夹河子水库分期汛限水位确定及动态控制研究

夹河子水库分期汛限水位确定及动态控制研究

吴东峰1，何新林1，杨广1，刘长明2

1石河子大学绿洲生态实验室，新疆（832000）

2 新疆自治区兵团防汛抗旱办公室，新疆（832000）

摘要：针对我国西北干旱地区的洪水资源开发利用现状，在目前已有的汛期洪水调度的理论和技术基础条件下，以玛纳斯河流域的夹河子水库为实例，分析了流域独特的水文气象特征和洪水成因，采用多种分析方法对水库的汛期确定和划分进行了研究；基于目前风险分析理论的深入发展和应用，分别采用频率分析法和Monte-Carlo随机模拟法对不同的汛限水位方案进行了风险计算，并结合效益对不同的汛限水位方案进行了模糊优选，最后利用水库目前的洪水预报条件进行了汛限水位动态控制域的设计，并提出在动态控制域内考虑各期洪水的非完全独立性利用贝叶斯条件概率实施动态控制的尝试。

关键词：洪水资源化，汛期分期，分期汛限水位，风险分析，模糊控制，动态控制

1. 问题的提出

水资源紧缺已成为我国西北干旱内陆河地区社会经济可持续发展的主要制约因素之一，如何高效合理利用水资源,进一步挖掘当地水资源利用潜力,以水资源可持续利用支撑经济社会发展,成了人们共同关心的重要问题[1]。洪水资源安全利用是缓解这一问题的重要途径，处理好水库防洪与蓄水矛盾是实现洪水资源安全利用的重要手段之一，对于北方的许多地区汛期既是防洪除害的主要时期，同时也是增加水库蓄水量、实现兴利目标的关键时期，防洪兴利矛盾尤为突出。而传统的水库调度方式单一，缺乏灵活性，未能充分发挥水库的调节功能，合法但不合理，导致许多水库汛期弃水汛后无水可蓄的矛盾和长期的低水位运行无法满足汛期兴利要求的尴尬局面。

为落实水利部可持续发展的治水新理念和新思路，积极探索解决我国防洪与水资源问题的有效途径，按照水利部领导的指示精神，国家防总办在全国范围内开展了汛限水位设计与运用专题研究[2]。本文在此基础上开展了“夹河子水库汛限水位的控制运用研究”，根据流域特点进行了汛期的划分和分期汛限水位的推求，并进行了动态控制的尝试，对于解决目前玛纳斯河流域水资源短缺、防洪与灌溉兴利矛盾提供了有力的技术支撑。

2. 流域概况及水文特征

夹河子水库是玛纳斯河（以下称玛河）中游山前平原地区的一座大（Ⅱ）型拦河式水库，位于玛纳斯县西北25km处，是一座以灌溉为主，并担负重要防洪任务的大型调节水库，具有灌溉、防洪综合效益，汛期引洪，消减洪峰，减轻洪水对下游地区的灾害影响。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000一遇。该水库最大坝高17.8m，挡水高度15.7m，有溢洪道一座，泄水渠两条，年调节水量2.5～3亿m3，控制下野地、莫索湾两大灌区，灌溉面积200多万亩，是新疆重要粮、棉、糖生产基地。

新疆玛河流域是西部干旱地区具有典型代表意义的内陆河流域，该流域拥有一个地处天山北坡经济带中心的国内大型先进灌区，流域内年均气温≥10℃，积温为3400～3800℃，日照时数也很丰富，约2600～3000小时，年均降雨量120～200mm，蒸发量达到1700～2200mm。径流主要靠冰川、积雪融化和降水补给，径流量年际变化不大，全年平均径流量为12.54×108m3（红山嘴站），但在年内时间上分配却极不平衡，洪水主要集中在七、八月份，洪水的成因，以高温期的冰川及永久性积雪融化为主，以降水补给为辅。夹河子水库下游灌

区农业春灌时间一般为4月初，各水库在开灌之前通常要将水库蓄至正常蓄水位，而在此期间温度回升很快，冰雪开始融化，水库蓄水位较高，给水库带来巨大的防洪压力,2003年水库除险加固后，下泄能力大大提高，防洪压力有所减缓。而夏汛期易发暴雨融雪混合型洪水且峰高、量大、历时长，是该水库的重点防御对象，同时也是实现兴利的关键时期。

3. 洪水分期的研究

汛期是指江河中由于流域内季节性降水、融冰、化雪等，引起定时性水位上涨的时期。汛期的年际和年内变化有确定性、随机性、过渡性等特点。汛期分期是处理防洪与兴利矛盾的关键之一。对水库汛期合理划分是实现水库汛限水位分期控制、发挥水库综合效益的前提，主汛期水库为迎接洪水可以将水位降低，后汛期水库水位可以适当提高以保障兴利效益。目前汛期分期的确定方法主要有：1、成因分析法2、数理统计法3、模糊集合分析4、变点分析5、分形理论6、矢量统计法7、相对频率法。夏汛期是防洪的重点，本文采用了成因、数理统计、模糊集合和矢量统计相结合的综合分析方法对夏汛期进行了确定。

3.1春汛划分

玛纳斯河每年春季洪水量虽然不大，但较集中，水量除与冬季积雪量有关外，也与春季气温回升的快慢有关，春洪往往给下游各业造成较大的损失。

由玛纳斯河上游肯斯瓦特站1957～2000年的气温资料统计分析发现，最早是1968年3月2日气温出现正值，1963年3月4日起气温持续正值，而多年日平均气温在3月21日出现正值，4月13日之后气温都在0℃以上。3～4月的多年日平均气温与多年日平均径流量的相关系数为0.8852。夹河子水库下游灌区农业春灌时间一般为4月初，各水库在开灌之前通常要将水库蓄至正常蓄水位，而此期间，气温回升很快，冰雪开始融化，水库蓄水位较高，给水库带来巨大的防洪压力。因此，将夹河子水库的春汛时间划分为3月10日至4月20日。

1、成因分析法

分析流域水文、气象等因素的季节性变化规律，结合工程的需要划分分期。玛纳斯河流域位于准噶尔盆地南缘，发源于天山北坡的伊连哈比尔尕山冰川，属于典型的大陆性干旱气候区，系统的天气过程主要受强大的蒙古高压和西风气流控制。多年平均冰川融水量约为4.422亿m3，占肯斯瓦特断面径流量的36.97%，是玛河径流的主要补给源，其它补给源依次

为降雨、季节性融雪和地下水。天山北坡融雪洪水形成于海拔2500以下地段。700hPa高空

气温的增加能引起前山带大面积的积雪迅速消融，积雪消融的强度，随着气温升高，从海拔

低的区域逐渐向海拔高的区域推进，积雪融水增大，汇流路径相应延长。一般大规模融雪洪水，在5月中下旬的中高海拔地区积雪融化以后才开始形成。

由于垂直气候带的作用，该流域的降水分布也极不均匀，自然景观带对其径流的影响也

各不相同。降雨过程，加速了积雪消融。叠加在融雪洪水之上，使其流量增大。降雨直接补

给河流，也增加了洪水径流。根据洪水成因不同，玛纳斯河的洪水类型主要有：（1）融雪型

洪水；（2）暴雨型洪水；（3）暴雨融雪混合型洪水；（4）冰湖溃坝型洪水。其中经常发生的

是融雪型洪水和暴雨融雪混合型洪水，且这两种洪水主要发生时间集中在气温较高，降雨较

多的6～8月。

2、数理统计法

利用实测历史流量（雨量）资料，选择统计指标，分析指标在年内（或汛期）的变化

规律，通过数理统计方法得出汛期的变化规律。常见的是按旬（月）统计描述汛期的指标（暴

雨量或洪峰流量）频率分布，或点绘指标的散布图取外包线，选定一定的频率标准并分析其

合理性，来确定汛期分期的划分点。玛纳斯河径流受气温和降水的影响，年际变化平缓，年

内分配集中。年径流量的多少，与气温的高低有着明显的联系，同时气温和降水又相互制约。

玛纳斯河径流年内分配，主要集中于6月～9月，水量占全年径流量的80%(肯斯瓦特站)、

其中7月和8月水量占年径流量的55.3%。

表1 肯斯瓦特站6～9月各旬气温、降水、径流、洪峰统计表

月6月7月8月9月

旬上中下上中下上中下上中下平均气温/℃19.6 20.1 22.122.522.822.522.121.920.0 17.5 16.3 13.4旬降水量/mm 1061.0747.6 812.9772.1758.7748.5320.2510.7567.9 403.5350.1446.9降水次数/次152 170 17917817117894 114118 90 78 82降水几率/% 9.48 10.60 11.1611.1010.6611.10 5.867.117.36 5.61 4.86 5.11

平均径流量（m3/s）47.73 69.79 95.82106.39140.04163.76141.52122.16100.3761.4640.9429.63 Q>300 m3/s的次数0 0 0 1 8 14 7 4 0 0 0 0 Q>200 m3/s的次数0 0 6 9 44 54 54 28 6 0 0 0 洪峰出现次数0 0 3 2 11 14 12 5 0 0 0 0 Q洪峰>350 m3/s的次数0 0 0 2 3 4 2 1 0 0 0 0 Q洪峰>650 m3/s的次数0 0 0 0 2 2 1 0 0 0 0 0

综合分析，玛纳斯河夹河子水库的主汛期为6月下旬至7月下旬，后汛期为8月上旬至

8月中旬。

3、模糊分析方法

汛期属于模糊概念，中介过渡性是汛期模糊及分析的成因基础[4]。从影响玛纳斯河流域

的天气系统与大气环流特征可以看出，玛纳斯河流域具有明显的季节性变化规律，且为逐渐

增强，然后减弱的过程。这是汛期模糊集分析的成因基础，运用模糊水文学关于成因分析、

概率统计分析与模糊集分析相结合的研究方法，选取判断汛期与非汛期的标准值Q F，分别

取日平均流量100 m3/s 及200 m3/s划定汛期区间。根据1955～1999年日流量资料，分别得