盛海峰，張真奇，陳竽舟

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

0 引 言

水庫傳統(tǒng)的汛期水位控制方法是按照設(shè)計(jì)水位控制，不考慮任何預(yù)報(bào)信息以既定的汛限水位來時(shí)刻防御小概率的設(shè)計(jì)與校核洪水的發(fā)生，這種“一刀切”的控制方式利于水庫的運(yùn)行管理但卻導(dǎo)致了水庫汛期不敢蓄水汛后無水可蓄，造成洪水資源的浪費(fèi)，限制了水庫綜合效益的發(fā)揮。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，氣象預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)的精度大大提高，社會對水資源的需求不斷增加，對洪水的認(rèn)識發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究提供了社會基礎(chǔ)和技術(shù)保障，國家防汛抗旱總指揮辦公室也印發(fā)了水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究試點(diǎn)工作意見。

我國汛限水位動(dòng)態(tài)控制的定義于90年代后被首次提出，在2000年以后逐步形成了較為完善的理論與方法[1]。王本德、周惠成、邱瑞田等提出了汛限水位動(dòng)態(tài)控制的基本理論及計(jì)算方法[2,3]，應(yīng)用后均取得了較大效益。但是影響汛限水位動(dòng)態(tài)控制的因素較多，理論體系、控制方法結(jié)合科技發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用尚在不斷地完善中[4-7]，目前針對串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制的約束條件、結(jié)合實(shí)際防汛調(diào)度便于基層防汛人員操作的水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案研究較少。

本文以浙江省分水江水庫為例，分析串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的約束條件、研究結(jié)合水庫實(shí)際、便于調(diào)度操作的汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案。

1 研究方法

1.1 實(shí)時(shí)預(yù)蓄預(yù)泄法

實(shí)時(shí)預(yù)蓄預(yù)泄法是基于水庫泄流能力，考慮洪水或降雨預(yù)報(bào)信息的控制方法，基本思想是在洪水預(yù)見期內(nèi)有多大泄流能力就將汛限水位上浮多少。該方法理論基礎(chǔ)完善，計(jì)算簡單，適用于水文預(yù)報(bào)信息可靠性較高、預(yù)泄能力較大的水庫[2]。

1.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制域

1.2.1 有效預(yù)泄時(shí)間

有效預(yù)泄時(shí)間是指水庫在預(yù)泄過程中的實(shí)際下泄時(shí)間，需要綜合氣象預(yù)報(bào)時(shí)間、洪水預(yù)報(bào)時(shí)間、調(diào)度決策和閘門操作時(shí)間確定。

Ty=Tx+Tr-Tcu

(1)

式中：Ty為考慮洪水與降雨預(yù)報(bào)信息的有效預(yù)泄時(shí)間；Tx為考慮洪水預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間；Tr為考慮短期降雨預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間；Tcu為信息傳遞、決策、閘門操作時(shí)間之和。

1.2.2 串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域約束指標(biāo)體系

串聯(lián)水庫的汛限水位動(dòng)態(tài)控制域約束條件包括防洪安全和效益最優(yōu)，其中防洪安全包括下游防洪保護(hù)對象安全、水庫運(yùn)行安全、庫區(qū)防洪安全、上游水庫調(diào)度安全等；效益最優(yōu)包括洪水資源化、防洪能力提升，為發(fā)揮水庫綜合效益最大化，預(yù)泄過程盡量采用發(fā)電滿發(fā)流量下泄，避免預(yù)蓄水量成棄水(圖1)。

下游河道的安全流量和水庫實(shí)際的下泄流量直接影響下游保護(hù)對象的安全，因此以下游河道允許泄量和水庫泄流能力作為考慮下游保護(hù)對象安全的代表因子；汛限水位動(dòng)態(tài)控制引起的水庫校核水位變化，可能造成水庫自身安全風(fēng)險(xiǎn)，因此以水庫壩頂高程作為考慮水庫運(yùn)行安全的代表因子；征地和移民是影響庫區(qū)安全和社會穩(wěn)定的主要因素，因此以水庫的征地和移民水位作為考慮庫區(qū)安全的代表因子；汛限水位動(dòng)態(tài)控制引起的庫區(qū)回水可能影響上游水庫的下泄從而影響上游水庫調(diào)度安全，因此以上游水庫的允許下泄流量作為考慮上游水庫調(diào)度安全的代表因子。以上各代表因子作為防洪安全的約束因子，在水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究中必須考慮。

圖1 串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域約束指標(biāo)體系

1.3 汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)控制

降雨漏報(bào)是水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，一旦發(fā)生將放大水庫調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)及損失。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[9,10]，我國氣象預(yù)報(bào)的晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在80%以上，接近發(fā)達(dá)國家水平；小雨量級、中雨量級和大雨量級預(yù)報(bào)的漏報(bào)率已經(jīng)分別降至9.5%、20.4%和12.5%。雖然氣象預(yù)報(bào)的空間尺度和短期降雨預(yù)報(bào)精度顯著提高，但降雨漏報(bào)仍有可能發(fā)生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水庫預(yù)報(bào)技術(shù)同樣有了較大發(fā)展，水庫預(yù)報(bào)的預(yù)見期為防汛人員爭取了補(bǔ)償調(diào)度時(shí)間，在滿足水庫安全、下游河道防洪安全的前提下，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動(dòng)態(tài)控制域的上限調(diào)整至下限，減小甚至避免因降雨漏報(bào)而產(chǎn)生的汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

分水江是浙江省錢塘江流域下游左岸的最大支流，主流上游昌化江，與支流天目溪匯合后稱分水江，全長167 km，河道平均坡降0.23%，流域面積3 443 km2。對流域洪水能起到一定攔洪削峰的水庫共有4座，即英公水庫、華光潭一級水庫、青山殿水庫和分水江水庫，分水江流域水系及工程示意如圖2。本研究考慮青山殿水庫對分水江水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制的影響。

圖2 分水江流域水系及工程示意圖

青山殿水庫位于分水江上游昌化溪，壩址以上集水面積1 429 km2，發(fā)電流量160 m3/s。分水江水庫位于分水江干流中游段，壩址以上集水面積2 630 km2，水庫按100 年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000 年一遇洪水校核，正常蓄水位45.0 m，主汛期6月1日-7月15日限制水位40.0 m，水庫發(fā)電流量231 m3/s，水庫發(fā)電死水位39.0 m。

2.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制域

分水江水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制的約束條件為：

下游保護(hù)對象安全：分水江水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，因此水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制過程中的下泄流量不能大于3 000 m3/s；

庫區(qū)防洪安全：分水江水庫的征地水位為45.5 m、移民水位為48.6 m，針對量級暴雨洪水的調(diào)洪成果不能突破征地水位和移民水位造成社會和經(jīng)濟(jì)影響；

上游水庫調(diào)度安全：上游青山殿水庫洪水調(diào)度的重點(diǎn)為實(shí)施與天目溪洪水錯(cuò)峰調(diào)度，使匯流后流量不超過3 000 m3/s。根據(jù)匯流后河道斷面水位流量關(guān)系，分水江水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制后的回水不能影響青山殿水庫的下泄調(diào)度。

效益最優(yōu)：分水江水庫發(fā)電流量為231 m3/s，預(yù)泄過程盡量以發(fā)電流量下泄，使預(yù)蓄水量效益最大化。

綜合分水江水庫預(yù)泄時(shí)間和約束條件，汛限水位動(dòng)態(tài)控制域?yàn)閇39,43]。

2.3 針對降雨量級的汛限水位控制方案

2.3.1 暴雨典型及量級

建立分水江流域?qū)嶋H暴雨洪水樣本庫，選擇暴雨分布和洪水過程差異的暴雨典型，分別為1985年型、1994年型和1995年型。根據(jù)分水江流域面積及水庫各頻率設(shè)計(jì)洪量確定暴雨量級分別為100、150、200和250 mm。

表1 分水江水庫不同量級暴雨與壩址洪量對應(yīng)表

2.3.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案

分水江水庫不同量級不同典型暴雨的調(diào)洪成果如表2～表5。

表2 250 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表3 200 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表4 150 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表5 100 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

由表2～表5，根據(jù)約束條件確定當(dāng)預(yù)報(bào)未來3 d分水江流域遭遇150 mm量級以上的暴雨時(shí)，水庫應(yīng)將水庫水位控制在40.0 m；當(dāng)預(yù)報(bào)未來3 d流域遭遇100～150 mm量級的暴雨時(shí)，水庫應(yīng)將水位控制在42.0 m及以下；當(dāng)預(yù)報(bào)未來3 d流域無雨時(shí)，水庫可將水位控制在43.0 m。

2.4 利用水庫預(yù)報(bào)調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)控制

2.4.1 風(fēng)險(xiǎn)控制方法

水庫預(yù)報(bào)的預(yù)見期可以為防汛人員爭取補(bǔ)償調(diào)度時(shí)間，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動(dòng)態(tài)控制域的上限調(diào)整至下限，減小甚至避免汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)。分水江水庫預(yù)報(bào)的預(yù)見期一般為5～6 h，水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，考慮上游水庫發(fā)電下泄和區(qū)間入流，采用不同的緊急下泄流量使水庫水位從42.0 m回落至40.0 m所需的時(shí)間如表6?？芍?，當(dāng)緊急下泄流量不小于1 000 m3/s，分水江水庫就能在洪水到達(dá)水庫前將水庫汛限水位控制在40.0 m，避免因汛限水位動(dòng)態(tài)控制產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

表6 分水江水庫緊急泄洪成果表

2.4.2 風(fēng)險(xiǎn)控制效果

分水江水庫遭遇1969年型150 mm量級的暴雨洪水時(shí)，假定出現(xiàn)漏報(bào)時(shí)汛限水位處于42.0 m，則水庫調(diào)洪最高水位達(dá)到46.92 m，超過征地水位，最大下泄流量3 472 m3/s，超過下游河道安全泄流。利用水庫預(yù)報(bào)系統(tǒng)5～6 h預(yù)見期，通過緊急泄洪方式將汛限水位回落至40.0 m，則調(diào)洪最高水位46.17 m，最大下泄流量控制在下游河道安全泄量3 000 m3/s，大大減小了庫區(qū)的損失并避免了水庫下游保護(hù)對象的防洪風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)報(bào)調(diào)度前后的調(diào)洪成果如表7，調(diào)度線如圖3。

表7 分水江水庫1969年150 mm量級洪水不同調(diào)度方式成果表

圖3 1969年型150 mm暴雨量級優(yōu)化調(diào)度前后的過程線

3 結(jié) 語

水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法在我國北方缺水地區(qū)有一定的應(yīng)用，但是科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展、每個(gè)水庫的基本情況也不盡相同，本文采用實(shí)施預(yù)蓄預(yù)泄法，分析了串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的約束條件和針對量級暴雨預(yù)報(bào)的控制方案，對串聯(lián)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制具有借鑒作用。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 王本德,周惠成,張改紅.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].南水北調(diào)與水利科技,2007,5(3)：43-46.

[2] 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.

[3] 邱瑞田,王本德,周惠成.水庫汛期限制水位控制理論與觀念的更新探討[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004,15(1)：68-72.

[4] 周惠成,董四輝,王本德,等.水庫群聯(lián)合防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式及汛限水位研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,46(3)：401-406.

[5] 張麗娟,許海軍,方文莉,等.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制綜合信息模糊推理模式法及其應(yīng)用[J].東北水利水電,2005，23(9)：34-35,54.

[6] 吳澤寧,胡彩虹,王寶玉,等.黃河中下游水庫汛限水位與防洪體系風(fēng)險(xiǎn)分析[J].水利學(xué)報(bào),2006，37(6)：641-648.

[7] 李 瑋,郭生練,劉 攀,等.基于預(yù)報(bào)及庫容補(bǔ)償?shù)乃畮煅聪匏粍?dòng)態(tài)控制研究[J].水文,2006,26(6)：11-16.

[8] 王本德,周惠成,程春田,等.水庫預(yù)蓄效益與風(fēng)險(xiǎn)控制模型[J].水文,2000,20(1)：14-18.

[9] 王本德,周惠成,程春田,等.可利用豐滿氣象臺短期降雨預(yù)報(bào)時(shí)效分析[J].水利管理技術(shù),1994(2)：41-46.

[10] 程春田,王本德.短期氣象降雨預(yù)報(bào)在水庫防洪調(diào)度中的可行性分析[J].大自然探索,1994，13(4)：86-92.