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        碧口水庫主汛期水位動態(tài)控制效益分析

        2019-09-10 07:22:44李志鵬田淳何曉燕王海軍任明磊
        人民黃河 2019年4期

        李志鵬 田淳 何曉燕 王海軍 任明磊

        摘要:通過計算碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域的上、下限,分析碧口水庫實(shí)施汛期水位動態(tài)控制和原設(shè)計汛限水位控制相比增加的防洪和興利效益。興利方面,碧口水庫主汛期年平均可增加0.08億kW.h發(fā)電量、147萬元的售電收入;防洪方面,增加了碧口水庫的調(diào)節(jié)能力,提高了水庫自身和下游的防洪標(biāo)準(zhǔn),發(fā)生致災(zāi)洪水時減輕下游洪災(zāi)損失。汛期水位動態(tài)控制作為一種非工程措施,一方面可以提高水庫洪水資源利用率,另一方面可以提高水庫的防洪能力,有效緩解水庫興利與防洪的矛盾。

        關(guān)鍵詞:汛期水位動態(tài)控制;動態(tài)控制域:防洪效益;興利效益:碧口水庫

        中圖分類號:TV697.1+l

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi:10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.006

        汛限水位是汛期防洪運(yùn)用的限制水位,是直接影響水庫防洪和興利效益發(fā)揮的關(guān)鍵性特征水位。汛限水位控制運(yùn)用的研究和實(shí)踐主要經(jīng)歷了以下三個階段:第一階段利用設(shè)計洪水成果確定固定的汛限水位:第二階段分析暴雨和洪水發(fā)生的季節(jié)性變化規(guī)律而設(shè)定分期汛限水位:第三階段基于可利用的降雨預(yù)報和洪水預(yù)報信息,進(jìn)行汛期水位動態(tài)控制[1]。動態(tài)控制域的確定是水庫實(shí)施動態(tài)控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容,是進(jìn)行汛期水位動態(tài)控制效益分析的基礎(chǔ)。本文通過計算碧口水庫主汛期動態(tài)控制域上、下限,分析碧口水庫主汛期實(shí)施水位動態(tài)控制的防洪和興利效益。碧口水庫實(shí)施汛期水位動態(tài)控制可以有效利用洪水資源,同時可以提高水庫防洪能力,有效緩解汛期防洪與興利的矛盾[2]。

        1 碧口水庫概況

        碧口水庫位于甘肅省文縣碧口鎮(zhèn)上游3 km的白龍江干流上,為大(Ⅱ)型水利樞紐工程,以發(fā)電為主,兼有防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖和灌溉等綜合效益,屬季調(diào)節(jié)水庫。水庫總庫容5.21億m,調(diào)洪庫容2.21億m,死庫容2.19億m,庫容系數(shù)為2.6%。水電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為500 a-遇洪水,校核標(biāo)準(zhǔn)為5 000 a-遇洪水,保壩標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a 一遇洪水。防洪控制點(diǎn)在下游3 km的碧口鎮(zhèn),其間河槽調(diào)蓄量很小,也無支流加入,洪水來源主要是碧口水庫下泄。下游河道設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水,相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫汛期實(shí)施分期汛限水位控制,汛期為5月1日至9月30日,其中:5月1日至6月14日為前汛期,汛限水位697.00 m;6月15日至9月30日為主汛期,汛限水位695.00 m。正常蓄水位704.00 m。碧口水庫上游的漢坪嘴和苗家壩水庫均為日調(diào)節(jié)水庫,不會影響碧口水庫天然來水。

        碧口水庫現(xiàn)行的洪水調(diào)度方式屬于不計預(yù)報、以實(shí)際入庫流量或水位作為水庫泄流判據(jù)的常規(guī)調(diào)度方式。主汛期當(dāng)來水流量小于4 310 m/s時,保持出、入庫流量平衡,庫水位保持在汛限水位,水庫最大下泄流量不得超過下游安全泄量4 310 m/s;當(dāng)來水流量超過4 310 m/s時,水庫閘門全開,開始自然調(diào)洪?,F(xiàn)行調(diào)度方式是每年主汛期按照設(shè)計汛限水位進(jìn)行防洪控制,時刻防御設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水的發(fā)生,從而導(dǎo)致主汛期棄水較多,洪水資源利用率較低。

        2 預(yù)泄能力約束法計算動態(tài)控制域

        動態(tài)控制域需要確定一個上限值和一個下限值。目前關(guān)于動態(tài)控制域的研究重點(diǎn)都放在上限,下限通常采取原設(shè)計的汛限水位值[3-5]。本文采用預(yù)泄能力約束法[6-7]計算動態(tài)控制域上限和下限,其基本思想:留有一定余地的情況下,利用降雨預(yù)報或者洪水預(yù)報信息,在有效預(yù)見期內(nèi)有多大泄流能力,就將汛期水位向上或向下浮動多少,浮動后的水位就是汛期水位動態(tài)控制域的上限和下限。

        2.1 碧口水庫動態(tài)控制域上限計算

        經(jīng)論證,中央氣象臺未來24 h和未來48 h無雨、小雨預(yù)報在碧口水庫汛期水位動態(tài)控制中是可以應(yīng)用的[8].因此在計算控制域上限時采用碧口水庫短期降 雨預(yù)報信息[9]。

        (1)計算有效預(yù)見期。采用未來48 h降雨預(yù)報信息作為確定動態(tài)控制域的主要依據(jù),假定實(shí)際降雨發(fā)生在最不利時刻,即未來48 h降雨預(yù)報的第24 h,同時考慮預(yù)報信息傳遞時間、預(yù)泄決策調(diào)度傳播時間以及閘門啟閉操作時間,則降雨預(yù)報可利用的預(yù)見期為24 h。因此,取降雨預(yù)報信息有效預(yù)見期為24 h。

        (2)計算有效預(yù)見期內(nèi)最大入庫流量。通過分析碧口水庫2008-2013年的發(fā)布未來48 h降雨預(yù)報信息后有效預(yù)見期內(nèi)對應(yīng)的實(shí)際入庫洪水過程,偏安全考慮,選取最大實(shí)際發(fā)生洪水即2013年8月7日入庫洪水過程,發(fā)布降雨預(yù)報信息后有效預(yù)見期內(nèi)的最大入庫流量為2 200 m/S。

        (3)確定碧口水庫最大預(yù)泄流量。碧口鎮(zhèn)是碧口水庫下游3 km的一個山區(qū)小鎮(zhèn),原設(shè)計的河道防洪堤能夠防御20 a一遇洪水,相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫自1976年建成蓄水以來,發(fā)生的較大洪水有7次,水庫下泄流量超過2 500 m/s的洪水有3次,分別是1990年“9-7”洪水、1993年“7·15”洪水和1998年“8·20”洪水,且每次水庫泄洪均沒有對下游碧口地區(qū)構(gòu)成防洪安全威脅。其中1998年入庫洪水接近20 a一遇洪水,碧口水庫最大下泄流量超過3 000 m/s,最終通過水庫調(diào)蓄未對碧口下游地區(qū)的防洪安全造成影響,偏安全考慮,碧口水庫可預(yù)泄的最大流量為2 400 m/s。

        (4)計算動態(tài)控制域上限。

        2.2 碧口水庫動態(tài)控制域下限計算

        為發(fā)揮碧口水庫的防洪作用,必要時可在動態(tài)控制域內(nèi)下浮原設(shè)計汛限水位,從而增強(qiáng)水庫調(diào)節(jié)能力,提高水庫自身及下游防洪標(biāo)準(zhǔn),減輕水庫下游洪災(zāi)損失。偏安全考慮,采用洪水預(yù)報信息計算動態(tài)控制域下限,氣象預(yù)報信息作為輔助參考。

        (1)計算有效預(yù)見期。碧口水庫典型洪水為多峰型洪水,預(yù)見期較短,約為Sh??紤]到預(yù)報信息傳遞時間、預(yù)泄決策調(diào)度傳播時間以及閘門操作時間、上游兩個水庫泄流傳播到碧口水庫壩址時間2-3 h,偏安全考慮,取洪水預(yù)報有效預(yù)見期為2h。

        (2)計算有效預(yù)見期內(nèi)最大入庫流量。2006年以后,碧口水庫上游漢坪嘴、苗家壩水庫開始運(yùn)行,實(shí)測資料可反映現(xiàn)階段水庫的真實(shí)人流情況。選取碧口水庫2006-2014年的22場洪水,洪水起漲前有效預(yù)見期2h內(nèi)的最大入庫流量見表1。

        由表1可見,2006-2014年有效預(yù)見期內(nèi)的最大入庫流量為558 m/s。偏安全考慮,有效預(yù)見期最大入庫流量取600 m/s。

        (3)確定碧口水庫最大預(yù)泄流量。在預(yù)泄時,一方面應(yīng)避免預(yù)泄流量較大造成人為洪水,另一方面須防止泄流過多,洪水過后無法回蓄到原汛限水位,預(yù)泄流量不宜過大。綜合考慮,在計算碧口水庫動態(tài)控制域下限時,最大預(yù)泄流量取1 000 m/s。

        經(jīng)計算,碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域?yàn)閇 694.50m,696.60 m]。

        3 動態(tài)控制效益分析

        本文分析的興利效益是當(dāng)預(yù)報未來48 h無雨或者小雨時,可將水庫水位控制在動態(tài)控制域上限,與控制在原設(shè)計汛限水位相比增加的水庫發(fā)電量及發(fā)電效益。

        本文分析的防洪效益是將水庫水位控制在動態(tài)控制域下限時,通過對不同頻率的洪水進(jìn)行調(diào)洪計算,選取水庫的最大下泄流量、削峰率、最高壩前水位等指標(biāo),從增加水庫調(diào)節(jié)能力、提高水庫及下游防洪標(biāo)準(zhǔn)、減輕下游洪災(zāi)損失3個方面來分析,與水位控制在原設(shè)計汛限水位相比增加的動態(tài)控制防洪效益。

        3.1 碧口水庫興利效益分析

        為了確定碧口水電站在主汛期(6月15日-9月30日)實(shí)施汛期水位動態(tài)控制調(diào)度運(yùn)行所增加的可發(fā)電量,必須對主汛期碧口水庫水位按原設(shè)計汛限水位控制( 695.00 m)和動態(tài)控制(696.60 m)條件下的發(fā)電效益進(jìn)行比較,結(jié)果見表2。

        碧口水電站主汛期按汛期水位動態(tài)控制調(diào)度運(yùn)行方案696.60 m作為動態(tài)控制域上限,與按原設(shè)計汛限水位控制695.00 m方案運(yùn)行相比,主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h。碧口水電站納入甘肅主電網(wǎng)運(yùn)行,據(jù)甘肅省發(fā)改委提供的2014年碧口水電站上網(wǎng)電價為0.184元/(kW.h).預(yù)計主汛期年平均增加售電收入約為147萬元。

        3.2 碧口水庫防洪效益分析

        利用洪水預(yù)報信息進(jìn)行汛期水位動態(tài)控制時,水庫以1 000 m3/s預(yù)泄到動態(tài)控制域下限694.50 m,水庫可以增加部分防洪庫容,產(chǎn)生防洪效益。將頻率分別為0.01、0.05、0.2、1、2的洪水分別以694.50 m和695.00 m的起調(diào)水位進(jìn)行調(diào)洪演算,結(jié)果見表3。

        (1)增加了水庫調(diào)節(jié)能力。碧口水庫實(shí)施汛期水位動態(tài)控制,可以提高水庫的削峰率,減少水庫最大下泄流量,增加水庫的調(diào)節(jié)能力。水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時,實(shí)施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比,可降低水庫最大下泄流量39 - 68 m/s,削峰率提高了0.5% - 2.5%。

        (2)提高了水庫及下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)。由表3可知,水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時,實(shí)施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比,壩前最高水位降低了0.2-0.7 m。降低壩前最高水位可以降低洪水漫壩風(fēng)險,提高水庫的安全運(yùn)行能力。當(dāng)發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,通過實(shí)施動態(tài)控制可降低水庫最高壩前水位0.2m;發(fā)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,可降低最高壩前水位0.5 m,提高了水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

        水庫的下游河道設(shè)有防洪堤,可抵御20 a-遇的洪水,安全泄流量為4 310 m/s。水庫在原設(shè)計汛限水位控制下通過調(diào)洪演算可知.50 a一遇洪水通過水庫調(diào)蓄,下游最大下泄流量也不會超過4 310 m/s.不會造成下游淹沒,但是汛期水位動態(tài)控制可以減少防洪堤大于4 000 m/S的運(yùn)行時長11 h。水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時,實(shí)施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比,可以減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運(yùn)行時長為4-11 h。減少防洪堤大于4 000 m/s運(yùn)行的時間,可降低下游防洪風(fēng)險。

        (3)減輕了下游洪災(zāi)損失。水庫下游河道安全泄流量為4 310 m3/s。通過對比水庫遭遇10 000 a 一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a-遇洪水時,原設(shè)計汛限水位控制和汛期水位動態(tài)控制條件下下泄流量過程超4 310 m/s的時間和水量可知,水庫實(shí)施汛期水位動態(tài)控制可減少超安全泄流量時長0.4-4.0 h,減少超泄水量200萬- 900萬m。若發(fā)生致災(zāi)洪水,可顯著減少下游的淹沒時間和淹沒水深,從而減輕下游洪災(zāi)損失,保護(hù)下游居民的生命和財產(chǎn)安全。

        4 結(jié)論

        以計算碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域上、下限為基礎(chǔ),分析了汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比,可增加的防洪效益和興利效益。結(jié)果表明:碧口水庫在主汛期實(shí)施汛期水位動態(tài)控制,主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h.提高發(fā)電收入147萬元。同時,碧口水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時,實(shí)施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比,可降低水庫最大下泄流量39 - 68 m/s.提高削峰率0.5% -2.5%.降低壩前最高水位0.2-0.7 m.減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運(yùn)行時長4-11 h,減少超安全泄流量時長0.4-4.0 h.減少超泄水量200萬-900萬m。

        汛期水位動態(tài)控制作為一種非工程措施,不需要較大的投資便可以增加水庫防洪和興利效益。相對于設(shè)定一個固定的汛限水位而言,動態(tài)控制域更加科學(xué)合理,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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