張倩 吳澤寧 呂翠美 郭溪 高申
摘要:南水北調(diào)工程供水和黃河供水是鄭州市城區(qū)的兩個主要外調(diào)水源,對兩者的相互補償特性及其對鄭州市城區(qū)供水的補償特性進行分析,可為制定鄭州市城區(qū)供水方案、提高供水保證率提供參考。在發(fā)現(xiàn)南水北調(diào)工程供水也具有一定的頻率特性的背景下,以兩者的供水頻率分析為基礎(chǔ),使用優(yōu)選的Copula函數(shù),對鄭州市城區(qū)南水北調(diào)工程供水和黃河供水進行補償特性計算分析,結(jié)果表明:①在豐枯同步組合類型中,兩種水源同枯的頻率最大,同平的頻率最小,發(fā)生同枯的風(fēng)險較大,易造成供水短缺風(fēng)險,此時應(yīng)積極調(diào)配水源;②同豐時水量充足,可利用調(diào)蓄水庫將多余水量存蓄,供枯時使用;③在豐枯異步組合類型中,豐與枯組合的頻率最大,枯與平組合的頻率最小;④豐枯異步的頻率大于豐枯同步的頻率,說明兩水源互補性較好。
關(guān)鍵詞:南水北調(diào)工程;補償特性;Copula函數(shù);供水量;頻率分析;鄭州市
中圖分類號:TV213.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.009
隨著城市化進程加快,亟需更高的供水保證率來保障社會運轉(zhuǎn)。提高城市供水保證率的有效途徑之一是對供水進行合理高效利用。水廠調(diào)度往往涉及多個水源,不同的多水源供水頻率組合會產(chǎn)生不同的可供水量結(jié)果,取多年平均或某一頻率的供水量無法為實際的水資源調(diào)度提供準(zhǔn)確支持,在一定程度上降低了對水資源的利用率。對不同供水進行補償特性分析有助于解決這一問題。陳守煜等[1]采用方差分析和模糊假設(shè)檢驗對碧流河水庫汛期和非汛期來水的補償特性進行了分析,姜彪等[2]對碧流河水庫及英那河水庫的來水進行了補償分析,王妍等[3]運用Copula函數(shù)對大伙房水庫輸水工程的水源區(qū)和受水區(qū)的徑流豐枯補償特性進行了研究。
南水北調(diào)中線工程和黃河供水工程是向鄭州市城區(qū)供水的主要工程,對保障城區(qū)的用水起著重要作用。受水源地水資源條件變化、不同時節(jié)沿途蒸發(fā)及水權(quán)交易等因素的影響[4],南水北調(diào)中線工程對鄭州市城區(qū)的供水存在年際差異,和黃河一樣豐枯情況年年不同,兩者可供水量的豐枯組合情況也不同。目前對兩者供水的補償特性分析研究較少。本文通過優(yōu)選的Copula函數(shù),對鄭州市城區(qū)的南水北調(diào)工程供水和黃河供水的補償特性進行分析,得到9種豐枯組合中兩種水源的豐枯同步、異步頻率,以期為水資源調(diào)度提供參考。
1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)選取
2016年年底鄭州市成為國家中心城市,亟需良好的城市供水能力以保障經(jīng)濟發(fā)展。鄭州市城區(qū)是鄭州市的核心發(fā)展區(qū)域,近年來水資源面臨諸多問題:①用水量激增.2017年總用水量比2007年增加了123.5%:②水資源量呈減少趨勢.2017年水資源總量比2007年減少了35.9%:③尖崗水庫和常莊水庫是鄭州市城區(qū)的重要備用水源,但近年來水庫來水量銳減,致使城區(qū)應(yīng)對突發(fā)情況能力弱[5]?,F(xiàn)階段主要外調(diào)水源黃河水和南水北調(diào)工程供水的豐枯情況不同,對兩者的補償特性進行分析可為解決上述問題提供幫助。
鑒于南水北調(diào)工程實際供水的時間序列較短,而《南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報告(2005)》的研究時段為1956-1997年,本文使用1956-1997年南水北調(diào)工程對河南省的規(guī)劃供水?dāng)?shù)據(jù),對其進行處理后得到對鄭州市城區(qū)的供水?dāng)?shù)據(jù)。黃河對鄭州市城區(qū)的供水量序列按照“豐增枯減”的分水原則,對1956-1997年的黃河花園口水文站的來水?dāng)?shù)據(jù)進行處理后得到。
2 基于Copula函數(shù)的不同供水補償特性分析方法
Copula函數(shù)是構(gòu)建聯(lián)合分布的一種有效方法,它的優(yōu)勢在于能夠靈活地構(gòu)造邊緣分布為任意分布的水文變量聯(lián)合分布,邊緣分布和相關(guān)性結(jié)構(gòu)可以分開考慮,對正負(fù)相關(guān)性都適用[6]。
2.1 分布函數(shù)的確定
P-Ⅲ型分布函數(shù)廣泛適用于我國水文頻率的計算[7]。對于非天然河流,分別用P-Ⅲ型分布、極值分布、指數(shù)分布和對數(shù)正態(tài)分布對數(shù)據(jù)進行擬合,采用均方根誤差法(RMSE)和AIC信息準(zhǔn)則法選定最優(yōu)分布函數(shù):
3 結(jié)果與討論
3.1 供水頻率分析
3.1.1 南水北調(diào)工程供水頻率分析
根據(jù)1956-1997年南水北調(diào)工程對河南省的規(guī)劃供水量,按下式折算可得到對鄭州市城區(qū)的可供水量:
由式(7)得到的南水北調(diào)工程1956-1997年對鄭州市城區(qū)的供水量見圖1。由圖1可知,南水北調(diào)工程對鄭州市城區(qū)的最大年可供水量為34 305萬m,最小年可供水量為20 734萬m,多年平均可供水量為29 521萬m,表明南水北調(diào)工程供水具有年際變化不均的特點。
將南水北調(diào)工程對鄭州市城區(qū)的多年可供水量代人各分布函數(shù),對其擬合性進行檢驗,由式(1)、式(2)得到RMSE值和AIC值,見表2??梢钥闯?,P-Ⅲ型分布AIC值最小,擬合程度最好。
黃河對鄭州市城區(qū)1956-1997年的可供水量見圖2。由圖2可知,黃河年可供水量最大值為5 131萬m3,最小值為852萬m,表明黃河水供水具有年際不均的特點。對黃河水供水序列的邊緣分布函數(shù)的參數(shù)進行估計,得到x =2 416萬m3、Cv =0.365 1.Cs=0.867 3,由式(8)可得到最優(yōu)邊緣分布函數(shù)表達(dá)式。
3.2 補償特性頻率分析
3.2.1 Copula函數(shù)優(yōu)選
對各Copula函數(shù)進行擬合檢驗,由式(4)、式(5)得到檢驗統(tǒng)計量D和離差平方和O/S的值(見表3)。顯著性水平a= 0.05、n=42對應(yīng)的D(n,a)= 0.210,各函數(shù)的D值都小于0.210,通過了K-S檢驗。其中Clayton Copula函數(shù)的O/S值最小,可作為最優(yōu)聯(lián)合函數(shù)。利用Clayton Copula函數(shù)計算理論頻率,將其與經(jīng)驗頻率擬合(見圖3),可以看出擬合程度較好。
通過南水北調(diào)工程供水和黃河供水的邊緣分布函數(shù)擬合出最優(yōu)聯(lián)合分布函數(shù),得到二維聯(lián)合分布函數(shù)圖(見圖4).據(jù)此可得出鄭州市城區(qū)兩水源來水分別對應(yīng)不同豐枯情況時的聯(lián)合頻率,還可以得出此聯(lián)合頻率對應(yīng)的南水北調(diào)工程和黃河供水量。對鄭州市城區(qū)兩水源各自豐枯情況下對應(yīng)的來水量進行計算,結(jié)果見表4。
對南水北調(diào)工程供水X和黃河供水y不同豐枯情況進行組合,可以得到以下9種類型。
其中:豐豐型、平平型和枯枯型為豐枯同步,其他為豐枯異步。運用優(yōu)選出的Clayton Copula函數(shù)對9種豐枯組合的頻率分別進行計算,結(jié)果見表5.對應(yīng)的可供水量見表6。
兩供水水源豐枯同步的頻率為37.66%,豐枯異步的頻率為62.34%,豐枯異步頻率大于豐枯同步頻率24.68%。9種豐枯組合類型中,枯枯型的頻率最大(為15.99%),豐豐型的次之(為15.32%),豐豐型頻率僅比枯枯型頻率小0.67%,平平型的頻率最?。?.35%)。兩水源同豐時可供水量最大,為35 125萬m3,同枯時可供水量最小,為29 687萬m,兩種情況可供水量相差5 438萬m3,兩水源同枯時可供水量有極大可能不足。豐平型和平豐型的頻率都為9. 66%.但豐平型的可供水量為34 412萬m,平豐型的可供水量為32 650萬m3,豐平型比平豐型的可供水量多1 762萬m。豐枯型和枯豐型的頻率都為12.52%,但豐枯型的可供水量為33 979萬m.枯豐型的可供水量為30 833萬m.豐枯型比枯豐型的可供水量多3 146萬m。平枯型和枯平型的頻率都為8.99%,但平枯型的可供水量為31 504萬m.枯平型的可供水量為30 120萬m3,平枯型比枯平型的可供水量多1 384萬m。豐與枯組合的頻率為25.04%,豐與平組合的頻率為19.32%,平與枯組合的頻率為19.98%。
綜上分析,南水北調(diào)工程供水和黃河供水同枯的風(fēng)險最大,易造成供水短缺風(fēng)險,此時兩外調(diào)水源必須和調(diào)蓄水庫聯(lián)合調(diào)度,才能保障社會生活的正常用水。同豐時,供水量充足,可以將多余水量通過水庫蓄起來,在供水短缺時使用。豐與枯組合加起來的頻率最大、平與枯組合加起來的頻率次之,該情況下兩水源供水能夠互補,可以降低供水短缺風(fēng)險。
4 結(jié)語
(1)鄭州市城區(qū)南水北調(diào)工程供水和黃河供水豐枯異步頻率大于豐枯同步頻率,說明南水北調(diào)工程供水和黃河供水的互補性較好。豐枯異步中,豐與枯、平與枯組合的情況下兩水源供水能夠互補。鄭州市城區(qū)的南水北調(diào)工程供水和黃河供水豐與枯組合加起來的頻率最大,聯(lián)合供水可以有效降低一方枯水時的供水短缺風(fēng)險。
(2)9種豐枯組合中,水源同枯的頻率最大、可供水量最小,對供水最不利,說明兩水源聯(lián)合供水發(fā)生供水短缺的風(fēng)險較大。
(3)水源同豐頻率僅較同枯低0.67%,此時兩水源的可供水量為35 125萬m.對供水最有利,水源同枯可供水量為29 687萬m.兩者相差5 438萬m,可聯(lián)合調(diào)蓄水庫將同豐時多余水量存儲起來,以供同枯時使用。
本文所用的供水資料是根據(jù)規(guī)劃資料得到,且時間較早,隨著人類活動和氣候變化的影響,未來的來水徑流可能會發(fā)生變化,因此未來來水條件下的豐枯遭遇情況還需進一步研究。本文的研究對象是鄭州市城區(qū),沒有涵蓋到整個市區(qū),且只研究了外調(diào)水源,更大范圍的不同水源聯(lián)合調(diào)度也有待進一步研究。
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