跨流域调水工程的水文风险评估与调控 ——以引汉济渭工程为例

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本研究以引汉济渭跨流域调水工程为例,在考虑变化环境影响的基础上,对跨流域调水工程水源区、受水区和下游影响区的径流过程进行了联合统计,通过筛选调水工程的(最)不利工况,探究了调水工程(最)不利工况下的调度及不同分区的补水过程,提出了最不利工况下的调水工程调度方案。所取得的研究成果如下:(1)水源区、受水区和下游影响区的径流演变规律结果显示,引汉济渭跨流域调水工程水源区、受水区和下游影响区的径流序列都存在年内、年际和代际径流量分配不均的情况。对三个水文区内各径流序列的水文统计特性实施地区综合,得到了三个水文区的代表性年径流数据。透过径流过程线图分析可知,水源区、受水区和下游影响区的年径流序列均呈现有下降趋势,不同年代的径流量波动情况不一,但三个水文区的年径流量都发生有在20世纪80年代之后急剧增大的现象。(2)水源区、受水区和下游影响区的最适宜水文频率模型由分析与检验结果可知,各水文区的年径流序列下降趋势均较为显著,水源区和受水区年径流序列均在1990年发生突变,下游影响区年径流序列在1985年发生了突变,即表现出了明显的“非一致性”特征。由此可见,基于平稳性假设的水文频率分析方法在该工程不再适用。故提出使用GAMLSS模型构建水源区、受水区和下游影响区年径流序列的非一致性水文频率模型。拟合优度检验结果表明,三个水文区年径流序列的最优分布皆为位置参数随时间变化,尺度参数不随时间而变化的对数正态分布。(3)跨流域调水工程的(最)不利工况将三个水文区的非一致水文频率模型作为三个水文区径流序列的最优边缘分布,通过Copula函数构建了三个水文区两两间的二维联合分布及三者间的三维联合分布,并进行了丰枯遭遇分析。由计算结果可知,三个水文区三维联合分布的丰枯组合中,调水有利概率为40.93%,调水不利概率为59.08%,即大约2年会出现一次三区同枯的情形。当水源区为枯水年时,受水区和下游影响区同时发生枯水的条件概率为45.27%。由此可见,引汉济渭工程的调水不利概率明显大于有利概率,且调水不利年重现期很短,对运行期的跨流域调水管理非常不利。此外,当水源区为枯水年时,跨流域调水工程可转移的水量较少,尤其在极端情况下,其规划调水规模将难以保证,甚至可能对南水北调中线的运行造成一定的影响。考虑到当水源区为枯水年时,受水区和下游影响区发生枯水的概率较高且对其影响极大,故将水源区的枯水时段视为调水工程调度的不利工况,其极端枯水年视为最不利工况。依据累积距平法的分析结果,选取枯水时段1964-1980年和1990-2004年作为调水工程调度不利工况。结合水源区年径流非一致性水文频率模型,选取1995(90%特枯年)、1999(95%特枯年)和1997(99%特枯年)作为引汉济渭跨流域调水工程的最不利调度工况。(4)最不利工况下的水库(群)调度过程及工程补水效果基于引汉济渭工程不利工况和最不利工况,分别展开模拟调度研究。结果显示,不利工况下,引汉济渭工程多年平均调水量分别为9.70亿m3(1964-1980)和9.34亿m3(1990-2004),其供水保证率分别为35%和13%。由此可见,调水工程在不利工况下难以达到多年平均调水10亿m3的调水目标,且保证率偏低。同时,研究发现不利工况下黄金峡、三河口水电站多年平均发电量均低于设计值,且由于不利工况下黄金峡水库的调水量不足,三河口水库向控制闸处的提水量有所增多,导致黄金峡水电站的发电量和耗能量随来水趋枯而不断下降,而三河口水电站的发电量和耗能量则相对有所提升。最不利工况下,调水工程三个典型特枯年的年平均调水量为9.04亿m3,与多年平均10亿m3的调度目标仍存有差距。受枯水影响,黄金峡水库调水量变小,而主要改由三河口水库向控制闸调水,一定程度上发挥了三河口水库的多年调蓄作用。此外,由调水工程调度前后受水区和下游影响区的水量变化分析可知,当特枯水年时,调水量虽然能缓解西安市城市供需紧张的局面,但仍有4亿m3以上的缺口,若不及时采取应急措施,将会对西安市的水安全情势造成一定程度的影响。下游影响区的河川径流量受调水影响程度有限,但若未来下游影响区需水量持续增加,可能也会存在一定的用水安全问题,需要给予密切关注。
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