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        某水庫實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的探討

        2010-07-03 10:24:00徐鴻昌何旭東
        大壩與安全 2010年2期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)控制庫容防洪

        徐鴻昌,何旭東

        (金華市沙畈水庫管理處,浙江 金華321062)

        汛限水位是水庫在汛期允許興利蓄水的上限水位。單一或分期的汛限水位控制(汛限水位靜態(tài)控制法)是一種以不變應(yīng)萬變的防洪策略,即無論來水情況如何,都保持在汛限水位以下運(yùn)行,以預(yù)留一定的防洪庫容,保證水庫達(dá)到設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。這一策略是在對(duì)未來入庫流量等信息未知,即沒有水文、氣象預(yù)報(bào)的情況下所做的保守策略,其后果是水庫效益不能得到充分發(fā)揮。鑒于目前的天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)達(dá)到可利用的程度[1],結(jié)合預(yù)見期內(nèi)精度較高的降雨和洪水預(yù)報(bào)信息,設(shè)計(jì)出汛限水位域值,實(shí)時(shí)調(diào)度中允許根據(jù)雨、水、工情及可利用的預(yù)報(bào)等綜合信息,在此域值內(nèi)上下浮動(dòng),稱為“汛限水位動(dòng)態(tài)控制法”。

        動(dòng)態(tài)控制法以預(yù)報(bào)凈雨為主要指標(biāo),能提前判別洪水量級(jí),使運(yùn)用調(diào)度更為科學(xué)合理,在一些水庫的運(yùn)用中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。下面以浙江省某中型水庫為例,探討汛限水位動(dòng)態(tài)控制法的運(yùn)用。

        1 工程概況

        該水庫位于錢塘江水系的金華江白沙溪上,距金華市區(qū) 50 km,是以灌溉、供水為主,結(jié)合發(fā)電、防洪等綜合利用的水利工程。水庫流域面積131 km2,多年平均降雨量為1 781 mm,平均入庫流量4.76 m3/s。水庫按洪水重現(xiàn)期 50年設(shè)計(jì),1 000年校核。梅汛期正常蓄水位272.06 m,相應(yīng)庫容8 198萬m3。臺(tái)汛期正常蓄水位270.06 m,相應(yīng)庫容7 696萬m3。設(shè)計(jì)洪水位272.97 m,相應(yīng)庫容 8 432.78 萬 m3,校核洪水位 273.44m。 下游第一級(jí)和第二級(jí)防洪安全泄量分別為220m3/s和400m3/s。一、二級(jí)電廠共裝機(jī)4×5000kW,多年平均發(fā)電量4000萬kW·h,每年向金華市區(qū)提供優(yōu)質(zhì)水6 000萬m3。

        2 水庫實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的必要性與可行性

        根據(jù)水庫設(shè)計(jì)報(bào)告和金華市防汛辦批復(fù),該水庫實(shí)行分期汛限水位控制,梅汛期的汛限水位為272.06 m,臺(tái)汛期為 270.06 m。 多年調(diào)度實(shí)踐表明,在汛限水位起調(diào)洪水,防洪庫容有限,洪水資源利用率不高。重現(xiàn)期50年洪水最大下泄流量874m3/s,重現(xiàn)期1000年洪水最大下泄流量 1679m3/s[2],遠(yuǎn)高于水庫第二級(jí)防洪安全泄量400m3/s。如果降低汛限水位,即降低起調(diào)水位,洪水期間可以減小下泄流量,但按“靜態(tài)法”控制,不考慮實(shí)際與預(yù)報(bào)的水雨情,只要庫水位超過汛限水位便要棄水,一旦后期雨量偏少,則部分犧牲了水庫的興利蓄水效益。

        該水庫壩址以上流域產(chǎn)匯流時(shí)間較短,洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期也較短,這是不利因素,但可以利用精度較高的24 h氣象預(yù)報(bào)信息延長(zhǎng)預(yù)見期,為實(shí)行動(dòng)態(tài)控制創(chuàng)造了條件。水庫于2001年建成水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,水庫屬年調(diào)節(jié)水庫,調(diào)節(jié)性能高,大壩質(zhì)量好,剛被鑒定為一類壩,泄洪潛力大,調(diào)度人員的管理和技術(shù)水平高,因此,該水庫具備實(shí)行動(dòng)態(tài)控制的條件,實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制是必要的,也是可行的。

        3 確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域

        為了防止以下兩種情況的發(fā)生:為保證下游防洪安全而減少下泄流量,導(dǎo)致汛限水位過低和為增加興利蓄水而過于抬高汛限水位,有必要設(shè)計(jì)允許動(dòng)態(tài)控制汛限水位的范圍,即汛限水位動(dòng)態(tài)控制域,作為實(shí)時(shí)調(diào)度的依據(jù)。目前,確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的方法有預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)劃設(shè)計(jì)方法、預(yù)蓄預(yù)泄法等。預(yù)蓄預(yù)泄法的信息易于獲得且可操作性好,更便于實(shí)際應(yīng)用。其基本思想是保持原有設(shè)計(jì)安全度,當(dāng)預(yù)報(bào)無雨時(shí),在有效的預(yù)見期內(nèi),水庫有多大的泄流能力,就將汛限水位上浮多少,且留有一定的余地,保證下次洪水起漲前將水位降至原設(shè)計(jì)汛限水位;當(dāng)預(yù)報(bào)有較大降雨或已開始降雨,可根據(jù)有效預(yù)見期退水過程的余富水量,下調(diào)汛限水位,亦留有一定的余地,當(dāng)發(fā)生空?qǐng)?bào)現(xiàn)象,利用退水余量將庫水位回升到原設(shè)計(jì)汛限水位。

        3.1 上限值確定

        根據(jù)近幾年編制的該水庫控制運(yùn)用方案和洪水調(diào)度實(shí)踐,攔蓄洪水尾巴允許短時(shí)超蓄水位272.80 m。基于防洪安全,汛限水位上限取 272.56 m(梅汛期)和 270.56 m(臺(tái)汛期)。

        3.2 下限值確定

        下限值的確定需考慮三方面的因素,一是可以在有效預(yù)見期內(nèi)通過泄洪將水位從上限降至下限;二是在下限水位起調(diào)重現(xiàn)期50年洪水,應(yīng)滿足下游安全泄流量的約束;三是水位蓄至下限時(shí),能保證市區(qū)供水和下游灌溉的用水需求。

        有效預(yù)見期包括短期降雨預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間和洪水預(yù)報(bào)極限預(yù)泄時(shí)間。24 h的降雨預(yù)報(bào)可信度高,考慮到實(shí)際降雨可能提早,短期降雨預(yù)報(bào)的極限預(yù)泄時(shí)間取15 h。洪水預(yù)報(bào)極限預(yù)泄時(shí)間是指洪水開始起漲至預(yù)泄流量達(dá)到下游允許安全泄量的時(shí)間,洪水預(yù)報(bào)極限時(shí)間取3 h。信息傳遞、決策、開閘時(shí)間取2 h。則有效預(yù)泄時(shí)間為15+3-2=16 h。

        按下游第一級(jí)防洪安全泄量220 m3/s預(yù)泄洪,有效預(yù)見期內(nèi)的出庫水量為220×16×3 600=1 267萬m3。根據(jù)歷次典型洪水統(tǒng)計(jì)分析,按始退流量30m3/s計(jì),根據(jù)本文表1洪水退水表推求16 h后為12m3/s。經(jīng)計(jì)算,期間入庫水量112萬m3。允許預(yù)蓄水量為有效預(yù)泄時(shí)間內(nèi)的出庫水量減去入庫水量,即1 267-112=1 155萬m3。

        梅汛期在有效預(yù)見期內(nèi)可將水位從上限消落到 267.89 m,下限取 268.06 m,相應(yīng)庫容 7 213 萬m3,攔洪庫容達(dá)1 220萬m3。臺(tái)汛期預(yù)見期內(nèi)可將水位消落到 265.70 m,下限取 266.06 m,相應(yīng)庫容6 747萬m3,攔洪庫容達(dá)1 686萬m3。

        在下限按重現(xiàn)期50年洪水起調(diào)洪水,經(jīng)演算,起調(diào)水位 266.06 m可以控制下泄流量 220 m3/s,起調(diào)水位 268.06 m可以控制下泄流量 300 m3/s,低于原設(shè)計(jì)的874 m3/s,保證了下游的防洪安全。

        為確保下游灌溉、城市供水,金華市防汛辦要求該水庫水位不低于252.06 m。九峰水庫建成后,可置換原屬沙金安灌區(qū)0.65萬ha農(nóng)田的灌溉任務(wù),提高了該水庫的供水、灌溉保證率。經(jīng)計(jì)算,下限取266.06 m可以滿足灌溉和供水的需求。

        3.3 洪水退水過程

        鑒于實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的最適宜時(shí)間是洪水退水期[1],所以洪水退水總量預(yù)報(bào)是實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的重要參數(shù)。當(dāng)降雨停止,洪水消退,可根據(jù)預(yù)報(bào)的洪水退水過程計(jì)算退水量。根據(jù)歷次洪水退水資料(降雨停止3 h后),將各次洪水退水段流量點(diǎn)繪在一張圖上,再水平方向移動(dòng)各次洪水退水段,使其尾部重合,作包線,即為流域的退水曲線[3]。根據(jù)流域退水曲線預(yù)報(bào)洪水退水過程。

        分 析 該 水 庫 歷 次 洪 水 (2002.4.24、2002.6.29、2002.8.15、2002.9.7、2004.8.12、2005.8.6、2005.9.1、2009.8.8)的退水過程,按始退流量 100m3/s繪制水庫流域綜合退水曲線,并制作洪水退水過程表,見表1。

        由表 1可得, 入庫流量從 100m3/s退到 15m3/s,歷時(shí)22h,期間入庫水量290萬m3。從30m3/s開始退,16h后流量為12m3/s,期間入庫水量 112萬 m3。

        3.4 與原汛限水位比較

        實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制,汛限水位可以在值域范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。上限比原汛限水位提高0.5 m,增加了蓄水能力。下限比原汛限水位降低4 m,多騰出800多萬m3的庫容,減輕了防洪壓力,提高了洪水資源利用率。一級(jí)電廠的發(fā)電水頭比原先有所下降,經(jīng)比較,發(fā)電耗水率相差不大[4]。因此,根據(jù)預(yù)蓄預(yù)泄原理確定的汛限水位動(dòng)態(tài)控制域是合理的。

        表1 水庫洪水退水過程表Table 1 :The recession process of reservoir flood

        4 汛限水位動(dòng)態(tài)控制的應(yīng)用

        4.1 2000.6.23 洪水的調(diào)度

        2000年6月23日,該水庫遇到建庫以來的最大洪水,降雨歷時(shí) 39 h,總降雨量 179.2 mm;洪水歷時(shí)48 h,總來水量2 048萬m3。洪峰流量超600 m3/s, 最 大 下 泄 流 量 435 m3/s。 起 漲 水 位271.18 m,最高水位 273.17 m。限于篇幅,現(xiàn)通過表2對(duì)本次防洪調(diào)度做說明。

        當(dāng)時(shí)防洪調(diào)度選擇“壩前庫水位”和“實(shí)際入庫流量”作為改變泄流量的指標(biāo),并有追求蓄水效益的傾向。開閘泄洪時(shí)間偏遲,起始下泄流量太小,以致庫區(qū)后來突降暴雨下泄流量達(dá)435m3/s,超過下游第二級(jí)防洪安全允許泄量,壩前水位最高273.17 m,超過設(shè)計(jì)洪水位0.2 m。

        4.2 運(yùn)用效益

        如果運(yùn)用汛限水位動(dòng)態(tài)控制法,選擇天氣預(yù)報(bào)和產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)等前期信息作為判斷水庫遭遇洪水的量級(jí)、改變泄流量的判斷指標(biāo),必然達(dá)到提前均勻泄流。2000.6.23洪水的調(diào)度實(shí)例,面臨時(shí)刻23日2時(shí),天氣預(yù)報(bào)有暴雨,庫水位和入庫流量見表2,22日 22時(shí)~23日 2時(shí)庫區(qū)降雨 25.6 mm, 折合徑流量330萬m3,折合上漲水位1.3 m。根據(jù)當(dāng)前庫水位、累積凈雨量、預(yù)報(bào)雨量和退水余量,23日2時(shí)如果按下游第一級(jí)安全泄量220 m3/s泄洪,到11∶30將比實(shí)際調(diào)度增泄水量385萬m3,可以在洪峰來臨時(shí)控制下泄流量在220 m3/s以內(nèi)。如果電廠提前24 h發(fā)電,將起漲水位控制在270.06 m(比實(shí)際調(diào)度低1.12 m),可多騰出防洪庫容279萬m3,可控制下泄流量在 100 m3/s以內(nèi)。

        通過對(duì)上述實(shí)例的模擬分析計(jì)算表明,實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制,既可以預(yù)防提高汛限水位而帶來的防洪風(fēng)險(xiǎn),又能使水庫達(dá)到多蓄水、多興利之目的。

        4.3 具體措施

        汛限水位動(dòng)態(tài)控制應(yīng)考慮降雨、洪水預(yù)報(bào)等因素,比靜態(tài)控制的技術(shù)要求高?,F(xiàn)結(jié)合該水庫的運(yùn)用規(guī)律和實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn),擬定實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的調(diào)度方案。

        (1)水位在汛限水位上限時(shí),電廠應(yīng)24 h滿負(fù)荷發(fā)電,并時(shí)刻關(guān)注未來24 h天氣預(yù)報(bào),如有中到大雨以上量級(jí)的降雨預(yù)報(bào),結(jié)合預(yù)報(bào)雨量的等級(jí)和回充能力控制起調(diào)水位。

        (2)因水庫流域產(chǎn)匯流時(shí)間短,需防范氣象漏報(bào)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有余地,避免因突發(fā)暴雨加大泄流量而加重下游損失。

        表2 水庫2000.6.23洪水實(shí)際調(diào)度過程表(部分)Table 2 :The operation process of reservoir flood 2000.6.23

        (3)出梅日開始的半個(gè)月為梅汛、臺(tái)汛過渡期,在此期間電廠應(yīng)加大出力,將水位降至266.06 m左右。

        (4)臺(tái)汛期攔蓄洪水尾巴,可采用汛期臨時(shí)超蓄運(yùn)用,超蓄至272.56 m。前提是未來48 h降雨預(yù)報(bào)為“無雨”,超蓄運(yùn)用需經(jīng)專題論證分析并按權(quán)限報(bào)有關(guān)部門批準(zhǔn)后實(shí)施。

        (5)臺(tái)汛期間水位超268.06 m且接到臺(tái)風(fēng)紅色警報(bào)時(shí),應(yīng)24 h連續(xù)發(fā)電,降低水位騰出防洪庫容;水位超266.06 m且接到臺(tái)風(fēng)警報(bào)時(shí),應(yīng)盡量開機(jī)發(fā)電,降低水位騰出防洪庫容。

        (6)當(dāng)預(yù)報(bào)有大暴雨時(shí),將庫水位控制在汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的下限。如發(fā)生降雨空?qǐng)?bào)(實(shí)際降雨小于預(yù)報(bào)等級(jí)域值下限),根據(jù)洪水退水過程,庫水位不能回升到預(yù)泄開始時(shí)的水位,即回充能力不夠。因此,調(diào)度實(shí)踐時(shí),應(yīng)考慮降雨空?qǐng)?bào)的因素,盡量通過提早發(fā)電而不是泄洪將水位降至下限,以免造成水資源的浪費(fèi)。

        5 結(jié) 語

        通過分析該水庫水、雨情規(guī)律和泄流能力,推求了梅汛期與臺(tái)汛期的汛限水位動(dòng)態(tài)控制約束域,擬定了實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的措施,為防汛調(diào)度決策層提供參考。汛限水位動(dòng)態(tài)控制要經(jīng)過專題研究、科學(xué)論證和相關(guān)部門審批后才能應(yīng)用。論證分析的重點(diǎn)是效益和風(fēng)險(xiǎn)的定量計(jì)算,須委托具有一定資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位承擔(dān)這個(gè)課題。實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制,將充分發(fā)揮水庫的綜合效益,為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到更為積極的作用。

        [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(guó)水利水電出版社,2006.

        [2]浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.沙畈水庫修正初步設(shè)計(jì)[R].1993.

        [3]葉守澤,詹道江.工程水文學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.

        [4]江振東,何旭東,徐鴻昌.小型水電站發(fā)電耗水率的計(jì)算研究[J].小水電,2005(4):23~26.

        [5]錢鏡林.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)管理[R].2010.

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