胡一棟 劉吉峰 張毅 康耀輝 陳冬伶
關(guān)鍵詞:封河流量;凌汛災(zāi)害;水庫(kù)調(diào)度;寧蒙河段;黃河
黃河寧蒙河段位于黃河流域最北端,全長(zhǎng)1217km。受大陸性季風(fēng)氣候影響,冬季寒冷干燥,日平均氣溫在0℃以下的時(shí)間可持續(xù)4~5個(gè)月,最低氣溫可達(dá)-35℃。黃河寧蒙河段一般從11月下旬開(kāi)始流凌,12月上旬封凍,翌年3月中下旬解凍開(kāi)河,封凍時(shí)間120d左右,封河長(zhǎng)度可達(dá)1000km。寧蒙河段特殊的河道走向?qū)е路鈨鰰r(shí)冰蓋自下游向上游發(fā)展,容易卡冰阻水,壅高水位;解凍時(shí)自上而下,冰凌洪水沿程增大,極易形成冰凌災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì),在1950—2020年的71a中有14a凌汛期發(fā)生堤防決口[1]。
黃河寧蒙河段上游劉家峽水庫(kù)和龍羊峽水庫(kù)分別于1968年和1986年蓄水運(yùn)用,對(duì)寧蒙河段冰凌有重要調(diào)節(jié)作用[2]。兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用以來(lái),防凌調(diào)度遵守“發(fā)電、供水服從防凌,防凌調(diào)度兼顧供水和發(fā)電,實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和合理利用”的原則,減少了凌情災(zāi)害。2000年以來(lái)黃河上游來(lái)水形勢(shì)、寧蒙河段河道狀況和凌情均發(fā)生了較大變化[3],主要表現(xiàn)在:上游來(lái)水較20世紀(jì)90年代明顯增大,2000—2020年唐乃亥站6—10月來(lái)水均值較1990—1999年偏多16%,龍羊峽水庫(kù)自2005年以來(lái)開(kāi)始蓄滿運(yùn)用;寧蒙河段河道淤積情況有所改善,2012年汛期出現(xiàn)大洪水以來(lái),黃河上游于2018—2020年連續(xù)3a出現(xiàn)3000m3/s以上洪水過(guò)程,河段平灘流量恢復(fù)至2000m3/s;冬季氣溫總體偏高,年內(nèi)氣溫波動(dòng)大,極端冷暖事件頻繁發(fā)生;河段槽蓄水增量呈減小趨勢(shì),但凌汛災(zāi)害潛在風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。
青海省電力結(jié)構(gòu)以水力發(fā)電為主,凌汛期正值用電高峰,水力發(fā)電所需水量大。凌汛期劉家峽水庫(kù)出庫(kù)流量減小,梯級(jí)電站發(fā)電量大幅減小,導(dǎo)致冬春季青海省缺電嚴(yán)重,同時(shí)龍羊峽水庫(kù)翌年汛前大量棄水,浪費(fèi)寶貴的水資源。為了科學(xué)調(diào)度黃河上游干流水庫(kù),確保黃河防凌安全,兼顧防凌、用水、發(fā)電等各方利益,迫切需要開(kāi)展凌汛期龍羊峽、劉家峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究。
1防凌調(diào)度優(yōu)化空間
按照《黃河水量調(diào)度條例》《黃河劉家峽水庫(kù)凌期水量調(diào)度暫行辦法》有關(guān)規(guī)定,劉家峽水庫(kù)下泄水量采用“月計(jì)劃、旬安排”的調(diào)度方式。水庫(kù)下泄水量按旬平均流量嚴(yán)格控制,日出庫(kù)流量避免忽大忽小,日平均流量變幅不能超過(guò)旬平均流量的10%[4]。在上述原則基礎(chǔ)上,黃河防總經(jīng)過(guò)20多a的調(diào)度實(shí)踐,經(jīng)歷了研究、應(yīng)用、總結(jié)和再實(shí)踐等過(guò)程,初步形成了較為完整的黃河上游水庫(kù)防凌調(diào)度方法:流凌封河發(fā)展期塑造符合河道實(shí)際情況的適宜封河流量;封凍期適當(dāng)減小水庫(kù)下泄流量,抑制槽蓄水增量的過(guò)快增長(zhǎng);開(kāi)河期適度壓減上游水庫(kù)下泄流量,開(kāi)河形勢(shì)從“武開(kāi)河”轉(zhuǎn)向“文開(kāi)河”;增強(qiáng)冰下過(guò)流能力,減小封開(kāi)河關(guān)鍵期冰塞、冰壩致災(zāi)概率,提高黃河上游梯級(jí)水庫(kù)凌汛期綜合效益。
基于2000年以來(lái)凌情新特點(diǎn)和上游水庫(kù)防凌調(diào)度經(jīng)驗(yàn),考慮黃河上游來(lái)水形勢(shì)年際變化,黃河龍羊峽、劉家峽水庫(kù)防凌調(diào)度仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。具體包括:基于河道條件、上游來(lái)水和用水需求確定適宜的封河流量,減小封河發(fā)展期冰塞出現(xiàn)概率和規(guī)模;根據(jù)凌情形勢(shì)和氣溫變化趨勢(shì),優(yōu)化開(kāi)河期壓減水庫(kù)下泄流量的時(shí)機(jī)和力度,塑造“文開(kāi)河”為主的開(kāi)河形勢(shì);充分利用上游區(qū)間來(lái)水和水庫(kù)蓄水的豐平枯變化,提高下游梯級(jí)電站的綜合效益;把握好防凌調(diào)度時(shí)機(jī),提高精細(xì)調(diào)度能力,更加充分利用凌汛期寶貴的水資源。
2優(yōu)化調(diào)度方式研究
2.1封河發(fā)展期
封河流量直接關(guān)系后期凌情發(fā)展形勢(shì)、防凌安全與整個(gè)凌汛期上游梯級(jí)水庫(kù)泄水總量及泄水過(guò)程,因此適宜的封河流量是確保凌汛期防凌安全的重要前提。
1)歷史封河流量。封河流量指封河前期的河道流量,一般以首封河段最近的水文站封河前3d的平均流量表示[5]。龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的1989—2020年內(nèi)蒙古河段封河流量均值為661m3/s,最大為953m3/s(1990—1991年度),最小為273m3/s(2000—2001年度)。其中:封河流量在500m3/s以下的6a,占19%;500~800m3/s的17a,占53%;在800m3/s以上的9a,占28%。
2)封河流量與凌汛期水位。受河道淤積影響,1986年以來(lái)黃河內(nèi)蒙古三湖河口水文斷面凌汛期水位持續(xù)偏高[6]。利用內(nèi)蒙古河段1968—2020年封河流量和三湖河口水文斷面封河水位、最大水位壅高、凌汛期最高水位等資料,研究封河流量與凌汛期水位的關(guān)系,見(jiàn)圖1。可以看出,封河流量與封河水位正相關(guān),與最大水位壅高負(fù)相關(guān),與凌汛期最高水位無(wú)明顯相關(guān)性。因此,封河流量越大,封河水位越高,凌汛期水位壅高越不明顯。
3)封河流量與槽蓄水增量。在內(nèi)蒙古河段,封凍初期一部分水轉(zhuǎn)化為冰,還有一部分水受冰蓋阻水影響,轉(zhuǎn)化為槽蓄水增量。最大槽蓄水增量受河道條件和上游來(lái)水影響顯著[7],為分析封河流量對(duì)最大槽蓄水增量的影響,選?。保梗梗丁玻埃保衬炅柩雌谏嫌蝸?lái)水量為40億m3左右的年份,點(diǎn)繪封河流量與最大槽蓄水增量的關(guān)系,見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,在河道條件相似、上游來(lái)水大致相同的情況下,封河流量與最大槽蓄水增量負(fù)相關(guān),表明封河流量越大,最大槽蓄水增量越小。
4)封河流量與凌災(zāi)。在1989—2020年的32a中,寧蒙河段有16a發(fā)生較嚴(yán)重凌汛災(zāi)害,其中封河流量在500m3/s以下的6a中有4a發(fā)生凌汛災(zāi)害,發(fā)生概率為67%;封河流量為500~800m3/s的17a中有9a發(fā)生凌汛災(zāi)害,發(fā)生概率為53%;封河流量在800m3/s以上的9a中有3a發(fā)生凌汛災(zāi)害,發(fā)生概率為33%??梢?jiàn),封河流量越小,發(fā)生凌汛災(zāi)害的概率越大。主要原因是,封河流量小,冰下過(guò)流能力弱,容易導(dǎo)致封凍河段上游壅水,引發(fā)冰塞,同時(shí)封河流量過(guò)小會(huì)產(chǎn)生較大的槽蓄水增量,若后期上游來(lái)水流量較大,超過(guò)冰下過(guò)流能力,則會(huì)壅高水位,水鼓冰開(kāi)。
1968—2020年寧蒙河段不同河道過(guò)流能力對(duì)應(yīng)的封河流量見(jiàn)表1。從表1可以看出,盡管兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用以后河道平灘流量明顯減小,主槽過(guò)流能力減弱,但水庫(kù)調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),調(diào)度經(jīng)驗(yàn)不斷積累,封河流量總體呈增大趨勢(shì)??梢哉J(rèn)為,平灘流量約為1500m3/s時(shí),封河流量為700m3/s左右不易發(fā)生險(xiǎn)情;平灘流量約為2000m3/s時(shí),封河流量約為800m3/s時(shí)不易發(fā)生險(xiǎn)情。1990—1991年度寧蒙河段最小平灘流量約3000m3/s,封河流量953m3/s,開(kāi)河期氣溫回升晚、幅度大,同時(shí)由于缺乏水庫(kù)控制,因此開(kāi)河關(guān)鍵期上游來(lái)水較大,開(kāi)河速度快,大量冰塊隨流而下,致使三湖河口水文斷面以下發(fā)生卡冰結(jié)壩10多處,水位壅高,民堤決口,造成凌災(zāi)。可以說(shuō)1990—1991年度的凌災(zāi)主要是開(kāi)河期氣溫回升快以及上游來(lái)水大造成的,不是大流量封河導(dǎo)致的。2012—2013年度寧蒙河段最小平灘流量約2000m3/s,封河流量900m3/s,凌汛期因水庫(kù)調(diào)度合理而未發(fā)生凌汛險(xiǎn)情。寧蒙河段平灘流量越大,冰下過(guò)流能力越強(qiáng),允許的封河流量越大[5]??梢哉J(rèn)為,在水庫(kù)合理調(diào)度的前提下,平灘流量在3000m3/s以上,封河流量不超過(guò)950m3/s,寧蒙河段不易發(fā)生凌汛險(xiǎn)情。
2.2開(kāi)河關(guān)鍵期
寧蒙河段開(kāi)河關(guān)鍵期指開(kāi)河發(fā)展至三盛公水利樞紐之日起,至全部封凍河段主流開(kāi)通之日止。合理確定開(kāi)河關(guān)鍵期劉家峽水庫(kù)壓減流量時(shí)機(jī)和壓減量級(jí),可以確保開(kāi)河關(guān)鍵期防凌安全,同時(shí)最大限度提高水庫(kù)發(fā)電效益。
1)開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫類(lèi)型。根據(jù)內(nèi)蒙古河段開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫回升時(shí)間早晚及回升幅度,將開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫變化過(guò)程分為急劇回升偏早型、中期急劇回升型、急劇回升偏晚型、緩慢回升型4種類(lèi)型,見(jiàn)表2。開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫回升越早,槽蓄水增量集中釋放的可能性越大。因此,氣溫回升越早,允許的最大槽蓄水增量越小。
2)槽蓄水增量閾值。當(dāng)槽蓄水增量達(dá)到閾值時(shí),會(huì)在開(kāi)河關(guān)鍵期產(chǎn)生水位過(guò)度壅高的風(fēng)險(xiǎn),從而威脅堤防安全。2000年以來(lái)三湖河口至包頭段水位壅高最明顯,因此將三湖河口水文斷面防凌臨界水位對(duì)應(yīng)槽蓄水增量作為內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量閾值。三湖河口左右岸堤頂高程分別為1023.70、1021.61m,不決口時(shí)最高水位距堤頂1.0m左右[8],防凌臨界水位為1020.61m。根據(jù)三湖河口水文斷面凌汛期最高水位與最大槽蓄水增量關(guān)系式,當(dāng)三湖河口水文斷面達(dá)到防凌臨界水位時(shí),內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量約為16億m3。
綜合開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫條件對(duì)槽蓄水增量釋放過(guò)程的影響,確定內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量閾值為14億~16億m3。開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫急劇回升偏早年份、中期急劇回升年份、急劇回升偏晚年份、緩慢回升年份,允許最大槽蓄水增量應(yīng)分別控制在14億、15億、16億、16億m3以內(nèi)。
3)開(kāi)河關(guān)鍵期壓減流量指標(biāo)。根據(jù)開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫類(lèi)型,結(jié)合槽蓄水增量及分布形勢(shì)確定壓減流量時(shí)機(jī)。同時(shí)根據(jù)1月底槽蓄水增量和增長(zhǎng)趨勢(shì)以及前期凌情確定流量壓減力度,并依據(jù)開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫類(lèi)型適當(dāng)調(diào)整。在300~500m3/s流量級(jí),劉家峽至頭道拐河段封凍期水流傳播時(shí)間約20d,因此水庫(kù)壓減下泄流量的時(shí)間應(yīng)提前兩旬,見(jiàn)表3。
開(kāi)河關(guān)鍵期水庫(kù)調(diào)度預(yù)案一般要求1月底制作完成,因此根據(jù)1月末槽蓄水增量確定壓減流量大小。綜合考慮氣溫類(lèi)型對(duì)槽蓄水增量閾值的要求,以及在壓減流量發(fā)揮作用前槽蓄水增量的增長(zhǎng)空間,將11.5億、12.5億m3作為劃分槽蓄水增量開(kāi)河關(guān)鍵期壓減流量力度的指標(biāo)。若1月末槽蓄水增量偏?。ㄐ∮冢保保祪|m3),則可晚壓減流量或少壓減流量;若槽蓄水增量偏大(大于12.5億m3),則必須加大壓減流量力度;槽蓄水增量為11.5億~12.5億m3時(shí),則適當(dāng)壓減流量。
3優(yōu)化調(diào)度建議
3.1適宜封河流量
封河流量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致冰下過(guò)流能力減弱,封河河段上游壅水嚴(yán)重,造成冰塞險(xiǎn)情,同時(shí)產(chǎn)生較大的槽蓄水增量。當(dāng)封河流量小于500m3/s時(shí),頭道拐水文斷面冰下過(guò)流能力將小于350m3/s,給防凌帶來(lái)巨大壓力。在河道過(guò)流能力允許的條件下,大流量封河既可以保證防凌安全,又可以緩解防凌與發(fā)電之間的矛盾。隨著凌汛期水庫(kù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的積累以及調(diào)度機(jī)制的完善,平灘流量在3000m3/s以上時(shí),封河流量只要不超過(guò)950m3/s,寧蒙河段就不易發(fā)生冰塞險(xiǎn)情。根據(jù)寧蒙河段河道情況,考慮防凌安全,建議寧蒙河段封河流量控制在500~950m3/s。具體封河流量根據(jù)河道過(guò)流能力、上游來(lái)水情況和水庫(kù)綜合效益確定。目前,寧蒙河段過(guò)流能力約為2500m3/s,建議封河流量控制在600~850m3/s,其中豐水年控制在850m3/s左右、平水年控制在700m3/s左右、枯水年控制在600m3/s左右。
3.2開(kāi)河關(guān)鍵期壓減流量
開(kāi)河關(guān)鍵期壓減流量指標(biāo)包括壓減流量的時(shí)機(jī)和力度。根據(jù)開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫類(lèi)型及1月末槽蓄水增量,選擇壓減流量時(shí)機(jī)和力度。對(duì)于前期槽蓄水增量異常偏大的年份,結(jié)合槽蓄水增量增長(zhǎng)趨勢(shì)及前期凌情特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整壓減水庫(kù)出庫(kù)流量的時(shí)機(jī),防止槽蓄水增量過(guò)大、過(guò)快增長(zhǎng)造成凌汛災(zāi)害。壓減流量力度分5個(gè)等級(jí),即350、380、400、430、450m3/s(以蘭州水文站為控制站)??紤]水流傳播時(shí)間,劉家峽水庫(kù)壓減下泄流量的時(shí)間必須提前兩旬進(jìn)行,具體壓減方案見(jiàn)表4。
4優(yōu)化調(diào)度方案與實(shí)踐
4.1調(diào)度情景分析
根據(jù)目前的河道條件,歷史來(lái)水與用水特征、龍羊峽水庫(kù)2005年以來(lái)的蓄水情況和最近十幾年的凌情特點(diǎn),設(shè)定龍羊峽和劉家峽水庫(kù)凌汛期調(diào)度情景,在此基礎(chǔ)上討論各種情景的適用條件和防凌調(diào)度效果。劉家峽水庫(kù)凌汛期調(diào)度方案見(jiàn)表5(其中壓減時(shí)機(jī)為2月)。其中,平水年采用龍羊峽水庫(kù)2005年正常運(yùn)用以來(lái)唐乃亥水文站汛期(6—10月)來(lái)水均值(157億m3),距平5%~15%對(duì)應(yīng)豐水年,距平-15%~-5%對(duì)應(yīng)枯水年。
4.2實(shí)施調(diào)度方案的效益
劉家峽水庫(kù)凌汛期泄水量與多年均值對(duì)比見(jiàn)圖3??梢钥闯觯瑹o(wú)論是平水年還是豐水年,封河流量為700、800m3/s時(shí)凌汛期泄水量均大于多年均值,發(fā)電效益十分明顯。封河流量為600m3/s時(shí),凌汛期泄水量小于1989—2010年均值,凌汛期泄水量在2000—2010年均值附近。根據(jù)圖3,若采?。叮担埃恚常蟮姆夂恿髁?,則凌汛期泄水量將大于2000—2010年均值。因此,從凌汛期泄水量看,只要封河流量大于650m3/s,黃河上游梯級(jí)水庫(kù)就會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)電效益。
4.3優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐
2019年汛期黃河上游唐乃亥水文站來(lái)水偏多43%,來(lái)水偏豐形勢(shì)下,黃河防總基于全河水資源調(diào)度以及防凌、抗旱工作需求,結(jié)合龍羊峽、劉家峽水庫(kù)調(diào)度建議,編制了2019—2020年度黃河防凌調(diào)度預(yù)案,推薦寧蒙河段適宜封河流量為800m3/s。凌汛期水庫(kù)調(diào)度科學(xué)合理,雖然封河流量較大,但巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量?jī)H9.4億m3,較1970—2020年均值偏少0.7億m3;開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫屬于急劇回升偏晚型,按照開(kāi)河關(guān)鍵期調(diào)度方案,劉家峽水庫(kù)從2月下旬開(kāi)始?jí)簻p出庫(kù)流量至450m3/s左右,3月上旬壓減出庫(kù)流量至380m3/s。該年劉家峽水庫(kù)凌汛期實(shí)際下泄水量為86.82億m3,比調(diào)度預(yù)案多泄4.83億m3,較1989—2020年均值多泄16.04億m3。凌汛期下泄水量明顯偏多,發(fā)電效益增大。雖然凌汛期水位整體偏高,但未出現(xiàn)凌汛險(xiǎn)情。
2022年汛期唐乃亥水文站來(lái)水偏少31%,來(lái)水偏枯形勢(shì)下,2022—2023年度黃河防凌調(diào)度預(yù)案推薦寧蒙河段的適宜封河流量為600m3/s。開(kāi)河關(guān)鍵期寧蒙河段氣溫從2月上旬開(kāi)始持續(xù)偏高,屬于急劇回升偏早型,考慮槽蓄水增量非常小,巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量?jī)H6.2億m3,開(kāi)河期劉家峽水庫(kù)壓減出庫(kù)流量的時(shí)間適當(dāng)推遲,開(kāi)河關(guān)鍵期劉家峽水庫(kù)從2月上旬開(kāi)始?jí)簻p出庫(kù)流量至450m3/s左右,2月中旬壓減出庫(kù)流量至380m3/s左右。該年劉家峽水庫(kù)實(shí)際下泄水量為68.53億m3,比調(diào)度預(yù)案少泄0.22億m3,較1989—2020年均值少泄2.25億m3,偏少3%。在前期來(lái)水明顯偏少且開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫對(duì)開(kāi)河形勢(shì)明顯不利的情況下,凌汛期下泄水量接近常年,保證了發(fā)電效益。同時(shí)整個(gè)凌汛期凌情平穩(wěn),凌汛期水位整體偏低,未出現(xiàn)凌汛險(xiǎn)情。
5結(jié)論
在寧蒙河段河道條件較好的情況下,封河流量越大,冰下過(guò)流能力越強(qiáng),槽蓄水增量越小,凌災(zāi)發(fā)生概率越小。根據(jù)內(nèi)蒙古河段目前河道狀況,寧蒙河段封河流量控制在600~850m3/s,既可以保證防凌安全,又可以提高水庫(kù)發(fā)電效益。
槽蓄水增量集中釋放是造成開(kāi)河關(guān)鍵期凌災(zāi)發(fā)生的最主要原因。采用防凌臨界水位確定最大槽蓄水增量閾值為14億~16億m3,開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫回升越早允許的最大槽蓄水增量越小。根據(jù)開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫類(lèi)型及1月末槽蓄水增量,選擇水庫(kù)開(kāi)河關(guān)鍵期壓減流量時(shí)機(jī)和力度。對(duì)于開(kāi)河關(guān)鍵期氣溫屬于緩慢回升型且內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量偏小的年份,2月下旬開(kāi)始?jí)簻p劉家峽水庫(kù)出庫(kù)流量至450m3/s,3月上旬壓減至400m3/s,既可以保證防凌安全,又不影響發(fā)電效益。
根據(jù)目前的河道條件、歷史來(lái)水與用水特征、龍羊峽水庫(kù)蓄水情況和最近十幾年的凌情特點(diǎn),設(shè)定了龍羊峽、劉家峽水庫(kù)凌汛期調(diào)度情景,提出的不同情境下龍羊峽、劉家峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案,可為凌汛期水庫(kù)調(diào)度預(yù)案和實(shí)時(shí)方案制作提供參考。2019—2020年度、2022—2023年度在汛期來(lái)水分別偏多、偏少情況下,采用提出的具體防凌優(yōu)化調(diào)度方案,充分保證了防凌安全,明顯提高了黃河上游梯級(jí)水庫(kù)群發(fā)電效益。