李永清，楊敏慧，姬生才，王進(jìn)學(xué)，曾需要

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅永靖 731600；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

汛限水位是協(xié)調(diào)水庫防洪與興利效益矛盾的關(guān)鍵[1]，因此水庫汛限水位控制是汛期提高洪水資源利用率的重要途徑[2]。經(jīng)多年的研究和實(shí)踐，水庫汛限水位研究已有較大的發(fā)展，已由單一固定汛限水位控制、分期固定水位控制到汛限水位動(dòng)態(tài)控制階段[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者已對(duì)汛期超汛限水位運(yùn)行進(jìn)行了大量研究[4-7]，且對(duì)洪水預(yù)報(bào)情況下汛限水位進(jìn)行了研究[8-11]，但研究對(duì)象多為單個(gè)水庫，對(duì)2個(gè)或多個(gè)水庫聯(lián)合調(diào)度的研究相對(duì)較少。

黃河龍羊峽水庫具有多年調(diào)節(jié)性能，劉家峽水庫具有年調(diào)節(jié)性能。目前，黃河上游梯級(jí)水電站的運(yùn)行是在龍～劉兩庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行的格局下進(jìn)行的，特別是梯級(jí)洪水調(diào)度。龍羊峽～劉家峽水庫的原洪水聯(lián)合調(diào)度方案是在未考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，在龍羊峽水庫設(shè)計(jì)汛期限制水位2 594.00 m、劉家峽水庫設(shè)計(jì)汛期限制水位1 726.00 m的基礎(chǔ)上，并將汛期限制水位作為洪水調(diào)節(jié)的起調(diào)水位，進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算確定各水庫的洪水位與相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。龍羊峽水庫防洪庫容大，而且實(shí)際運(yùn)行中龍羊峽水庫并非每年汛前都達(dá)到汛期限制水位，汛前水位低于黃河水利委員會(huì)(簡稱：黃委會(huì))允許的汛期限制水位2 588.00 m，也就是說運(yùn)行水位至汛期限制水位之間有一定的空閑庫容，可幫助劉家峽水庫存蓄上游洪水而減小其入庫洪量，為劉家峽水庫汛期超汛期限制水位提供可能。此外，如果考慮洪水預(yù)報(bào)，合理安排龍羊峽～劉家峽水庫洪水聯(lián)合調(diào)度方案，可進(jìn)一步提高劉家峽水庫汛期限制水位，增加汛期發(fā)電效益。因此，本文將在考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，研究劉家峽汛期最高可運(yùn)行水位，以期增加汛期發(fā)電效益。

1 基本資料

1.1 洪水典型與地區(qū)組成

為了提高下游劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽等梯級(jí)水電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)，在興建龍羊峽水電站的任務(wù)中承擔(dān)了協(xié)助下游已建水電站提高度汛標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)中對(duì)黃河上游洪水采用了1964、1967年2種典型，洪水地區(qū)組成采用1964、1967年典型比例分配放大和按照上、下游同頻、區(qū)間相應(yīng)2種地區(qū)組成，黃河上游典型洪水和地區(qū)洪水共組成4種洪水過程。

1.2 庫容曲線

(1) 龍羊峽水庫庫容曲線

龍羊峽水庫采用原設(shè)計(jì)天然庫容曲線，見圖1。

圖1 龍羊峽水庫水位庫容曲線圖

(2) 劉家峽水庫庫容曲線

劉家峽水庫庫容曲線采用2004年實(shí)測庫容曲線，見圖2。

圖2 劉家峽水庫水位庫容曲線圖

1.3 泄水建筑物泄流能力曲線

(1) 龍羊峽水電站

龍羊峽水電站泄水建筑物水位～流量關(guān)系見圖3。

圖3 龍羊峽水電站泄水建筑物水位～流量關(guān)系圖

(2) 劉家峽水電站

劉家峽水電站泄水建筑物水位～流量關(guān)系見圖4。

圖4 劉家峽水電站泄水建筑物水位～流量關(guān)系圖

2 洪水預(yù)報(bào)初步方案

2.1 黃河上游洪水特性

黃河上游大洪水主要由大范圍降雨形成，黃河上游暴雨中心多集中在吉邁～瑪曲區(qū)間、瑪曲～唐乃亥區(qū)間的南段一帶，次中心在洮河或湟水流域。唐乃亥以上降雨量較豐，植被較好，多沼澤和草原，滯洪作用明顯，為黃河上游的主要產(chǎn)洪區(qū)；唐乃亥～循化區(qū)間為相對(duì)干旱區(qū)，匯入水量很少；循化～上詮區(qū)間的洮河、大夏河流域?yàn)辄S河上游第二個(gè)暴雨區(qū)，加入水量較多[11]。

黃河上游洪水漲落緩慢，歷時(shí)較長，一般一次洪水過程約40 d左右，峰量關(guān)系對(duì)應(yīng)較好。大水年份汛期早，洪次相對(duì)較多。汛期為6-9月，洪水大多出現(xiàn)在7-9月，通常7月份洪水峰型相對(duì)較尖瘦，9月份洪水峰型較肥胖。

2.2 洪水預(yù)報(bào)初步方案

根據(jù)黃河上游洪水特性，唐乃亥以上地區(qū)是黃河上游主要產(chǎn)洪區(qū)，龍羊峽水庫防洪庫容大，可有效削減唐乃亥以上洪水洪峰流量；循化～上詮區(qū)間為黃河上游第二暴雨區(qū)，加入水量較多，而循化～上詮區(qū)間洪水則需要?jiǎng)⒓覎{水庫進(jìn)行調(diào)蓄，削減洪峰以滿足劉家峽下游防洪對(duì)象防洪要求。

基于黃河上游洪水特性，本次洪水預(yù)報(bào)初步方案主要對(duì)龍劉區(qū)間洪水提出預(yù)報(bào)思路。若采用實(shí)時(shí)短期洪水預(yù)報(bào)，需收集整理龍劉區(qū)間的氣候、洪水、地貌、人類活動(dòng)等流域基本特征，確定龍劉區(qū)間洪水預(yù)見期，選擇合適的產(chǎn)匯流模型，再根據(jù)歷史水文資料率定洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)，結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測流量誤差，對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行修正，進(jìn)而可以依據(jù)觀測降雨等資料進(jìn)行實(shí)時(shí)短期洪水預(yù)報(bào)。若采用中長期洪水預(yù)報(bào)，可采用成因分析法，首先對(duì)預(yù)報(bào)因子(大氣環(huán)流、下墊面等因素)與預(yù)報(bào)對(duì)象(龍劉區(qū)間洪水)之間的物理聯(lián)系分析，從中挑出具有一定物理意義的預(yù)報(bào)因子，再挑選出預(yù)報(bào)因子與預(yù)報(bào)對(duì)象之間的相關(guān)性好、且各因子之間相互獨(dú)立的預(yù)報(bào)因子，最后基于挑選的預(yù)報(bào)因子，選擇中長期預(yù)報(bào)模型(可采用基于時(shí)間序列分析的中長期預(yù)報(bào)模型或者現(xiàn)代新發(fā)展的中長期預(yù)報(bào)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)分析)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

上述洪水預(yù)報(bào)初步方案是針對(duì)龍劉區(qū)間洪水預(yù)報(bào)提出的設(shè)想，考慮到龍劉區(qū)間尚未建立系統(tǒng)的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，所以本次劉家峽水庫超汛限水位的運(yùn)行水位計(jì)算是在假定洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d和3 d下進(jìn)行研究的。

3 洪水預(yù)報(bào)下龍羊峽～劉家峽水庫的洪水聯(lián)合運(yùn)行設(shè)計(jì)

隨著黃河上游龍～青河段水電規(guī)劃的24級(jí)水電站陸續(xù)建成，龍～劉兩庫聯(lián)合防洪調(diào)度的任務(wù)：確保龍羊峽、劉家峽水庫大壩自身安全，保證已建水電站和蘭州市在各自防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)度汛安全，在保證防洪安全前提下，最大限度地實(shí)現(xiàn)洪水資源化。

3.1 控制泄量

目前劉家峽水庫仍承擔(dān)下游鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市3個(gè)防護(hù)對(duì)象的防洪任務(wù)。劉家峽水庫在滿足自身防洪安全條件下，為保證上述下游各防護(hù)對(duì)象達(dá)到預(yù)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，即使在考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，宜采用固定控制下泄流量的方式進(jìn)行調(diào)洪，其各級(jí)泄量控制如表1。

表1 劉家峽水庫各級(jí)控制流量表

根據(jù)1983年開展的黃河上游河段防洪規(guī)劃，龍羊峽水庫按照二級(jí)控泄：1 000年一遇及以下洪水時(shí)，控制最大下泄流量不超過4 000 m3/s；超過1 000年一遇洪水直至可能最大洪水，均控制最大下泄流量不超過6 000 m3/s。

3.2 初擬洪水預(yù)報(bào)下龍、劉兩庫聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則

在考慮龍劉區(qū)間洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d和3 d條件下，研究龍～劉兩水庫聯(lián)合調(diào)洪規(guī)則，即如何確定在調(diào)洪中各時(shí)段龍、劉兩水庫的下泄流量。

(1) 劉家峽水庫下泄流量

劉家峽水庫位于龍羊峽水庫的下游，各防護(hù)對(duì)象的防洪要求是通過劉家峽水庫控制下泄流量來實(shí)現(xiàn)的，即蘭州市、八盤峽水電站、鹽鍋峽水電站3個(gè)防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)分別為100年一遇、1 000年一遇、2 000年一遇。研究確定劉庫控制下泄流量分別為4 290 、4 510、7 260 m3/s，是根據(jù)各防洪對(duì)象的安全泄量與區(qū)間相應(yīng)頻率洪水的洪峰流量之間關(guān)系而定的(見表2)。

表2 龍劉區(qū)間不同頻率洪水洪峰流量表

若以QB表示劉家峽水庫的入庫洪水流量，以qB表示劉家峽水庫下泄流量，則在考慮龍劉區(qū)間洪水預(yù)報(bào)情況下，劉家峽水庫t時(shí)段的泄量初步按以下規(guī)則確定：

1)在龍劉區(qū)間洪水未達(dá)到洪峰流量前

① 當(dāng)QB,t<4 290 m3/s時(shí)，按入庫洪水流量下泄，即qB,t=QB,t；

② 當(dāng)4 290 m3/s≤QB,t<4 510 m3/s時(shí)，控泄4 290 m3/s，即qB,t=4 290 m3/s；

③ 當(dāng)4 510 m3/s≤QB,t<7 260 m3/s時(shí)，控泄4 510 m3/s，qB,t=4 510 m3/s；

④ 當(dāng)7 260 m3/s≤QB,t時(shí)，控泄4 510 m3/s，即qB,t=7 260 m3/s。

2) 龍劉區(qū)間洪水達(dá)到洪峰流量

按不同洪水等級(jí)控制最大泄量和泄水建筑物泄流能力中較小者泄量進(jìn)行下泄，若泄水建筑物泄流能力泄量大于洪水等級(jí)控制最大泄量，則按洪水等級(jí)控制最大泄量下泄流量；若泄水建筑物泄流能力小于洪水等級(jí)最大泄量，則按泄水建筑物泄流能力下泄流量。

(2) 龍羊峽水庫下泄流量

龍羊峽水庫下泄流量采用原設(shè)計(jì)成果。

4 考慮洪水預(yù)報(bào)下劉家峽水庫超汛限水位計(jì)算與分析

(1) 計(jì)算條件

1) 起始水位龍羊峽水庫：2 588.00 m(汛期限制水位)。

劉家峽水庫：1 729.00、1 730.00、1 731.00、1 732.00 m。

2) 汛期限制水位龍羊峽：2 588.00 m；

劉家峽：根據(jù)計(jì)算條件推求。

表3 考慮洪水預(yù)報(bào)條件下劉家峽水庫汛期超汛限運(yùn)行水位成果表

3) 在滿足已建水電站及蘭州市防洪要求前提下，考慮龍劉區(qū)間洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d和3 d兩種情況，即預(yù)見期為1 d時(shí)，以當(dāng)天入庫流量與預(yù)報(bào)未來1 d的入庫流量中較大的流量，按照考慮洪水預(yù)報(bào)條件下龍劉聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則進(jìn)行下泄洪水流量。預(yù)見期為3 d時(shí)，根據(jù)預(yù)報(bào)未來3 d的入庫流量，若3 d中存在2 d入庫流量超過一定洪水等級(jí)，則以當(dāng)天入庫流量與預(yù)報(bào)未來3 d中2 d入庫流量超過的流量中較大的流量，按照考慮洪水預(yù)報(bào)條件下龍劉聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則進(jìn)行下泄洪水流量，若3 d中僅有1 d入庫流量超過一定洪水等級(jí)泄量，則按照當(dāng)天入庫流量進(jìn)行判斷下泄流量。

(2) 計(jì)算結(jié)果與分析

在考慮龍劉區(qū)間洪水預(yù)報(bào)條件下，龍羊峽水庫在起調(diào)水位2 588.00 m正常運(yùn)行情況下，劉家峽水庫汛期超汛限運(yùn)行各調(diào)洪成果見表3。

由表3可得：

在未考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，龍羊峽水庫按照黃委會(huì)允許的汛期限制水位2 588.00 m，劉家峽水庫可抬高汛限的運(yùn)行水位最高為1 730.00 m；在考慮洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d條件下，劉家峽水庫可抬高汛限的運(yùn)行水位最高為1 731.00 m；在考慮洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期3 d條件下，劉家峽水庫可抬高汛限的運(yùn)行水位最高為1 732.00 m，進(jìn)而說明在考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，可進(jìn)一步抬高劉家峽水庫汛期運(yùn)行水位。

在龍劉水庫聯(lián)合調(diào)度基礎(chǔ)上，考慮洪水預(yù)報(bào)、龍羊峽水庫起調(diào)水位2 588.00 m及劉家峽起調(diào)水位在1 729.00～1 731.00 m時(shí)，龍羊峽調(diào)洪計(jì)算得出最高水位基本相同，但劉家峽水庫汛期可提高水位最高為1 731.00 m，也進(jìn)一步說明即使在考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，龍羊峽防洪庫容再大，也無法控制龍劉區(qū)間洪水，劉家峽水庫為調(diào)節(jié)龍羊峽～劉家峽的區(qū)間洪水，必須留有一定的防洪庫容。

(3) 洪水調(diào)節(jié)過程

根據(jù)考慮洪水預(yù)報(bào)條件下劉家峽水庫汛期超汛限運(yùn)行水位計(jì)算最高洪水位對(duì)應(yīng)的洪水過程，入庫洪峰在第18天出現(xiàn)，所以，本次以劉家峽水庫汛期起調(diào)水位1 731.00 m為例繪制洪水過程前20 d在未考慮洪水預(yù)報(bào)、考慮洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d和3 d三種情況下洪水調(diào)節(jié)后水位變化，見圖5～9?？梢钥闯觯邶堁驆{水庫按照黃委會(huì)允許的汛期限制水位2 588.00 m，考慮洪水預(yù)報(bào)情況及劉家峽起調(diào)水位1 731.00 m條件下，經(jīng)龍劉聯(lián)合防洪調(diào)度，計(jì)算得到劉家峽水庫最高洪水位相比預(yù)報(bào)前降低，進(jìn)而說明在考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，可進(jìn)一步抬高劉家峽水庫汛期運(yùn)行水位。

圖5 劉家峽水庫起調(diào)水位1 731.00 m下洪水調(diào)節(jié)后水位變化(P=1%)圖

圖6 劉家峽水庫起調(diào)水位1 731.00 m下洪水調(diào)節(jié)后水位變化(P=0.1%)圖

圖7 劉家峽水庫起調(diào)水位1 731.00 m下洪水調(diào)節(jié)后水位變化(P=0.05%)圖

5 劉家峽水電站汛期超汛限水位運(yùn)行的效益分析

根據(jù)黃河龍羊峽～青銅峽河段梯級(jí)水電調(diào)節(jié)計(jì)算原則與方法，考慮供水、灌溉、防洪、防凌等綜合利用要求，分別按照劉家峽水庫汛期不同運(yùn)行水位1 727.00、1 728.00、1 729.00、1 730.00、1 731.00 m進(jìn)行長系列梯級(jí)徑流補(bǔ)償調(diào)節(jié)計(jì)算，進(jìn)而得出劉家峽水庫在不同汛期限制水位的年發(fā)電量。劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發(fā)電量見圖10。

圖8 劉家峽水庫起調(diào)水位1 731.00 m下洪水調(diào)節(jié)后水位變化(P=0.01%)圖

圖9 劉家峽水庫起調(diào)水位1 731.00 m下洪水調(diào)節(jié)后水位變化(PMF)圖

圖10 劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發(fā)電量圖

由圖10可得，劉家峽水庫汛期運(yùn)行水位為在1 727.00～1 731.00 m時(shí)，每抬高1 m水頭可分別增加發(fā)電量0.173億kWh、0.173億kWh、0.125億kWh、0.091億kWh。若按劉家峽水電站目前上網(wǎng)電價(jià)0.15元/kWh計(jì)算，劉家峽水電站主汛期運(yùn)行水位抬高1、2、3、4 m時(shí)，分別增加年收入達(dá)260萬元、519萬元、707萬元、843萬元。

6 結(jié) 語

在確保黃河上游梯級(jí)安全度汛及滿足劉家峽下游鹽鍋峽水電站、八盤峽水電站、蘭州市防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m，經(jīng)龍～劉兩庫聯(lián)合防洪調(diào)度，在實(shí)施調(diào)度中劉家峽水庫汛期有可超汛期限制水位運(yùn)行的條件，但劉家峽水庫必須留有一定的防洪庫容以調(diào)節(jié)龍劉區(qū)間洪水。

根據(jù)龍～劉兩庫聯(lián)合調(diào)洪計(jì)算結(jié)果：在滿足已建水電站及蘭州市防洪要求前提下，龍羊峽水庫按照黃委會(huì)目前允許的汛期限制水位2 588.00 m，在不考慮洪水預(yù)報(bào)條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 730.00 m；在考慮洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期1 d條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 731.00 m；在考慮洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期 3 d條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 732.00 m，而且劉家峽水庫汛期運(yùn)行水位在1727.00～1731.00 m時(shí)，每抬高1 m水頭均可增加發(fā)電量，按劉家峽水電站目前上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，劉家峽水電站主汛期年收入均可增加，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。