程雙虎

（河北省水文水資源勘測局，石家莊050031）

1 崗黃水庫基本情況

崗南、黃壁莊水庫（以下簡稱崗黃）是海河流域子牙河水系滹沱河中下游的兩座梯級大型水庫。崗南水庫控制流域面積1.59萬km2，總庫容17.04億m3。下游28km處為黃壁莊水庫，總庫容12.1億m3，距離石家莊市30km，崗黃水庫聯(lián)合控制流域面積2.34萬km2，占滹沱河流域面積的95%。兩座水庫功能均以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、工業(yè)和城市生活、環(huán)境供水等。兩座水庫均初建于1958年，后又經(jīng)歷了擴(kuò)建、續(xù)建、除險(xiǎn)加固等階段，目前兩座水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到萬年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)。

崗黃水庫保護(hù)區(qū)為：下游25個(gè)縣（市）、1245萬人口、120萬hm2耕地，重要工礦及交通設(shè)施有：華北油田、大港油田，京廣、京九、京深等重要交通干線。崗黃水庫聯(lián)合調(diào)度曾抗御了“63·8”和“96·8”兩次特大洪水，發(fā)揮了巨大的防洪作用。崗黃水庫還是省會石家莊市和西柏坡電廠的水源地，為下游6條灌區(qū)超過20萬hm2農(nóng)田提供農(nóng)業(yè)用水。崗黃水庫作為向首都北京應(yīng)急供水工程的兩大水庫，2008～2013年向北京累計(jì)供水7.68億m3，崗黃水庫為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。

2 崗黃水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究的必要性

崗黃水庫擔(dān)負(fù)著流域防洪、供水等重要任務(wù)，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水庫承擔(dān)的防洪任務(wù)越來越重，興利要求也越來越高，防洪與興利的矛盾非常突出。目前水庫汛期調(diào)度采用分期汛限水位，但主汛期水庫洪水調(diào)度仍采用汛限水位 “靜態(tài)控制法”，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的汛限水位進(jìn)行控制，不考慮實(shí)時(shí)降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)成果，只要水庫超過汛限水位，洪水過后必須降到汛限水位，以迎接設(shè)計(jì)洪水的到來。由于流域降雨非常集中，往往集中在主汛期一兩場暴雨，庫水位降至汛限水位后，一旦再無洪水可蓄，造成水資源的極大浪費(fèi)。崗黃水庫作為石家莊市水源地，每年的城市生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)很重，2008年以來崗黃水庫開始向北京供水，2009年又增加了滹沱河生態(tài)供水，崗黃水庫水資源狀況將對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。為此，在確保水庫安全的前提下合理抬高與運(yùn)用水庫汛限水位是緩解流域水資源供需矛盾的有效途徑。

3 崗黃水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制實(shí)用方法

根據(jù)崗南、黃壁莊水庫除險(xiǎn)加固建設(shè)工程完成后的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)度運(yùn)行情況，在汛限水位研究方法上進(jìn)行調(diào)研和探索，利用預(yù)留淤積庫容法、峰前量法、峰量不同頻率變時(shí)段同倍比放大法，結(jié)合下游河道調(diào)蓄及地下水庫實(shí)現(xiàn)水庫可控動(dòng)態(tài)泄流調(diào)度法等不同方法計(jì)算汛限水位可以調(diào)整的幅度，并采用漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析法、隨機(jī)模擬法，對汛限水位抬高進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

3.1 利用預(yù)留淤積庫容法

3.1.1 基本原理

主要是依據(jù)設(shè)計(jì)洪水過程線和水庫庫容曲線，按照預(yù)先制定的調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)洪，要求萬年一遇洪水位不能超過允許最高洪水位。水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中都是按照淤積一定年限后的庫容進(jìn)行調(diào)度分析，崗黃水庫都剛剛完成加固，近年又沒有出現(xiàn)較大洪水，水庫淤積量不大，可利用預(yù)留的淤積庫容，為水庫實(shí)時(shí)調(diào)度中提高汛限水位提供可能。

3.1.2 汛限水位抬高分析

崗黃水庫設(shè)計(jì)洪水過程線采用1994年4月《崗南黃壁莊水庫設(shè)計(jì)洪水復(fù)核報(bào)告》中成果；庫容曲線崗南采用1989年實(shí)測資料分析到2006年庫容曲線，黃壁莊采用2004年實(shí)測庫容曲線；泄流曲線崗黃水庫按現(xiàn)有泄水建筑物的泄流能力。采用常規(guī)的三級控泄崗黃水庫洪水調(diào)度方式，崗南水庫汛限水位為192m，黃壁莊汛限水位按116，117，118m分別進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪結(jié)果如表1所示。

表1 崗黃水庫不同汛限水位調(diào)洪最高水位

由表1可以看出，崗南水庫汛限水位按192m時(shí)，萬年一遇洪水位達(dá)209.586m，與設(shè)計(jì)校核水位（209.59m）基本一致；黃壁莊水庫以允許最高洪水位128.098m控制，對于區(qū)間設(shè)計(jì)崗南相應(yīng)組合的情況，汛限水位可以調(diào)整到116m；對于區(qū)間相應(yīng)崗南設(shè)計(jì)組合的情況，汛限水位可以提高到118m?？傮w來講，崗南水庫汛限水位為192m時(shí)，黃壁莊水庫汛限水位可以調(diào)整到116m。

3.2 峰量不同頻率變時(shí)段同倍比放大法

從崗黃水庫實(shí)測洪水資料分析可以看出，歷年實(shí)測的洪水資料中洪峰和時(shí)段最大洪量同頻率遭遇的機(jī)會很少，即所謂的峰量不同頻率。按照這種性質(zhì)，用峰量變時(shí)段同倍比放大的過程線，理論上比同頻率放大的過程線洪量要小，因此汛限水位有提高的空間。根據(jù)原設(shè)計(jì)采用的黃壁莊、崗南、平山3個(gè)站的洪峰、3d洪量、6d洪量的頻率計(jì)算成果，分別采用流域已發(fā)生的1956年、1963年和1996年3場洪水作為典型年放大，得到各典型年的設(shè)計(jì)洪水過程線，依此過程線，崗南水庫按汛限水位192m，黃壁莊水庫按汛限水位113～119m進(jìn)行調(diào)洪演算，得出結(jié)論如下：

（1）在遇到峰小量大的“63·8”胖型洪水時(shí)，崗南汛限水位192m時(shí)，萬年一遇的洪水位204.01m。黃壁莊汛限水位119m時(shí)，萬年最高洪水位為127.39m，低于水庫的允許最高洪水位。

（2）在遇到峰高量小的“96·8”瘦型洪水時(shí)，崗南汛限水位192m時(shí)，萬年一遇的洪水位204.61m。黃壁莊汛限水位119m時(shí)，萬年最高洪水位為126.77m，低于水庫的允許最高洪水位。

（3）在遇到峰量適中的“56·8”洪水時(shí)，崗南汛限水位192m時(shí)，萬年一遇的洪水位208.47m。黃壁莊汛限水位117m時(shí)，萬年一遇最高洪水位為127.953m；汛限水位118m時(shí)，萬年一遇最高洪水位為128.387m，高于水庫的允許最高洪水位。最不利的典型為“56·8”型洪水，黃壁莊水庫汛限水位最大提高到117m。

3.3 峰前量法

3.3.1 設(shè)計(jì)原理

在洪水過程中，在洪峰流量時(shí)刻利用洪峰流量和峰前洪量兩個(gè)要素確定該洪水的量級，不一定需要等峰后的量形成后再確定洪水的量級；這樣的峰前量法可以提前一段時(shí)間進(jìn)行洪水調(diào)度。

3.3.2 調(diào)度判斷

判別條件為：當(dāng)崗南水庫入庫洪峰流量大于5年一遇（1900m3/s）時(shí)，同時(shí)其洪峰前的洪水總量達(dá)到5年一遇的最大洪峰流量前的洪量 （0.55億m3，相當(dāng)于3d洪量的24.5%，6d洪量的19.2%）時(shí)，可以判斷此洪水達(dá)到5年一遇洪水，洪水調(diào)度可以提前進(jìn)入下一級調(diào)度，即由與區(qū)間湊泄400m3/s變?yōu)榕c區(qū)間湊泄800m3/s；同樣遇洪峰及洪峰前的洪量達(dá)到10年、50年的控制條件時(shí)，可提前進(jìn)入下一級調(diào)度。

采用平山為條件，可以判斷區(qū)間來水達(dá)到5年、10年、50年等控泄條件時(shí)的洪水，利用黃壁莊水庫設(shè)計(jì)洪峰流量和設(shè)計(jì)最大洪峰前的洪水總量進(jìn)行判斷，確定洪水量級：5年控泄 400m3/s，10年控泄800m3/s，50 年控泄 3300m3/s。

表2 崗南水庫及區(qū)間設(shè)計(jì)洪水峰前量法判別條件

3.3.3 調(diào)度成果

采用 “峰前量法”調(diào)度，崗南水庫汛限水位192m時(shí)，對于崗南設(shè)計(jì)區(qū)間相應(yīng)情況，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到119m以上，對于崗南相應(yīng)區(qū)間設(shè)計(jì)情況，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到118m。

3.4 水庫可控動(dòng)態(tài)泄流調(diào)度法

3.4.1 設(shè)計(jì)原理

黃壁莊水庫下游入滲條件較好，存在一個(gè)面積400km2的地下調(diào)節(jié)水庫，水庫的泄流經(jīng)過滹沱河河道，經(jīng)河槽調(diào)蓄和補(bǔ)充地下水，洪峰和洪量都有很大損失。在滿足同一標(biāo)準(zhǔn)河道規(guī)定流量情況下，水庫可以加大下泄流量，以此原理，調(diào)整水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制所需要的泄量。

3.4.2 利用河道調(diào)蓄功能加大泄流方案

在制定方案時(shí)，對于低標(biāo)準(zhǔn)洪水可以減少泄量，體現(xiàn)洪水資源的利用。對于預(yù)報(bào)洪水達(dá)到規(guī)定的洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以通過增加泄量，降低洪水位，本次采用設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位控制，根據(jù)水庫實(shí)際情況制定3種泄流方案，對3種方案按崗南汛限水位192m，黃壁莊為115～119m時(shí)分別進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪成果見表3。

表3 不同泄流方案萬年一遇最高洪水位 單位：m

3.4.2.1 預(yù)蓄后超泄型（方案1）

5年以下洪水控泄200m3/s，5～10年水庫控泄400m3/s，10～50 年控泄 4000m3/s。此方案在低標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，先進(jìn)行蓄水，滿足洪水資源化，當(dāng)預(yù)報(bào)洪水達(dá)到規(guī)定的洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再增加泄量。由萬年一遇洪水控制，黃壁莊汛限水位可以達(dá)到118m以上。

3.4.2.2 預(yù)蓄中超后常規(guī)型（方案2）

5年以下洪水控泄 200m3/s，5～10年水庫控泄1200m3/s，10～50年控泄 3300m3/s。 由萬年一遇洪水控制，黃壁莊汛限水位可以達(dá)到116m上。

3.4.2.3 超泄型（方案3）

5年以下洪水控泄 800m3/s，5～10年水庫控泄1200m3/s，10～50年控泄 4000m3/s， 此方案充分利用河道的調(diào)蓄功能，在每個(gè)時(shí)段都超泄，當(dāng)黃壁莊汛限水位即便是119m時(shí)，水庫萬年最高洪水位才到127.5359m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許值128.098m。

4 水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 隨機(jī)模擬法

根據(jù)水庫歷年洪水特征值之間相互獨(dú)立的特性，采用自回歸模型以1956年洪水為典型洪水過程隨機(jī)模擬了1萬組崗南與區(qū)間洪水組合，分別組成了入庫洪水序列，對不同汛限水位調(diào)整方案，分別進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）崗南水庫汛限水位變化對黃壁莊的防洪風(fēng)險(xiǎn)影響很大，而其自身的風(fēng)險(xiǎn)卻變化不大，這是由兩水庫聯(lián)合調(diào)度方式?jīng)Q定的。當(dāng)遭遇大洪水時(shí)，按照水庫調(diào)度規(guī)程，一旦庫水位超過203m時(shí)，水庫敞泄，這就相當(dāng)于把崗南自身的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給了下游的黃壁莊水庫，因此導(dǎo)致黃壁莊水庫風(fēng)險(xiǎn)增大。當(dāng)崗南水庫汛限水位提高至193m時(shí)，黃壁莊水庫超過設(shè)計(jì)洪水位的風(fēng)險(xiǎn)迅速增大，此時(shí)黃壁莊水庫的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)由接近500年一遇降為300年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)由萬年一遇降為5000年一遇。因此，在進(jìn)行崗南、黃壁莊水庫汛限水位調(diào)整時(shí)，對于崗南水庫，要慎之又慎，盡量使其汛限水位保持不變，以保證下游黃壁莊水庫的防洪安全。

（2）黃壁莊水庫汛限水位的變化對崗南水庫的防洪風(fēng)險(xiǎn)影響較小，因此，黃壁莊水庫調(diào)整汛限水位主要考慮其自身防洪風(fēng)險(xiǎn)的變化情況即可。當(dāng)黃壁莊水庫汛限水位增至115m時(shí)，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)降為400年一遇，增至115.5m時(shí)，降為約200年一遇，對其防洪安全影響很大，同時(shí)，當(dāng)汛限水位提高至115m時(shí)，水庫及下游的防洪危險(xiǎn)度也開始迅速增大。故黃壁莊水庫汛限水位調(diào)整，應(yīng)該嚴(yán)格控制，不宜超過115.5m。

4.2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析法

當(dāng)崗南汛限水位192m，黃壁莊水庫汛限水位由114m抬高至116m時(shí)，水庫漫壩風(fēng)險(xiǎn)均低于10-6數(shù)量級，可以接受。按照可接受程度，黃壁莊汛限水位不宜超過116m。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

崗黃汛限水位研究符合新時(shí)期水利發(fā)展要求，可以充分利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源，大大提高了水庫蓄水能力。本研究采用了國內(nèi)外多種前沿方法如漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析法、隨機(jī)模擬法等，并進(jìn)行創(chuàng)新研究如結(jié)合下游河道調(diào)蓄削峰及地下水庫減量實(shí)現(xiàn)水庫可控動(dòng)態(tài)泄流調(diào)度法等，這些研究方法互為補(bǔ)充，在理論上對水庫汛限水位研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益嘗試，對于北方缺水地區(qū)水庫汛限水位調(diào)整具有很高的理論推廣價(jià)值。

本文經(jīng)過研究分析，崗南保持汛限水位192m不變，黃壁莊水庫汛限水位可以提高至115.5m。黃壁莊水庫近幾年來，采用汛限水位研究中間成果，汛限水位由114m提高至115m，累計(jì)減少汛前和汛期棄水1.26億m3，水庫在連續(xù)枯水年仍能滿足各用水戶用水需求，發(fā)揮了穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是在2007年和2008年主汛期調(diào)度中，水庫主汛期按115m汛限水位進(jìn)行調(diào)度，減少了汛期棄水0.9億m3，在一定程度上緩解了春季大旱對農(nóng)業(yè)灌溉的影響，也為北京應(yīng)急供水儲備了足夠的水源，有效緩解了流域水資源短缺問題。

5.2 展望

崗黃水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究的目的，是在確保水庫防洪安全的前提下，科學(xué)利用洪水資源。為此，研究應(yīng)用過程要遵照有關(guān)防洪安全的基本思想、原則與要求，要充分論證研究的科學(xué)性，要在以后調(diào)度實(shí)踐中多總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這對于提高水庫科學(xué)管理水平，合理利用洪水資源，充分發(fā)揮水庫防洪興利綜合效益具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。應(yīng)該指出，本次研究成果只是初步的，以后隨著工作的深入和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，還需要進(jìn)行深入研究：

（1）應(yīng)根據(jù)研究成果進(jìn)一步明確水庫防洪調(diào)度的判別條件與調(diào)度方式，編制水庫調(diào)度規(guī)程，在確保水庫防洪安全的前提下科學(xué)調(diào)度。

（2）對崗黃水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制的效益與風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行深入研究。

（3）以后隨著降雨、洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的提高，可利用信息的增加，對汛限水位動(dòng)態(tài)控制進(jìn)行深入研究，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到116m。

［1］王本德，周惠成.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制理論與方法及其應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］胡四一，高波，王忠靜，等.海河流域洪水資源安全利用—水庫汛限水位確定與運(yùn)用［J］.中國水利， 2002（10）：105-108.

［3］張華忠，余富基 .流域控制性水庫管理研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［4］鄂竟平.要充分發(fā)揮水庫的作用［J］.中國水利，2006（14）.

［5］蔣云鐘，劉攀.水庫調(diào)度 實(shí)現(xiàn)洪水資源化［N］.中國水利報(bào)，2006-08-03.