 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 51-55 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.13008 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Necessity and Methods for Reservoir Seasonal Drought Control W ater Level* Pan Liu1, Liping Li1, Rongfei Wu2, Kai Li2 1State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 2Hubei Flood Control and Drought Relief Headquarters Office, Wuhan Email: liupan@whu.edu.cn Received: Feb. 6th, 2012; revised: Feb. 26th, 2012; accepted: Mar. 4th, 2012 Abstract: Similar to the reservoir flood control water level, the drought control water level, though a new concept, is very important for reservoir drought relief operation. The definition and the importance of the drought control water level has been introduced and discussed. Some theoretical methods on the drought control water level, including the necessity of the seasonal control and how to determinate the seasonal val- ues, have been pointed out. The reservoir drought control water level can be a guide for the further improving the management of drought, which also plays an important role in water supply engineering programming and water resources optimal allocatio n. Keywords: Reservoir Operation; Drought Control Water Level; Low Flow Runoff; Seasonal Control 论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨* 刘 攀1，李立平 1，吴荣飞 2，李 凯2 1武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 2湖北省防汛抗旱指挥部办公室，武汉 Email: liupan@whu.edu.cn 收稿日期：2012 年2月6日；修回日期：2012 年2月26 日；录用日期：2012 年3月4日 摘 要：为应对日益频繁的干旱问题，新生了旱限水位理念。通过与水库死水位和消落水位相对比， 阐述了水库旱限水位的内涵。通过类比水库汛限水位，论述了水库旱限水位分时段控制的必要性；采 用三峡水库和隔河岩水库常规调度结果，论述了旱限水位的分时段控制应主要考虑水库低水位时段并 综合水库入流和需水特征参数予以选取。依据这一原则，提出了开展旱限水位分期控制的计算方法。 关键词：水库调度；旱限水位；枯水径流；分期控制 1. 引言 水资源短缺往往引发干旱灾害。特别是受全球气 候变化和人类活动[1-3]影响，近期极端干旱[2-7]频繁发 生，引发了严重的生产、生活以及生态环境问题。为 此，国家防办及水利部水文局制定了《旱限水位(流量) 确定办法》[8]，提出了旱限水位的新理念，指出：“旱 限水位是确定江河湖海干旱预警等级的重要指标，是 启动抗旱应急响应的重要依据，是做好抗旱指挥调度 的重要基础。”开展旱限水位的研究，对全国抗旱应 急管理工作将是一个有力的推动，具有重要的现实意 义。本文拟就水库旱限水位问题，从内涵与计算方法 *基金项目：国家科技支撑计划(2009BAC56B02；2009BAC56B04)； 国家自然科学基金项目(50979072)；教育部新世纪优秀人才支持计 划(NCET-11-0401)。 作者简介：刘攀(1978-)，男，湖南湘潭人，博士，副教授，主要从 事水文及水资源开发利用研究。 Copyright © 2012 Hanspub 51  刘攀，等：论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨 第1卷 · 第3期 上开展探讨。 2. 水库旱限水位内涵与设计方法 2.1. 水库旱限水位内涵 根据《旱限水位(流量)确定办法》，当江河湖库水 位持续偏低，流量持续偏少时，影响城乡生活、工农 业生产、生态环境等用水安全，应采取抗旱措施的水 位[8]。旱限水位的确定应综合考虑江河湖库的主要用 水需求，以其最高需求值作为确定依据，以便及时启 动抗旱应急响应。对于供水水库，水库旱限水位的确 定应考虑水库所承担的城乡供水、企业生产、农业灌 溉、交通航运或环境生态等主要供水任务，并结合一 定设计来水情况进行综合分析[8]。 首先，水库旱限水位为一警示水位，旱限水位以 下库容的使用是有条件的。与水库死水位相比较，旱 限水位一般应高于死水位，这是因为死水位以下的水 量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年)，不能直接用 于调节径流。 此外，水库旱限水位与消落水位也存在联系和区 别。枯水期最低消落水位是指发电水库在正常运用情 况下，允许枯水季节消落到的最低水位，这一水位的 选择，取决于发电与航运。在同样的蓄水条件下，枯 水期消落水位越高，上游航道水深越大、发电水头越 高，但兴利库容越小，发电流量减少，枯季水库下泄 流量也减少，不利于发电出力和下游航道水深；越低 则相反。显然，旱限水位的目标是为了抗旱，而消落 水位目标则为发电与航运。对于发电水库而言，旱限 水位越高，则水库水头较大、发电效率越高，此时可 提高发电量但影响发电保证率。因此，对不同功能的 水库，旱限水位越高并不一定会影响水库的效益。 2.2. 水库旱限设计方法 《旱限水位(流量)确定办法》指出：水库应供水 量应依据水库供水设计标准、用水需求及抗旱工作要 求，选择一月或数月作为干旱预警期，并考虑干旱预 警期内设计来水和用水需求，逐月滑动计算确定。水 库旱限水位应以逐月滑动计算的水库应供水量与死 库容之和最大值所对应的水库水位作为依据，并考虑 库内取水设施高程等因素，综合分析确定[8]。 根据《旱限水位(流量)确定办法》的示例(表1)， 该水库旱限水位对应的库容取死库容加上最大应供 水量 0.13 亿m3。如果在整个枯水季节均采用该旱限 水位进行控制，对于大部分时期显然标准偏高，如 12 月和 1月的来水大于供水，此时旱限水位可略低于该 值；而 2~4 月需连续供水，故 2月采用该旱限水位又 可能标准偏低。类比于水库汛限水位，单一旱限水位 忽略了枯水季节性规律，从而具有优化设计的可能。 3. 水库枯水期的划分 3.1. 枯水季节识别的指标选取 与汛限水位只在汛期运用相类似，旱限水位控制 必须先划分出枯水时段，在枯水期内实施旱限水位控 制。根据地区属性与供水需求的不同，旱限水位控制 可能出现在来水较枯的枯水季节，也可能出现在需水 较大(如夏季灌溉需水)的时期。 因此，在划分枯水时段时，可考虑如下时间序列： 入库径流季节性特征分析、入库减去出库(包括灌溉、 供水以及生态流量等)时间序列季节性特征分析、水库 运行水位季节性特征分析等。 三峡水库入库流量和采用常规调度后的水位过 如图 1和2所示。可以看出，若仅仅观察最低水位， 程 Table 1. Inflow and water supply of a reservoir[8] 表1. 某水库应供水量逐月滑动计算结果[8] 项目 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 城市供水 0.11 0.10 0.11 0.10 0.10 0.10 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 农业灌溉 0.000.14 0.00 0.00 0.00 0.12 0.00 0.48 0.00 0.00 0.00 0.00 环境生态 0.060.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 用水需求 (亿m3) 用水总量 0.170.30 0.17 0.16 0.16 0.28 0.17 0.65 0.17 0.17 0.17 0.17 水库来水(亿m3) 0.32 0.25 0.04 0.11 0.32 2.09 1.37 0.55 0.46 0.61 0.18 0.18 应供水量(亿m3) 0 0.05 0.13 0.05 0 0 0 0.10 0 0 0 0 Copyright © 2012 Hanspub 52  刘攀，等：论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨 第1卷 · 第3期 1-1 2-1 3-14-1 5-1 6-1 7-1 8-1 9-110-1 11-1 12-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8x 10 4 时间 ( 月 - 日 ) 入库流量 (m 3 /s) Figure 1. The inflow hydrograph of the Three Gorges Reservoir from 1887 to 2010 图1. 1887~2010年三峡水库入库流量过程图 1-1 2-1 3-14-15-16-17-18-1 9-110-1 11-1 12-1 145 150 155 160 165 170 175 时间 ( 月 - 日 ) 水库水位 (m) Figure 2. The water levels hydrograph of the Three Gorges Reser- voir with conventional operation from 1887 to 2010 图2. 1887~2010年三峡水库常规调度水位过程图 则枯水期将出现在 6~9 月，显然此时是由于受水库汛 限水位约束所致，并不是真正的枯水，非汛期的最低 枯水则出现在4~6 月。水库入库流量在2~4 月达到最 小，但从调度结果看，此时水库尚存有一定水量，导 致水库最低水位出现在4~6 月。因此，对整个枯水期 仅取一个固定水位值是不合理的：从提前预警的角度 出发，可在2~4 月设置旱限水位；而从实时操作限制 角度出发，可在4~6 月设置旱限水位。 隔河岩水库 1951~2005 年的入库流量和经常规调 度的水位过程如图 3~4 所示。可以看出，最小入库流 量与最低水库水位出现的时间不同步，也论证了旱限 水位分时段运用的必要性。 可见，旱限水位的确定需考虑水库调节能力，设 置旱限水位的时期可以定义为水库在不弃水前提下， 水库水位最低的时期，并需要分时段控制运用。 1-1 2-13-1 4-1 5-16-1 7-1 8-1 9-110-1 11-1 12-1 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 时间(月-日) 入库流量 (m 3 /s) Figure 3. The inflow hydrograph of the Geheyan Reservoir from 1951 to 2005 图3. 1951~2005年隔河岩水库入库流量过程图 1-12-1 3-14-1 5-1 6-1 7-1 8-1 9-110-1 11-1 12-1 160 165 170 175 180 185 190 195 200 时间 ( 月 - 日 ) 水库水位 (m) Figure 4. The water levels hydrograph of the Geheyan Reservoir with conventional operation from 1951 to 2005 图4. 1951~2005年隔河岩水库常规调度水位过程图 3.2. 枯水季节识别方法 当选定水库水位时间序列作为分析对象后，类似 于洪水的季节性特征，枯水期变化规律也有确定性、 随机性、过渡性等特性，因而相应的枯水季节分期的 方法可采用成因分析法、数理统计法、模糊集合分析 法以及其它方法等[9]。具体方法优缺点如表2所示， 经统计实验证明，变点分析方法的性能最佳[10]。 4. 旱限水位分时段控制 4.1. 旱限水位与重现期的关系 旱限水位是确定江河湖海干旱预警等级的重要 指标，是启动抗旱应急响应的重要依据，但未能明确 采用的干旱重现期或设计保证率，《旱限水位(流量) 确定办法》的示例中，采用 75%的保证率，此时将出 现频繁预警。因此，有必要设定一定的抗旱标准，建 Copyright © 2012 Hanspub 53  刘攀，等：论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨 第1卷 · 第3期 Table 2. Methods for the drought seasonality segmentation 表2. 枯水期分期方法 划分方法 说明 特点 成因分析法 利用水文气象和统计规律分析流域“枯水 期”的确切涵义 优点：结果比较合理，有较高的可靠性而被普遍采用 缺点：需要对成灾天气进行大量的分析，尤其对于大流域，成灾天气有很多组合方式， 因而工作量大，同时分期有一定的主观性，也难于将枯水期分到较细的时段(如日) 水文 特征值法 利用实测历史流量(雨量、水库水位)资 料，选择统计指标，分析指标在枯水期的 变化规律 优点：简单实用 缺点：在分析过程中，对是不是枯水这一临界值带有一定的主观性；同时也很难将 枯水期划分得较细 模糊分析法 采用模糊集理论，描述枯水期隶属度 优点：考虑了枯水期在时间上的模糊性，在理论上有了较大的发展，具有先进性 缺点：分析结果对所选用的指标阈值比较敏感，而指标阈值在取值上任意性较大 圆形分布法 通过对枯水进行季节性分析，计算枯水发 生的集中期、集中度和枯水期的起止时间 优点：考虑枯水的时间、量级 缺点：原理较复杂，计算量大 分形分析法 用分维作指标划分枯水分期 优点：比较客观，受经验和人为影响较小。 缺点：分析计算的工作量较大。 系统聚类法 选用描述流域降雨枯水等特性的多个因 子，计算论域元素之间的相似系数以构成 模糊相似矩阵，通过系统聚类分析进行枯 水期分期 优点：避免了采用单因子进行分析带来的片面性，更具合理性 缺点：可能会产生将非连时序的时段归为一类的不合理现象 矢量统计法 把每场枯水的发生日期看作一个矢量，根 据各个矢量之间的方向相似性来判断分 割点，即作为枯水期分期点 优点：比较直观，结论合理，划分枯水期可精确到日 缺点：其应用具有一定的限制性，对相似矢量聚集的情况比较适用，而对于相同矢 量累计的情况则分期效果不明显 相对频率法 按照月(或旬)统计时段内发生枯水的频 率，分析整个时段内发生频率的变化特征 优点：比较直观。 缺点：分期划分比较粗略，只能精确到旬。 动态聚类法 先选取 K个初始值作为 K个类的聚类中 心，计算其他样本与这些中心的距离，并 按距离最小原则归入相应的类；求出每个 类的均值，作为新的聚类中心，重复上述 过程，直至相邻两次分类没有区别 优点：考虑多因子影响；方法简单实用；聚类结果为最优解 缺点：初值的选取任意性较大 Fisher 最优 分割法 分类的依据：样本的离差平方和；分割的 原则：使得各段内部样本之间差异最小， 而各段之间的差异最大 优点：考虑多因子影响；概念清晰；聚类结果为最优 缺点：计算繁琐 投影寻踪法 把高维数据采用投影指标函数投影到低 维(1~3 维)子空间上，寻找出使投影指标 函数达到最优的投影值 优点：考虑多因子影响；无需预先给定指标和权重 缺点：投影指标函数的构造存在主观性，函数构造合理与否将会对计算结果造成很 大影响 集对分析法 引进联系度(反映了聚类对象间的同一 性、差异性和对立性)概念，通过选取合 理的指标门限值将枯水期分类 优点：引进联系度在理论上有一定突破，考虑多因子指标；原理简单 缺点：在指标门限值与联系度阀值的选取上存在一定主观性 有效模糊 聚类法 提出动态模糊 C-均值聚类分析方法和相 应的时序聚类有效性函数，耦合二者建立 了适用于枯水期分期的有效模糊聚类分 析方法 优点：理论背景强 缺点：计算繁琐；对初始的类均值和孤立点敏感 变点分析法 基于统计理论，检测时间序列突变 优点：结论合理，划分枯水期可精确到日，并且在一定程度上更为客观、可靠 缺点：需较长的实测径流、雨量资料 立旱限水位与重现期(设计保证率)之间的关系。 4.2. 分期设计枯水 枯水径流频率分析是枯水研究中的重要内容，其 主要目的是通过使用概率分布来揭示极值事件的数 值与其发生频率的相互关系。与洪水频率分析类似， 枯水频率分析也涉及线型确定和参数估计的问题，也 存在其特殊性：枯水频率分析选样后，其数据可能不 满足独立性。流量历时曲线可显示各时段枯水的流量 分布情况，揭示了枯水研究中的众多信息。 Copyright © 2012 Hanspub 54  刘攀，等：论水库旱限水位分期控制的必要性与计算方法探讨 第1卷 · 第3期 Table 3. Seasonal drought control level 表3. 分时段控制旱限水位 项目 1月 2月3月4月5月6月7月8月9月 10月 11月12 月 用水总量(亿m3) 0.17 0.300.170.160.160.280.170.650.17 0.17 0.170.17 水库来水(亿m3) 0.32 0.250.040.11 0.322.091.370.550.46 0.61 0.180.18 应供水量(亿m3) 0 0.050.130.050 0 0 0.100 0 0 0 月初旱限水位库容高于死库容值(亿m3) 0.08 0.230.180.050.000.000.000.100.00 0.00 0.060.07 4.3. 旱限水位分时段控制 根据地区的枯水季节性规律，将水库的枯水期(干 旱预警期)可以月为时段进行分期，各分期采用不同的 旱限水位，从而可在不降低水库供水标准的前提下， 提高水库的抗旱能力。旱限水位分时段控制包括两方 面的内容：枯水期分期和各分期旱限水位的确定。通 过分析水库控制流域及其附近地区的长系列日降水 量资料，分析研究水库控制流域来水的时程变化规 律，结合水库工程情况，研究确定枯水期分期的必要 性、可行性和分期原则。 对于示例中的数据[8]，显然未考虑干旱过程的连 续性，因此具有改进的可能。可采用如下方法进行旱 限水位分时段控制(表3)： 1) 假定供水时段末(4 月底)库容恰好达到水库死 水位； 2) 采用水库兴利调节原理向前递推各时段所需 旱限水位对应的库容(不包含死库容)，若库容小于 0， 则设置其为 0。 给定年干旱标准，各分期的旱限水位并不唯一， 具有多种组合方式，因此存在优化的空间。通过引入 系统理论与优化方法，可以通过稍微抬高主枯水期的 旱限水位，获取较大的抗旱能力，用以大幅度降低枯 水前期、枯水后期的旱限水位，从而在不降低水库供 水标准的前提下，最大潜力的发挥水库的抗旱能力。 5. 结语 本文通过对水库旱限水位的内涵进行分析，提出 分时段控制旱限水位的必要性：干旱的产生不仅仅是 入库流量较枯，还取决于需水较大以及水库前期蓄水 位不高，由于枯水期较洪水持续时间长，因此不可能 整个枯水期采用一个固定的水位予以控制。 水库旱限水位的研究具有广阔的应用前景，但是 前国内外对旱限水位的研究还处于起步阶段，各种 目 理论和方法处于空白阶段，需要在今后的研究工作中 进一步完善。如生态流量的确定，可分为水文学法、 水力学法、栖息地法、整体法、组合法、其他方法等 6大类。水文学方法又包括 Tennant、Texas、7Q10 以 及最小月流量法等。随着水文气象预报精度的提高和 电子计算机应用技术的不断进步，必将产生一些新理 论和新技术，如何将这些理论和技术与传统的研究理 论有机地结合起来，并在实际中取得良好的效果，应 是今后的主要研究方向。 参考文献 (References) [1] HOUGHTON, J. 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