馬 翔，由麗華，廖 寧，陳 旻，張陵蕾，李 嘉

（1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610065）

0 引言

受全球氣候變化影響，極端洪澇災(zāi)害的爆發(fā)愈發(fā)頻繁，造成了巨大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失［1］。我國(guó)是受洪澇災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一［2］，2021年，中國(guó)洪澇災(zāi)害造成5 901 萬(wàn)人次受災(zāi)，占全國(guó)自然災(zāi)害受災(zāi)人口總數(shù)的55%［3］。研究發(fā)現(xiàn)，在氣候變化影響下，近年來(lái)洪水災(zāi)害在量級(jí)上不斷刷新歷史極大值［4］，這為水庫(kù)防洪度汛帶來(lái)了極大的不確定性與挑戰(zhàn)。面對(duì)此類極端洪水，如何最大化利用水庫(kù)的防洪能力，開(kāi)展及時(shí)合理的應(yīng)急調(diào)度，已然成為變化環(huán)境下的新命題。

可能最大洪水（Probable Maximum Flood，PMF）是指由各種最不利因素組合形成的洪水［5］，同時(shí)也是研究區(qū)域內(nèi)最嚴(yán)重的洪水［6］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞PMF 的精確推求展開(kāi)了較多研究，如劉甜等［7］統(tǒng)籌了氣候變化、土地利用、前期影響雨量等因素，構(gòu)建了一種適用于變化環(huán)境下PMF 估算的新模式，并將其應(yīng)用于怒江上游區(qū)域。吉紅香等［8］針對(duì)無(wú)資料小流域河道提出了一種根據(jù)當(dāng)?shù)赝评砉脚c洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式估算PMF 的方法。CLAVET-GAUMONT J 等［9］指出，為應(yīng)對(duì)PMF 等極端洪水事件，一般需要修改大壩的布置與結(jié)構(gòu)，或優(yōu)化其調(diào)度方案，以實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)最小化。然而，目前相關(guān)研究報(bào)道較少，缺少統(tǒng)一的、明確可參考的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

水庫(kù)作為攔蓄洪水的主要工程措施，按一定重現(xiàn)期的洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)度。PMF 發(fā)生時(shí)，其洪峰流量可能與設(shè)計(jì)洪水之間存在數(shù)倍甚至量級(jí)的差異，運(yùn)用常規(guī)調(diào)度規(guī)程對(duì)PMF 進(jìn)行泄洪不僅會(huì)使水庫(kù)下游面臨極大的洪澇風(fēng)險(xiǎn)，甚至壩體和水工建筑物也將面臨安全威脅。因此，對(duì)于已建水庫(kù)而言，開(kāi)展針對(duì)PMF 的應(yīng)急調(diào)度方案研究，充分發(fā)揮泄洪建筑的作用，以非工程方式降低水庫(kù)水位的同時(shí)削減下泄流量峰值，保障大壩及下游防洪目標(biāo)安全，對(duì)于減輕PMF 造成的原生、次生及衍生災(zāi)害具有重要意義［10］。

以岷江上游不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)——紫坪鋪水庫(kù)為例開(kāi)展研究，其防洪保護(hù)區(qū)涵蓋整個(gè)成都平原，具有極其重要的防洪地位和作用［11］。當(dāng)運(yùn)用紫坪鋪水庫(kù)常規(guī)調(diào)度規(guī)程面對(duì)PMF時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的下泄流量，壩下流域的居民區(qū)和農(nóng)田可能面臨洪澇災(zāi)害威脅，水庫(kù)下泄的高濁度洪水也將對(duì)下游城市的生活用水產(chǎn)生巨大壓力［12］，同時(shí)壩體自身也可能面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。如何利用有限的庫(kù)容實(shí)現(xiàn)防洪效用最大化，是水庫(kù)應(yīng)對(duì)極端洪水時(shí)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，研究通過(guò)探討不同調(diào)度方式及時(shí)機(jī)對(duì)入庫(kù)PMF 的消解規(guī)律，提出一種非工程措施的應(yīng)急調(diào)度方案，使得水庫(kù)在面對(duì)PMF 時(shí)得以兼顧壩體與下游防洪安全，為其他水庫(kù)調(diào)整優(yōu)化調(diào)度規(guī)程提供參考。

1 研究方法

1.1 研究思路

為了最大化兼顧PMF 情景下的工程安全與下游防洪安全，本研究基于“以空間換時(shí)間”的調(diào)度思路，通過(guò)調(diào)整泄水建筑物的啟閉時(shí)機(jī)與組合方式，對(duì)水庫(kù)庫(kù)容隨洪水歷程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，在對(duì)比不同情境下的水庫(kù)壩前水位與下泄流量后，得到經(jīng)過(guò)優(yōu)化的應(yīng)急調(diào)度方案。研究方法流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖Fig.1 Flow chart of the method

1.2 模型建立及驗(yàn)證

為模擬紫坪鋪水庫(kù)在不同調(diào)度情景下庫(kù)水位與下泄流量的變化，采用HEC-RAS 軟件，基于紫坪鋪水庫(kù)實(shí)測(cè)地形建立了一維水動(dòng)力模型。HEC-RAS 是由美國(guó)工程水文中心開(kāi)發(fā)的河道水力計(jì)算程序，支持一維/二維水動(dòng)力、泥沙和水質(zhì)的模擬，國(guó)內(nèi)外研究者常將其應(yīng)用于河流水動(dòng)力、洪水過(guò)程分析等領(lǐng)域。

HEC-RAS河道一維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程為：

式中：Z為水位，m；Q為流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；B為水面寬，m；Lq為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；x為沿河距離，m；Sf為水力比降；n為河道糙率系數(shù)；R為水力半徑，m；S為水面比降。

采用紫坪鋪水庫(kù)2020年的實(shí)際調(diào)度過(guò)程對(duì)已建立的一維水動(dòng)力模型進(jìn)行率定。輸入逐日的入、出庫(kù)流量作為邊界條件，計(jì)算得到庫(kù)區(qū)水位線，并與實(shí)際壩前水位進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)率定，關(guān)鍵參數(shù)糙率的取值確定為0.035，此時(shí)模型模擬的壩前水位變化過(guò)程與實(shí)際過(guò)程基本一致，如圖2（a）所示，整體誤差在0.1～0.86 m 之間，平均絕對(duì)誤差0.41 m，均方根誤差0.47。模型驗(yàn)證期為2021年，同樣以逐日的入、出庫(kù)流量作為邊界條件輸入模型，壩前水位計(jì)算結(jié)果與實(shí)際過(guò)程的對(duì)比結(jié)果如圖2（b）所示，整體誤差在-0.1～0.54 m 之間，平均絕對(duì)誤差0.31 m，均方根誤差0.46，模擬精度較高，說(shuō)明經(jīng)過(guò)參數(shù)率定，所建立的模型能夠較好地反映紫坪鋪水庫(kù)的縱向水動(dòng)力特征。

圖2 紫坪鋪水庫(kù)一維水動(dòng)力模型率定及驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Model validation and verification results

1.3 優(yōu)化效果評(píng)價(jià)方法

以壩前水位、下泄流量及洪水削峰率、洪峰過(guò)境時(shí)間及庫(kù)區(qū)沿程水面線等不同水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)分析調(diào)度優(yōu)化的具體效果。此外，為進(jìn)一步分析優(yōu)化效果產(chǎn)生的原因，從不同方案對(duì)水庫(kù)防洪能力利用程度的角度出發(fā)，提出了水庫(kù)防洪潛力的概念，具體定義為：

式中：Δi代表第i場(chǎng)洪水的防洪潛力；W總(t)代表水庫(kù)總庫(kù)容，m3/s；W用(t)代表當(dāng)前時(shí)刻下水庫(kù)已使用的庫(kù)容，m3/s。防洪潛力表征了水庫(kù)在某一時(shí)刻應(yīng)對(duì)洪水的能力，Δi為0 時(shí)代表水庫(kù)在該時(shí)刻已無(wú)剩余庫(kù)容；Δi＜0 時(shí)代表水庫(kù)在該時(shí)刻所需庫(kù)容大于總庫(kù)容，調(diào)度規(guī)程此時(shí)失效；Δi越大代表水庫(kù)中可用庫(kù)容占比越高，也即水庫(kù)在此時(shí)應(yīng)對(duì)洪水的能力越強(qiáng)。

2 研究?jī)?nèi)容與結(jié)果

2.1 研究區(qū)域概況

以位于岷江上游的紫坪鋪水庫(kù)為研究對(duì)象，紫坪鋪水庫(kù)是以供水、灌溉為主，兼具發(fā)電、防洪、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等綜合效益的大型水利樞紐工程，既是成都市及周圍郊縣自來(lái)水的主要水源，又擔(dān)負(fù)著成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)等8 市41 縣（區(qū)）的綜合供水和成都地區(qū)防洪任務(wù)。紫坪鋪水庫(kù)控制流域面積22 662 km2，占岷江上游總面積的98%，水庫(kù)總庫(kù)容11.12 億m3，其中防洪庫(kù)容1.664 億m3，水庫(kù)下游防洪保護(hù)區(qū)涵蓋2 市4 區(qū)1 縣29 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，耕地4.05 萬(wàn)hm2。水庫(kù)地理位置如圖3所示，紫坪鋪水庫(kù)至青城大橋之間，有支流白沙河匯入，白沙河與紫坪鋪同屬著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)，暴雨多發(fā)于6-10月［13］。有關(guān)岷江流域暴雨空間分布的研究顯示，流域洪澇災(zāi)害主要由暴雨所致［13］，因此紫坪鋪水庫(kù)在汛期面臨著由于極端降雨所導(dǎo)致的特大洪水威脅。

圖3 研究區(qū)域示意圖Fig.3 Sketch of study area

2.2 保障目標(biāo)與問(wèn)題識(shí)別

紫坪鋪水庫(kù)的PMF 采用區(qū)間可能最大洪水與上游相應(yīng)典型洪水組合形成，洪水過(guò)程如圖4所示。一場(chǎng)PMF 在3日內(nèi)的總?cè)霂?kù)徑流量達(dá)到13.2 億m3，洪水規(guī)模大于水庫(kù)總庫(kù)容11.12億m3，約為水庫(kù)防洪庫(kù)容的8 倍。面對(duì)PMF 這類極端洪水時(shí)，水庫(kù)調(diào)度的首要任務(wù)是確保大壩安全。根據(jù)紫坪鋪調(diào)度規(guī)程，水庫(kù)運(yùn)行時(shí)的最高水位為校核洪水位883.1 m，因此在調(diào)度過(guò)程中壩前水位不得超過(guò)該值。其次，紫坪鋪水庫(kù)需要通過(guò)調(diào)度最大程度地減輕上游洪水對(duì)下游的威脅。紫坪鋪水庫(kù)的安全泄量為2 393 m3/s，在調(diào)度過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡可能地減小下泄流量超過(guò)這一安全泄量的幅度和時(shí)長(zhǎng)。

圖4 PMF過(guò)程圖Fig.4 Diagram of probable maximum flood process

紫坪鋪水利樞紐的主要泄水建筑物包括1 號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞、沖沙放空洞、溢洪道以及由4 臺(tái)機(jī)組組成的引水發(fā)電系統(tǒng)。按水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程，從PMF 到達(dá)庫(kù)區(qū)起始，控制四臺(tái)機(jī)組、沖沙放空洞與1號(hào)泄洪洞開(kāi)度進(jìn)行泄洪；當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)防洪高水位861.6 m 時(shí)，關(guān)閉一半機(jī)組，并全開(kāi)沖沙防空洞和1 號(hào)泄洪排沙洞，為保證大壩安全此時(shí)不控制下泄流量；當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)869 m 時(shí)，關(guān)閉全部機(jī)組，超過(guò)870 m 時(shí)開(kāi)啟溢洪道泄流。

為識(shí)別采用常規(guī)調(diào)度面對(duì)PMF 時(shí)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，通過(guò)所建立的一維模型開(kāi)展模擬。將PMF 流量過(guò)程作為入流邊界，下游邊界條件選擇不同泄水建筑物組合情況下的水庫(kù)水位流量關(guān)系，支流邊界條件選擇流量變化過(guò)程，模擬得到水庫(kù)依據(jù)常規(guī)調(diào)度方案應(yīng)對(duì)PMF 時(shí)壩前水位與下泄流量變化過(guò)程如圖5所示。模型計(jì)算結(jié)果顯示了常規(guī)調(diào)度失效點(diǎn)，而如何在避免失效的同時(shí)減輕對(duì)下游的安全沖擊，是值得進(jìn)一步討論的。因此本研究將基于水庫(kù)在常規(guī)調(diào)度規(guī)程下遭遇PMF 時(shí)的表現(xiàn)，對(duì)其做出優(yōu)化調(diào)整，以期達(dá)到最佳度汛效果。

圖5 現(xiàn)行調(diào)度面對(duì)PMF時(shí)壩前水位與下泄流量變化Fig.5 Water level and outflow of when current reservoir operation facing PMF

由圖5 可以看出，在運(yùn)用常規(guī)調(diào)度規(guī)程應(yīng)對(duì)PMF 時(shí)，水庫(kù)壩前水位將在洪水入庫(kù)后的第39 h 起超過(guò)校核洪水位，下泄流量也大幅超過(guò)安全泄量。此時(shí)常規(guī)調(diào)度失效，壩體存在安全風(fēng)險(xiǎn)，水庫(kù)下游也面臨嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害威脅。可見(jiàn)采用現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程應(yīng)對(duì)PMF 時(shí)存在著泄洪能力不夠、泄洪時(shí)間過(guò)晚、滯洪庫(kù)容利用不充分等問(wèn)題，因此需要對(duì)水庫(kù)調(diào)度規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的泄洪設(shè)施啟閉時(shí)間與組合方式，充分利用水庫(kù)的防洪潛力，實(shí)現(xiàn)防洪庫(kù)容隨洪水歷程動(dòng)態(tài)分配，形成針對(duì)PMF 的水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度方式。

2.3 調(diào)度優(yōu)化原則

針對(duì)常規(guī)調(diào)度規(guī)程在應(yīng)對(duì)PMF 時(shí)存在的問(wèn)題，研究提出的調(diào)度優(yōu)化原則為：第一，提前預(yù)泄，配合水文預(yù)報(bào)，在洪水初期利用發(fā)電機(jī)組等泄水設(shè)施提前消落水位，合理利用防洪庫(kù)容；第二，加大泄量，適時(shí)開(kāi)啟泄洪洞增大水庫(kù)下泄流量，充分利用其滯洪庫(kù)容以消解過(guò)洪流量，確保大壩安全的同時(shí)將下游風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

基于以上原則，對(duì)水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程做出如下優(yōu)化：首先，調(diào)整水庫(kù)調(diào)度方式，在PMF 入庫(kù)后以最大開(kāi)度開(kāi)啟四臺(tái)發(fā)電機(jī)組，對(duì)洪水進(jìn)行提前預(yù)泄；開(kāi)啟2 號(hào)泄洪洞參與泄洪，以增大水庫(kù)泄量。其次，在此基礎(chǔ)上尋找最優(yōu)調(diào)度時(shí)機(jī)，提前開(kāi)始泄洪可以使水庫(kù)有充分的時(shí)間和庫(kù)容來(lái)應(yīng)對(duì)洪水，但由于泄洪洞的過(guò)流流量受水頭影響，水位較低時(shí)過(guò)流流量可能無(wú)法滿足泄洪量的需求，同時(shí)過(guò)早泄洪也有可能造成過(guò)多不必要的棄水。鑒于此，研究基于所構(gòu)建的水動(dòng)力模型模擬泄洪建筑物在不同開(kāi)啟時(shí)機(jī)下的水庫(kù)下泄流量與壩前水位變化規(guī)律，以此尋求最優(yōu)的調(diào)度時(shí)機(jī)。

2.4 優(yōu)化過(guò)程與結(jié)果

根據(jù)常規(guī)調(diào)度規(guī)定的起調(diào)水位，本研究設(shè)置的工況范圍為850 m（起調(diào)水位）～870 m（開(kāi)啟溢洪道水位），每隔2 m設(shè)置一個(gè)起調(diào)情景，模擬得到的水庫(kù)壩前水位與下泄流量的變化規(guī)律如圖6所示。圖6（a）中白色切片代表水庫(kù)的下泄流量約束值，即安全下泄流量2 393 m3/s。整體而言，2 號(hào)泄洪洞在不同水位下開(kāi)始泄洪對(duì)水庫(kù)調(diào)度效果有顯著影響，具體表現(xiàn)為：當(dāng)壩前水位處于850～862 m 之間開(kāi)啟2 號(hào)泄洪洞時(shí)，由于低水頭導(dǎo)致泄洪洞過(guò)流量較小，洪水入庫(kù)后無(wú)法及時(shí)滿足泄量要求，造成壩前水位在洪水來(lái)臨的第30 h 左右大幅上漲并持續(xù)處于較高位置，同時(shí)水庫(kù)下泄流量長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)下游安全泄量，對(duì)壩體與下游安全造成極大威脅；當(dāng)壩前水位在866～870 m 之間開(kāi)啟2 號(hào)泄洪洞時(shí)，此時(shí)壩前水位已經(jīng)達(dá)到較高位置，即使各泄水建筑物全力參與泄洪，壩前水位依舊有超過(guò)20 h 的時(shí)間維持在較高位置，下泄流量變化相對(duì)平穩(wěn)但仍長(zhǎng)時(shí)間處于安全泄量以上。

圖6 不同啟閉條件下水庫(kù)下泄流量與壩前水位差異Fig.6 Differences in outflow and water level under different conditions

當(dāng)壩前水位到達(dá)864 m 處開(kāi)啟2 號(hào)泄洪洞，此時(shí)在洪水歷時(shí)過(guò)程中壩前水位始終保持在較低位置，且水庫(kù)下泄流量變化平緩，說(shuō)明該調(diào)度方案下各泄水建筑物的泄洪能力得到了充分利用，通過(guò)選擇合理的調(diào)度時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)防洪庫(kù)容動(dòng)態(tài)分配。基于此得到優(yōu)化后的應(yīng)急調(diào)度方案如下：在PMF 入庫(kù)時(shí)開(kāi)啟全部機(jī)組參與泄洪，同時(shí)開(kāi)啟1號(hào)泄洪洞和沖砂防空洞敞泄，在864 m處開(kāi)啟2號(hào)泄洪洞參與泄洪，在869 m 處關(guān)閉全部發(fā)電機(jī)組，在870 m處開(kāi)啟溢洪道泄洪。相較于現(xiàn)行調(diào)度，優(yōu)化后的方案可以充分調(diào)用各泄水建筑物的泄洪能力，并基于調(diào)度時(shí)機(jī)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)水庫(kù)庫(kù)容動(dòng)態(tài)效益的更大化利用。

3 優(yōu)化效果討論

優(yōu)化前后兩種調(diào)度方案對(duì)PMF 的調(diào)度效果如圖7所示?？梢钥闯觯{(diào)度規(guī)程在洪水入庫(kù)后的第39 h 時(shí)，壩前水位越過(guò)了校核洪水位，大壩安全遭受極大威脅，系統(tǒng)面臨崩潰，模型模擬得到此時(shí)下泄流量已經(jīng)超過(guò)下游安全泄量。優(yōu)化后調(diào)度規(guī)程對(duì)水庫(kù)下泄流量和壩前水位起到了更好的控制作用。壩前水位峰值為864.7 m，全程低于校核洪水位。同時(shí)，水庫(kù)下泄流量峰值為3 140 m3/s，削峰率達(dá)74%，相比洪峰入庫(kù)的時(shí)間延遲了21 h，遠(yuǎn)長(zhǎng)于常規(guī)調(diào)度失效的9 h。優(yōu)化方案對(duì)洪水過(guò)程實(shí)現(xiàn)了顯著的坦化消解，降低了洪水對(duì)壩體安全的威脅，并減小了水庫(kù)泄洪對(duì)下游河道造成的防洪壓力。

圖7 優(yōu)化前后下泄流量與壩前水位對(duì)比圖Fig.7 Comparison of discharge flow and water level before and after optimization

優(yōu)化前后兩種調(diào)度方案下的庫(kù)區(qū)沿程水面線變化如圖8所示。庫(kù)區(qū)沿程水面線的變化是反映河道行洪能力的直觀指標(biāo)［15］，優(yōu)化后的調(diào)度方案下，在PMF 過(guò)程中紫坪鋪庫(kù)區(qū)水面變化幅度較小，洪水過(guò)程中最高水位為864.7 m，最低水位為846.5 m，水位之差為18.2 m，水位相對(duì)穩(wěn)定，度汛過(guò)程中不會(huì)發(fā)生顯著波動(dòng)；在運(yùn)用原調(diào)度規(guī)程進(jìn)行泄洪時(shí)，庫(kù)區(qū)水面變化劇烈，在洪水入庫(kù)后的30 h 起水位急劇抬升，最高水位將超過(guò)水庫(kù)的校核洪水位883.1 m，造成調(diào)度規(guī)程失效，嚴(yán)重威脅大壩安全；對(duì)于水庫(kù)而言，水位的劇烈變化將導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性變差，岸坡局部或整體發(fā)生滑動(dòng)，進(jìn)而影響庫(kù)周道路的安全與水庫(kù)運(yùn)行［16］。

圖8 優(yōu)化前后調(diào)度規(guī)程下水面線變化Fig.8 Change of water surface line before and after optimization

觀察到在采用兩種調(diào)度方案應(yīng)對(duì)PMF 時(shí)，度汛效果存在顯著差異，從防洪潛力Δi角度出發(fā)，分析不同調(diào)度方案對(duì)水庫(kù)防洪能力利用程度差異如圖9所示。在洪水起始至洪峰入庫(kù)（30 h）的過(guò)程中，優(yōu)化調(diào)度采用了提前預(yù)泄的策略，對(duì)比常規(guī)調(diào)度在第30 h 時(shí)額外騰留出了0.72 億m3的庫(kù)容，防洪潛力提高了0.07。洪峰入庫(kù)后，常規(guī)調(diào)度下的防洪潛力迅速下降至第39 h時(shí)完全失效，這期間優(yōu)化調(diào)度方案通過(guò)前期防洪潛力的累積，在攔蓄了3.3 億m3的洪水之余，比常規(guī)調(diào)度多下泄了1.6 億m3的水量后，防洪潛力仍剩余0.23。在此之后，由于洪水持續(xù)入庫(kù)，優(yōu)化方案下的防洪潛力也持續(xù)減小，在第40 h起水庫(kù)開(kāi)啟2號(hào)泄洪洞加大泄量后防洪潛力得以回升，最終恢復(fù)至0.28 左右至洪水結(jié)束。

圖9 兩種調(diào)度方式下防洪潛力對(duì)比圖Fig.9 Comparison of flood control potential under two plans

總而言之，優(yōu)化后的調(diào)度方案體現(xiàn)的是“以空間換時(shí)間”的調(diào)度思路，即以前期適當(dāng)?shù)膸?kù)容預(yù)留，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)庫(kù)容的合理動(dòng)態(tài)分配，為水庫(kù)充分泄洪贏得更多的時(shí)間。整個(gè)調(diào)度過(guò)程中，前期提前預(yù)泄僅多釋放了0.72 億m3的庫(kù)容，并且其僅為洪峰入庫(kù)后至常規(guī)調(diào)度方案失效期間（30～39 h）入庫(kù)徑流量的22%，但這一防洪潛力的預(yù)留有效地坦化了洪水峰值、延長(zhǎng)了洪峰過(guò)境時(shí)間，減弱了洪峰入庫(kù)過(guò)程中流量突增帶來(lái)的泄洪壓力，為洪峰入庫(kù)后爭(zhēng)取了二次調(diào)度措施啟用的時(shí)機(jī)，從而為充分發(fā)揮泄水建筑物的泄水能力提供了足夠的緩沖時(shí)間。

值得注意的是，優(yōu)化調(diào)度后水庫(kù)的防洪效果對(duì)于預(yù)見(jiàn)期內(nèi)洪水預(yù)報(bào)信息有所依賴，隨著水文預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合預(yù)報(bào)信息開(kāi)展水庫(kù)實(shí)時(shí)防洪調(diào)度已得到了廣泛應(yīng)用［17］，更有利于發(fā)揮水庫(kù)的興利作用。同時(shí)地理信息系統(tǒng)技術(shù)、測(cè)雨雷達(dá)和衛(wèi)星云圖技術(shù)更多地應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)中，各時(shí)效預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率都有很大提高［18］，優(yōu)化后的洪水調(diào)度配合更加精確的水文預(yù)報(bào)可以有效提高水庫(kù)的防洪效果。另外有研究表明，采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行相似洪水識(shí)別，挖掘流域歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，可以有效延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期，為水庫(kù)汛期預(yù)泄與調(diào)度工作提供指導(dǎo)［19］。因此，現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)工作的發(fā)展可以為水庫(kù)通過(guò)合理分配庫(kù)容完成對(duì)PMF等極端洪水的調(diào)蓄提供充分的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

針對(duì)水庫(kù)在面對(duì)PMF 時(shí)常規(guī)調(diào)度規(guī)程無(wú)法保證安全泄洪的問(wèn)題，開(kāi)展了水庫(kù)調(diào)度規(guī)程優(yōu)化方法研究。通過(guò)優(yōu)化配置泄水建筑物的啟閉時(shí)機(jī)與組合方式，實(shí)現(xiàn)了隨洪水歷程對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的動(dòng)態(tài)分配利用，充分發(fā)揮水庫(kù)的防洪潛力消解極端洪峰流量。以紫坪鋪水庫(kù)為例，原調(diào)度規(guī)程在面對(duì)PMF 時(shí)將失效，大壩安全存在極大隱患，研究對(duì)水庫(kù)發(fā)電機(jī)組啟閉時(shí)機(jī)與開(kāi)度進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整了泄洪洞參與泄洪的時(shí)機(jī)，進(jìn)而規(guī)避了調(diào)度規(guī)程失效的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化后的應(yīng)急調(diào)度方案使紫坪鋪水庫(kù)能夠應(yīng)對(duì)超過(guò)自身防洪庫(kù)容8 倍以上的PMF，泄洪過(guò)程中壩前水位始終穩(wěn)定在校核洪水位之下，洪峰流量由12 200 m3/s 降至3 140 m3/s，削峰率達(dá)74%，確保大壩安全的前提下最大程度降低了水庫(kù)下游洪澇風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)控制水位與流量變化過(guò)程平穩(wěn)，提升了水庫(kù)應(yīng)對(duì)突發(fā)水文事件的能力。研究基于“以空間換時(shí)間”的調(diào)度思路，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)庫(kù)容動(dòng)態(tài)分配的調(diào)度優(yōu)化，可以為水庫(kù)面對(duì)PMF 等極端洪水情景時(shí)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)保障提供有效參考，對(duì)充分發(fā)揮水庫(kù)的防洪興利作用具有重要意義。