盛海峰，張真奇，陳竽舟

(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 引 言

水庫傳統(tǒng)的汛期水位控制方法是按照設計水位控制，不考慮任何預報信息以既定的汛限水位來時刻防御小概率的設計與校核洪水的發(fā)生，這種“一刀切”的控制方式利于水庫的運行管理但卻導致了水庫汛期不敢蓄水汛后無水可蓄，造成洪水資源的浪費，限制了水庫綜合效益的發(fā)揮。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展、科學技術(shù)進步，氣象預報和水文預報的精度大大提高，社會對水資源的需求不斷增加，對洪水的認識發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為水庫汛限水位動態(tài)控制研究提供了社會基礎(chǔ)和技術(shù)保障，國家防汛抗旱總指揮辦公室也印發(fā)了水庫汛限水位動態(tài)控制研究試點工作意見。

我國汛限水位動態(tài)控制的定義于90年代后被首次提出，在2000年以后逐步形成了較為完善的理論與方法[1]。王本德、周惠成、邱瑞田等提出了汛限水位動態(tài)控制的基本理論及計算方法[2,3]，應用后均取得了較大效益。但是影響汛限水位動態(tài)控制的因素較多，理論體系、控制方法結(jié)合科技發(fā)展和實際應用尚在不斷地完善中[4-7]，目前針對串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制的約束條件、結(jié)合實際防汛調(diào)度便于基層防汛人員操作的水庫汛限水位動態(tài)控制方案研究較少。

本文以浙江省分水江水庫為例，分析串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制域的約束條件、研究結(jié)合水庫實際、便于調(diào)度操作的汛限水位動態(tài)控制方案。

1 研究方法

1.1 實時預蓄預泄法

實時預蓄預泄法是基于水庫泄流能力，考慮洪水或降雨預報信息的控制方法，基本思想是在洪水預見期內(nèi)有多大泄流能力就將汛限水位上浮多少。該方法理論基礎(chǔ)完善，計算簡單，適用于水文預報信息可靠性較高、預泄能力較大的水庫[2]。

1.2 汛限水位動態(tài)控制域

1.2.1 有效預泄時間

有效預泄時間是指水庫在預泄過程中的實際下泄時間，需要綜合氣象預報時間、洪水預報時間、調(diào)度決策和閘門操作時間確定。

Ty=Tx+Tr-Tcu

(1)

式中：Ty為考慮洪水與降雨預報信息的有效預泄時間；Tx為考慮洪水預報的極限預泄時間；Tr為考慮短期降雨預報的極限預泄時間；Tcu為信息傳遞、決策、閘門操作時間之和。

1.2.2 串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制域約束指標體系

串聯(lián)水庫的汛限水位動態(tài)控制域約束條件包括防洪安全和效益最優(yōu)，其中防洪安全包括下游防洪保護對象安全、水庫運行安全、庫區(qū)防洪安全、上游水庫調(diào)度安全等；效益最優(yōu)包括洪水資源化、防洪能力提升，為發(fā)揮水庫綜合效益最大化，預泄過程盡量采用發(fā)電滿發(fā)流量下泄，避免預蓄水量成棄水(圖1)。

下游河道的安全流量和水庫實際的下泄流量直接影響下游保護對象的安全，因此以下游河道允許泄量和水庫泄流能力作為考慮下游保護對象安全的代表因子；汛限水位動態(tài)控制引起的水庫校核水位變化，可能造成水庫自身安全風險，因此以水庫壩頂高程作為考慮水庫運行安全的代表因子；征地和移民是影響庫區(qū)安全和社會穩(wěn)定的主要因素，因此以水庫的征地和移民水位作為考慮庫區(qū)安全的代表因子；汛限水位動態(tài)控制引起的庫區(qū)回水可能影響上游水庫的下泄從而影響上游水庫調(diào)度安全，因此以上游水庫的允許下泄流量作為考慮上游水庫調(diào)度安全的代表因子。以上各代表因子作為防洪安全的約束因子，在水庫汛限水位動態(tài)控制研究中必須考慮。

圖1 串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制域約束指標體系

1.3 汛限水位動態(tài)控制風險控制

降雨漏報是水庫汛限水位動態(tài)控制運行的主要風險點，一旦發(fā)生將放大水庫調(diào)度的風險及損失。據(jù)相關(guān)文獻統(tǒng)計[9,10]，我國氣象預報的晴雨預報準確率在80%以上，接近發(fā)達國家水平；小雨量級、中雨量級和大雨量級預報的漏報率已經(jīng)分別降至9.5%、20.4%和12.5%。雖然氣象預報的空間尺度和短期降雨預報精度顯著提高，但降雨漏報仍有可能發(fā)生。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，水庫預報技術(shù)同樣有了較大發(fā)展，水庫預報的預見期為防汛人員爭取了補償調(diào)度時間，在滿足水庫安全、下游河道防洪安全的前提下，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動態(tài)控制域的上限調(diào)整至下限，減小甚至避免因降雨漏報而產(chǎn)生的汛限水位動態(tài)控制風險。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)概況

分水江是浙江省錢塘江流域下游左岸的最大支流，主流上游昌化江，與支流天目溪匯合后稱分水江，全長167 km，河道平均坡降0.23%，流域面積3 443 km2。對流域洪水能起到一定攔洪削峰的水庫共有4座，即英公水庫、華光潭一級水庫、青山殿水庫和分水江水庫，分水江流域水系及工程示意如圖2。本研究考慮青山殿水庫對分水江水庫汛限水位動態(tài)控制的影響。

圖2 分水江流域水系及工程示意圖

青山殿水庫位于分水江上游昌化溪，壩址以上集水面積1 429 km2，發(fā)電流量160 m3/s。分水江水庫位于分水江干流中游段，壩址以上集水面積2 630 km2，水庫按100 年一遇洪水設計，1 000 年一遇洪水校核，正常蓄水位45.0 m，主汛期6月1日-7月15日限制水位40.0 m，水庫發(fā)電流量231 m3/s，水庫發(fā)電死水位39.0 m。

2.2 汛限水位動態(tài)控制域

分水江水庫汛限水位動態(tài)控制的約束條件為：

下游保護對象安全：分水江水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，因此水庫汛限水位動態(tài)控制過程中的下泄流量不能大于3 000 m3/s；

庫區(qū)防洪安全：分水江水庫的征地水位為45.5 m、移民水位為48.6 m，針對量級暴雨洪水的調(diào)洪成果不能突破征地水位和移民水位造成社會和經(jīng)濟影響；

上游水庫調(diào)度安全：上游青山殿水庫洪水調(diào)度的重點為實施與天目溪洪水錯峰調(diào)度，使匯流后流量不超過3 000 m3/s。根據(jù)匯流后河道斷面水位流量關(guān)系，分水江水庫汛限水位動態(tài)控制后的回水不能影響青山殿水庫的下泄調(diào)度。

效益最優(yōu)：分水江水庫發(fā)電流量為231 m3/s，預泄過程盡量以發(fā)電流量下泄，使預蓄水量效益最大化。

綜合分水江水庫預泄時間和約束條件，汛限水位動態(tài)控制域為[39,43]。

2.3 針對降雨量級的汛限水位控制方案

2.3.1 暴雨典型及量級

建立分水江流域?qū)嶋H暴雨洪水樣本庫，選擇暴雨分布和洪水過程差異的暴雨典型，分別為1985年型、1994年型和1995年型。根據(jù)分水江流域面積及水庫各頻率設計洪量確定暴雨量級分別為100、150、200和250 mm。

表1 分水江水庫不同量級暴雨與壩址洪量對應表

2.3.2 汛限水位動態(tài)控制方案

分水江水庫不同量級不同典型暴雨的調(diào)洪成果如表2～表5。

表2 250 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表3 200 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表4 150 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

表5 100 mm量級暴雨洪水調(diào)洪成果

由表2～表5，根據(jù)約束條件確定當預報未來3 d分水江流域遭遇150 mm量級以上的暴雨時，水庫應將水庫水位控制在40.0 m；當預報未來3 d流域遭遇100～150 mm量級的暴雨時，水庫應將水位控制在42.0 m及以下；當預報未來3 d流域無雨時，水庫可將水位控制在43.0 m。

2.4 利用水庫預報調(diào)度的風險控制

2.4.1 風險控制方法

水庫預報的預見期可以為防汛人員爭取補償調(diào)度時間，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動態(tài)控制域的上限調(diào)整至下限，減小甚至避免汛限水位動態(tài)控制的風險。分水江水庫預報的預見期一般為5～6 h，水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，考慮上游水庫發(fā)電下泄和區(qū)間入流，采用不同的緊急下泄流量使水庫水位從42.0 m回落至40.0 m所需的時間如表6。可知，當緊急下泄流量不小于1 000 m3/s，分水江水庫就能在洪水到達水庫前將水庫汛限水位控制在40.0 m，避免因汛限水位動態(tài)控制產(chǎn)生的風險。

表6 分水江水庫緊急泄洪成果表

2.4.2 風險控制效果

分水江水庫遭遇1969年型150 mm量級的暴雨洪水時，假定出現(xiàn)漏報時汛限水位處于42.0 m，則水庫調(diào)洪最高水位達到46.92 m，超過征地水位，最大下泄流量3 472 m3/s，超過下游河道安全泄流。利用水庫預報系統(tǒng)5～6 h預見期，通過緊急泄洪方式將汛限水位回落至40.0 m，則調(diào)洪最高水位46.17 m，最大下泄流量控制在下游河道安全泄量3 000 m3/s，大大減小了庫區(qū)的損失并避免了水庫下游保護對象的防洪風險。預報調(diào)度前后的調(diào)洪成果如表7，調(diào)度線如圖3。

表7 分水江水庫1969年150 mm量級洪水不同調(diào)度方式成果表

圖3 1969年型150 mm暴雨量級優(yōu)化調(diào)度前后的過程線

3 結(jié) 語

水庫汛限水位動態(tài)控制方法在我國北方缺水地區(qū)有一定的應用，但是科學技術(shù)在不斷地發(fā)展、每個水庫的基本情況也不盡相同，本文采用實施預蓄預泄法，分析了串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制域的約束條件和針對量級暴雨預報的控制方案，對串聯(lián)水庫汛限水位動態(tài)控制具有借鑒作用。

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參考文獻：

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