下的截水墙太浅, 未能将砂卵砾石层全部截断, 残留的砂卵砾石层就成为漏水通道。
2. 漏水通道连通性分析
砂砾石层等松软岩层渗漏通道的连通性主要取决于其地层的结构特征。山区河流, 河床的沉积物多为单一的粗粒物质, 透水层的连通性好。中下游河床的细粒成分增加, 地层呈多层、双层结构。双层结构时沉积物上细下粗, 上部弱透水层构成了天然防渗铺盖, 但若在建坝取土时破坏了此相对隔水层, 或因受河流冲刷使隔水层出现了部分损坏, 则它就不再具有隔水作用, 应将其修补完整。
多层结构时, 漏水通道的连通性主要受相对隔水层的厚度、延伸情况及其完整性的影响。有的厚度较小, 被渗漏水击穿后不再起隔水作用, 有的延伸不远即自行消灭。
基岩透水层、透水带及岩溶发育管道的连通性则受地质构造的控制。纵向河谷 (岩层走向与河流流水平行) 的透水层的连通性良好, 而横向河谷透水层的连通性较差。
(七) 渗漏量的估算
水库渗漏是指库水沿着透水岩 (土) 带向库外低处渗漏的现象, 可分为坝区渗漏和库区渗漏。其中坝区渗漏又分为坝基渗漏和绕坝渗漏;库区渗漏包含了库水的渗透损失和渗漏损失两部分。
据此, 水库的总渗漏量应是以上4个部分的总和, 即:Q=Q-Q坝基+Q绕坝+Q库水渗透+Q渗漏损失。式中, 水库的各项渗漏量可采用地下水动力学公式、数值法或其他方法进行计算。目前在实际工作中应用最多的是地下水动力学公式。虽然用于渗漏计算的地下水动力学的公式很多, 但本质上都是由达西公式演变而来。这些公式的适用条件是:地下水必须是达西流、含水介质为均质且各向同性。
根据《水利水电工程地质勘察规范》 (GB50287-99) 附录B.0.5条的规定, 岩溶地区的水库, 其渗漏量必须采用地下水动力学法和水量均衡法进行计算, 并相互验证。这是由于岩溶管道中的地下水流可能不再属于达西流, 地下水动力学中的有关公式可能已不再适用。
水量均衡法就是根据多年实测水库水位、水面蒸发量、农业灌溉用水量等资料, 利用水位-库容关系资料, 计算水库年蓄变量、年平均库容量、年实际库面蒸发量。依据水量平衡原理, 水库的渗漏量为:
式中:W为渗漏量;WQ为上游来水量;WP为水库水面直接接受降水补给量;WE为水库水面蒸发量;Wf为水库放水量;W蓄为水库蓄变量。
(八) 对防渗措施提出可行性建议
在勘察报告中要对水库的防渗措施提出合理化建议。目前我国对渗漏水库的处理措施主要有:
1. 坝基的垂直防渗措施:
目前主要是应用塑性混凝土地下防渗墙、高压喷射水泥板墙、防渗板桩 (如深层搅拌桩) 等挡水墙阻断渗水通道。
2. 含砂砾石坝体的防渗措施:
对于含砂砾石量高的土坝, 可用帷幕灌浆、建造粘土防渗墙、冲抓套井回填、防渗土工膜铺设等方法处理坝体。
3. 溶洞的防渗措施:
对出露的或探明的岩石特别破碎的较大溶洞, 应进行开挖、清理、冲洗, 采用C25防渗混凝土填筑, 并适当扩大防渗范围。
4. 基岩破碎带及节理密集带的防渗:
将表面破碎体全部清除, 然后用C25混凝土封堵, 并结合固结灌浆, 使断裂破碎带整体封闭, 形成区域防渗。
5. 砂卵石渗漏区防渗:
可铺设塑料薄膜进行防渗。
二、水库渗漏的水文地质勘察手段
(一) 地质调查及水文地质测绘
对整个库区进行补充性测绘, 其范围应包括渗漏通道及其进出口地段。山区水库应包括库区周围的分水岭及邻谷, 平原地区则包括正常高水位以上的第一级阶地, 测绘比例尺可选用1/50000～1/10000。在岩溶地区, 凡能追索的岩溶洞穴都应进行测绘, 对严重存在岩溶渗漏的地段, 测绘的比例尺可采用1/10000～1/2000 (库区) 及1/5000～1/1000 (坝址) 。
(二) 水文地球化学调查
如利用放射性同位素资料可以估算地下水的年龄 (获库水补给的地下水较年轻) ;在岩溶地区, 可利用饱和指数来了解地下水的循环速率 (饱和程度低的地下水, 其循环速度较快, 获得大气降雨或库水的补给量大) 。在对地下水库进行渗漏分析时, 根据其库底隔水层内的地下水水化学类型、矿化度、电导率等水化学特征与灰岩含水层相差很大来判定其库底隔水层, 可有效地阻止库水向底部渗漏。同时, 还根据水库渗漏点的各种常规离子浓度均高于库水的事实分析认为, 这是由于库盆内的软物质 (岩层) 逐渐被渗漏水侵蚀所致。由此判定, 随着该水库蓄水年限的增长, 水库的渗漏通道将变大, 渗漏量也会加大。
(三) 钻探和地球物理勘探
勘探剖面线应根据水文地质结构和地下水的分布情况, 并结合可能的防渗处理方案作布置。在多层含水层结构区, 可能渗漏的各岩组内不应少于2个钻孔, 钻孔应进入隔水层或枯水期地下水位以下一定深度;喀斯特区钻孔的深度应穿过喀斯特强烈发育带。可利用井间地震波CT技术探测库区的渗漏通道与渗漏点。
还可用充电瞬变电磁法、瞬变电磁法探测岩溶漏水通道异常范围。
(四) 水文地质实验
如果水库建筑前的勘察资料匮乏, 还应补充对相关的岩土层的渗透系数测定, 为估算水库的渗漏量及其防渗提供依据。
(五) 进行地下水动态观测
设立长期观测网, 在可能渗漏的各岩组内不应少于2个观测孔。观测内容除常规项目外, 还应观测降雨时的洞穴涌水和流量情况。
三、结语
水利水电工程的水文地质勘察是对其工程地质勘察的补充, 也是工程地质勘察的一部分。因此, 拟建水库渗漏的水文地质勘察也是分阶段进行, 不同的阶段其勘察的内容及研究程度不尽相同。但对病险水库而言, 因为其勘察的目的是直接为防渗治理设计服务, 因此勘察内容及研究程度应与拟建工程的设计阶段类同, 不再分阶段进行。
水库水文 第9篇
近几十年来, 随着社会经济的发展, 长江流域水资源开发利用程度逐步加大, 在河流上筑坝拦截水量用于防洪、发电、灌溉等使河流的生态环境受到人为影响, 尤其是长江中游大型水电工程葛洲坝水库和三峡水库的建设, 在促进社会经济发展的同时, 水库的调节作用也改变了河流的天然水文情势。水文情势决定并影响着河流生态系统的主要方面, 包括河流的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等, 水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件, 从而影响物种的分布和丰度, 进而影响生物群落的组成和多样性[1,2]。因此, 研究三峡-葛洲坝梯级水库蓄水对河流水文情势影响, 对于保障长江中下游河流生态系统健康可持续发展具有重要意义。
本研究根据三峡梯级水库下游宜昌水文站1882-2006年历史流量资料, 采用Mann-Kendall法和复Morlet小波对宜昌站流量变化进行了趋势性分析和周期性分析, 进而综合分析了葛洲坝水库和三峡水库蓄水前后宜昌站水文情势变化, 定量分析了水库蓄水对下游水文情势的影响程度, 为三峡梯级水库开展生态调度研究提供参考。
1 三峡-葛洲坝梯级水库概况
三峡-葛洲坝梯级水库是开发治理长江的大型水利骨干工程, 位于长江干流中游。其中, 葛洲坝工程建于1970年12月, 1981年6月关闸蓄水。葛洲坝工程正常蓄水位66 m, 总库容 15.8亿m3 (单独运用时) , 水库长约210 km (三峡大坝建后, 水库长度约为38 km) , 是一座径流式低水头电站, 库容小, 调蓄作用差, 其主要任务是对三峡电站日调节下泄的非恒定流过程进行反调节, 在保证航运安全和通航的条件下进行发电。三峡工程位于葛洲坝工程上游约40 km处, 2003年6月水库初期蓄水, 蓄水至135 m高程, 2003年11月蓄水至139 m高程, 2006年10月蓄水至156 m高程, 大坝正常蓄水位175 m, 水库回水长度约600 km, 水库总库容393亿m3, 其中调节库容165亿m3, 约占坝址年径流量的3.7%, 库水交换十分频繁, 为季调节型水库, 该工程具有巨大的防洪、发电、航运等综合利用效益[3]。
三峡梯级水库下游宜昌水文站, 位于长江上游与中游的交界, 位于三峡工程下游约44 km处, 是三峡梯级水库出流控制站, 能够较好反映水库蓄水前后河流水文情势变化, 因此本研究采用宜昌站水文资料进行分析。
2 研究方法
本研究首先采用Mann-Kendall法分析宜昌水文站1882-2002年125年来年均流量变化趋势, 然后采用复Morlet小波对其周期性变化特征进行了分析, 最后采用RVA分析法分析了葛洲坝水库蓄水后宜昌站水文情势改变程度, 在此基础上, 针对三峡水库蓄水后2003-20006年三峡水库蓄水坝前后水文情势变化进行了分析。下面简单介绍一下以上方法。
2.1 Mann-Kendall (M-K) 法
M-K法是一种得到广泛应用的趋势性非参数统计检验方法[4,5], 其统计量为下式:
式中:xi, xj为样本数据值;n为数据集合长度。
当n>40时, 检验统计量为:
式中:t为任意给定节点的范围;∑t是所有结点的总和。
这样, 在双边的趋势检验中, 在给定的a置信水平上, 如果|zc|≥z1-a/2, 则原假设是不可接受的, 即在a置信水平上, 时间序列数据存在明显的上升或者下降趋势。对于统计量zc大于0时, 说明上升趋势;小于0时, 则为下降趋势。当a=0.05时, 根据正态分布函数值表, 可查的z1-a/2=1.96;a=0.01时, z1-a/2=2.58。
2.2 复Morlet小波
小波分析是傅立叶 (Fourier) 变换的基础上引入了窗口函数, 小波变化基于仿射群的不变性 (平移和伸缩的不变性) , 允许把一个时间序列分解为时间和频率的贡献, 它对于获取一个复杂时间序列的调整规律, 诊断出时间序列变化的内在层次结构, 分辨时间序列在不同尺度上的演变特征等是非常有效的[6]。比较常用的小波函数有Mexican Hat小波, Dmey小波, Morlet小波等[7,8]。其中复Morlet小波作为复数形式的小波, 在应用中比实数形式的小波有更多的优点, 由于它的实部与虚部位相相差π/2, 消除了实数形式小波在变换过程中系数模的振荡, 而且从其小波系数中可以分离出模和位相, 鉴于其优点, 本研究选用复Morlet小波函数对河流水温时间序列进行连续小波变换, 其小波的母函数形式为:
式中:c为常数;i表示虚数。
通过小波变换得到的是一个尺度时间函数, 若要从该图准确的对一些复杂过程进行解释, 需要借助小波方差来进行小波分析检验, 从而确定显著周期。小波方差反映了波动的能量随尺度a的分布, 可以用来确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度, 对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度即主要周期。因此通过小波方差图, 可以确定一个时间序列中存在的主要周期。小波方差的计算公式为:
式中:Var (a) 为小波方差;Wf (a, b) 为小波系数。
2.3 变动范围法 (RVA)
为了定量分析水利工程影响下河流水文情势的变化程度, Richter等1997年提出了变动范围法 (Range of Variability Approach, RVA) , 该法建立在水文变化指标法 (Indictors of Hydrologic Alteration, IHA) 的基础上, 利用建立的生态水文指标评价水利工程影响的河流水文情势[9,10,11,12], 其计算步骤主要包括:①首先计算水利工程建设前未受干扰的33个IHA指标;②根据步骤1, 所得未受干扰前的结果拟定各个水文参数的RVA目标。本文以各指标的平均值±δ (标准差) 作为评估目标;③计算水利工程影响后的日流量数据的33个IHA指标; (4) 根据步骤2、3的结果, 可知建库前后的情况, 可知水库建库对河流水文情势的影响程度。
为了量化IHA指标受干扰后的变化程度, Richter等 (1998年) 建议水文改变度 (degree of hydrological alteration) 来评估, 其定义如下:
式中:Di为第i个IHA的水文改变度;Noi为第i个IHA受干扰后的观测年数中落在RVA目标内的年数;Ne为受干扰后IHA指标预期落入RVA目标内的年数, 可以用r×NT来评估, 其中r为受干扰前IHA落入RVA目标内的比例, 若以各个IHA的75%及25%作为RVA目标, 则r=50%, 而NT为受干扰后流量时间序列记录的总年数。
为对IHA的水文改变程度设定一个客观的判断标准, 规定若上式Di值介于0～33%属于未改变或者低度改变;33%～67%之间属于中度改变;67%～100%属于高度改变。
上述33个IHA可能会有不同的水文改变度, 即有不同个数的IHA分别属于高度、中度或低度改变, 不同的IHA对水利工程的影响的反应并不一致, 因此综合33个IHA的水文变化情形为一个整体水文改变状况来代表是一种简化且容易理解的方法, 则整体水文变化程度Do可以用以下计算方法, 取33个IHA的水文改变度的平均值来评估河流生态环境的整体变化情形, 然而这样将体现不出各指标权重大小。为了体现各指标的权重大小, 本文采用对较大的Di值给予较大的权重, 所采用的方式为将Di值平方, 另为使得最后所得值介于0至100%之间, 因此取33个IHA的平均值后再开平方根, 则整体水文改变程度Do为:
其中也规定Do值介于0～33%属于未改变或者低度改变, 33%～67%之间属于中度改变, 67%～100%属于高度改变。
3 结果分析
3.1 宜昌站流量变化趋势性分析
根据125 a流量资料分析, 宜昌站多年平均流量为14 106 m3/s, 其中7月份流量最大为29 926 m3/s, 2月份流量最小为3 967 m3/s, 汛期流量变幅大于枯水期流量变幅。宜昌站年均流量呈下降趋势, 下降趋势度为-12.1 m3/ (s·a) , 根据Mann-Kendall法计算可知, 流量下降趋势显著超过95%置信度;同时对各月流量趋势进行了分析, 通过趋势检验可知各月流量均呈现不同程度下降趋势, 下降趋势度分别为-1.0、-2.3、-2.5、-4.4、-10.5、-14.6、-8.9、-21.8、-25.0、-35.7、-12.8、-3.5 m3/ (s·a) , 并且10月、11月份流量下降趋势比较明显, 下降显著超过95%置信度, 而其他月份无显著性下降。宜昌站流量有明显减少的趋势, 其原因可能是气候变化、降雨减少以及长江流域上游水库蓄水所致, 此外人类的生产生活引水也是导致流量减少的重要原因。
3.2 宜昌站流量变化周期性分析
(1) 年均流量距平序列的小波变换。
根据宜昌站年均流量距平时间序列 (N=125) , 采用复Morlet小波进行连续小波变换, 可以得到小波变换系数的实部及模, 分别绘制其小波变换等值线图。其中小波系数实数为正时, 表示流量偏丰, 图中用实线绘制;为负时表示流量偏枯, 图中用虚线绘制;小波系数为零则对应丰枯突变点。根据所绘制的等值线图, 可分析出流量存在明显的年际变化和年代变化, 从上至下分析得出流量存在20～25 a, 10～15 a, 5～8 a 3类尺度的周期变化规律。从较大尺度20～25 a分析, 宜昌站年均流量经历了枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯16个循环交替, 2006年后流量偏枯等直线仍为闭合, 处于偏枯期;从尺度10～15 a分析, 水温经历了由枯→丰32个循环交替, 其中2006年流量偏枯曲线仍未闭合, 与20～25 a尺度的变化一样, 2006年以后一段时间仍将处于流量偏枯期。这两个尺度的周期变化在整个分析时段表现稳定, 具有全域性。5～8 a尺度上, 则有更多的循环交替。
(2) 年均流量距平序列的小波方差。
利用公式 (6) , 计算了年均流量距平序列的小波方差, 根据计算结果, 确定各序列存在的主要周期, 根据小波方差图可知有4个峰值, 分别对应5、8、13和23 a的时间尺度, 第一峰值是23 a尺度, 说明23 a左右的周期震荡最强, 为流量变化的第1周期, 第2～4周期依次为13、8和5 a。
3.3 葛洲坝水库蓄水后水文情势影响程度分析
(1) 水文情势变化程度分析。
根据RVA法计算步骤, 以宜昌水文站1882-1980年和1981-2002年的日均流量作为葛洲坝水库建设前后的原始资料进行IHA指标计算, 并以各指标平均值 (标准差) 作为RVA目标的下限和上限, 并且计算了葛洲坝建坝后各水文参数的改变程度。根据计算结果, 从每组水文指标分析葛洲坝水库建库后, 宜昌水文站水文情势变化及其影响程度。其中高度改变的水文参数2个, 包括低脉冲历时和涨落次数, 分别为93%和100%;中度改变的水文参数3个, 包括6月平均流量、最小流量日和涨幅率, 分别为36%、38%和49%;其他水文参数改变度均低于33%, 属于低度改变。
根据对葛洲坝建坝前后宜昌站年均流量变化分析, 可知建坝后年均流量下降变化趋势比建坝前趋势更加明显, 并且葛洲坝建坝前 (1882-1980年) 宜昌站多年平均流量为14 257 m3/s, 建坝后 (1981-2002年) 多年平均流量为13 719 m3/s, 平均减少538 m3/s。而且, 建坝后的5、6、8、9、10、11和12月流量较建坝前减少, 其中8、9和10月减少量较大, 10月份减少量约为建坝前流量的12%;1、2、3、4月流量略有增加, 7月份增加流量最大, 约为5%, 这与葛洲坝水库调度方式有关。
(2) 整体水文改变程度。
根据水文指标计算结果, 27项指标属于轻度改变, 3项指标属于中度改变, 2项指标属于高度改变, 为了从整体上评价水库建设对水文情势影响程度, 采用公式 (8) 计算可知, 整体水文改变度为Do=29%, 葛洲坝建坝后水文情势变化程度整体上属于低度改变程度。由此可见, 葛洲坝修建后对水文改变程度较小, 其主要原因是它是低水头径流式大坝, 拦蓄和调节水量能力有限, 然而由于其拦截了长江干流以及电站的日调峰, 在一定程度上使得高低流量脉冲频率、历时以及水流涨落数量有较大程度改变。
3.4 三峡水库蓄水后水文情势影响程度分析
三峡水库2003年6月开始蓄水, 进入初期运行期, 资料系列较短, 用RVA分析方法不合适, 因此采用2003-2006年流量资料与过去资料进行对比分析三峡水库蓄水后宜昌站水文变化情况。
(1) 均值流量变化。
三峡水库蓄水后多年月均流量变化, 见图1。由此可见, 三峡水库蓄水后, 除1、2、3月外, 其他月份都有不同程度的下降, 并且7、8、9、10、11月份下降明显。三峡水库蓄水前后月均流量变化值, 见图2, 其中三峡水库建坝前 (1882-2002) 多年平均流量为14 219 m3/s, 三峡蓄水后多年平均流量为12 407 m3/s, 流量减少1 812 m3/s, 约占建坝前的12.7%。
(2) 极值流量变化。
根据对三峡水库蓄水后多年平均极大值流量变化分析, 三峡建坝后各月除2、3月外, 其他月份均低于建坝前流量, 其中7、8、9月减少最为明显;根据对三峡水库蓄水后多年平均极小值流量变化分析, 建坝后除10、11月份低于建坝前极小值流量外, 其他各月均高于建坝前, 其中9月份最为明显。
总的来看, 三峡水库初期运行期, 三峡水库表现了较大的水流调节作用, 远远大于葛洲坝水库的影响, 出现枯水期流量加大, 丰水期流量减少的趋势, 这与水库的防洪、发电的调度方式有直接的关系, 三峡水库于2009年蓄水到175 m后, 其调节功能更大, 对下游河流生态系统的影响也将产生深远影响。
4 结 语
本文采用近125年来宜昌水文站流量历史资料, 分析了宜昌站流量变化趋势性和周期性变化, 并且综合分析了葛洲坝水库和三峡水库蓄水前后宜昌站水文情势变化特征, 定量分析了葛洲坝水库和三峡水库对水文情势影响程度。本研究主要结论包括:
(1) 宜昌站年均流量总体呈下降趋势, 下降趋势度为-12.1 m3/ (s·a) , 根据Mann-Kendall法检验, 流量下降趋势显著超过95%置信度;同时对各月流量趋势进行了分析, 通过趋势检验可知各月流量均呈现不同程度下降趋势, 其中10、11月份流量下降趋势比较明显, 下降显著超过95%置信度, 而其他月份无显著性下降。
(2) 根据小波分析结果, 宜昌站流量具有5、8、13和23 a时间尺度的丰枯震荡周期变化, 其中23 a左右的周期震荡最强, 为流量变化的第1周期, 第2～4周期依次为13、8和5 a;根据对23 a左右时间尺度分析, 2006年以后一段时间仍将处于流量偏枯期。
(3) 根据RVA法分析结果, 葛洲坝水库蓄水后, 其中高度改变的水文参数2个, 为低脉冲历时和涨落次数, 变化为93%和100%;中度改变的水文参数3个, 包括6月平均流量、最小流量日和涨幅率, 变化分别为36%、38%和49%;其他27项水文参数改变度均低于33%, 属于低度改变;综合分析水库蓄水对水文情势整体影响程度, 为29%, 属于低度改变程度。可见, 葛洲坝修建后对水文影响程度较小。
(4) 2003年6月三峡水库蓄水后, 三峡水库蓄水后多年月均流量变化, 流量减少1 812 m3/s, 约占水库蓄水前的12.7%, 其中除1、2、3月外, 其他月份都有不同程度的下降, 并且7、8、9、10、11月份下降明显, 总的来看, 三峡水库初期运行期, 三峡水库表现了较大的水流调节作用, 远远大于葛洲坝水库的影响, 出现枯水期流量加大, 丰水期流量减少的趋势。
根据以上结论可知, 三峡水库具有较大水流调节作用, 必将改变长江河流水文情势, 水流情势变化, 水温、泥沙等水文要素也会随之改变, 河流水生生物生境将受到影响。因此, 为了减缓对水流情势影响, 有必要开展生态调度研究以保证近天然水流情势, 实现河流健康可持续发展。
摘要：以梯级水库下游宜昌水文站1882-2006年流量资料为研究对象, 采用Mann-Kendall法对宜昌站流量变化进行了趋势性分析, 并采用复Morlet小波周期性分析, 在此分析基础上采用变动范围法 (RVA) 分析葛洲坝水库蓄水前后宜昌站水文情势变化, 定量评价了水文情势改变程度, 随后对三峡水库蓄水前后宜昌站水文情势变化进行了分析。结果表明, 葛洲坝水库对水文情势改变程度为29%, 影响程度相对较小, 而三峡水库蓄水后, 在较大程度上改变了河流水文情势, 水文情势改变必将影响到长江中下游河流水生生物生态安全。
关键词：变动范围法,三峡水库,水文情势
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