黃 鋒，侯貴兵，李媛媛，王保華

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.珠江流域防汛抗旱總指揮部調(diào)度研究中心，廣東 廣州 510610)

長洲水利樞紐位于珠江流域西江干流潯江河段，是西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個梯級，壩址以上集水面積占西江流域87.4%，工程自2009年建成投入運行以來，在發(fā)電、航運、灌溉等方面體現(xiàn)出良好的綜合效益。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)快速發(fā)展，長洲水利樞紐防洪與水資源供需矛盾日益突出，新的治水形勢和思路對其水資源綜合利用提出了更高要求。如何通過優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮水庫綜合效益，是長洲水利樞紐迫切需要研究解決的問題。

近年來隨著中國在預(yù)報技術(shù)和系統(tǒng)上的不斷完善和改進(jìn)，洪水預(yù)報的精度不斷提高，洪水預(yù)報信息在水庫調(diào)度中的應(yīng)用越來越廣泛。在保證防洪安全的前提下，通過預(yù)報調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)水庫汛期運行水位動態(tài)控制，是緩解水資源供需矛盾的有效途徑。自21世紀(jì)初開始，國內(nèi)外學(xué)者就水庫汛期運行水位動態(tài)控制問題開展了大量研究：任明磊等[1]研究了利用短期降雨預(yù)報信息進(jìn)行水庫汛限水位動態(tài)控制的實時調(diào)度方法；李響等[2]主要基于分期設(shè)計洪水調(diào)洪和預(yù)報預(yù)泄方法研究了三峽水庫汛期不同分期水位控制運用方案；周新春等[3]探討了大型水庫中小洪水實時預(yù)報調(diào)度技術(shù)在三峽水庫調(diào)度中的應(yīng)用。

經(jīng)過多年的研究，水庫汛期運行水控制理論與方法雖已逐步完善，但由于水庫汛期運行水位實時動態(tài)控制受到水庫自然條件、防護(hù)對象和預(yù)報水平等不同因素的影響，水庫汛期動態(tài)調(diào)度實踐中存在困難性和復(fù)雜性。本文在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，基于長洲水利樞紐實際調(diào)度運行資料，全面分析近年水庫供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等方面的運用情況，評估水庫現(xiàn)狀汛期調(diào)度運用方案以及存在的問題，分析其在供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等不同方面的調(diào)度需求；利用現(xiàn)代預(yù)測預(yù)報和調(diào)度技術(shù)，考慮上下游、左右岸制約因素，系統(tǒng)研究基于不同調(diào)度需求的長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案并分析調(diào)度實踐中的風(fēng)險，以其指導(dǎo)汛期水庫的科學(xué)調(diào)度，充分利用水資源，在滿足防洪安全的前提下，進(jìn)一步發(fā)揮水庫社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

1 研究背景

1.1 長洲水利樞紐現(xiàn)狀調(diào)度方案

根據(jù)長洲水利樞紐可研報告，長洲水庫正常蓄水位20.6 m，為了減少水庫淹沒損失，汛期5—10月運行水位18.6 m。當(dāng)入庫流量大于16 300 m3/s且小于21 000 m3/s時，電站停止發(fā)電，在不影響下游航運及防洪安全前提下，入庫流量全部通過泄洪閘控制漸進(jìn)下泄，直至水庫水位基本恢復(fù)到天然狀態(tài)。當(dāng)入庫流量大于21 000 m3/s時，43孔泄洪閘全部敞開泄洪，水庫水位基本恢復(fù)到天然狀態(tài)。

1.2 長洲水利樞紐現(xiàn)狀調(diào)度方案存在的問題

1.2.1水庫供水調(diào)度評估

長洲水利樞紐庫區(qū)供水主要集中在平南，保持平南站水位20.6 m，方能保證平南丹竹片農(nóng)村飲水安全工程一級泵站正常抽水。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研了解到，平南丹竹片農(nóng)村飲水安全工程2020年5、9月均出現(xiàn)過不能正常取水的現(xiàn)象，水廠采用應(yīng)急管道取水，丹竹片區(qū)供水安全無法保障。

分析2020年5、9月長洲運行水位、出入庫流量以及相應(yīng)的平南水位，見圖1、2。由圖1可知，2020年5月2—21日，長洲壩址水位在18.42～18.56 m，入庫流量在1 950～4 400 m3/s，相應(yīng)的平南水文站水位為19.12～20.32 m，低于滿足丹竹片區(qū)取水要求的20.6 m；由圖2可知，2020年9月2—8日，長洲壩址水位在18.53～18.57 m，入庫流量在2 450～3 600 m3/s，相應(yīng)的平南水文站水位為20.32～20.55 m，低于滿足丹竹片區(qū)取水要求的20.6 m。可知，在汛期長洲水利樞紐保持汛限水位18.6 m運行，當(dāng)流域來水較小時，會導(dǎo)致丹竹水廠取水口無法取水，丹竹片區(qū)無法正常供水運行。

圖1 2020年5月長洲水利樞紐運行狀態(tài)及平南水位

圖2 2020年9月長洲水利樞紐運行狀態(tài)及平南水位

1.2.2水庫生態(tài)調(diào)度評估

流域水利樞紐的建設(shè)勢必從水文情勢、理化參數(shù)、生物指標(biāo)、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面對水生態(tài)系統(tǒng)帶來影響，改變由水生生物群落與水環(huán)境共同構(gòu)成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)平衡系統(tǒng)[7-8]。在水生態(tài)環(huán)境問題中，尤以魚類對水生生態(tài)環(huán)境的改變較為敏感，魚類資源的變化，魚種的繁衍恢復(fù)程度已成為眾多水生態(tài)影響的代表，也是目前水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。

為加強(qiáng)改善修復(fù)西江水生生物繁育生態(tài)環(huán)境研究，2015—2017年，珠江水利委員會組織開展了西江干流魚類繁殖期水量調(diào)度方案編制的研究工作。根據(jù)西江干流生態(tài)調(diào)度方案制定時所提出的分析成果，并在2016—2021年連續(xù)多年適時啟動組織實施了多次魚類繁殖期水量調(diào)度(試驗)生態(tài)監(jiān)測和多次水量調(diào)度，結(jié)果顯示通過優(yōu)化紅水河龍灘、巖灘、橋鞏，柳江紅花，郁江西津，潯江長洲等主要水電站以及其他相關(guān)電站的調(diào)度，顯著改善了西江干支流主要魚類產(chǎn)卵江段生境。

1.2.3水庫航運調(diào)度評估

隨著“黃金水道”西江航運干線的建成和高速發(fā)展，作為西江干流航線重要節(jié)點的長洲水利樞紐，其調(diào)度運行直接關(guān)系到庫區(qū)的航運條件及下游航運流量等[9]。2020年1月，西江航運干線上游來水嚴(yán)重不足，長洲水利樞紐壩最小入庫流量只有1 800 m3/s，對應(yīng)的運行水位19.9 m，西江航運干線長洲水利樞紐船閘發(fā)生了船舶滯航的情況；2020年5月上中旬來水異常偏少，長洲水利樞紐日均入庫流量維持在3 000 m3/s左右，尤其是5月14日日均入庫流量降至2 000 m3/s，運行水位為18.4 m，給上下游通航帶來了較大影響，其中庫區(qū)上游藤縣蒙江段因航道水深不足多次發(fā)生了船舶擱淺事件。

1.2.4水庫發(fā)電調(diào)度評估

長洲水利樞紐具有一定的調(diào)峰、調(diào)頻能力，對促進(jìn)廣西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行意義重大。樞紐自建成運行以來，汛期運行水位嚴(yán)格控制汛限水位以下，在汛期未發(fā)生洪水時，由于上游運行水位過低、機(jī)組發(fā)電水頭不足，嚴(yán)重影響水能利用效率；而洪水發(fā)生時，受下游水位頂托影響不得不停機(jī)，造成了大量的水能資源浪費。長洲水利樞紐歷年棄水量見表1。

表1 長洲水利樞紐歷年來棄水量統(tǒng)計

2 基于不同需求的汛期優(yōu)化調(diào)度方案研究

長洲水利樞紐現(xiàn)狀承擔(dān)的供水、生態(tài)、航運及發(fā)電等方面的調(diào)度任務(wù)均對水庫的汛期運行調(diào)度提出了需求。長洲水利樞紐利用現(xiàn)代水文預(yù)報調(diào)度技術(shù)，開展汛期優(yōu)化調(diào)度研究，以不降低水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、不增加下游和庫區(qū)防洪壓力為前提條件，在流域來水較小時適時適度抬高運行水位，以滿足供水、生態(tài)、航運及發(fā)電調(diào)度等需求是很有必要的。

2.1 調(diào)度需求分析

2.1.1供水調(diào)度需求分析

通過建立庫區(qū)水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，模擬不同的壩址水位和入庫流量組合，分析入庫流量-平南水位-壩址運行水位之間的關(guān)系與規(guī)律，確定汛期不同量級來水情況下滿足丹竹片區(qū)供水要求的安全調(diào)度臨界水位。通過長洲水利樞紐入庫流量與壩址水位離散控制節(jié)點離散組合，形成多種離散組合，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計算全部組合下的水庫回水線，以不增加庫區(qū)淹沒為前提，建立滿足潯江平南段平南中心水文站水位的入庫流量-壩址水位之間的相關(guān)關(guān)系，獲得不同入庫流量滿足庫區(qū)取水要求同時不超出設(shè)計淹沒范圍的壩址水位，計算結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知，為滿足庫區(qū)取水要求，當(dāng)長洲入庫流量在2 000～5 000 m3/s時，壩址運行水位需提高至19.1～20.3 m，當(dāng)長洲水利樞紐入庫流量大于6 000 m3/s，則可以恢復(fù)汛限水位18.6 m運行。

表2 滿足庫區(qū)供水的不同入庫流量對應(yīng)的臨界水位

長洲水利樞紐水庫水位對庫區(qū)淹沒十分敏感，為減少淹沒損失，汛期降低庫區(qū)水位至 18.6 m運行。根據(jù)《長洲水利樞紐初步設(shè)計報告》，長洲水利樞紐水庫干流回水線按以下標(biāo)準(zhǔn)確定：土地淹沒線采用汛期運行水位18.6 m，敞泄流量21 000 m3/s及以下各級流量推算的沿程回水尖滅點連線和正常蓄水位20.6 m為起始水位按非汛期(11月至次年4月)5年一遇洪峰流量為11 800 m3/s推算回水線組合的外包線。為分析水庫提高運行水位后是否會造成庫區(qū)淹沒，計算上述不同入庫流量2 000～5 000 m3/s與壩址水位19.6 m組合的沿程水面線，從偏安全的角度考慮，滿足庫區(qū)取水要求的水面線不能超過土地淹沒回水控制線要求，結(jié)果見圖3，可見不同入庫流量與壩址水位組合的沿程水面線均低于土地淹沒線。

圖3 滿足庫區(qū)供水的不同流量-水位對應(yīng)的回水與庫區(qū)淹沒線對比

2.1.2生態(tài)、航運以及發(fā)電調(diào)度需求分析

根據(jù)《西江干流生態(tài)調(diào)度方案》成果，可有效刺激四大家魚產(chǎn)卵，增加西江干流的魚類資源量的調(diào)度目標(biāo)分為3個流量級分別為：洪峰流量為5 000～8 000 m3/s低流量級調(diào)度過程，洪峰流量為8 000～12 000 m3/s的中流量級調(diào)度過程，洪峰流量為12 000～15 000 m3/s高流量級調(diào)度過程，且以中、高流量的調(diào)度過程為佳。長洲庫區(qū)東塔產(chǎn)卵場四大家魚繁殖期對水文節(jié)律有特殊需求：漲水階段刺激產(chǎn)卵所需的漲水天數(shù)至少為3 d，流量日均漲率需達(dá)到1 000 m3/s以上，魚卵漂程范圍內(nèi)流速大于0.25 m/s。

長洲水利樞紐作為西江干流魚類繁殖期水量調(diào)度體系中最下游的反調(diào)節(jié)水庫，見圖4，需要控制水庫運行水位配合上游水庫調(diào)度解決長洲庫區(qū)及下游魚類繁殖期生態(tài)需水問題[10]，減緩長洲水利樞紐調(diào)度所帶來的不良生態(tài)環(huán)境影響。

圖4 調(diào)度水庫系統(tǒng)示意

受西江航運干線上游來水不足以及長洲樞紐壩下至界首段航道下切嚴(yán)重等因素綜合影響，長洲水利樞紐保持汛限水位運行時，會發(fā)生船舶滯航或者引起船舶擱淺事件，對航道通航產(chǎn)生較大的影響。因此當(dāng)流域來水較小時，適當(dāng)提高長洲水利樞紐壩址水位，既可以避免上游航道發(fā)生擱淺，又可以加大泄量將下游超吃水船舶疏導(dǎo)，有利于保障航道安全暢通。

長洲水利樞紐在非汛期有一定的調(diào)峰、調(diào)頻能力，對促進(jìn)廣西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了不可替代的作用。然而據(jù)統(tǒng)計，長洲水利樞紐運行以來多年平均棄水量為617億m3，嚴(yán)重影響了電站的發(fā)電效益[11-12]。長洲水利樞紐作為低水頭電站，提高水頭可有效增加發(fā)電量，因此迫切需要利用現(xiàn)代水文預(yù)報調(diào)度技術(shù)，在保證防洪安全的基礎(chǔ)上抬高運行水位，盡可能減少汛期棄水，增加發(fā)電量，使水資源優(yōu)化利用。

2.2 汛期運行水位動態(tài)控制域分析

現(xiàn)有水庫汛期運行水位動態(tài)控制域一般使用預(yù)泄能力約束法、庫容補(bǔ)償法、預(yù)報預(yù)泄調(diào)度法及其他方法來求解。長洲水利樞紐屬于低水頭電站，汛限水位18.6 m對應(yīng)的泄流能力為21 000 m3/s，而長洲水利樞紐入庫流量達(dá)到21 000 m3/s時已經(jīng)敞泄，同時上游大藤峽水庫未完全投入使用，所以不適合使用泄流能力約束法以及庫容補(bǔ)償法求解。本文在保證防洪安全的前提下，綜合考慮供水、航運、生態(tài)等調(diào)度需求，結(jié)合水庫預(yù)報預(yù)泄思想建立模型，求解水位動態(tài)控制上限值，模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

MaxZ=Z0+ΔZ

(1)

約束條件：

ΔZ≥k(Zg,Zs,Zh,Zf)

(2)

ΔZ≤f(V0+Wout)-F(V0)

(3)

ΔZ/ΔT≤l(Z)

(4)

式中Z——考慮不同需求的汛期運行水位上限，m；Z0——汛期起調(diào)水位值，m；ΔZ——騰空時間內(nèi)上浮動的水位值，m；k(*)——滿足不同調(diào)度需求的水位函數(shù)；Zg、Zs、Zh、Zs——滿足供水、生態(tài)、航運、發(fā)電調(diào)度需求的最低水位；f(*)——水庫-庫容關(guān)系函數(shù)；V0——汛期起調(diào)水位對應(yīng)的庫容，m3；Wout——水庫有效騰空時間內(nèi)下泄的流量，m3；ΔT——水庫有效騰空時間；l(*)——水位變幅函數(shù)，預(yù)泄過程水位變幅不應(yīng)過大。

2.2.1有效預(yù)見期

長洲水利樞紐水情預(yù)測系統(tǒng)自2008年9月正式投入運行以來，經(jīng)過多次對運行參數(shù)的率定與復(fù)核，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，洪峰預(yù)報準(zhǔn)確。長洲水利樞紐各年各場次洪水預(yù)報平均絕對誤差為807 m3/s，平均洪峰預(yù)報精度為95.87%；峰現(xiàn)時間平均誤差為4.8 h，預(yù)報合格率為85.36%。綜上所述，洪水預(yù)報精度達(dá)到GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》[13]要求的甲級標(biāo)準(zhǔn)，可以為長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度提供可靠的水情預(yù)報數(shù)據(jù)。

隨著氣象預(yù)報、實時水文預(yù)報技術(shù)和水文信息的收集、傳輸、貯存、處理技術(shù)的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，水文預(yù)報的水平也得到明顯提高。汛期優(yōu)化調(diào)度需在水情預(yù)報的基礎(chǔ)進(jìn)行，通過預(yù)報預(yù)泄調(diào)度確保下游及水庫防洪安全，預(yù)報期和預(yù)報精度是直接影響水庫能否實現(xiàn)較大洪水來臨前預(yù)泄到汛期限制水位的主要因素。采用中短期水文預(yù)報技術(shù)，可提前3～5 d較準(zhǔn)確地預(yù)報大洪水和特大洪水，為優(yōu)化長洲實時調(diào)度提供了技術(shù)依據(jù)。本次計算有效預(yù)見期采用3 d。

2.2.2水庫騰空時間分析

在不形成人造洪峰、預(yù)泄流量必須小于下游安全泄量的前提下，為了確保庫區(qū)防洪安全，在較大洪水來臨之前，壩址水位需預(yù)泄至汛限水位18.6 m，庫區(qū)水位也需回落至汛限水位相應(yīng)的庫區(qū)水位，但由于長洲水利樞紐為河道型水庫，庫區(qū)洪水回落至汛限水位相應(yīng)的庫水位仍要滯后一段時間。因此水庫騰空時間ΔT必須考慮庫區(qū)洪水的滯后時間，見式(5)：

ΔT≤Ty-Tz

(5)

式中Ty——有效預(yù)見期；Tz——庫區(qū)洪水回落滯后時間。

本文采用一維水流數(shù)學(xué)模型計算不同流量級入庫洪水與不同壩址水位降落速度下，庫區(qū)水位回落滯后時間，結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，當(dāng)不同入庫流量對應(yīng)的壩址水位19.1m經(jīng)過0.5～2.0 d回落至汛限水位時，庫區(qū)水位回落滯后時間為1.6～0.6 d；當(dāng)不同入庫流量對應(yīng)的壩址水位19.6 m經(jīng)過0.5～2.0 d回落至汛限水位時，庫區(qū)水位回落滯后時間為1.8～0.9 d?？紤]到有效預(yù)見期為3d，為保障庫區(qū)防洪安全，壩址水位應(yīng)在2 d內(nèi)預(yù)泄至汛限水位，才能滿足庫區(qū)水位在預(yù)見期內(nèi)回落，確保庫區(qū)防洪安全。

表3 長洲從不同壩址水位預(yù)泄至汛限水位對應(yīng)庫區(qū)水位回落滯后時間

2.2.3動態(tài)控制域求解

根據(jù)2.1供水調(diào)度需求分析可知，當(dāng)長洲入庫流量在2 000～5 000 m3/s時，壩址運行水位需提高至19.1～20.3 m才能滿足庫區(qū)供水。統(tǒng)計長洲水利樞紐近年來主汛期最小日均入庫流量，結(jié)果見表4。由結(jié)果可知，長洲水利樞紐汛期最小日均入庫流量為3 500 m3/s左右，對應(yīng)的滿足庫區(qū)供水要求最低壩址水位為19.6 m。

表4 長洲水利樞紐汛期最小日均流量統(tǒng)計 單位：m3/s

考慮到長洲庫區(qū)中段和庫尾段水位下降比壩址水位降落滯后，考慮盡量控制防洪風(fēng)險，汛期不宜將長洲庫水位抬高太多。結(jié)合長洲水利樞紐調(diào)度需求，考慮庫區(qū)堤岸穩(wěn)定需要和洪水預(yù)報可靠性，長洲水利樞紐汛期最高運行水位為19.6 m。同時根據(jù)上面騰空時間分析，當(dāng)入庫流量為3 500 m3/s，壩址水位19.6 m時，水庫經(jīng)過2 d預(yù)泄至汛限水位庫區(qū)回落滯后時間為1 d。考慮到有效預(yù)見期3 d，本次長洲水利樞紐壩址水位預(yù)泄時間為2 d，能滿足庫區(qū)水位在預(yù)見期內(nèi)回落，確保庫區(qū)防洪安全。

庫水位漲落速率過大可能影響護(hù)岸穩(wěn)定，主要是造成庫岸坍塌[14]。統(tǒng)計水庫2008年以來相鄰日平均水位差值以及同一天內(nèi)最高水位和最低水位的差值，其頻率分布分別見圖5、6。從圖中可以看出，日平均水位變化在0.5 m以內(nèi)累計頻率達(dá)到97.05%，1 d內(nèi)最大水位變幅范圍在0.5 m范圍內(nèi)的累計頻率達(dá)到了98.1%，實際最大日水位變幅達(dá)到1 m以上，且根據(jù)水庫運行期間均未發(fā)生過相關(guān)庫岸坍塌等相關(guān)事故的報道。本次研究汛期運行水位動態(tài)控制上限為19.6 m，壩址預(yù)泄至汛限水位18.6 m的時間為2 d，故長洲水利樞紐水位日變幅為0.5 m，即可以確保洪水入庫前將水庫運行水位預(yù)泄至原設(shè)計汛限水位，確保不降低原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)長洲水利樞紐多年調(diào)度實踐分析可知，長洲水利樞紐日變幅為0.5 m是安全可靠的，因此本次研究汛期運行水位動態(tài)控制上限取值19.6 m是合理的。

圖5 相鄰日平均水位差值頻率分析

圖6 1 d內(nèi)最高最低水位變幅頻率分析

2.3 基于不同需求的汛期優(yōu)化調(diào)度方案

2.3.1預(yù)泄判別條件

長洲水利樞紐為徑流式電站，不承擔(dān)流域防洪任務(wù)，其預(yù)泄時機(jī)主要需根據(jù)庫區(qū)防洪安全確定。通過長洲水利樞紐壩址水位19.6 m與不同入庫流量離散控制節(jié)點離散組合，形成多種離散組合，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計算全部組合下的水庫回水線，壩址水位為19.6 m時，當(dāng)入庫流量小于13 500 m3/s時，庫區(qū)水位不超過土地淹沒回水控制線。從保證庫區(qū)淹沒安全角度來講，預(yù)報入庫流量將大于13 500 m3/s時，水庫要預(yù)泄至汛限水位。

同時根據(jù)長洲水利樞紐多年調(diào)度實踐，預(yù)報3 d后入庫流量大于11 800 m3/s且繼續(xù)上漲時，水庫預(yù)泄至18.6 m運行，多年的運行實踐，庫區(qū)未發(fā)生防洪安全事故。例如受2015年第22號臺風(fēng)“彩虹”影響，10月4—6日廣西大部地區(qū)出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨天氣，10月3日，水情預(yù)報長洲入庫6日凌晨可能出現(xiàn)超過11 800 m3/s的洪水，此時水庫水位19.6 m，長洲水利樞紐4日8時開始加大泄量預(yù)泄，并在調(diào)度期間加強(qiáng)上下游影響區(qū)巡邏，于10月6日2時預(yù)泄到汛限水位18.6 m，預(yù)泄流量10 900 m3/s，加泄600 m3/s，預(yù)泄過程未造成人造洪峰，庫區(qū)也未產(chǎn)生不利影響。

因此，根據(jù)長洲庫區(qū)騰空時間、壩址最高可蓄水位與入庫流量關(guān)系以及調(diào)度實踐，且考慮長洲入庫洪水漲率太大對洪水預(yù)報精度的影響，建議長洲預(yù)泄時機(jī)為：預(yù)報長洲3 d后入庫流量大于11 800 m3/s時，水庫在2 d內(nèi)預(yù)泄至18.6 m運行。

2.3.2起蓄判別條件

考慮到洪水預(yù)報誤差的客觀存在性，西江流域常常因上游各支流洪水的疊加出現(xiàn)多峰型洪水的實際情況[15]，以及退水期庫區(qū)中段、庫尾段水位回落略微比壩址水位滯后等諸多因素，在洪水退水期進(jìn)行水庫預(yù)蓄調(diào)度時，采取偏于安全的預(yù)蓄判別流量?？紤]到西江洪水多為多峰型洪水，若流量較大時開始預(yù)蓄的防洪風(fēng)險較大，長洲水利樞紐滿發(fā)流量為7 450 m3/s，有效預(yù)見期內(nèi)回蓄至19.6 m需要減小出庫700 m3/s左右，綜合考慮預(yù)報誤差以及根據(jù)多年調(diào)度實踐，為安全起見，退水階段當(dāng)入庫流量小于8 000 m3/s且預(yù)報未來幾日無明顯漲水過程時開始回蓄。因此預(yù)蓄判別流量為8 000 m3/s。

2.3.3汛期優(yōu)化調(diào)度方案

長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案以不降低水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、不增加下游和庫區(qū)防洪壓力為前提條件，在流域來水較小時適時適度抬高運行水位，以滿足庫區(qū)供水、生態(tài)、航運、發(fā)電等需求，發(fā)揮水庫綜合效益；在洪水來臨之前將水庫水位提前預(yù)泄至汛限水位，不增加流域防洪壓力。綜合考慮水電站流域相關(guān)洪水預(yù)報信息、有效預(yù)見期、水庫泄流能力等關(guān)鍵因子的基礎(chǔ)上，確定具體水庫泄流及庫水位實時控制方案。

a)長洲水利樞紐汛期水庫最高運行水位為19.6 m。

b)當(dāng)預(yù)報長洲水利樞紐壩3 d后入庫流量大于11 800 m3/s時，水庫應(yīng)立即轉(zhuǎn)入防洪調(diào)度，加大水庫泄流，在2 d內(nèi)使水庫水位消落到原設(shè)計防洪限制水位18.6 m；水庫消落至汛限水位后，按現(xiàn)行的防洪調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度。

c)在退水過程中，當(dāng)入庫流量小于8 000 m3/s時開始回蓄，有效預(yù)見期內(nèi)逐步恢復(fù)水庫水位至19.6 m。

3 風(fēng)險和效益分析

3.1 風(fēng)險分析

水庫汛期優(yōu)化調(diào)度方案的合理性，要考慮水庫調(diào)洪最高水位、下游控制站組合流量、水庫興利蓄水等防洪與興利目標(biāo)，是一較復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題。為分析長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否合理，本文從下游防洪安全、庫區(qū)淹沒安全等多方面進(jìn)行風(fēng)險評價。

3.1.1下游防洪安全分析

選擇下游控制斷面梧州最大洪峰流量作為汛期優(yōu)化調(diào)度方案實施前后對防洪安全影響評價的重要參數(shù)，以此說明汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否會對防洪控制斷面造成風(fēng)險；從安全穩(wěn)定角度對大壩水位下降速率進(jìn)行分析，以此說明汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否對庫區(qū)岸坡穩(wěn)定造成風(fēng)險。選取典型洪水進(jìn)行調(diào)洪計算，并統(tǒng)計以上指標(biāo)，并與原設(shè)計調(diào)度方案進(jìn)行對比，分析方案對下游防洪安全的影響，調(diào)度結(jié)果見表5。由結(jié)果可知，汛期優(yōu)化調(diào)度方案最大日水位變幅未超過0.5 m/d，不會對庫區(qū)淹沒安全和岸坡穩(wěn)定造成不利影響，可以保證不同典型的來水條件下不降低原庫區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)；與原設(shè)計方案對比，汛期優(yōu)化調(diào)度方案調(diào)度后下游控制斷面梧州洪峰均未增加，預(yù)泄增加的流量不會增加下游防洪風(fēng)險。原設(shè)計調(diào)度方案、汛期優(yōu)化調(diào)度方案的起調(diào)水位分別為19.6、18.6 m。

表5 長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案調(diào)洪成果統(tǒng)計

3.1.2庫區(qū)淹沒安全分析

由于長洲水利樞紐為河道型水庫，庫區(qū)洪水回落至設(shè)計汛限水位相應(yīng)的庫水位仍要滯后一段時間，如果庫區(qū)水位未及時預(yù)泄至原設(shè)計水位時，當(dāng)預(yù)見期內(nèi)洪水漲率較大時，有可能對庫區(qū)淹沒造成一定的風(fēng)險。

選取典型洪水中來水較大的1988年來水，按照擬定的優(yōu)化調(diào)度方案，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計算分析長洲水利樞紐從19.6 m預(yù)泄至汛限水位18.6 m庫區(qū)洪水位變化情況，計算成果見表6。從表中可以看出，長洲水利樞紐壩址水位在2 d內(nèi)從19.6 m預(yù)泄至18.6 m，庫區(qū)水位回落滯后了1 d，在有效預(yù)見期內(nèi)回落了下來，不會對庫區(qū)淹沒造成防洪風(fēng)險。

表6 長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案庫區(qū)雍高水位成果統(tǒng)計 單位：m

3.2 效益分析

長洲水利樞紐進(jìn)行汛期優(yōu)化調(diào)度效益主要包括增蓄水量以及水頭抬高帶來的供水、發(fā)電、航運、生態(tài)效益。通過前面計算可知，長洲水利樞紐汛期運行水位控制域上限為19.6 m，與汛限水位18.6 m相比，增加效益情況見表7。

表7 長洲水利樞紐優(yōu)化方案增加效益

從表7可以看出，通過長洲汛期優(yōu)化調(diào)度，在流量較小的情況下將汛期運行水位由18.6 m抬高至19.6 m，可保障庫區(qū)上游尤其是平南縣丹竹片區(qū)水廠正常取水；可增加庫區(qū)水深1.0～1.5 m，加強(qiáng)了水庫對航運流量的調(diào)節(jié)能力，對西江干流航線的正常運行具有重要的意義；可增加蓄水量2億m3，為生態(tài)調(diào)度儲備水源。同時對優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行發(fā)電模擬運行，統(tǒng)計得出汛期多年平均棄水量減少3.93億m3，多年平均發(fā)電量由10.69億kW·h提高到11.23億kW·h，平均增加0.54億kW·h，增幅為5.05%，效益十分顯著。

4 結(jié)語

a)汛期優(yōu)化調(diào)度是一個風(fēng)險與效益共存的問題，本文通過全面分析近年水庫供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等方面的運用情況，評估水庫現(xiàn)狀汛期調(diào)度運用方案以及存在的問題，得出其在供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等不同方面的調(diào)度需求；結(jié)合調(diào)度需求、洪水預(yù)報信息可利用性分析，開展長洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案研究，在確保防洪安全的前提下，將汛期運行水位由18.6 m提高至19.6 m。

b)通過分析長洲水利樞紐實施汛期優(yōu)化調(diào)度前后的風(fēng)險與效益變化，得出方案實施不會增加庫區(qū)和下游防洪風(fēng)險，可在保障防洪安全的前提下提高庫區(qū)水位1.0～1.5 m，增蓄水量2億m3，充分發(fā)揮了水庫供水、航運、生態(tài)效益，同時增加發(fā)電量5.05%，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。

c)文中僅對長洲水利樞紐單庫優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究，隨著水庫調(diào)度技術(shù)和管理水平的不斷提升，如何與上游水庫建立聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度機(jī)制，以取得更大的綜合利用效益和防洪安全保障是接下來研究的重點。