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        水庫(kù)面對(duì)可能最大洪水時(shí)的應(yīng)急調(diào)度優(yōu)化研究

        2023-11-27 06:05:48由麗華張陵蕾
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2023年11期
        關(guān)鍵詞:紫坪庫(kù)容規(guī)程

        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。

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