李曉英 吳建春,3 陳守倫,2 帥 佳(.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 20098； 2.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 20098； 3.中國(guó)華電集團(tuán)公司，北京 0003)

基于最快下泄時(shí)間的水庫(kù)防洪調(diào)度安全度研究

李曉英1吳建春1,3陳守倫1,2帥 佳1(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210098； 3.中國(guó)華電集團(tuán)公司，北京 100031)

主要對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度中重要參數(shù)最快下泄時(shí)間的定義及其影響因素展開(kāi)探討，在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建以下游防洪要求為特征的洪水調(diào)度安全度的相對(duì)區(qū)間，以及以工程自身安全為特征的絕對(duì)區(qū)間。同時(shí),以占用防洪庫(kù)容程度為標(biāo)準(zhǔn),建立了水庫(kù)防洪調(diào)度安全度評(píng)價(jià)的靜態(tài)計(jì)算模式;以最快下泄時(shí)間為核心,建立了水庫(kù)防洪調(diào)度安全度評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)計(jì)算模式。

水庫(kù)調(diào)度;防洪調(diào)度;調(diào)度安全

1 概 述

實(shí)施汛期水庫(kù)洪水調(diào)度主要是為了解決防洪安全問(wèn)題。然而在遭遇重現(xiàn)期較長(zhǎng)的洪水時(shí)，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)、精度高的洪水預(yù)報(bào)，工程管理者往往只能被動(dòng)應(yīng)對(duì)入庫(kù)洪水，甚至呈現(xiàn)失控、誤判狀態(tài)。根本原因是對(duì)洪水調(diào)度的基本原理、工程設(shè)計(jì)參數(shù)和稀遇洪水的特性等缺乏深入的分析和研究，特別是對(duì)于不利因素組合條件下洪水調(diào)度安全水平評(píng)估分析技術(shù)方面的分析研究工作，國(guó)內(nèi)外更是相當(dāng)欠缺。例如不適當(dāng)(或過(guò)高)的起調(diào)水位，工程泄洪設(shè)施突發(fā)故障，預(yù)報(bào)出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等，再遭遇稀遇洪水，如果不在事前進(jìn)行全面、系統(tǒng)和有針對(duì)性的安全度量化評(píng)估，一旦發(fā)生上述情況，雖有可能僥幸涉險(xiǎn)渡汛，但更可能的結(jié)果是工程失事引發(fā)災(zāi)難。

本文針對(duì)防洪調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)這一薄弱環(huán)節(jié)，建立以起調(diào)水位、洪水量級(jí)、泄洪能力等為參數(shù)的水庫(kù)防洪調(diào)度安全度評(píng)價(jià)系統(tǒng)?；诤樗{(diào)度基本原理和工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，給出安全度量化表達(dá)的相對(duì)值和絕對(duì)值計(jì)算方法，對(duì)在不同起調(diào)水位條件下發(fā)生的各級(jí)各類天然洪水的安全水平及安全度進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算。評(píng)價(jià)及計(jì)算成果還可用于突發(fā)泄流能力降低的事故狀態(tài)條件下的安全度評(píng)價(jià)，以及汛限水位動(dòng)態(tài)變化和安全度的評(píng)價(jià)。

研究表明，只有解決好對(duì)各類洪水調(diào)度的安全度評(píng)價(jià)問(wèn)題，才有可能對(duì)洪水資源利用的安全度問(wèn)題進(jìn)行分析論證，從而實(shí)現(xiàn)遭遇不可控大洪水情況下的安全渡汛，遭遇中、小洪水時(shí)在確保安全前提下充分利用好洪水資源。

2 最快下泄時(shí)間(Tmin)定義

水庫(kù)防洪調(diào)度中，一條重要的原則:是在洪水達(dá)到調(diào)洪最高水位后，盡快將庫(kù)中滯蓄的洪水下泄至汛限水位。嚴(yán)格遵守該原則是基于一個(gè)假設(shè)，即后續(xù)洪水隨時(shí)會(huì)發(fā)生。這樣,在庫(kù)水位達(dá)到最高調(diào)洪水位后，應(yīng)執(zhí)行敞泄調(diào)度方式，才能實(shí)現(xiàn)最快下泄滯蓄的洪水。因此，將水庫(kù)調(diào)洪至最高水位(Z1)并執(zhí)行敞泄調(diào)度方式、水位恢復(fù)至起調(diào)水位(Z0)時(shí)間定義為最快下泄時(shí)間，記為Tmin(見(jiàn)圖1)。

3 最快下泄時(shí)間影響因素

從最快下泄時(shí)間定義分析，其主要影響因素有入庫(kù)洪水、起調(diào)水位、水庫(kù)最大下泄能力和調(diào)度方式。而入庫(kù)洪水對(duì)最快下泄時(shí)間的影響又體現(xiàn)在以下3個(gè)方面，分別是洪水量級(jí)大小、漲水段漲水快慢和退水段退水緩急(另文分析)。

3.1 洪水量級(jí)對(duì)Tmin的影響

如圖2所示，在同一起調(diào)水位(如汛限水位Z0)，洪水量級(jí)愈大，則最快下泄時(shí)間愈長(zhǎng)。這是因?yàn)楹樗考?jí)大，水庫(kù)被動(dòng)滯蓄的洪水量多且退水段待泄的天然洪水量也大，所以自調(diào)洪最高水位敞泄至起調(diào)水位所需時(shí)間Tmin也長(zhǎng)。當(dāng)洪水Q2無(wú)論是洪峰還是洪量均大于洪水Q1的洪峰、洪量時(shí)，必然有圖2中所示的T2>T1。

3.2 起調(diào)水位對(duì)Tmin的影響

3.3 退水緩急對(duì)Tmin的影響

如圖4所示，同樣量級(jí)洪峰(Qm)的洪水，相比退水急的曲線①最快下泄時(shí)間,退水緩的退水曲線②的最快下泄時(shí)間要長(zhǎng)，即T2>T1。這是因?yàn)?

(1) 曲線①在峰后下降快，所以峰后退水段滯蓄洪水量比退水段較緩的曲線②的滯蓄水量少；

3.4 預(yù)泄對(duì)Tmin的影響

4 水庫(kù)洪水調(diào)度安全度靜態(tài)定義

4.1 汛限水位起調(diào)是安全調(diào)度的基礎(chǔ)

汛限水位是工程主要參數(shù)(如壩高)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是水庫(kù)洪水調(diào)度工作中的一個(gè)法定參數(shù)。即汛期遭遇任何量級(jí)的洪水，在該水位按調(diào)度規(guī)程起調(diào)，工程自身安全是有保證的。

本文研究仍遵循汛限水位起調(diào)這個(gè)基本原則，限定水庫(kù)遭遇不可控洪水時(shí)，為了工程自身的安全，無(wú)論漲水段亦或退水段，均以敞泄方式調(diào)度；若下游有防洪要求時(shí)，仍按下游要求，首先執(zhí)行控制下泄，直至入庫(kù)洪水超過(guò)下游最高級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再執(zhí)行敞泄以保證工程的安全。

4.2 安全度評(píng)價(jià)區(qū)間

為了便于討論，將安全度評(píng)價(jià)區(qū)間分為相對(duì)區(qū)間和絕對(duì)區(qū)間兩類。相對(duì)區(qū)間是指起調(diào)水位在汛限水位(以Z0表示)和防洪高水位(以Zg表示)之間；絕對(duì)區(qū)間是指起調(diào)水位在汛限水位和校核洪水位(以Zx表示)之間。而且相對(duì)區(qū)間是水庫(kù)在遭遇中、小洪水時(shí)，以水庫(kù)下游防洪安全為目標(biāo)的安全度水平評(píng)價(jià);絕對(duì)區(qū)間是水庫(kù)在遭遇大洪水、特大洪水時(shí),以保證工程自身安全為目標(biāo)的安全度水平評(píng)價(jià)。兩者之間存在著量級(jí)方面的差異。

4.3 安全度評(píng)價(jià)計(jì)算模式(靜態(tài))

該模式以洪水調(diào)度的3個(gè)要素(即洪水量級(jí)、起調(diào)水位、調(diào)度方式)為基礎(chǔ)，以調(diào)洪調(diào)度過(guò)程中達(dá)到的最高水位為控制參數(shù),建立起安全度評(píng)價(jià)模式。該安全評(píng)價(jià)模式又分為2類。

(1) 針對(duì)中、小洪水和水庫(kù)下游防洪安全的相對(duì)評(píng)價(jià)模式；

(2) 針對(duì)大型、特大型洪水和水庫(kù)工程自身安全的絕對(duì)評(píng)價(jià)模式。

計(jì)算公式為

(1)

式中,Z0，Zmax分別代表汛限水位和下游最高級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的防洪高水位(即防洪庫(kù)容對(duì)應(yīng)的水位)；Zs為某一已知入庫(kù)洪水在區(qū)間(Z0，Zmax)任一水位起調(diào)，且執(zhí)行下游防洪要求的逐級(jí)控制調(diào)度方式，在該工程中達(dá)到的最高水位。為突出該公式的評(píng)價(jià)對(duì)象，計(jì)算的入庫(kù)洪水量級(jí)定義在下游最高級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水以下。

由式(1)模擬計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)起調(diào)水位較高，且入庫(kù)洪水量級(jí)接近下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)Zs>Zmax，即α出現(xiàn)負(fù)值，這表明水位已經(jīng)突破防洪高水位設(shè)計(jì)值。 α為負(fù)值有可能是因?yàn)椋?/p>

(1) 起調(diào)水位高；

(2) 入庫(kù)洪水量大。

因此，如果要降低Zs，則只有降低起調(diào)水位，甚至預(yù)泄。

(2)

如前所述，該評(píng)價(jià)模式是針對(duì)入庫(kù)大洪水、特大洪水，并為評(píng)價(jià)水庫(kù)工程自身安全而建立的。因此,水位和入庫(kù)洪水界定區(qū)間有變化，即洪水量級(jí)定義在校核洪水量級(jí)以下，起調(diào)水位界定在汛限水位和校核洪水位之間，Zs定義為可在上述起調(diào)水位、洪水量級(jí)區(qū)間的任何量級(jí)洪水、任何水位起調(diào)；在超過(guò)防洪高水位后，則執(zhí)行敞泄調(diào)度方式，在調(diào)洪過(guò)程中達(dá)到的最高水位。

由式(2)模擬計(jì)算，結(jié)果同樣可能會(huì)出現(xiàn)α<0，即Zs>Zmax的情況。這說(shuō)明洪水量級(jí)大，且起調(diào)水位過(guò)高，結(jié)果導(dǎo)致調(diào)洪水位超過(guò)校核水位，工程自身的安全不保。

5 水庫(kù)洪水調(diào)度安全度動(dòng)態(tài)定義

5.1 最快下泄時(shí)間是動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)

與靜態(tài)安全度不同的是，動(dòng)態(tài)安全度的定義既要考慮到洪水調(diào)度的起調(diào)水位對(duì)防洪安全的影響，同時(shí)也要將入庫(kù)洪水的過(guò)程，尤其是退水過(guò)程納入到洪水調(diào)度安全水平評(píng)價(jià)之中。

在計(jì)算模式中,是采用最快下泄時(shí)間這個(gè)參數(shù)作為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的控制參數(shù)，它既能反映峰前主動(dòng)控泄或被動(dòng)滯蓄水位升高對(duì)工程安全的影響，更能突出峰后洪水退水的緩急對(duì)水位恢復(fù)至汛限水位(或起調(diào)水位)快慢程度的影響，以便評(píng)價(jià)后續(xù)洪水不確定性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 安全度評(píng)價(jià)相對(duì)模式

(3)

Tmax、Tmin、Ts分別為入庫(kù)洪水在Z防高、Z汛限、Zs水位起調(diào)對(duì)應(yīng)的最快下泄時(shí)間，其中,Z防高>Zs>Z汛限。

5.3 安全度評(píng)價(jià)絕對(duì)模式

計(jì)算模式與式(3)定義相同，Tmax為該洪水在校核水位起調(diào)條件下對(duì)應(yīng)的最快下泄時(shí)間。

(4)

6 算 例

本文以西南某大型水庫(kù)為例，并以該水庫(kù)校核洪水為標(biāo)準(zhǔn)，按同倍比縮小入庫(kù)洪水過(guò)程(將入庫(kù)洪水分為10個(gè)等級(jí))。在正常蓄水位以上0.5m為起調(diào)水位，計(jì)算洪水量級(jí)對(duì)最高調(diào)洪水位、最快下泄時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)(絕對(duì))安全度的影響，計(jì)算成果列于表1中。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)起調(diào)水位一定時(shí)，隨著入庫(kù)洪水量級(jí)的增大，將直接導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的最高調(diào)洪水位增高，最快下泄時(shí)間延長(zhǎng)，而相應(yīng)水庫(kù)防洪安全水平會(huì)降低。

再以0.85倍校核洪水為入庫(kù)洪水，改變起調(diào)水位，計(jì)算起調(diào)水位對(duì)最高調(diào)洪水位、最快下泄時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)(絕對(duì))安全度的影響。計(jì)算成果列于表2中。計(jì)算結(jié)果表明，隨著起調(diào)水位的增高，最高調(diào)洪水位也相應(yīng)地增高，最快下泄時(shí)間延長(zhǎng)，安全度下降，水庫(kù)防洪安全水平降低。

7 結(jié) 論

(1) 通過(guò)提煉最快下泄時(shí)間(Tmin)這個(gè)核心參數(shù)，并將其來(lái)表達(dá)水庫(kù)防洪調(diào)度的安全水平，既能準(zhǔn)確地反應(yīng)洪水調(diào)度由已知條件決定的確定性特征(比如洪水大小、退水緩急、下泄能力、庫(kù)容曲線、起調(diào)水位等)，又能量化表達(dá)從調(diào)洪高水位盡快恢復(fù)至起調(diào)水位所需時(shí)間的相對(duì)程度。

(2) 本文構(gòu)建的防洪調(diào)度安全度概念及其計(jì)算模式,能夠涵蓋各類洪水和任意水位起調(diào)的各種工況，極大地方便了調(diào)度人員對(duì)水庫(kù)各種組合方案實(shí)施離線調(diào)度演練，可以為實(shí)時(shí)防洪調(diào)度決策提供系列化的成果。

(3) 可以將本文構(gòu)建的理論概念及其計(jì)算模式,推廣應(yīng)用到非正常狀態(tài)下的調(diào)度模式(例如泄水建筑物故障導(dǎo)致的泄流能力變化、洪水預(yù)報(bào)失誤產(chǎn)生的違規(guī)偏差，以及上、下游例外的防洪要求等對(duì)水庫(kù)防洪安全程度影響的量化計(jì)算)。

(編輯:趙秋云)

2015-04-09

水利部公益性行業(yè)科研項(xiàng)目(201001016)

李曉英，女，河海大學(xué)水利水電學(xué)院，講師,博士.

1006-0081(2015)04-0005-04

TV697.13

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