魏效鳳，張立強(qiáng)，王 萌，趙 帥，余 璐，王 進(jìn)

(北京市十三陵水庫管理處，北京 102200)

十三陵水庫作為市管中型水庫，是北京市內(nèi)唯一一座有著多年保障抽水蓄能電廠發(fā)電運(yùn)行任務(wù)的水庫。作為十三陵抽水蓄能電廠的下池，水庫在防洪調(diào)度方面有著與其實(shí)施聯(lián)合調(diào)度的條件。作為2008年北京奧運(yùn)鐵人三項(xiàng)賽比賽場(chǎng)地，水庫與十三陵抽水蓄能電廠首次進(jìn)行了防洪聯(lián)合調(diào)度的探索。2021年，在補(bǔ)水和強(qiáng)降雨疊加作用下，水庫水位達(dá)到了近20年來新高90 m，為防洪聯(lián)合調(diào)度[1]的具體實(shí)施增加了可能性。

1 工程基本情況

1.1 十三陵水庫情況

水庫位于北運(yùn)河水系溫榆河支流東沙河上，1958年1月動(dòng)工修建，同年6月30日竣工，是一座中型水庫，主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水系統(tǒng)。大壩為黏土斜墻壩；溢洪道設(shè)于大壩右岸，設(shè)有1孔弧形鋼閘門；輸水系統(tǒng)由進(jìn)水塔、3孔輸水管、閘閥室等組成，2004年修建應(yīng)急補(bǔ)水工程占用了最右側(cè)輸水管；溢洪道和輸水系統(tǒng)均可向下游河道泄水。2003年，實(shí)施了水庫除險(xiǎn)加固工程；2008年，是奧運(yùn)鐵人三項(xiàng)賽比賽場(chǎng)地。水庫當(dāng)前主要功能是保證東沙河下游地區(qū)的防洪安全和保障十三陵蓄能電廠發(fā)電用水。見圖1。

1.2 十三陵抽水蓄能電廠情況

十三陵抽水蓄能電廠[2](以下簡稱電廠)于1989年動(dòng)工興建，1995年第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1997年全部投產(chǎn)運(yùn)行。安裝4臺(tái)單臺(tái)200 MW(即20×104kW)的混流可逆式水泵水輪機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘?00 MW。 電廠由上庫、引水系統(tǒng)、地下廠房、尾水道和下庫等組成，上庫修建在蟒山上寺溝溝頭，地下廠房深埋于蟒山巖體內(nèi)，廠房內(nèi)裝有抽水、發(fā)電兩用機(jī)組，利用已建成的十三陵水庫為下庫。其在京津唐電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相任務(wù)，是緊急事故備用電源，還具有減少火電頻繁調(diào)整出力和開啟、降低煤耗的作用。

圖1 水庫主要水工建筑物平面位置示意圖

2 上下庫情況

上庫也稱天池，系利用蟒山山頂?shù)奶烊粶系?、采用開挖和筑壩方式興建，根據(jù)地形條件修建了主壩、副壩各1座。上庫庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，風(fēng)化嚴(yán)重，透水性強(qiáng)，全部庫岸、庫底及主副壩均采用混凝土面板防滲護(hù)面。地下水位低，無天然徑流，無泄水建筑物。上庫總庫容445×104m3，正常蓄水位566 m，死水位531 m。

下庫即十三陵水庫(下稱水庫)，流域面積223 km2，上游有德勝口溝、錐石口溝、上下口溝和老君堂溝4條溝，于十三陵七孔橋上游匯合后入水庫。為解決水庫壩基滲漏問題，1969-1970年在距大壩軸線上游92 m處澆筑了一道地下混凝土防滲墻。電廠修建后，為保證其發(fā)電所需水量，1992年修建了庫尾混凝土防滲墻，用以阻擋水庫水沿古河道方向反向滲漏。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2 000年一遇洪水校核，總庫容7 450×104m3，正常蓄水位和汛限水位均為93 m，死水位85 m。

上下庫落差481 m，電廠抽水放水運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前水庫水位下有0.5～1.0 m的變幅。

3 水庫運(yùn)行水位情況

3.1 往年運(yùn)行水位情況

至2021年5月，水庫多年來一直處于死水位85 m上下運(yùn)行。通過查閱水文資料，近20年(2001-2020年)，最高水位是2001年的87.78 m，其次是2019年的87.70 m和2018年的87.28 m，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水庫正常蓄水位93 m。為保障電廠正常運(yùn)行所需水量，2004年建成實(shí)施了沙河應(yīng)急補(bǔ)水工程，從下游向水庫反向補(bǔ)水。

3.2 2021年運(yùn)行水位情況

2021年1月1日早8時(shí)，水庫總蓄水量(上池+下庫)1 332.6×104m3，庫水位85.58 m。2021年是建黨百年的重要年份，電廠運(yùn)行保障任務(wù)艱巨。為保障建黨一百周年電廠發(fā)電運(yùn)行任務(wù)所需的最低總蓄水量1 223×104m3(即上庫滿庫455×104m3，水庫死庫容778×104m3)，考慮蒸發(fā)等損失，下游沙河應(yīng)急補(bǔ)水工程向十三陵水庫補(bǔ)水工作繼續(xù)實(shí)施，至7月24日停止補(bǔ)水；在沙河應(yīng)急補(bǔ)水工程補(bǔ)水能力[3]不能再提升的情況下，5月20日又啟動(dòng)實(shí)施了白河堡水庫向十三陵水庫跨流域補(bǔ)水工作，11月5日結(jié)束。

2021年，北京市汛期降水較往年偏多、偏強(qiáng)，為近20年最多。十三陵水庫也不例外，汛期水庫流域平均降水量683 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過556 mm的多年平均降水量。汛期水庫降雨過程共計(jì)35次，經(jīng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，近440×104m3雨洪水進(jìn)入了庫區(qū)。

在降水和補(bǔ)水兩種情況作用下，水庫總蓄水量持續(xù)上升，至11月8日早8時(shí)水庫蓄水總量達(dá)到2 603×104m3，水庫水位90.87 m(若電廠將上池水全部放入水庫發(fā)電，則水庫水位達(dá)到91.81 m)，與5月20日早8時(shí)總蓄水量1 307×104m3相比，累計(jì)增容1 296×104m3。2021年，是水庫除險(xiǎn)加固完成后的第一次高水位運(yùn)行，也是近20年來第一次超過90 m水位運(yùn)行。

4 防洪聯(lián)合調(diào)度分析

2022年1-4月，水庫總蓄水量基本維持在2 440×104～2 460×104m3左右，水庫水位在90.20 m上下。若2022年汛期降雨頻次、強(qiáng)度同去年相當(dāng)或略低于去年水平，則水庫水位達(dá)到汛限水位的可能性非常大，因此要提前做好水庫洪水調(diào)度方案。當(dāng)汛期遇有洪水時(shí)，與電廠的聯(lián)合調(diào)度[4-5]尤為重要，利用其抽水、放水流量大的特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)降低或者抬高水庫水位，從而緩解防洪壓力。

4.1 水庫調(diào)度原則

1) 水庫防洪安全：確保大壩安全，水庫水位不得超過汛限水位即正常蓄水位運(yùn)行。

2) 下游東沙河防洪安全：盡最大可能減輕洪災(zāi)損失。

3) 在保障防洪安全下兼顧電廠發(fā)電。

4.2 實(shí)施聯(lián)合調(diào)度措施分析

4.2.1 加強(qiáng)雨水情觀測(cè)

水庫上游有4條天然河道，共設(shè)置4個(gè)雨量遙測(cè)點(diǎn)，分別為果莊雨量遙測(cè)點(diǎn)、碓臼峪雨量遙測(cè)點(diǎn)、上口雨量遙測(cè)點(diǎn)、老君堂雨量遙測(cè)點(diǎn)。此外，可通過市水文總站設(shè)立在錐石口村的水位、雨量自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備和設(shè)立在德勝口溝燕子口村附近的測(cè)驗(yàn)斷面掌握雨水情信息。

及時(shí)收集統(tǒng)計(jì)流域雨水情信息，當(dāng)水庫及上游流域發(fā)生降雨時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨水情。監(jiān)測(cè)人員及時(shí)掌握流域內(nèi)的降雨情況，并密切關(guān)注降雨趨勢(shì)，隨時(shí)提供各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為制定科學(xué)的洪水調(diào)度方案提供依據(jù)。

4.2.2 洪水預(yù)報(bào)做支撐

洪水預(yù)報(bào)是科學(xué)合理進(jìn)行洪水調(diào)度的重要支撐，而洪水預(yù)報(bào)最關(guān)鍵的是預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期，參數(shù)的合理性對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度有直接影響。水庫現(xiàn)有系統(tǒng)模型預(yù)報(bào)和人工簡易洪水預(yù)報(bào)兩種方式，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)[6]建設(shè)完成時(shí)，由于缺少入庫洪水資料，系統(tǒng)模型參數(shù)主要依據(jù)1998年洪水情況設(shè)定；人工簡易洪水預(yù)報(bào)使用概化三角形法。經(jīng)過預(yù)報(bào)成果比對(duì)，兩種預(yù)報(bào)方式的預(yù)報(bào)成果相差較大，且均與實(shí)際來洪量有不小的出入。根據(jù)流域特點(diǎn)及影響產(chǎn)匯流各項(xiàng)因素變化情況，查閱近5年水庫洪水預(yù)報(bào)成果及實(shí)際來洪量，特別是2021年汛期的每一次預(yù)報(bào)成果，總結(jié)分析，對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，不斷完善模型。同時(shí)，2022年汛期，結(jié)合雨水情和監(jiān)測(cè)信息，加強(qiáng)滾動(dòng)式預(yù)報(bào)，嘗試對(duì)洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)一步提高洪水預(yù)報(bào)精度。

4.2.3 聯(lián)合調(diào)度方案

水庫在確保防洪安全前提下，結(jié)合下游東沙河防洪排水安全，洪水調(diào)度按庫水位分級(jí)控泄：庫水位低于93.0 m時(shí)，不下泄；庫水位達(dá)到或超過93.0 m時(shí)，控泄100 m3/s；庫水位超過96.0 m時(shí)，控泄280 m3/s；庫水位超過 98.1 m時(shí)，溢洪道閘門最大開啟敞泄泄洪。

每年7月下旬和8月上旬(即“七下八上”)是北京的主汛期，是一年中降雨最多、最集中且強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)期，易產(chǎn)生洪水，該時(shí)段是與電廠聯(lián)合調(diào)度[7]的關(guān)鍵時(shí)期，提前與電廠溝通協(xié)調(diào)好適時(shí)預(yù)留上池庫容。密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)情況，根據(jù)預(yù)報(bào)及實(shí)時(shí)雨水情，做滾動(dòng)式洪水預(yù)報(bào)，依據(jù)預(yù)報(bào)成果，商定洪水調(diào)度方案。當(dāng)預(yù)報(bào)有洪水入庫[8]、庫水位將達(dá)到94 m時(shí)，可在水位達(dá)到93 m后，首先通過溢洪道和輸水洞小流量泄水，騰出庫容；其次是在洪峰入庫前，與電廠進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，利用電廠上池預(yù)留的100×104m3庫容作調(diào)節(jié)庫容，適時(shí)抽水到上池，降低水庫水位；三是洪峰入庫后，電廠將上池水放入水庫中，抬高下庫水位，增大下泄量；最后水位降至93.20～93.30 m左右時(shí)，再次進(jìn)行電廠抽水到上池的調(diào)度，降低水庫水位。

與電廠實(shí)施聯(lián)合調(diào)度是利用其4臺(tái)機(jī)組抽水、放水速度快的特點(diǎn)，適時(shí)啟動(dòng)抽水、放水，以在短時(shí)間內(nèi)降低或抬高水庫水位，縮短洪水影響時(shí)間，從而緩解高水位對(duì)壩體的浸泡壓力，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)計(jì)算，100×104m3水由上池放下來的時(shí)間約為1.5 h，由水庫抽到上池的時(shí)間約為2 h。見表1。

表1 2021年主汛期早8時(shí)上池、水庫水位、庫容情況統(tǒng)計(jì)表

4.2.4 及時(shí)通知下游做好防洪準(zhǔn)備

東沙河是昌平新城的主要行洪河道，河道全長13.2 km，其中上段十三陵水庫至京密引水渠段長約6.6 km。河道規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，規(guī)劃治理流量為290～358 m3/s，相應(yīng)上游十三陵水庫50年一遇洪水控泄280 m3/s。

當(dāng)水庫需要泄洪時(shí)，及時(shí)向昌平區(qū)水務(wù)局報(bào)告水情、工情及洪水調(diào)度方案，并由其通知相關(guān)單位做好下游搶險(xiǎn)、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移及防洪準(zhǔn)備工作。

5 結(jié) 語

2021年，在雙向補(bǔ)水及主汛期幾場(chǎng)次強(qiáng)降雨疊加作用下，水庫水位持續(xù)上漲，達(dá)到近20年來的最高水位，也給2022年的防汛工作帶來了一定的壓力。因此，與蓄能電廠的聯(lián)合調(diào)度可以緩解洪水對(duì)壩體的影響時(shí)間，從而為水庫安全度汛提供保障。