摘要：為完善變化環境下水庫防洪調度方案，建立了集水文非一致性診斷、水文模型還現、設計洪水計算與水庫調度規則優化于一體的水庫適應性調控方法體系，并應用于沂沭泗水系仕陽水庫.結果表明，仕陽水庫入庫洪水變異點發生在1975年;利用新安江模型對水文序列還現處理，得到滿足一致性的設計洪水，其洪峰、最大24和最大72洪量均值，較原設計分別增大了19.7%、14.5%和10.0%;建立了以防洪效益最大為目標函數的水庫優化調度模型，采用動態規劃進行求解.提出的適應性調度方案在20年、100年、000年和5000年一遇設計洪水條件下，較水庫現行設計方案最高洪水位分別降低了0.32、0.11、0.19和0.11m.

　　關鍵詞：防洪減災;水庫優化調度;非一致性;動態規劃;仕陽水庫

　　水庫是在降雨時空分布不均勻地區，緩解防洪與興利矛盾，保障防洪、供水和生態安全的重要工程措施[12].截至201年底，我國已建成9882座水庫，總庫容707億，僅大中型水庫近690座，總庫容超過243億[3].可以說，在我國已幾乎不存在完全意義上的天然流域了.近年來，氣候變化和人類活動加劇，流域水文情勢發生了較大變化，很多水庫(湖泊)其入庫洪水序列已經不再滿足水文一致性假設，設計洪水、水庫設計及運行調度的原有計算方法面臨嚴峻挑戰，據此給出的水庫調度方案，或因高估設計洪水、導致水庫功能發揮不充分，或因低估設計洪水、增大水庫安全風險.因此，在診斷水文非一致特性的基礎上，對水文序列進行一致性處理，并建立適應非一致性條件、充分發揮水庫設計效益的調度方法，是當前亟待解決的重要研究課題.自2008年Milly等在Science上發表論文“Climatechange.Stationarityisdead:whitherwatermanagement?”以來，有關水文非一致性診斷方面的研究引起了國內外學者的廣泛關注.先后提出了多種檢驗方法，主要有MannKendall、Spearman秩次相關檢驗法和貝葉斯方法等10.

　　由于單一檢驗方法存在不穩定性，2010年謝平等[1提出了融合多種方法的水文變異診斷系統，應用結果表明與單一診斷方法相比，綜合診斷系統結果更加可靠，現已成為趨勢性和跳躍性分析的常用方法.對已發生變異的水文序列進行還原或還現，再對其進行頻率分析是非一致分布水文序列頻率分析的重要內容[1.目前，還原或還現的方法主要包括：變異點前后序列與某一參數的關系分析法、時間序列的分解與合成方法和水文模型方法.

　　其中，水文模型法利用模型參數的變化反映流域下墊面變化帶來的影響，通過不同時期的降雨資料與某一時期(變異點前或后)的參數結合，實現水文序列的還原與還現,1.由于該方法具有一定的物理意義和較強的解釋能力，是目前較為常用的方法.王國慶等[1以黃河中游三川河流域為例，采用流域水文模型模擬了1970后的天然徑流過程，定量評估了氣候變化人類活動對流域徑流的影響.王忠靜等[1針對變化環境條件下水資源評價中的“還原失真”和“還原失效”問題，基于分布式水文模型提出了變化環境下水資源評價新方法.韓瑞光等[1應用河北雨洪模型對阜平站1980前后的洪水序列進行了研究，把洪水序列統一修正到80后下墊面條件下的洪水序列.

　　環境變化下如何更好地對水庫進行適應性調度受到國內外學者的廣泛關注[1.張瑋等[1針對氣候變化對水庫調度帶來的不利影響，提出一種基于DS理論的水庫適應性調度規則.吳書悅等20評估了氣候變化對徑流和新安江水庫調度的影響，并結合氣候模型與新安江模型繪制了水庫適應性調度圖.為在一定約束條件下，實現水庫防洪與興利效益最大化，學者們提出了多個數學規劃和啟發式算法21.數學規劃方法一般有嚴密的數學理論支撐，具有收斂速度快、約束條件明確的優點，雖在計算效率和靈活性上有時不如啟發式算法，但在目標函數和水庫數量較少的情況下優勢明顯.

　　其中，動態規劃(ynamicprograming，DP)在利用遞歸公式逐時段尋優的同時，保證了全局最優性，是水庫優化調度的常用方法，應用廣泛3].綜上所述，國內外學者分別在水文非一致性診斷、一致性處理與水庫適應性調度等方面開展了系列研究，取得了豐富的研究成果，但鮮見適應非一致性條件的水庫優化調度方法體系.為此，本文建立集水文非一致性診斷、水文模型還現、設計洪水計算與面向防洪安全的水庫調度規則優化于一體的水庫適應性調控方法體系，并在沭河流域仕陽水庫開展應用研究，旨在定量解析人類活動對流域洪水影響程度的基礎上，通過優化流域內現有水利工程的調度方式，降低環境變化對入庫洪水改變帶來的不利影響，提出現狀條件下最大化防洪效益的水庫調度方案，保障水庫預期效益的發揮.

　　1適應水文非一致條件的水庫優化調度方法

　　適應水文非一致條件的水庫優化調度方法體系主要包括：(1)水文非一致性診斷.目的是判斷水文序列是否存在非一致性變化，特別是變異特性，并確定變異點;(2)水文一致性處理.對于確定存在變異特性的水文序列，利用水文模型進行還現，得到滿足一致性的水文序列;然后進行頻率分析，計算滿足一致性的水庫設計洪水;(3)水庫調度方案優化.建立最大化防洪效益的水庫優化調度模型，通過模型求解得到變化條件下水庫適應性調度方案.

　　(1)水文序列變異診斷：水文序列一致性審查是工程設計的前提[.首先采用線性滑動平均法、Hurst系數法及累積模比系數法對水文序列進行初步診斷，判斷其序列是否可能存在變異;如發生變異，就要進一步診斷和分析突變性和趨勢性.借鑒綜合診斷法[1，本研究中采用的趨勢性診斷方法包括非參數Speraman秩次相關檢驗法和線性趨勢相關系數;變異診斷方法包括采用annendall(MK)檢驗法、有序聚類檢驗法、LeeHeghinian檢驗法、滑動檢驗法、滑動秩和檢驗法及MWP檢驗法.通過上述非參數統計方法獲得數值分析結果后，根據需要再結合物理成因，確定最可能的變異點.(2)水文序列一致性處理及設計洪水推求：對于診斷出具有非一致性的水文序列，首先利用水文模型方法進行還現，獲得滿足一致性的水文序列，然后進行頻率分析.主要步驟是：首先建立符合現狀下墊面條件(變異點后)的水文模型;然后將不同時期降雨、蒸發等資料，輸入具有良好精度的水文模型，計算得到現條件下滿足一致性要求的徑流過程，并根據需要遴選水文特征序列，例如洪峰、時段洪量;最后采用III概率分布對還現后的特征序列進行頻率分析，進而基于同頻率放大法對水庫入庫典型洪水過程進行放大，得到不同頻率的設計洪水過程線.

　　(3)最大化防洪效益的水庫優化調度模型：水文序列一致性條件發生改變，直接影響設計洪水成果的大小，從而影響水庫預期功能的發揮.若變異后設計洪水變小，即相當于水庫工程原設計時高估了設計洪水，則會導致水庫功能發揮不充分;反之，若變異后設計洪水變大，導致水庫規模一定條件下，水庫運行安全風險加大.但無論如何變化，對于建成后的水庫而言，最有效的辦法是完善水庫調度方案，實現水庫預期功能最大化.

　　對于前一種情況，通過抬升退水期的運行水位，適量增加水庫蓄量，一方面能減輕下游河道或者水庫的防洪壓力;另一方面由于水庫防洪庫容偏大，也能保障水庫自身安全.對于第二種情況，則需要在洪水起漲前，適當降低水庫的運行水位，為超過原設計的洪水騰空更多的防洪庫容.為此，本研究構建了以防洪效益最大化(水庫最高水位最小)為目標的水庫優化調度模型.

　　2應用實例

　　2.1研究區概況與數據

　　仕陽水庫位于沂沭泗流域中的沭河流域，控制流域面積281km，總庫容1.2億³，興利庫容0.6億³，是一座具有多年調節能力的大型水利樞紐，以防洪、灌溉為主，兼顧發電與養魚.水庫2010年經除險加固后，滿足00年一遇洪水設計、000年一遇洪水校核要求.仕陽水庫保護下游1.63萬hm耕地和30萬人口，還有206國道、335省道、日東高速公路、膠新鐵路等重要交通設施.下游小仕陽村處河道安全下泄流量為400m/s，招賢鎮斷面河道安全行洪流量910m/s.

　　仕陽水庫汛限水位為153.00，設計洪水位為155.55m，校核洪水位為158.11m.水庫現狀防洪調度規則為：遭遇年一遇設計洪水，153.00起調，控泄400m/s，保護小仕陽村，計算最高雍水位155.00;00年一遇設計洪水，153.0起調，水位上漲到155.0前控泄400m/s，155.0后敞泄，計算最高雍水位155.33.此外，本研究還收集了1961—2013年間水庫入庫洪水和庫區逐小時降雨等資料.并對入庫洪水年最大洪峰流量序列、年最大24h洪量序列與年最大72h洪量序列進行初步分析，個序列存在增大趨勢，尤其是年最大洪峰增加趨勢較為明顯.

　　2.2計算結果分析

　　2.2.1變異診斷

　　經等方法診斷仕陽水庫1961—2013年實測入庫洪水年最大洪峰流量序列、年最大24h洪量序列與年最大72h洪量序列.如表所示，各序列變異點大致有965、975、1976、1998、1999、2000和001年個變異點，其中1976年是1975年的延遲變異點，999—2001年是1998年的延遲變異點，故上述序列存在965、975和1998年個可能變異點.為了從上述個變異點中識別最可能變異點，從氣候變化和人類活動角度開展了如下分析：

　　(1)仕陽水庫實測洪水序列年限為1961—2013年，故從統計角度而言，靠近序列首端的1965年作為變異點不太可靠.(2)借助降雨量分析，由于遭遇“1997•”暴雨，故診斷出的998年延遲變異點不能認為是由于流域下墊面變化導致的變異點，而歸結于氣候所導致的變異點又過于片面，還需針對長系列水文氣象資料進一步分析確認，多種診斷方法中998年出現的次數很少，暫不考慮這個變異點.

　　年最大洪峰序列分析中，取置信度水平為.05時，有序聚類、LeeHeghinian、滑動檢驗的值都在975年達到了最大，為.68;年最大4洪量檢驗中，有序聚類、LeeHeghinian、滑動檢驗的值都在1975年達到了最大，為3.45，滑動秩和檢驗和MWP分析檢驗值同樣最大，分別為.8和.04，均為顯著跳躍;年最大72h洪量檢驗結果與最大72h洪量檢驗結果類似.綜合各診斷方法的診斷結論，仕陽水庫年最大洪峰序列、年最大24h洪量序列、年最大72h洪量序列的變異點確定為1975年.

　　2.3討論

　　為分析水文非一致性對水庫防洪安全的影響，基于仕陽水庫現行調度方式，分別對上述不考慮變異和考慮變異兩種入庫設計洪水進行了調度.由圖可以看出，如不改變水庫調度方式，水文變異導致的設計洪水增大，顯著抬升水庫最高壅水位，特別是對防洪標準內的洪水.其中年和00年一遇設計洪水下，水庫最高水位分別增加了和.31m.此外，雖然水庫最大下泄流量沒有增加，但泄洪時長均顯著增加.事實上，這些出現概率相對較大的洪水，如本例中的年一遇和00年一遇洪水更容易造成洪水災害，是流域防御的重點對象[2.

　　因此，針對水文變異導致的防洪風險增加，水庫有必要進行對應的改變.本文提出適應性調度方法的基本思想是，變異后的設計洪水經過優化調度后水庫的最高洪水位與最大下泄流量均不超過現狀調度下的特征值.然而，對于大多數水庫，特別是單庫，現行的削峰調度規則對于防洪來說已然是非常優秀的調度規則，其優化空間很小[3031.

　　為實現洪水適應性調度的目的，優化模型實質上是通過在洪峰到來前進行預泄，騰空了部分庫容.可以預見的是，若不進行預泄，現狀條件下由于洪水量級變化某些水庫可能會出現調洪最高水位高于常規調度的最高水位，這更突顯了進行適應性調度研究的重要性.此外，通過優化調度得到的解最優解是水庫實際調度能夠達到的上限，預報調度只有在預見期足夠長、預報精度非常高的情況下才能接近該效果.

　　對于設計標準外的稀遇洪水，即使水文變異增大了設計洪水的洪峰與洪量，但由于原設計洪水已經很大，即使調度規則不改變，水庫最高水位變化不明顯，本例中000年一遇和000年一遇分別增大了.06和0.22m.000年一遇洪水下最高洪水位雖然變化不大，但洪水下泄提前，持續時間增大;而000年一遇設計洪水下，洪水下泄過程幾乎相同，說明常規調度規則已沒有進一步調節洪水的能力.本文提出適應性調度方法的結果表明，在超標準洪水下，仕陽水庫仍能以控泄形式對洪水進行調節，實現保護水庫自身和下游保護目的. 從仕陽水庫的運用結果來看，本文提出的非一致性條件下水庫適應性調度方法相較于水庫現行調度技術能夠更加充分地發揮水庫預期功能.

　　在實際運用中，對于入庫洪水序列不滿足一致性假設的水庫，根據本文提出的方法計算得到現狀條件下設計洪水，然后與原設計洪水比較，當設計洪水確有改變時應重新制定水庫調度規則.當設計洪水增大時，可在現狀調度規則的基礎上，降低水庫的起調水位，來確保水庫安全;當設計洪水變小時，可在現行調度規則的基礎上，適當減小最大下泄流流量以減小下游防洪壓力，或者增加水庫蓄量，更好地發揮水庫興利效益.由于不同水庫的工程調控能力和現行調度規則不同，在運用本文所提出的方法時，適應性調度規則的提出需要決策者通過優化或者多方案比較來最終確定.相關研究27指出未來氣候變化可能導致淮河流域中小洪水(20年一遇)的洪量設計值較歷史時期增大.

　　因此，結合氣候模式與本文提出的適應性調控技術框架，預測未來降雨變化，研究未來情景下的水庫防洪調度方案是保障仕陽及類似水庫防洪安全的可行措施之一.結論受氣候變化和人類活動的強烈影響，絕大部分水庫入庫洪水序列不再滿足一致性假設，繼續采用水庫設計時形成的調度規則，往往難以充分發揮水庫設計功能與效益，甚至可能帶來防洪或供水風險.為此，本文提出了水文非一致性診斷→水文模型還現→設計洪水計算→面向防洪安全的水庫優化調度于一體的水庫適應性調控方法體系，并將其運用于仕陽水庫.取得的主要結論有：

　　1)仕陽水庫年最大洪峰序列、年最大24h洪量序列、年最大72h洪量序列的變異點均為1975年.考慮一致性影響后，仕陽水庫設計洪水明顯增大，特別是洪峰，5000年一遇、1000年一遇、100年一遇和20年一遇設計洪水洪峰分別增加了2065、1595、942和512m/s.2)如繼續采用水庫原調度方式，水文變異導致的設計洪水增大，將顯著抬升水庫最高壅水位，特別是對防洪標準內的洪水.其中，20年和100年一遇設計洪水下，仕陽水庫最高水位分別增加了0.2和0.31m.3)針對滿足一致性要求的設計洪水，通過優化調度，水庫最高水位下降量在0.110.32m之間，20年一遇設計洪水情景水位下降最為明顯;水庫最大下泄流量均未超過原設計值，能滿足保護下游小仕陽村的要求，且在超標準洪水情況下，全程未出現敞泄情況，較現狀調度規則，更好地實現了對下游的防洪.

　　水文論文范例：考慮水文非一致性變異的河道基本生態流量

　　本研究中仕陽水庫屬于水文變異導致設計洪水增大、防洪風險增大的案例，適應性調度的主要目的是降低由水文變異增加的防洪風險，這對于防洪為主的流域具有很好的借鑒意義.可以預見的是，對于水文序列具有明顯下降趨勢的流域，如黃河流域32與海河流域33等北方缺水地區，適應性調度的主要目標應是在水文變異導致水資源不足的情況下，如何通過適應性調度增加洪水資源的利用量，有待進一步研究.

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　　作者：王宗志1**，賀雨暉1,2，王坤1,3，王衛光2