袁 晶 瑄， 王 本 德

(大連理工大學 水利工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

水庫汛限水位動態(tài)控制是指水庫在汛期，根據(jù)實時雨、水情信息，利用降雨和洪水預(yù)報成果，在不降低水庫防洪標準，確保水庫及其上下游地區(qū)防洪安全的前提下，按照科學論證并經(jīng)有關(guān)部門審批的水庫汛限水位動態(tài)控制方案確定的控制范圍對汛限水位進行浮動的調(diào)度過程.

2002年初，國家防汛抗旱總指揮部辦公室站在“從洪水控制向洪水管理”的新時期治水思路的高度，為更加充分利用洪水資源，為國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供更強有力的支持與保障，將“汛限水位設(shè)計與運用”作為水利部重大科技項目，已取得有推廣應(yīng)用價值的成果[1～3].

總結(jié)多個試點水庫汛限水位動態(tài)控制方法研究的經(jīng)驗，專家及使用者普遍提出一個亟待解決的課題，即所選的汛限水位實時動態(tài)控制方案的具體化和可操作性問題.本文針對桓仁水庫，重點研究“水庫汛限水位動態(tài)控制決策支持表”的研制和使用方法，方便水庫調(diào)度技術(shù)人員和決策人根據(jù)水雨工情信息，選擇面臨時刻允許控制的庫水位值及控泄流量等，定方案、作決策并為我國調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫(水電站)汛期洪水退水段庫水位實時控制借鑒參考.

1 工程背景

1.1 流域水文氣象特征

桓仁水庫控制流域面積10 364km2，占渾江流域面積的70.4%.渾江流域坡降較大，植被良好，年均降雨量860mm.70%的雨量集中在6～9月間，大洪水發(fā)生在7月下旬～8月中旬，一次洪水過程的主要洪量集中在3d內(nèi)，可占80%，形成陡漲陡落的洪峰.一次天氣過程造成的暴雨歷時較短，致使大部分洪水呈單峰型，漲水歷時較短，1～2d，退水歷時較長，7d左右.

1.2 水庫概況

桓仁水庫是以發(fā)電、防洪兼顧其他綜合利用的不完全年調(diào)節(jié)水庫，是渾江梯級水電站龍頭.攔河壩按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核；設(shè)計洪水位308.7m，校核洪水位310.8m，總庫容34.6×108m3.正常蓄水位與防洪限制水位均為300.0m，相應(yīng)庫容22.0×108m3.死水位290.0 m，興利庫容8.2×108m3.桓仁庫區(qū)耕地淹沒補償標準洪水頻率10%，相應(yīng)壩上洪水位303.0m，控制泄量4 000m3／s.下游4km處桓仁鎮(zhèn)防洪標準洪水頻率2%，河道安全泄量9 000m3／s，相應(yīng)桓仁水庫防洪高水位306.0m，防洪庫容12.6×108m3.桓仁發(fā)電廠裝機容量222.5MW，滿發(fā)流量416m3／s.下游梯級均為日調(diào)節(jié)水電站.

2 汛限水位動態(tài)控制決策支持表

2.1 研制汛限水位動態(tài)控制決策支持表的必要性

隨著水庫汛限水位動態(tài)控制方法研究的深入，專家及使用者普遍提出一個亟待解決的課題，即所選汛限水位實時動態(tài)控制方案的具體化和可操作性問題.盡管給出推理模式和設(shè)計開發(fā)了汛限水位動態(tài)控制系統(tǒng)軟件，一定程度上方便了調(diào)度技術(shù)人員，但機器計算過程是隱含的，決策人使用時心中無數(shù)；為方便調(diào)度技術(shù)人員和決策人，本文研制桓仁水庫汛限水位動態(tài)控制決策支持表，據(jù)此套表，即可根據(jù)汛期洪水退水段的水雨工情信息，確定面臨時刻允許控制的庫水位值及控泄流量等，方便水庫調(diào)度技術(shù)人員和決策人快速查算、定方案、作決策.這也是防范水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)發(fā)生故障時的應(yīng)急措施.

2.2 汛限水位動態(tài)控制決策支持表編制的基本原理

“汛限水位動態(tài)控制決策支持表”在事前編制.當汛期庫水位進入汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)，且?guī)焖婚_始下降時，決策人即可使用此表確定面臨時刻控制的庫水位值.該表編制基礎(chǔ)資料是退水預(yù)報信息，依據(jù)的是水庫調(diào)洪計算原理.

若汛期洪水退水段，已知預(yù)見期Ty(1～7d)內(nèi)的入流過程Qin(t)－t、允許出流過程qout(t)－t，及汛限水位動態(tài)控制約束域上、下限值Zup或Zdown，采用逆推法計算面臨時刻t0允許控制的庫水位值Z0，Zdown≤Z0≤Zup.

從防洪安全角度，若降雨預(yù)報的預(yù)見期末tend的庫水位控制約束于下限值Zdown，則

式中:V0為面臨時刻t0允許的庫容；V(Zdown)為預(yù)見期末tend的約束庫水位Zdown所對應(yīng)的庫容；Win為預(yù)見期Ty內(nèi)入庫水量；Wout為預(yù)見期Ty內(nèi)允許出庫水量；Z0為由V0查水位庫容關(guān)系z＝f(V)得面臨時刻t0允許控制的庫水位值.

2.3 影響水庫汛限水位動態(tài)控制的綜合信息

(1)汛期分期及原設(shè)計防洪限制水位

桓仁流域主汛期07－17～08－14，主汛限水位300.0m；后汛一期08－15～08－31，后汛一期汛限水位301.0m…

(2)原設(shè)計調(diào)洪原則及下游第一級防洪安全泄量約束

①起調(diào)水位300.0m；

②遭遇五年一遇洪水，桓仁水庫控泄≤4 000 m3／s，庫水位Z≤301.5m；

③庫區(qū)耕地淹沒補償標準洪水頻率P＝10%，桓仁水庫控泄≤4 000m3／s，庫水位Z≤303.0m；

④居民遷移標準洪水頻率P＝3.3%，桓仁水庫控泄≤6 000m3／s，庫水位Z≤304.7m…

(3)水庫汛限水位動態(tài)控制域

桓仁水庫汛限水位動態(tài)控制域下限值為原設(shè)計汛限水位300.0m、上限值303.0m(庫區(qū)耕地淹沒補償標準洪水相應(yīng)的庫水位).

(4)徑流預(yù)報信息

從防洪安全角度考慮，一場洪水的退水段，是利用水雨工情信息、中短期降雨預(yù)報及洪水(退水)預(yù)報信息對庫水位實時動態(tài)控制的關(guān)鍵時期.

桓仁入庫洪水始退水流量500～4 000m3／s(Δt＝6h)范圍可預(yù)報未來7d退水量.其中，桓仁水庫7d退水預(yù)報合格率100%，確定性系數(shù)0.88.7d退水預(yù)報漏報誤差最大值3.05×107m3，折徑流深(凈雨)2.9mm.桓仁水庫洪水(退水)預(yù)報方案精度均為甲級，具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，可在實際洪水調(diào)度中應(yīng)用.

(5)氣象臺降雨預(yù)報信息

通化氣象臺發(fā)布的桓仁流域未來24h無雨和小雨預(yù)報信息，桓仁流域大至暴雨過程后GFS系統(tǒng)未來1～7d降水預(yù)報信息等可利用于水庫汛限水位動態(tài)控制.

(6)流域土壤含水量消退規(guī)律估計

桓仁流域蓄水容量65.0mm.未來幾日連續(xù)無雨時，流域土壤含水量日消退規(guī)律為未來1d流域土壤含水量消退6.5mm、未來2d流域土壤含水量累積消退12.4mm、未來3d流域土壤含水量累積消退17.6mm…

3 研制汛限水位動態(tài)控制決策支持表

桓仁水庫洪水退水段實時調(diào)度中，可根據(jù)無雨(或小雨)等降水預(yù)報預(yù)見期信息、預(yù)見期末汛限水位約束、水庫控泄流量≤4 000m3／s，以及入庫洪水退水過程等實時和預(yù)報的水雨工情信息，依據(jù)2.2中“汛限水位動態(tài)控制決策支持表”編制的基本原理，采用水庫調(diào)洪計算原理逆推法，由式(1)逐時段逆推計算面臨時刻允許控制的庫水位值.

其中，汛期洪水退水段，若桓仁流域未來3d預(yù)報無雨(或小雨)，3d后桓仁庫水位降至汛限水位300.0m，由式(1)逆推，計算未來3d每日始(8:00)庫水位值，填入表1第4列至第6列中.例如:若桓仁入庫始退水流量900m3／s，面臨時刻庫水位不超過303.0m，控泄2 000m3／s，3d后庫水位可降至汛限水位300.0m，每日始(8:00)庫水位上限值見表1第2方案欄第4行第4列至第6列加粗體數(shù)據(jù).

表1 桓仁流域3d無雨、每日8:00允許庫水位值表(末水位300.0m)Tab.1 The table of allowable reservoir water level at 8:00daily in Huanren basin with three days of no rain(tip water level 300.0m)

同理，可編制預(yù)見期1～7d的桓仁入庫始退水流量－水庫控泄流量－水庫每日始庫水位上限值－末水位300.0m之間關(guān)系表，形式同表1，略.

綜上，汛期洪水退水段，桓仁流域無雨(或小雨)預(yù)報的預(yù)見期1～7d，末水位300.0m，面臨時刻允許控制的庫水位值見表2第4列至第10列的數(shù)值.

其中，若桓仁流域未來3d無雨，3d后桓仁庫水位降至汛限水位300.0m，面臨時刻允許控制的庫水位上限值見表2第6列數(shù)據(jù)(對應(yīng)于表1第4列中數(shù)據(jù))；若流域未來5d無雨，5d后庫水位降至汛限水位300.0m，面臨時刻允許控制的庫水位值見表2第8列數(shù)據(jù)；若流域未來7d無雨，7d后庫水位降至汛限水位300.0m，面臨時刻允許控制的庫水位值見表2第10列數(shù)據(jù).

4 汛限水位動態(tài)控制決策支持表的安全性分析

4.1 安全性分析的主要內(nèi)容

桓仁水庫汛期洪水退水段實時調(diào)度中，若預(yù)報未來1～7d沒有明顯的降雨天氣系統(tǒng)(即沒有中雨以上量級降雨)，決策者期望通過調(diào)節(jié)出庫流量等于入庫流量，保持面臨庫水位不下降以利于提高水能利用率或增加汛后蓄滿率，那么未來幾天的防洪安全程度如何？如果出現(xiàn)預(yù)報失誤，預(yù)見期內(nèi)桓仁庫水位不超過汛限水位動態(tài)控制約束域上限303.0m，水庫所控制的流域能抗御多大量級降雨量？能否保證水庫本身及上下游防洪安全？

為回答上述安全問題，需重點作如下分析計算，及編制應(yīng)用表(或圖)，詳見表3.

4.2 編制桓仁流域3d可抗御降雨量－面臨時刻庫水位等關(guān)系表

桓仁流域一次洪水過程的主要洪量集中在3 d內(nèi)，因此，分析桓仁水庫3d可承擔洪量、可抗御的降雨量對桓仁水庫本身及上下游防洪安全至關(guān)重要.

依據(jù)流域水量平衡原理及方程，預(yù)見期內(nèi)流域可抗御降雨量計算方程如下:

表2 預(yù)見期1～7d的桓仁水庫面臨時刻允許控制的庫水位值表(末水位300.0m)Tab.2 The table of allowable current reservoir water level of Huanren reservoir with foreseeable period of 1－7days(tip water level 300.0m)

其中

以桓仁入庫始退水流量、控泄流量、庫水位上限值303.0m為約束條件，面臨時刻庫水位在300.0～303.0m，由式(2)計算桓仁流域未來3d可抗御降雨量，見表3第4列至第7列數(shù)據(jù).表3的分析結(jié)果清晰顯示了洪水退水段，在保證下游防洪安全(水庫控泄流量≤4 000m3／s)，未來3d水庫本身及上下游防洪安全程度.

由表3知，若面臨時刻庫水位300.0m，入庫始退水流量900m3／s，按控泄1 000m3／s方案，調(diào)洪高水位≤303.0m的約束下，桓仁流域未來3d降雨量不超過63.0mm(即表3第5方案欄第2行第7列加粗體數(shù)據(jù))，水庫本身及上下游防洪是安全的；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未來3d降雨量不超過76.9mm(即表3第4方案欄第3行第7列加粗體數(shù)據(jù))，水庫本身及上下游防洪是安全的；若控泄2 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御的降雨量90.8mm(見表3第3方案欄第4行第7列加粗體數(shù)據(jù))，相當于抗御五年一遇標準洪水；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御的降雨量118.6mm(見表3第2方案欄第5行第7列加粗體數(shù)據(jù))，即可抗御十年一遇標準洪水.

5 汛限水位動態(tài)控制決策支持表的使用

5.1 汛限水位動態(tài)控制決策支持表的使用條件

綜合分析桓仁水庫多年調(diào)度經(jīng)驗，汛期洪水退水段，桓仁入庫洪水始退水流量在2 000～500 m3／s，面臨時刻庫水位在300.0～303.0m 汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)，出庫流量在泄流能力與下游防洪要求約束范圍內(nèi)(下游第一級防洪安全泄量約束為桓仁水庫控泄4 000m3／s)，且出庫流量大于入庫流量，無雨(或小雨)預(yù)報預(yù)見期為1～7d，便具備使用汛限水位動態(tài)控制決策支持表(包括表1、2及3等)的條件.

5.2 汛限水位動態(tài)控制決策支持表的應(yīng)用舉例

應(yīng)用桓仁水庫汛限水位動態(tài)控制決策支持表(表1、2及3)舉例:

表3 桓仁流域3d可抗御降雨量(mm)－面臨時刻庫水位－調(diào)洪高水位303.0m等之間關(guān)系表Tab.3 The table of the correlation among threeday resistible rainfall (mm)，the current reservoir water level and high flood water level 303.0min Huanren basin

若主汛期洪水退水段，已知面臨時刻8:00庫水位303.0m(汛限水位動態(tài)控制域上限值)，入庫退水洪水流量900m3／s，按照原設(shè)計調(diào)洪規(guī)則應(yīng)盡快降低庫水位至汛限水位300.0m，但受下游防洪安全泄量約束，水庫控泄，庫水位緩降.查表1、2及3可知:

(1)若預(yù)報未來6d流域無降雨過程，控泄1 000m3／s，面臨時刻庫水位303.0m，可保證6d后庫水位降至300.0m(見表2第4方案欄第2行第9列加粗體數(shù)據(jù))，水庫防洪風險未增加(即遇強降雨時庫水位已降至汛限水位).

(2)若預(yù)報未來6d內(nèi)任意一日有大～暴雨，面臨時刻庫水位303.0m，高于預(yù)見期1～5d所允許控制的庫水位值300.15～302.41m(見表2第4方案欄第2行第4～8列加粗體數(shù)據(jù))，防洪有風險.

若桓仁控泄流量加大至1 500m3／s，4d后庫水位可降至300.0m，即未來第5d流域發(fā)生大～暴雨，水庫防洪風險未增加.

若桓仁控泄2 000m3／s，3d后庫水位可降至300.0m，未來3d逐日回落的庫水位上限值見表1第2方案欄第4行加粗體數(shù)據(jù).則未來第4d發(fā)生大～暴雨，水庫防洪風險未增加.

若桓仁控泄3 000m3／s，2d后庫水位可降至300.0m，即未來第3d發(fā)生大－暴雨，水庫防洪風險未增加.

(3)面臨時刻庫水位303.0m，入庫始退水流量900m3／s，若控泄1 000m3／s，在調(diào)洪高水位≤303.0m的約束下，桓仁流域未來3d可抗御29.8mm降雨量(見表3第5方案欄第2行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未來3d可抗御43.7mm降雨量(見表3第4方案欄第3行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄2 000 m3／s，桓仁流域未來3d可抗御57.6mm降雨量(見表3第3方案欄第4行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御85.3mm降雨量(見表3第2方案欄第5行第4列加粗體數(shù)據(jù))，相當于抗御五年一遇標準洪水.

后汛期的汛限水位動態(tài)控制決策方法與主汛期的類似，本文限于篇幅略.

6 結(jié) 論

(1)本文研制的“汛限水位動態(tài)控制決策支持表”為事前編制.汛期洪水退水期，面臨時刻庫水位在汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)，由實時和預(yù)報的水雨工情信息，水庫調(diào)度技術(shù)人員和決策人即可使用此套表(表1、2及3)快速查算、確定庫水位實時控制方案.該套表為決策者提供了一種快速、應(yīng)急、便于操作、實用的決策工具.

(2)在約定條件下應(yīng)用汛限水位動態(tài)控制決策支持表實時控制桓仁庫水位是安全的，即

①汛期洪水退水段，當入庫始退水流量在2 000～500m3／s，面臨時刻庫水位處于303.0～300.0m汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)，下游防洪要求桓仁水庫出庫流量≤4 000m3／s，且出庫大于入庫流量，可根據(jù)實時和未來1～7d水雨工情預(yù)報信息，查汛限水位動態(tài)控制決策支持表(表1、2及3)確定面臨時刻允許控制的庫水位值及出庫流量等，簡潔方便制定水庫汛限水位動態(tài)控制方案.

②如果出現(xiàn)預(yù)報失誤，在不降低水庫本身及上下游防洪標準的前提條件下，調(diào)洪高水位≤303.0m，預(yù)見期3d內(nèi)桓仁流域仍可抗御大雨～大暴雨量級的降雨量(見表3結(jié)果).

(3)基于新理念研究汛限水位動態(tài)控制方法及其應(yīng)用，是洪水資源安全利用的關(guān)鍵性前沿課題，是學科領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢[1～3].水庫汛限水位動態(tài)控制方面的研究成果已經(jīng)很多，但如何深層次地進行應(yīng)用及應(yīng)用的可操作性一直是尚待解決的課題.本文的研究思想與方法，可為我國調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫(水電站)汛期洪水退水段庫水位實時動態(tài)控制借鑒參考.

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