摘 要：由于水庫的調(diào)節(jié)能力有限，嚴(yán)格按照“汛限水位靜態(tài)控制法”進(jìn)行調(diào)度運用，一方面造成洪水期水資源沒有得到充分合理利用，水資源浪費極大，水庫在汛后常不能蓄至正常興利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常無水可用。文章以上猶江水庫為例，分析水庫實行汛限水位動態(tài)控制的必要性和可行性，以及探討控制運用方法。

關(guān)鍵詞：汛限水位；動態(tài)控制；水庫運用

前言

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，利用預(yù)報成果，在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保水庫、上下游地區(qū)防洪安全的前提下，按照經(jīng)科學(xué)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(jìn)行浮動的調(diào)度過程。

水庫汛限水位關(guān)系到水庫防洪安全、發(fā)電綜合效益高低、地區(qū)供水安全保證程度。從發(fā)電角度看，汛限水位越高，發(fā)電效益越好。從供水角度看，汛限水位越高，城鎮(zhèn)工業(yè)和生活用水、下游灌溉和航運越能保證。但從防洪角度看，汛限水位越高，意味著水庫調(diào)節(jié)庫容越小，對水庫的防洪不利。那么如何協(xié)調(diào)這一矛盾關(guān)系？在實際運用中，可通過對汛限水位進(jìn)行動態(tài)控制管理來處理好這一矛盾。

上猶江水庫在多年的實際調(diào)度中，認(rèn)真遵照上級防汛指揮部門的調(diào)度命令，嚴(yán)格按照批復(fù)水庫調(diào)度規(guī)則運行，電站自投產(chǎn)以來已累計發(fā)電約100多億kW·h，同時還一定程度地改善了上猶江防洪、航運、灌溉及城市供水等條件，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。但多年運行實踐也暴露出以下問題：由于水庫的調(diào)節(jié)能力有限，嚴(yán)格按照“汛限水位靜態(tài)控制法”進(jìn)行調(diào)度運用，一方面造成洪水期水資源沒有得到充分合理利用，水資源浪費極大，水庫在汛后常不能蓄至正常興利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常無水可用。特別是近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，下游通航和最小生活取水流量正不斷加大，綜合用水矛盾日益突出。為加強洪水管理，科學(xué)利用洪水資源，依照國家防總下發(fā)的《水庫汛限水位動態(tài)控制試點工作意見》，上猶江水庫，應(yīng)當(dāng)在總結(jié)幾十年調(diào)度經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)刂行『樗c設(shè)計洪水或特大洪水出現(xiàn)的規(guī)律，結(jié)合水文氣象預(yù)報信息，充分利用現(xiàn)有水情自動測報、洪水調(diào)度自動化、氣象衛(wèi)星云圖、計算機網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，改變常規(guī)的調(diào)度方法，實施水庫汛限水位動態(tài)控制，提高水庫重復(fù)庫容利用率。

1 工程概況

上猶江水電站位于上猶江中游上猶縣境內(nèi)，壩址控制流域面積2750km2，占上猶江流域面積的60%。樞紐是以發(fā)電為主，兼有防洪、航運、城市供水和漁業(yè)等綜合效益的大型水利樞紐工程，總庫容8.222億立方米，正常蓄水位198.4m，相應(yīng)正常蓄水位庫容7.212億立方米，興利庫容4.71億立方米。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程202.5m，最大壩高67.5m，壩頂總長153m。大壩100年一遇設(shè)計洪水位199m，1000年一遇校核洪水位200.6m。樞紐工程主要建筑物包括大壩、發(fā)電廠房和泄洪建筑物等。溢流壩段總長80m，設(shè)5個溢洪閘門，最大泄量4940m3/s。

水庫流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫濕多雨。一般每年3月下旬到4月初，流域各地開始進(jìn)入雨季，先后發(fā)生暴雨。多年平均降雨量1650mm，主要降水集中在4～9月，占年降雨量的70%，其中尤以4～6月最為集中，占年降水量的43%，占整個汛期4～9月的62%。由于降水成因不同，洪水形成差異，4～6月夏汛期主要為峰面降雨洪水，7～9月秋汛期主要為臺風(fēng)降水引發(fā)的洪水。最大月降水量517.9mm（1968年6月），一日最大雨量為126mm，三日最大雨量224mm。降水主要為冷鋒、氣旋、低壓、高壓邊緣、臺風(fēng)、高空低壓、切變線及西南低渦等天氣系統(tǒng)造成，其中冷鋒過境時發(fā)生的降水機會最多，氣旋所致的降水持續(xù)時間最長，量也較多；4～6月南嶺靜止鋒和穩(wěn)定的切變維持，7～9月從福州至汕頭之間登陸而向西北方向移動的西太平洋臺風(fēng)，均會在流域造成強度大、歷時長的暴雨，對水庫影響最大。

水庫流域內(nèi)徑流主要由降水形成，冬季雪水極少。實測多年平均流量為82m3/s，平均徑流系數(shù)54.6%，徑流年內(nèi)分配極不均衡，4～9月占年總來水量的73.1%，其中4～6月占年來水量48.3%，年平均流量變幅達(dá)118.9m3/s，其中1961、1973、1975年為特豐年型，1963、1965、1971年為特枯年型。

水庫洪水系暴雨形成，由于降水成因不同，洪水形成差異，夏汛期（4～6月）洪水主要受鋒面降水影響，洪水峰高量大，秋汛期（7～9月）主要受臺風(fēng)降水影響，峰量次之。壩址最大洪峰流量3560m3/s，最小流量8.29m3/s。據(jù)統(tǒng)計，水庫洪峰大于500m3/s的洪水中，徑流量大于50mm的大洪水占31.9%，徑流量小于20mm的小洪水占13.2%，徑流量介于二者間的中洪水占54.9%，因此水庫實測洪水以中小洪水為主。此外，鋒面雨形成的洪水占60%以上，臺風(fēng)雨形成的占16%，其余24%為其他天氣系統(tǒng)降水形成。洪水過程大多陡漲陡落，極不對稱，漲洪歷時僅達(dá)數(shù)小時，而退水段可長達(dá)七天以上。

水庫汛期為4月1日至9月30日。原調(diào)度規(guī)則中4月1日至6月10日為主汛期，主汛期汛限水位196.50m，相應(yīng)庫容6.426億立方米；6月11日至9月30日為秋汛期前，汛限水位198.4m，相應(yīng)庫容7.212億立方米。2003年省防汛抗旱總指揮部對汛限水位進(jìn)行了調(diào)整：4月1日至6月20日為主汛期，主汛期汛限水位195.50m，相應(yīng)庫容6.022億立方米；6月21日至9月30日為秋汛期前，汛限水位197.7-198.4m，相應(yīng)庫容6.924-7.212億立方米。

2 水庫汛限水位動態(tài)控制的必要性

水庫分期汛限水位靜態(tài)控制運行不大科學(xué)合理，使水庫不能發(fā)揮其最大的綜合利用效益。從水庫靜態(tài)法控制原理上分析，其應(yīng)用理念是全汛期始終必須預(yù)防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的小概率洪水事件發(fā)生，滿足水庫設(shè)計的防洪安全要求，也即是認(rèn)為汛期水庫隨時都可能發(fā)生大洪水，汛限水位必須嚴(yán)格控制在設(shè)計的限制水位以下，才能確保水庫及下游安全。這樣一來，常造成水庫空庫迎汛和度汛，后期若未發(fā)生洪水，則影響水庫蓄水興利。

上猶江水庫歷年汛期起止日期變動不大，洪水出現(xiàn)規(guī)律較明顯，汛期洪水多呈單峰型，遇連續(xù)降雨亦有部分雙峰型。水庫從汛限水位到正常高水位之間庫容，汛限水位為195.5m時為1.22億立方米（若汛限水位為196.5m時為0.79億立方米），在多年的實時調(diào)度中，按照汛期分期的汛限水位，不考慮面臨時刻實際與預(yù)報的水雨情，只要水庫水位超過汛限水位便要棄水，致使一些年份形成“汛期棄水，汛后不能蓄至興利水位”的局面，洪水資源浪費較大，如果在汛期采用動態(tài)控制措施，將此防洪興利結(jié)合庫容在兩次洪水之間，用于興利，則所取得的效益是十分可觀的。以2000年～2010年的水庫調(diào)度情況為例（成果見表1），可看出“靜態(tài)法控制”控制時水量損失及可得用的棄水量。

表1 水庫最大可利用棄水分析表

從表1可看出，采用“靜態(tài)法控制”進(jìn)行洪水調(diào)度，水庫來水無論偏豐，或是偏枯，汛末均無法將水流蓄滿，即使是2002年分別在6、8月份出現(xiàn)了兩次集中降水過程，但汛末庫水位僅蓄至196.74m，而后由于10月份的大洪水才使水庫蓄滿。這也說明庫水位從主汛期限制水位到正常蓄水位之間，存在一定的調(diào)蓄空間，而且也從另一角度說明主汛期和后汛期之間，不可能是跳躍性的，二者之間應(yīng)當(dāng)有一個合理的轉(zhuǎn)換期，而在這個轉(zhuǎn)換期內(nèi)，可考慮進(jìn)行庫水位動態(tài)控制，在這個轉(zhuǎn)換期和相應(yīng)的空間內(nèi)，對庫水位進(jìn)行合理調(diào)蓄。由此，可提高水庫的蓄滿率，并能充分利用防洪庫容，進(jìn)一步減少棄水，而用于興利。

3 水庫汛限水位動態(tài)控制研究的可行性

3.1 上猶江水庫實施汛限水位動態(tài)控制的條件

上猶江水庫大壩自蓄水運行以來，經(jīng)歷了1961年、1973年、1975年、1992年、1997年及2002年等特豐水年運行，又經(jīng)歷了1963年、1965年、1967年及1971年特枯水年的運行；經(jīng)受過七次超設(shè)計洪水位的考驗，其中最高洪水位超過200m的有三次，即200.265m（1970年）、200.245m（1973年）和200.03m（1994年），均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。大壩在一至三輪安全定檢中，均評定大壩為一類正常壩。水庫現(xiàn)有洪水預(yù)報方案在預(yù)見期6-12小時內(nèi)達(dá)到甲級。水庫泄洪閘門控制靈活，閘門起閉時間短，正常情況下可在10分鐘內(nèi)完成閘門的起閉，水庫的泄洪能力極強，預(yù)泄能力大，主要受下游河道允許預(yù)泄流量約束。具備完善且運行穩(wěn)定的水庫水雨情自動測報、洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，全流域信息收集到預(yù)報方案作出只需10分鐘左右的時間。管理機構(gòu)健全，技術(shù)力量雄厚，與上級防汛部門聯(lián)系暢通，防汛通訊預(yù)警系統(tǒng)已建成投運。因此，上猶江水庫實施汛限水位動態(tài)控制的軟、硬件條件是具備的，應(yīng)當(dāng)盡快開展研究工作，編制切實可行的水庫運行方案并予以實施。

3.2 汛限水位動態(tài)控制方法

上猶江水庫汛限水位動態(tài)控制，可按照主汛期和秋汛期分成兩個階段，那么相應(yīng)的主汛期水位動態(tài)控制的區(qū)間可在195.5m～197.7m之間選擇，秋汛期則可在198.4m～199m之間選擇。

汛限水位動態(tài)控制可采用下面的方法：

（1）應(yīng)用預(yù)泄能力約束法，即有效預(yù)見期內(nèi)預(yù)泄能力計算的預(yù)蓄水位作為動態(tài)控制汛限水位上限。這種方式主要受水庫的泄洪能力、下游河道的安全泄量和有效預(yù)見期等的約束，要求安全性較高，一般不考慮降雨預(yù)報信息。

根據(jù)歷年洪水資料統(tǒng)計分析，上猶江水庫洪水主要為二十年一遇以下的頻率，約占?xì)v年洪水的80%，建庫后出現(xiàn)了最大洪水頻率約為五十年一遇。那么，根據(jù)設(shè)計洪水過程，洪水從起漲到出現(xiàn)下游安全泄量1390m3/s的時間約為12～24小時。

按起調(diào)水位195.50m，起漲前基流假定為100m3/s，不同的預(yù)見期和預(yù)泄量，庫水位控制情況見表2。從表2可說明，水庫在洪水起漲前預(yù)泄，可騰出1～2m的庫容（約8000萬立方米），也即是說，在一次洪水過后，正常情況下可以超蓄1～2m運行，后期視來水情況采用不同方式消落水位，可保證水庫安全的前提下，多利用8000萬立方米的水量。

（2）預(yù)報調(diào)度方式及其規(guī)則確定方法。其核心是在滿足水庫本身及上、下游防洪標(biāo)準(zhǔn)與要求的原則下，通過調(diào)節(jié)不同防洪標(biāo)準(zhǔn)頻率設(shè)計洪水過程，尋求判斷水庫遭遇洪水的量級，改變泄流量的判斷指標(biāo)（或稱調(diào)洪規(guī)則）及相應(yīng)的汛限水位值。以此水位作為汛限水位動態(tài)控制約束域上限值，原設(shè)計的限制水位為約束域下限值。這種方法要求采用較“壩前水位或?qū)嶋H入流”等判別標(biāo)準(zhǔn)更為超前的參數(shù)，作為判別遭遇洪水量級及改變泄流方式的指標(biāo)，如氣象降雨預(yù)報、實時的降雨量、累積凈雨量及峰前流量等?；谶@一特點，水庫預(yù)報調(diào)度方式選擇前期信息作為水庫洪水的差別指標(biāo)，就有可能達(dá)到提前均勻泄流，需要防洪庫容較小的效果。

（3）統(tǒng)計分析法。即考慮年內(nèi)洪水時序變化規(guī)律，盡量使年度預(yù)報向?qū)崟r調(diào)度靠近，進(jìn)行連續(xù)滾動確定各時期的控制上限水位。每當(dāng)汛期發(fā)生一場洪水后，要求根據(jù)面臨時刻以后發(fā)生不同頻率洪水的規(guī)律，隨實時高度的進(jìn)程給出不同的汛限水位動態(tài)控制域值。

3.3 汛限水位動態(tài)控制方法分析及效益估算

上猶江水庫降雨和來水具有較為明顯的分期特性，假設(shè)主汛期按照目前防汛部門下達(dá)的汛期限制水位195.5m為動態(tài)控制的下限，以原汛限水位196.5m為上限，秋汛期限制水位動態(tài)控制范圍仍執(zhí)行197.7～198.4m，如果汛期在上述分期控制范圍內(nèi)，在每次洪水的退水段通過實施“預(yù)蓄預(yù)泄”等調(diào)度方法動態(tài)控制，充分利用該結(jié)合庫容發(fā)電興利，將取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，且有利于水庫蓄水，提高水庫蓄滿率。

（1）主汛期一次洪水動態(tài)控制發(fā)電效益估算。195.5～196.5m之間庫容：40.45×106m3，假定基流為100m3/s，耗水率9m3/kW·h，計算的發(fā)電量為300萬kW·h～750萬kW·h，平均為525萬kW·h。

（2）秋汛期一次洪水動態(tài)控制電效益估算。197.7～198.4m之間庫容：28.85×106m3，假定基流為100m3/s，耗水率9m3/kW·h，計算的發(fā)電量為210萬kW·h～530萬kW·h，平均為370萬kW·h。

上述估算僅從一個假定作出的，如果通過分析認(rèn)證，能夠提高各分期控制水位的上限，同時為了下游防洪，可適當(dāng)提高防洪高水位到198.8m，將汛限水位至198.8m之間庫容用于下游防洪，并采取相應(yīng)的科學(xué)調(diào)度規(guī)則，則取得的發(fā)電效益將更大。

4 結(jié)束語

實行汛限水位動態(tài)管理，一是可以少棄水，由于超過正常汛限水位的水不用立即泄洪，可以有效提高單位的經(jīng)濟(jì)效益；二是可以抬高發(fā)電水頭，提高水能利用率；三是由于提高了汛限水位，增加了庫容，可以提高預(yù)防旱災(zāi)的能力。但是汛限水位控制新理念及其假定的科學(xué)性需要經(jīng)過一定時間的實踐檢驗，隨著水雨情信息采集系統(tǒng)的全面建設(shè)，洪水預(yù)報方法研究的發(fā)展及氣象部門降雨預(yù)報精度的提高，相信汛限水位控制理論和實際應(yīng)用將趨于更加完善。

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作者簡介：蒙在京，高級工程師，江西中電投峽江發(fā)電有限公司水工車間主任，一直從事水工技術(shù)管理工作。