劉可新， 于 茜， 李 匡， 劉兵超， 徐海卿， 馬 嵐

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司， 北京 100038； 2.水利部海河水利委員會(huì)引灤工程管理局， 河北 唐山 064309)

1 研究背景

水庫防洪調(diào)度一直備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。國外關(guān)于水庫防洪調(diào)度的研究起步較早[1-2]，經(jīng)若干年研究已進(jìn)入決策系統(tǒng)研發(fā)階段[3-4]，為防洪決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這方面的研究大都關(guān)注大水庫的宏觀調(diào)度，對(duì)中小水庫的研究尚不充分。我國水庫防洪調(diào)度的研究起步較晚，但發(fā)展較快。20世紀(jì)80年代中期以后優(yōu)化調(diào)度理論得到了充分的重視[5-6]，90年代以來取得了蓬勃發(fā)展[7-9]，如今這一領(lǐng)域研究仍在不斷進(jìn)行中[10-14]。21世紀(jì)以來，我國建設(shè)完成了眾多中小水庫，對(duì)流域水文循環(huán)過程具有較大影響，因此諸多學(xué)者開始研究考慮中小水庫影響下的洪水預(yù)報(bào)[15-16]，并根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)，針對(duì)性的制定調(diào)度方法[17-19]，取得了較好的應(yīng)用效果。

上述研究一方面多針對(duì)大中型水庫的特點(diǎn)，理論和應(yīng)用適合大中型水庫，對(duì)中小水庫的流域特點(diǎn)、運(yùn)行特性以及與之對(duì)應(yīng)的洪水調(diào)度方法研究有待進(jìn)一步充分；另一方面多從洪水角度研究調(diào)度方法，而從暴雨分級(jí)角度入手，將暴雨與洪水調(diào)度方法直接聯(lián)系的則不多見。本文在分析了中小水庫特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法，分析計(jì)算水庫安全運(yùn)行理想暴雨量，并分析研究超過該量級(jí)的各級(jí)特大暴雨對(duì)應(yīng)的上限起調(diào)水位，增加了防洪預(yù)警與水庫預(yù)泄時(shí)間，提高了水庫抵御特大洪水的能力。

2 中小水庫運(yùn)行特點(diǎn)及方法介紹

中小水庫壩址控制面積較小，洪水預(yù)見期較短，在洪水預(yù)報(bào)及水庫運(yùn)行方面具有顯著的特點(diǎn)，在分析其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法。

2.1 中小水庫運(yùn)行特點(diǎn)

中小水庫以壩址控制面積小、水庫調(diào)節(jié)能力低等為顯著特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

(1) 壩址控制面積較小，洪水預(yù)見期較小，有些小水庫流域預(yù)見期僅為2～3 h，一旦發(fā)生特大暴雨，留有的防洪預(yù)警與水庫預(yù)泄時(shí)間十分有限，防洪壓力很大；

(2) 水庫調(diào)洪能力有限，往往汛限水位與正常高水位齊平，調(diào)洪庫容有限，大洪水到來之前進(jìn)行預(yù)泄是中小水庫有效的調(diào)度方式；

(3) 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，并且平時(shí)水庫水位保持在汛限水位，洪水來臨時(shí)才采取相應(yīng)措施，如遇特大洪水，往往無法及時(shí)降低庫水位；

(4) 許多水庫兼顧發(fā)電任務(wù)，但平均水頭往往不高，汛限水位常與正常高水位齊平并常在正常高水位水平上運(yùn)行，如遇特大暴雨，容易發(fā)生險(xiǎn)情；

(5) 防洪調(diào)度大都采用水位-下泄流量的二維調(diào)洪規(guī)程調(diào)度，無法應(yīng)用降雨量信息動(dòng)態(tài)控制起調(diào)水位，遭遇特大暴雨時(shí)，難以保證大壩安全。

綜上所述，中小水庫的調(diào)洪能力有限，預(yù)泄調(diào)度是應(yīng)對(duì)特大洪水有效的調(diào)度方式，但洪水來臨時(shí)再進(jìn)行下泄措施使防洪預(yù)警及水庫預(yù)泄時(shí)間縮短，需要一種較可靠的方法計(jì)算特大暴雨發(fā)生時(shí)水庫允許的上限起調(diào)水位，以便按降雨總量及時(shí)實(shí)施預(yù)泄過程并控制預(yù)泄總量，實(shí)現(xiàn)防洪與發(fā)電兼顧的雙重效益。

2.2 方法介紹

針對(duì)中小水庫的特點(diǎn)本文提出了基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法，以計(jì)算特大暴雨發(fā)生時(shí)水庫保持安全運(yùn)行的上限起調(diào)水位，為防洪預(yù)警及水庫預(yù)泄提供數(shù)據(jù)支撐。該方法首先分析確定所在流域特定歷時(shí)特大暴雨總量的取值范圍，在此范圍內(nèi)按暴雨總量對(duì)特大暴雨分級(jí)處理，設(shè)定水文模型初始狀態(tài)變量，并分級(jí)模擬洪水過程，作為洪水調(diào)度的輸入，以汛限水位作為起調(diào)水位，應(yīng)用常規(guī)調(diào)度方法，以不超過壩前允許最高水位為限制條件，計(jì)算水庫安全運(yùn)行理想暴雨量，并分析超過該量級(jí)的各級(jí)特大暴雨對(duì)應(yīng)的水庫保持安全運(yùn)行的上限起調(diào)水位，為水庫預(yù)泄調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.1 特大暴雨分級(jí)處理 特大暴雨分級(jí)處理是為了得到用于洪水模擬的暴雨過程，包括空間分布和時(shí)程分配。具體有以下幾個(gè)步驟：

(1) 特大暴雨歷時(shí)即范圍確定。根據(jù)流域暴雨特點(diǎn)，首先確定特大暴雨歷時(shí)，而后確定特定歷時(shí)的特大暴雨總量范圍，上限一般選擇可能最大降雨量，下限可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。

(2) 特大暴雨分級(jí)。根據(jù)暴雨量上、下限將特大暴雨劃分為幾個(gè)級(jí)別，可按最大量級(jí)百分比確定，或是在特大暴雨范圍內(nèi)平均劃分級(jí)別，本文采取平均劃分的方式。

(3) 特大暴雨時(shí)空分配。對(duì)各級(jí)特大暴雨進(jìn)行時(shí)空分配，本文采用典型暴雨分配方法。最終得到特定歷時(shí)的暴雨量過程，作為洪水模擬的輸入。

2.2.2 水文模型選擇與洪水模擬 選擇適合研究流域的水文模型進(jìn)行洪水模擬，本文研究流域位于南方濕潤(rùn)地區(qū)，流域年平均降雨1 000 mm以上，選擇三水源新安江模型，該模型在我國已廣泛應(yīng)用，模擬及預(yù)報(bào)效果較好，為洪水調(diào)度提供可靠的入庫流量數(shù)據(jù)。模型初始狀態(tài)變量設(shè)置時(shí)考慮最不利的情況，假設(shè)流域蓄滿。蒸散發(fā)量采用流域時(shí)段平均蒸散發(fā)。

2.2.3 安全運(yùn)行理想暴雨量 安全運(yùn)行理想暴雨量是在特定時(shí)空分布，特定下墊面條件，特定起調(diào)水位情況下水庫通過特定的防洪調(diào)度方法，能夠承受的上限暴雨量，其形成的洪水過程稱為安全運(yùn)行理想洪水，該洪水通過特定的防洪調(diào)度方法在壩前正好達(dá)到水庫安全運(yùn)行的允許最高水位。特定時(shí)空分布，特定下墊面條件，特定起調(diào)水位均選擇對(duì)防洪不利的情況，即時(shí)空分布選取暴雨中心偏于流域出口，雨峰陡急且靠后的典型暴雨過程，下墊面條件假定流域蓄滿，特定起調(diào)水位選取汛期達(dá)到的最高水位即汛限水位；特定的防洪調(diào)度方法是指當(dāng)洪水來臨時(shí)，研究水庫通常采用的調(diào)度方法；壩前允許最高水位一般選擇校核洪水位。安全運(yùn)行理想暴雨的計(jì)算采用試算法，按給定暴雨量，洪水模擬，調(diào)洪演算的過程最終確定安全運(yùn)行理想暴雨量，計(jì)算過程如圖1所示。

圖1中Zm為調(diào)洪演算壩前達(dá)到的最高水位；Zc為壩前允許最高水位，本文中指校核洪水位；Z1為起調(diào)水位。

2.2.4 特大暴雨安全運(yùn)行上限起調(diào)水位 將超過安全運(yùn)行理想暴雨量的特大暴雨分級(jí)，相同條件下，所得各級(jí)暴雨形成的洪水均影響水庫安全運(yùn)行，本文探討在不改變水庫原有調(diào)度方法條件下，能夠滿足運(yùn)行安全的上限起調(diào)水位，通過試算法最終確定超過安全運(yùn)行理想暴雨的各級(jí)特大暴雨對(duì)應(yīng)的水庫上限起調(diào)水位，計(jì)算過程如圖2。

圖2 上限起調(diào)水位計(jì)算流程圖

圖2中Zm為調(diào)洪演算壩前達(dá)到的最高水位；Zc為壩前允許最高水位，本文中指校核洪水位；Z1為起調(diào)水位。

3 實(shí)際流域應(yīng)用

將該方法應(yīng)用于洪渡河流域石埡子水庫，洪渡河流域位于貴州省東北部，是烏江水系左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于貴州省正安縣謝壩鄉(xiāng)上關(guān)村大面山(發(fā)源地海拔高程1 538 m)。洪渡河全流域集水面積3 739 km2，干流主河道全長(zhǎng)205 km。位于降水迎風(fēng)坡面，受中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候影響，水汽來源豐富，降水量較大，多年平均降雨量1 201 mm。石埡子水電站位于洪渡河干流，壩址以上流域面積2 589 km2，占全流域的69.24%，多年平均年徑流量18.8×108m3。汛限水位544 m，死水位520 m，按100年一遇設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位544.21 m，1000年一遇校核，校核洪水位547.35 m。電站裝機(jī)2臺(tái)，電站裝機(jī)容量140 MW，多年平均年發(fā)電量4.782×108kW·h。

石埡子水庫雖為大型水庫，但洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與校核標(biāo)準(zhǔn)較低，防洪模式與上文提到的中小水庫相似。將該方法應(yīng)用于石埡子水庫，首先分析特大暴雨量級(jí)，計(jì)算安全運(yùn)行理想暴雨量，在此基礎(chǔ)上將超過安全運(yùn)行理想暴雨量的特大暴雨分級(jí)，計(jì)算各級(jí)對(duì)應(yīng)上限起調(diào)水位，具體過程如下。

分析石埡子水庫的暴雨特點(diǎn)，本次研究采用24 h作為暴雨歷時(shí)，據(jù)“24 h全國可能最大降雨分布圖”，通過點(diǎn)面轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定該流域的可能最大面降水量約為270 mm，在200～270 mm之間，每5 mm作為一級(jí)；應(yīng)用典型暴雨法對(duì)各級(jí)特大暴雨進(jìn)行時(shí)程分配，選取1968年7月19日暴雨作為典型暴雨，降雨歷時(shí)15 h，流域面平均降雨量186.9 mm，該降雨的時(shí)程分配特征能夠反映流域特點(diǎn)，典型面暴雨時(shí)程分配如圖3；石埡子水庫年平均降雨量1 000 mm以上，屬濕潤(rùn)地區(qū)，因此選擇新安江模型模擬洪水，模型初始狀態(tài)變量考慮最不利情況，假設(shè)流域蓄滿；石埡子水庫調(diào)洪規(guī)程為平時(shí)水庫水位保持在汛限水位544 m，洪水情況下超過汛限水位按入庫流量泄洪，如果大于下泄能力則按下泄能力泄洪。

圖3 石埡子水庫特大暴雨時(shí)程分配圖

以汛限水位544 m為起調(diào)水位，校核洪水位547.35 m為壩前允許最高水位，計(jì)算得到石埡子水庫的安全運(yùn)行理想暴雨量為223.3 mm，暴雨過程如圖4，所形成洪水歷時(shí)約為50 h，洪峰流量為9 740 m3/s，洪水總量約為5.38×108m3；調(diào)洪過程中最大下泄流量9 020 m3/s，最高壩前水位547.35 m，安全運(yùn)行理想洪水及調(diào)洪過程如圖5，圖5顯示該洪水為單峰，并呈現(xiàn)陡漲緩落趨勢(shì)，符合南方濕潤(rùn)地區(qū)洪水的特點(diǎn)；調(diào)洪過程以汛限水位544 m為起調(diào)水位，壩前達(dá)到的最高水位恰好為校核洪水位547.35 m，因此223.3 mm即為安全運(yùn)行理想暴雨量；從圖5還可以看出存在一個(gè)水位變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此之后水位陡增，這主要是因?yàn)橄滦沽髁恳堰_(dá)到了下泄能力，反映出當(dāng)來水流量較大時(shí)，若仍采用原有調(diào)度方式將對(duì)水庫運(yùn)行安全造成較大影響。

對(duì)超過223.3 mm的各級(jí)特大暴雨，以校核洪水位547.35 m為壩前允許最高水位，計(jì)算各級(jí)暴雨對(duì)應(yīng)的能使水庫保持運(yùn)行安全的上限起調(diào)水位，結(jié)果見表1和圖6。

圖4 安全運(yùn)行理想暴雨過程圖

圖5 安全運(yùn)行理想洪水及調(diào)洪過程圖

雨量/mm上限起調(diào)水位/m223.3544.00225.0543.53230.0542.13235.0539.69240.0535.75245.0529.75250.0523.75252.4520.00

圖6 各級(jí)特大暴雨與上限起調(diào)水位關(guān)系圖

表1中結(jié)果顯示石埡子水庫安全運(yùn)行理想暴雨量為223.3 mm，此時(shí)上限起調(diào)水位恰好為汛限水位544 m；隨著暴雨量增大，上限起調(diào)水位逐漸降低；當(dāng)特大暴雨量增大至252.4 mm時(shí)，上限起調(diào)水位降低至死水位520 m，已是水庫運(yùn)行的最低水位，因此在該種調(diào)度方式下，按理想暴雨量的概念，石埡子水庫可抵御的最大暴雨量為252.4 mm，超過該值，采用該種調(diào)度方法，通過降低起調(diào)水位已不能保證運(yùn)行安全；圖6顯示結(jié)果與表1一致，上限起調(diào)水位隨暴雨量增加而降低，并且降低幅度逐漸增大，這主要是由于低水位與高水位相比，相同水位差對(duì)應(yīng)的庫容較小，下泄能力較低而引起的。

4 結(jié) 論

本文提出了基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法，在討論了中小水庫防洪運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了安全運(yùn)行理想暴雨量的概念，并詳述了計(jì)算該暴雨量的方法，在此基礎(chǔ)上計(jì)算超過安全運(yùn)行理想暴雨量的各級(jí)特大暴雨對(duì)應(yīng)的上限起調(diào)水位。該方法應(yīng)用于石埡子水庫，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)按中小水庫運(yùn)行方式進(jìn)行防洪調(diào)度，抵御特大洪水的能力較低。石埡子水庫防洪調(diào)度方式與前文中分析的中小水庫運(yùn)行方式相似，平時(shí)保持在汛限水位，洪水來臨時(shí)才采取措施，按安全運(yùn)行理想暴雨量的概念只能抵御24 h降水不超過223.3 mm的特大暴雨，而可能最大降雨約為270 mm，超出安全運(yùn)行理想暴雨量較大。

(2)提出了安全運(yùn)行理想暴雨量的概念，并詳述了計(jì)算該暴雨量的方法，對(duì)水庫防洪調(diào)度有一定的指導(dǎo)意義。石埡子安全運(yùn)行理想暴雨量為223.3 mm，如遭遇降水超過這一量級(jí)，則汛限水位作為起調(diào)水位，采用原有調(diào)度方式不能保證水庫安全運(yùn)行。

(3)提出將超過安全運(yùn)行理想暴雨量的各級(jí)特大暴雨與上限起調(diào)水位直接聯(lián)系，為水庫按暴雨量進(jìn)行預(yù)泄提供了參考，同時(shí)增加了預(yù)警預(yù)泄時(shí)間，有利于保證防洪安全。計(jì)算得到了石埡子水庫各級(jí)暴雨對(duì)應(yīng)的上限起調(diào)水位，并繪制了相關(guān)圖表，對(duì)防洪調(diào)度具有一定指導(dǎo)作用。

(4)基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法，能夠有效提高水庫防洪能力。石埡子水庫原有方式運(yùn)行，按安全運(yùn)行理想暴雨量的概念，最大能夠抵御223.3 mm的特大暴雨；應(yīng)用特大暴雨上限起調(diào)水位分析方法可以提高至252.4 mm的特大暴雨。

(5) 基于特大暴雨分級(jí)的水庫上限起調(diào)水位分析方法具有一定的局限性。應(yīng)用該方法石埡子水庫最大能夠抵御252.4 mm的暴雨量，與可能最大降水270 mm尚有一定差距。