金鑫（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島 125000）

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葫蘆島地區(qū)洪水資源化水庫調(diào)度模擬研究

金鑫
（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島 125000）

［摘 要］研究對不同土壤含水狀態(tài)下不同降雨情況的水庫來水量、洪峰流量和洪峰出現(xiàn)時(shí)間等進(jìn)行了論證；對不同土壤含水狀態(tài)下不同起調(diào)水位的水庫抗暴雨能力進(jìn)行了計(jì)算。研究表明，經(jīng)過水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度后，水庫的蓄水量比多年汛后平均蓄水量大，攔蓄洪水量更多。將水庫模擬預(yù)報(bào)與水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度相結(jié)合，以預(yù)報(bào)水庫入庫洪量為判別條件，以水庫汛限水位為控制條件使洪水經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)達(dá)到提前均勻泄流，在保障防洪效益的前提下最大地發(fā)揮興利效益，提高了洪水資源利用率，實(shí)現(xiàn)洪水資源化。

［關(guān)鍵詞］葫蘆島；水庫；洪水資源化；水庫防洪調(diào)度

為解決葫蘆島地區(qū)汛期洪水資源不能有效利用，水庫有效庫容不能充分發(fā)揮的問題，葫蘆島水文局開展了基于洪水資源化的水庫預(yù)警預(yù)報(bào)調(diào)度研究工作。該研究對不同土壤含水狀態(tài)下，不同降雨情況的水庫來水量、洪峰流量和洪峰出現(xiàn)時(shí)間等進(jìn)行了論證；對不同土壤含水狀態(tài)下，不同起調(diào)水位的水庫抗暴雨能力進(jìn)行了計(jì)算。上述工作的開展有利于管理者對各種量級(jí)暴雨洪水的來水量等信息及不同起調(diào)水位下水庫自身抗暴雨能力有全面的了解，有利于水庫防洪的前期預(yù)警。再結(jié)合水庫洪水調(diào)度預(yù)案與水情預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，就可以根據(jù)水庫蓄水的實(shí)際情況進(jìn)行更充分的調(diào)節(jié)，從而起到水庫對洪水資源的有效攔蓄的作用，進(jìn)而為解決葫蘆島地區(qū)水資源緊張的問題發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1　水庫調(diào)度現(xiàn)行方法

目前，我國眾多水庫廣泛采用的水庫調(diào)度方法主要有：

1）汛末攔蓄洪尾法。

2）采用水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式，適當(dāng)抬高汛限水位。

3）分期靜態(tài)汛限水位；汛限水位動(dòng)態(tài)控制法。

4）根據(jù)水庫特性、汛期歷史洪水以及水雨情預(yù)報(bào)信息精度等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域。

5）其它方法，如水庫防洪優(yōu)化調(diào)度函數(shù)、調(diào)度圖等。水庫在洪水退水段攔洪超汛限水位蓄水，其容許蓄洪量根據(jù)水庫的下泄能力確定，認(rèn)為水庫可以利用歇洪間期將水位消落至汛限水位，從而可由歇洪間期反推出可超蓄水位。這種方法概念明確簡單易行，在我國出現(xiàn)較早，現(xiàn)在仍然得以廣泛應(yīng)用。

2　不同預(yù)設(shè)條件下水庫抗暴雨能力

對水庫進(jìn)行抗暴雨能力分析，可對水庫調(diào)洪起到預(yù)警作用。將水庫空余庫容折算成水庫在本水位下所能容納的最大降雨量，通過對各水庫進(jìn)行抗暴雨能力分析，能夠?yàn)楹笃谒畮旌樗Y源化調(diào)度提供庫容及其它水庫參考特征值。

根據(jù)抗暴雨實(shí)際情況需要，各型水庫起調(diào)水位選取均從死水位開始，選取汛限水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位及部分整米數(shù)水位。在各水庫洪水預(yù)報(bào)方案或借用預(yù)報(bào)方案的基礎(chǔ)上，分析在流域包氣帶蓄水量飽和、半飽和條件下各水庫的抗暴雨能力。根據(jù)預(yù)設(shè)的水庫起調(diào)水位及運(yùn)用過程中允許的上限水位（校核洪水位），并結(jié)合水庫水位～蓄水量關(guān)系，計(jì)算各庫在不同起調(diào)水位下還能容納的水量。根據(jù)入庫洪水預(yù)報(bào)方案，結(jié)合降雨徑流關(guān)系線，將不同水庫起調(diào)水位下還能容納的蓄水量換算為上游集水區(qū)的面降水量。

其中：R——空余庫容折算徑流深，mm；W總——水庫總庫容，m3；WZ——各起調(diào)水位相應(yīng)庫容，m3；A——水庫集水面積，km2。其中：P允——允許最大降雨量，mm；P+Pa——降雨量加前期影響雨量，mm；Im——流域最大損失量，mm。

3　水庫洪水資源化調(diào)度原理

3.1調(diào)試原理

洪水調(diào)度過程一般分三部分：洪水發(fā)生前到起漲段、洪峰段和退水段三部分，洪水資源化調(diào)度主要涉及第一和第三階段的水庫運(yùn)用問題。一般在洪水發(fā)生前和起漲段加大機(jī)組出力，預(yù)泄使水庫水位消落到汛限水位以下，當(dāng)洪水起漲且?guī)焖换厣裂聪匏粫r(shí)，水庫開始蓄洪，按常規(guī)調(diào)度方法進(jìn)行調(diào)度；在退水段攔蓄洪尾而不急于將庫水位回落，并在不威脅水庫自身安全的情況下盡量多蓄水，最終加大供水或利用發(fā)電，在下次洪水來臨前使庫水位消落至汛限水位［1］。洪水資源化的實(shí)質(zhì)就是水庫在第一階段預(yù)泄超用，第三階段超蓄留洪。

第一階段的洪水資源化常用于水庫采用防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式或汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法的情況。在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度中，在第一階段選擇降雨或凈雨預(yù)報(bào)等信息作為改變水庫泄流量的判斷指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)提前均勻泄流。該階段的預(yù)泄獲得的效益具有雙重性，在增加了洪水資源利用率的同時(shí)還提高了防洪效益，減小了洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

洪水退水段超蓄運(yùn)用的容許蓄洪量是根據(jù)水庫在一定時(shí)期的下泄能力確定的［2］。下圖1為在一場洪水的退水段攔蓄洪水的洪水資源化運(yùn)用原理。圖中Q（t）為洪水過程線；q（t）為泄流孔的泄流過程線；Qq為機(jī)組滿發(fā)流量，可視為常數(shù)；t0為決策時(shí)刻，該時(shí)刻水庫的蓄水量為V0；t1為關(guān)閘時(shí)刻，對應(yīng)的水庫蓄水量為V1；t2為關(guān)閘后水庫所能蓄達(dá)的最高水位Zz出現(xiàn)的時(shí)刻，該水位對應(yīng)水庫蓄水量為V2；t3為水庫關(guān)閘后一直以最大發(fā)電流量Qq泄水至汛限水位Z限的時(shí)刻；△W1為預(yù)計(jì)決策時(shí)刻到真正關(guān)閘時(shí)刻，通過泄流孔和發(fā)電的總泄水量與此時(shí)段的入庫洪量之差；△W2為水庫關(guān)閘后水庫可能攔蓄的水量；△W3為這次洪水水庫實(shí)際超蓄水量，大小即為超蓄水位與汛限水位之間的庫容；Zm為調(diào)洪最高水位；Z回蓄為攔蓄洪尾超蓄最高水位。

假設(shè)退水過程Q（t）可由退水規(guī)律給出，q（t）由水庫調(diào)洪規(guī)則確定，水電站機(jī)組過水能力Qq由設(shè)計(jì)給定；決策時(shí)刻t0的蓄水量V0可由蓄水位求得，允許回蓄的水位Zz及相應(yīng)庫容Vz由超蓄水位方案給出，因此可計(jì)算出下閘蓄水時(shí)刻和庫水位能消落到汛限水位的時(shí)刻。

圖1　退水段攔蓄洪尾風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度過程

3.2計(jì)算方法

根據(jù)圖1所示，在t0～t1期間水庫總的泄流量大于入庫流量，水庫可騰出△W1庫容，式（3）所示。t1～t2期間水庫的回蓄水量為△W2如式（4）所示；由水量平衡關(guān)系可得式（5）。

式中，除t1待定值之外其余均為已知量，求t1時(shí)可采用試算法。水庫由時(shí)刻的蓄水位Z2落到防洪限制水位Z限的水量平衡關(guān)系為式（7），化簡后為式（8）。所以當(dāng)給定退水過程Q（t）時(shí)便可求出。

4　水庫調(diào)度模擬

龍屯水庫壩址位于葫蘆島市綏中縣高甸子鄉(xiāng)王寶河上，是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利工程。龍屯水庫死水位為60.80 m，校核水位為79.16 m，結(jié)合水庫水位～蓄水量關(guān)系曲線，可分析得到60.80 m起調(diào)水位下還能容納的水量如下表1所示。

表1　60.80 m起調(diào)水位下容納水量表

根據(jù)表1計(jì)算得龍屯水庫死水位60.80 m還能容納水量為11 306萬m3，折算徑流深=空余庫容/面積×10，即：R=W/S×10=11 306/214×10= 528.3 mm；Im=190 mm，土壤半飽和時(shí)允許最大降雨量=降雨量加前期影響雨量－Im/2，即P允（Im/2）=（P+Pa）－Im/2=600 mm，土壤飽和時(shí)允許最大降雨量=降雨量加前期影響雨量－Im，即：P允（Im/2）= （P+Pa）－Im/2=505 mm，60.80 m起調(diào)水位下抗暴雨能力如下表2所示。

表2　60.80m起調(diào)水位下抗暴雨能力計(jì)算表水位：m，庫容：萬m3

4.1原水庫調(diào)度規(guī)則

龍屯水庫主汛期防洪調(diào)度規(guī)則為：當(dāng)雨前水位低于汛限水位71.00 m，預(yù)計(jì)雨后水位不超過汛限水位的情況下不泄洪；雨前水位已達(dá)汛限水位71.00 m，預(yù)計(jì)雨后最高水位可能達(dá)到警戒水位74.95 m，溢洪道開啟閘門，以小于1 613 m3/s的泄量泄洪；雨前水位己達(dá)到汛限水位71.00 m，預(yù)計(jì)最高庫水位可能達(dá)校核洪水位79.16 m，溢洪道開啟閘門，以最大泄量2 818 m3/s泄洪?？紤]龍屯水庫起調(diào)水位為68.28 m。

4.2考慮防洪預(yù)報(bào)的水庫調(diào)度規(guī)則

采用防洪預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)則。水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式選擇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)，使洪水經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)達(dá)到提前均勻泄流，在保障防洪效益的前提下最大的發(fā)揮興利效益，提高了洪水資源利用率。綜合考慮降雨、洪水預(yù)報(bào)等因素下水庫提前預(yù)泄的判別條件為：預(yù)報(bào)得出的水庫入庫洪量；水庫調(diào)度的控制條件為水庫的汛限水位；各水庫起調(diào)水位設(shè)為各水庫汛前水位平均值。龍屯水庫防洪調(diào)度規(guī)則如表3。

5　防洪預(yù)報(bào)調(diào)度與原成果對比分析

由水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方案可得出，若24 h降雨量達(dá)到100 mm以上，經(jīng)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度水庫可蓄水至汛限水位，達(dá)到在防洪效益下的最大蓄水量。將水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度與原成果進(jìn)行對比分析，如表5所示?？梢缘贸鼋?jīng)過水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度后，水庫的蓄水量比多年汛后平均蓄水量大。將水庫模擬預(yù)報(bào)與水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度相結(jié)合，以預(yù)報(bào)水庫入庫洪量為判別條件，以水庫汛限水位為控制條件，使洪水經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)達(dá)到提前均勻泄流，在保障防洪效益的前提下最大的發(fā)揮興利效益，提高了洪水資源利用率，實(shí)現(xiàn)洪水資源化。

表3　龍屯水庫預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)則

表4　防洪預(yù)報(bào)調(diào)度與原成果對比分析水位：m，庫容：萬m3

通過對葫蘆島地區(qū)龍屯水庫進(jìn)行洪水資源化模擬調(diào)度的研究表明，對葫蘆島地區(qū)水庫進(jìn)行洪水資源化調(diào)度具有可行性并將產(chǎn)生相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該研究旨在通過水庫管理方式優(yōu)化的前提下增加水庫防洪與發(fā)電的能力，增加攔蓄洪水量，力求使水庫發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但是同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到，由于進(jìn)行洪水資源化調(diào)度利用了水文及氣象預(yù)報(bào)參數(shù)，增加了水庫管理的更多不確定性［3］。因此在水庫開展洪水資源化調(diào)度的同時(shí)一定要開展相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析工作。

［參考文獻(xiàn)］

［1］吳東峰.夾河子水庫洪水資源化調(diào)度研究［D］.石河子大學(xué)，2008.

［2］劉招.水庫的洪水資源化理論和方法研究［D］.西安理工大學(xué)，2008.

［3］劉攀，肖義，李瑋，等.水庫洪水資源化調(diào)度初探［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（01）：9-14.

［中圖分類號(hào)］TV697

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）02－0053－03

［收稿日期］#2015-05-14