王 霞，鄭雄偉，張真奇

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 研究的背景及意義

人多水少，水資源時空分布不均是我國的基本國情水情，隨著經(jīng)濟發(fā)展，水資源供需矛盾愈發(fā)突出。我國建設了大量的水庫和跨流域調(diào)水工程。連通特大水庫群聯(lián)調(diào)工程體系已成為水資源調(diào)控的主要手段，研究連通特大水庫群聯(lián)調(diào)問題已經(jīng)成為國家的重大戰(zhàn)略需求，目前這一領域的理論研究滯后于工程需求。

河庫連通條件下庫群優(yōu)化調(diào)度問題特點主要體現(xiàn)在其復雜性、規(guī)律性和風險性。庫群調(diào)度最關鍵的三個科學問題①連通下徑流補償與庫容補償機理分析；②連通下多目標協(xié)同競爭機制分析；③連通下多源預報信息可利用性分析[1]。

水庫連通工程通過渠道、隧洞、管涵等工程措施將水庫連通，統(tǒng)籌調(diào)配水資源，增強豐枯互補、相機調(diào)度的靈活性，提高供水保證率，增加供水量。同時具有移民占地影響小、供水覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢[2]。

1.1 流域概況

甌江是浙江省第二大河，流經(jīng)麗水、溫州兩個地市，注入東海，流域面積18100km2。小溪為其最大支流，流域面積3574km2。

為治理甌江流域水患危害，流域先后建成大型水庫2座，總庫容55.83億m3；中型水庫28座，總庫容8.44億m3。這些水庫對保障城市防洪安全，供水安全，改善水生態(tài)水環(huán)境，滿足當?shù)仉娏π枨蟀l(fā)揮了較好的作用。

1.2 流域大型水庫概況

緊水灘水庫位于甌江干流麗水市上游?？刂萍娣e3234km2，占甌江流域總面積15.3%。水庫正常蓄水位184.00m，正常庫容10.35億m3，設計防洪庫容1.46億m3，設計洪水位190.29m，校核洪水位為192.70m，總庫容為13.93億m3，電站總裝機容量300MW[3]。

灘坑水庫位于麗水市下游，甌江支流小溪上。壩址以上流域面積3330km2，占小溪流域總面積的93%。水庫正常蓄水位160.00m，相應庫容35.2億m3；梅汛期限制水位160.00m，臺汛期限制水位156.50m，防洪高水位161.50m，防洪庫容3.5億m3；校核洪水位169.15m，總庫容41.9億m3。電站總裝機容量600MW[4]。

1.3 問題及設想

甌江流域的洪水主要由梅雨暴雨和臺風暴雨形成，中上游受梅雨控制，中下游(包括灘坑水庫所在的小溪)受臺風暴雨控制，洪水災害較頻繁[3]。根據(jù)緊水灘水庫初步設計報告(1980)所述，水庫防洪保護麗水市和碧湖平原。水庫采取固定泄洪調(diào)度方式，在保證大壩防洪安全和不改變庫區(qū)上游龍泉縣城(現(xiàn)龍泉市)自然狀況的基礎上適當削減20年一遇洪水和5年一遇洪水，以減輕當時的麗水縣城(約4萬人)和碧湖平原的洪水災害。

麗水市城區(qū)人口規(guī)模現(xiàn)狀已達40余萬人，按《麗水市城市總體規(guī)劃(2016—2030)》，麗水市城區(qū)規(guī)劃常住人口至2030年達到70萬人，防洪標準為50年一遇。但現(xiàn)狀防洪能力僅為20年一遇[5]。如何進一步提高緊水灘水庫防洪能力，又不減弱其原有供水、發(fā)電功能，值得研究。本文提出了連通緊水灘、灘坑兩座大型水庫，甌江流域大型水庫連通聯(lián)合調(diào)度位置示意圖如圖1所示。利用兩庫洪水成因差異，在不增加灘坑水庫防洪壓力的前提下，將流域上游緊水灘水庫無法控制的部分洪水引入灘坑水庫進行調(diào)節(jié)，以減輕麗水市的防洪壓力，同時提高流域洪水資源化利用程度。

圖1 甌江流域大型水庫連通聯(lián)合調(diào)度位置示意圖

2 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的可行性

2.1 庫容補償特性

灘坑水庫集水面積是緊水灘水庫的1.21倍，興利庫容是緊水灘水庫的3.88倍；從調(diào)節(jié)性能看，灘坑水庫是多年調(diào)節(jié)水庫，而緊水灘水庫是不完全年調(diào)節(jié)水庫。兩者對比見表1。從兩庫的庫容特性差異看，灘坑水庫可對緊水灘水庫進行庫容補償。

2.2 水文補償特性

緊水灘水庫形成洪水主要受梅雨影響；灘坑水庫主要受臺風影響。對比分析兩庫水文情勢，其徑流年內(nèi)分配比例如圖2所示。

圖2 兩庫徑流年內(nèi)分配比例圖

項目緊水灘水庫灘坑水庫灘坑水庫/緊水灘水庫備注集水面積/km2276133301.21/多年平均入庫水量/億m331.537.81.20/總庫容/億m313.9341.93.01/正常蓄水位/m184160/緊水灘水庫可自流分洪引水至灘坑水庫主汛期梅汛期臺汛期//汛限水位/m184156.5//興利庫容/億m35.4821.263.88/庫容系數(shù)0.170.56//水庫調(diào)節(jié)性能不完全年調(diào)節(jié)多年調(diào)節(jié)//

(1)選取1951—2015年長系列逐日水文徑流過程中的豐水年份，對比分析兩庫洪水遭遇：兩庫年徑流相關系數(shù)達0.85，相關性尚可。因此，從洪水遭遇的可能性方面分析豐水年份的徑流情況，緊水灘水庫典型豐水年份統(tǒng)計10年，年平均流量與多年平均流量比值平均為1.50倍，而灘坑水庫相應年份對應的比值僅為1.31倍，灘坑水庫對應的數(shù)值要偏小19%。緊水灘水庫來水較灘坑水庫偏豐。

(2)兩庫徑流年內(nèi)分配不均情況對比：兩庫都是5—6月份的來水量較大，但其所占年徑流的比重有明顯區(qū)別，緊水灘水庫5—6月徑流占多年平均徑流的比重為42.4%，而灘坑水庫僅34.8%，兩者相差約8%。此外灘坑水庫臺汛期發(fā)生洪水的概率明顯比緊水灘水庫大，如灘坑水庫8—9月份的來水量可占到多年平均徑流量的19.7%，而緊水灘水庫僅為10.2%，兩者相差約10%，這反映了緊水灘水庫梅汛期來水量較大，灘坑水庫臺汛期來水量較大。

(3)兩庫多年平均最大來水月份(6月)的徑流特性對比：緊水灘水庫前十位的6月份來水占年徑流量的比值約35%，而灘坑水庫約28%，由此，緊水灘6月份易發(fā)生中等到特大級別的洪水，而灘坑水庫易發(fā)生中等到小級別的洪水，兩者同頻率遭遇概率較小。

(4)統(tǒng)計緊水灘水庫發(fā)生大洪水期間，灘坑水庫對應發(fā)生的洪水：選取歷史上緊水灘水庫發(fā)生的前10場大洪水分析，當緊水灘水庫發(fā)生重現(xiàn)期超過5年一遇的洪水時，遭遇灘坑水庫的洪水均不到5年一遇，平均情況下僅2～3年一遇，且前10場暴雨中有50%的概率遭遇灘坑水庫不到2年一遇的洪水[6]。

2.3 水庫調(diào)度運行

2.3.1實際調(diào)度運行

緊水灘水庫于1986年6月正式下閘蓄水，灘坑水庫于2008年4月正式下閘蓄水。統(tǒng)計分析兩庫建成后遭遇的歷史洪水，緊水灘水庫2008—2014年，年均棄水1.52億m3；灘坑水庫自2008年以來每年的梅汛期(對應緊水灘水庫的主汛期)，最高水位大多在150～153m之間運行，低于梅汛期汛限水位160m。

選擇緊水灘水庫2008—2014年實際發(fā)生的排前四場的大洪水，見表2，分析緊水灘水庫有棄水的同時，灘坑水庫是否有空間承納緊水灘水庫棄水。

表2 2008—2014年緊水灘水庫實測前四場最大洪水相應灘坑水庫情況統(tǒng)計表

綜上述，灘坑水庫均有能力承泄緊水灘水庫的洪水。

2.3.2兩庫棄水遭遇分析

緊水灘水庫設計正常蓄水位和汛限水位都是184m，按流域規(guī)劃對其要求，應分期蓄水，主汛期為梅汛期，汛限水位182m。本文按緊水灘水庫分期蓄水工況和灘坑水庫設計工況分別分析兩庫的棄水遭遇。

灘坑水庫無棄水而緊水灘水庫有棄水的情況共發(fā)生87次(緊水灘水庫完全可向灘坑水庫分洪)，兩者同時產(chǎn)生棄水37次(緊水灘水庫可適度向灘坑水庫分洪)。

由兩庫特性、水文情勢、兩庫調(diào)度運行對比，兩庫連通聯(lián)合調(diào)度具備一定可行性。

3 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的方式及效果

3.1 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的方式

水庫聯(lián)合調(diào)度計算較為復雜。從調(diào)度目標劃分，水庫聯(lián)合調(diào)度包括發(fā)電為主或以供水為目標的庫群聯(lián)合調(diào)度，防洪為主的水庫群錯峰洪水攔蓄調(diào)度。從水庫群的性質(zhì)劃分包括串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)水庫群的聯(lián)合調(diào)度[7]。

本文以長約22km的引水隧洞連通兩并聯(lián)庫。以200、400、600m3/s的引水規(guī)模比選流域防洪和洪水資源化利用效果。

為分析洪水資源化利用的效果，建立兩庫連通聯(lián)合調(diào)度模型，模擬兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)過程。模型目標如下：

(1)兩庫連通聯(lián)合調(diào)度洪水資源化利用率盡量高

(1)

式中，W95%max—95%保證率下緊水灘水庫和灘坑水庫年最大供水量，m3；Wi.J95%—95%保證率下第i月緊水灘水庫供水量，m3；Wi.T95%—95%保證率下第i月灘坑水庫供水量，m3。

(2)兩庫連通聯(lián)合調(diào)度棄水量盡量小

(2)

式中，Wqmin—緊水灘水庫和灘坑水庫年均最小棄水量，m3；Wq.i.J—緊水灘水庫第i月最小棄水量，m3；Wq.i.T—灘坑水庫第i月最小棄水量，m3；n—統(tǒng)計序列年系列長度。

模型約束條件是：①灘坑水庫主汛期水位低于156.5m，非主汛期水位低于160m時，緊水灘水庫可向灘坑水庫棄水；②緊水灘水庫向灘坑分洪時不會造成灘坑水庫新的棄水；③緊水灘水庫按不大于最大分洪規(guī)模向灘坑水庫分洪。灘坑水庫利用緊水灘水庫棄水增加水資源供給或發(fā)電。

為分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度對甌江干流防洪效果，采用非恒定流方法，建立甌江流域一維水利計算模型。模型目標是盡可能提高甌江干流的防洪能力。通過河網(wǎng)模型的建立，全面反映干流、主要支流及其相互連接，并將河網(wǎng)水系與工程設施構(gòu)成一個防洪體系。模型通過“2014820”洪水和2005年“泰利”臺風洪水進行率定和驗證。

采用多重優(yōu)化解法求解上述模型，分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的洪水資源化利用和對麗水市的防洪效果。

3.2 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的效果

3.2.1洪水資源化利用效果

緊水灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度多年平均棄水量約1.99億m3。緊水灘水庫提前以200、400、600m3/s預分洪至灘坑水庫，騰出庫容；不會增加灘坑水庫新的棄水，不會增加灘坑水庫上下游防洪壓力，但可減少緊水灘水庫棄水量，增加灘坑水庫入庫水量。

以洪水資源化為例，緊水灘水庫提前預分洪，分洪600m3/s至灘坑水庫，年均增加利用緊水灘水庫設計棄水量約0.76億m3。兩庫連通聯(lián)合調(diào)度年均增加利用緊水灘水庫設計棄水量統(tǒng)計見表3表。

表3 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度年均增加利用緊水灘水庫設計棄水量統(tǒng)計表

注：灘坑水庫增加入庫水量即為緊水灘水庫減少的棄水量

3.2.2流域防洪減災效果

緊水灘水庫對麗水市城市防洪控制斷面開潭斷面處進行防洪補償調(diào)度。當庫水位超過5年一遇洪水位，低于20年一遇洪水位時，控制壩下最大泄流量不超過2700m3/s，同時按開潭水利樞紐斷面流量不超過9900m3/s控制；當庫水位超過20年一遇洪水位，低于50年一遇防洪高水位時，按開潭水利樞紐斷面流量不超過11900m3/s進行補償調(diào)節(jié)，以保城區(qū)防洪安全。通過城市防洪能力復核分析，開潭水利樞紐斷面現(xiàn)狀過流能力為9900m3/s，防洪能力為20年一遇。

本文以1969年、1970年、1973年和2014年四場典型年設計洪水分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度效果。

由于實時分洪，工程規(guī)模較大，投資較大。為挖潛緊水灘水庫的防洪能力，使灘坑水庫能充分利用緊水灘水庫的棄水，在實時分洪的基礎上，進一步分析，擬采用分洪隧洞規(guī)模為600m3/s，洪水來臨前期，通過分洪隧洞進一步降低緊水灘水庫起調(diào)水位至180m或以下，利用挖潛緊水灘水庫的防洪庫容提高緊水灘水庫的防洪能力。

以典型年設計洪水分析緊水灘水庫和灘坑水庫連通聯(lián)合調(diào)度。選取1969、1970、1973、2014年的20年一遇和50年一遇的典型年設計洪水，分析緊水灘水庫和灘坑水庫連通聯(lián)合調(diào)度的效果。

四場典型年設計洪水中，當發(fā)生20年一遇的洪水時，緊水灘水庫以180m起調(diào)，錯峰調(diào)度，并向灘坑水庫分洪600m3/s，可使緊水灘水庫下游流量均小于9900m3/s，上游庫區(qū)水位低于20年一遇水位。四場典型年2%洪水不同方案效果統(tǒng)計見表4。

50年一遇的不同典型年洪水中，每場典型年洪水均需要兩庫連通聯(lián)合調(diào)度。

緊水灘水庫182m起調(diào)，補償調(diào)度，麗水市超設防水位歷時較長；緊水灘水庫182m起調(diào)，為最大限度保障麗水城區(qū)安全，錯峰調(diào)度，庫區(qū)上游龍泉市高水位持續(xù)時間較長；緊水灘水庫182m起調(diào)，錯峰調(diào)度的同時，向灘坑水庫分洪規(guī)模600m3/s，庫區(qū)上游龍泉市高水位持續(xù)時間減少，但庫區(qū)水位仍較高；緊水灘水庫利用分泄水量至灘坑水庫的有利條件，可將起調(diào)水位降低至180m，可減少下游的受淹歷時，降低上游庫區(qū)龍泉市水位至20年一遇以下。如需上下游減災效果更好，需加大分洪規(guī)模，但投資會相應大幅度增加[8]。

4 結(jié)論

本文探討了甌江流域兩座大型水庫連通途徑、規(guī)模和聯(lián)合調(diào)度方式。通過建立兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型和流域防洪水利計算模型模擬分析，連通聯(lián)合調(diào)度兩座水庫，既減輕了甌江干流兩岸城鎮(zhèn)的防洪壓力，也降低了庫區(qū)上游的洪水位及高水位歷時；同時，洪水得到資源化利用，增加了兩庫總的水資源利用量。

連通水庫的聯(lián)合調(diào)度需結(jié)合洪水徑流預報精細化調(diào)度；因涉及水庫及上下游多方的效益，在實際調(diào)度中需要統(tǒng)籌考慮，權(quán)衡多方面利弊[9]；需研究汛期受水水庫壩前最高水位約束和兩庫聯(lián)合調(diào)度的防洪風險[10- 11]等。

表4 四場典型年2%洪水不同方案效果統(tǒng)計