串聯水庫總防洪庫容補償調度增加水庫效益研究

董霞

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 太子河流域觀音閣和參窩串聯水庫概況

太子河流域屬遼河水系，是遼河下游左側一大支流，干流全長413 km，流域面積13883 km2。流域上建有觀音閣、參窩及湯河3座大型水庫，觀音閣水庫與參窩水庫串聯水庫于干流，見圖1。

圖1 太子河流域水庫工程位置示意圖

參窩水庫是以防洪、灌溉、城市供水為主，并結合發電的大（二）型水利樞紐工程，控制流域面積6175 km2，總庫容 7.91 億 m3，汛限水位 86.2 m，正常蓄水位96.6 m。

觀音閣水庫控制流域面積2795 km2，占參窩水庫控制面積的45.3%，水庫總庫容21.68億m3。水庫的任務是以城市生活和工業供水、防洪為主，其次為灌溉用水，結合工農業用水發電，利用水庫水面發展養殖業等。

本流域雨量多發生在主汛期（7月份和8月上旬），由于洪水多為單峰，歷時較短，所以主汛期應是水庫蓄水的最佳時期，由于參窩水庫是不完全年調節水庫，正常蓄水位96.6 m與汛限水位86.2 m相差10.4 m，庫容相差3.29億m3，受汛限水位限制，參窩水庫在主汛期來水經常大量棄掉，汛后來水少，水庫蓄滿的機率很低，致使水庫的有效庫容難以得到充分利用，大大降低了水庫效益。

2 庫群聯合防洪調度研究模型

水庫之所以能調節洪水，是因為它設有調洪庫容（設計洪水位與汛限水位之間的庫容），當入庫洪水較大時，為使下游地區不遭受洪災，可臨時將部分洪水攔蓄在水庫中，待洪峰過后再將其放出。

一般類型的流域防洪系統如圖2所示，主要包括：上中游水庫群；防洪控制點；水庫群至防洪控制點之間的未控區間面積。防洪控制點的來流過程主要包括區間來流和水庫群泄流，通過水庫群系統的閘門操作對其進行調控，以達到防洪減災目的。

圖2 流域防洪系統示意圖

補償調度的基本思路是：首先根據各水庫的入庫洪水過程，按照各水庫的防洪調度運用方式自上而下進行調洪計算，再與區間洪水匯合成防洪控制點的流量過程；若出現超載水量，可以從兩方面調整各水庫的泄洪策略（攔蓄或預泄），以達到避免或減少分洪水量的目的。

對于水庫群防洪系統，保證防洪控制點的安全行洪或減少分洪損失，是流域防洪調度運用的目標，即目標函數為：

式中：T為洪水過程的時段數；qt為防洪控制點的計算泄流量；qan為防洪控制點的安全泄流量；α為指數，α的數值越大，要求防洪控制點的流量過程變化越緩慢；W*為目標函數值，為分洪量。

約束條件主要包括：

1）水庫水量平衡約束：

式中：Vi，t，Vi，t+1分別為 i水庫 t時段初、末庫蓄水量；Ii，t，Oi，t分別為 i水庫 t時段平均入庫流量和出庫流量。

2）泄流能力約束：q泄為水庫泄流。

3）水流演進約束：

式中：Qi，t為 i水庫 t時段的（區間）入庫流量；Ni為i水庫上游的水庫個數；fj為上游j水庫到i水庫的水流演算函數。

4）庫容約束：

式中：Vi,min，Vi,max分別為i水庫最小與最大水庫蓄水量。

5）水庫上游淹沒約束：

式中：h蓄為水庫某時刻的蓄水位；h淹為水庫上游的淹沒動遷壩前水位。

6）水庫下游防洪控制點安全泄量約束：

式中：q泄為水庫泄流；Q區為水庫未控區間洪水；qan為下游防洪控制點的安全泄量。

3 太子河流域串聯水庫補償調度可能性分析

太子河流域防洪控制點遼陽市的上游有3座水庫，遼陽市的防洪任務由此3座水庫共同承擔，即遼陽V防洪=湯庫 V防洪+觀庫V防洪+參庫 V防洪，由于湯河水庫采用的是自由溢流的防洪調度方式，故湯河水庫為遼陽市提供的防洪庫容是一定的。可見，如果觀音閣水庫為遼陽市提供的防洪庫容越大，那么遼陽市需要參窩水庫提供的防洪庫容就小一些，也就是參窩水庫的汛限水位可以提高一些，同時該水庫的興利庫容可以增加一些。

根據太子河流域觀音閣和參窩水庫的實際運行情況看，由于參窩水庫是年調節水庫，汛期往往是參窩水庫達到汛限水位，而上游的觀音閣水庫水位距離汛限水位255.2 m相差很遠。經1951—2000年50年系列太子河流域利水計算，統計觀音閣水庫50年汛前庫水位可知，45%的年份，水位低于246.0 m；63%的年份，水位低于250.0 m（見表1）。可見，觀音閣水庫和參窩水庫有實行庫群補償防洪調度的可行性。

4 觀音閣和參窩水庫串聯水庫洪水補償調度研究成果

考慮庫群補償防洪調度的作用，將觀音閣水庫的補償庫容經過計算分析，移植到參窩水庫，按照各種全區洪水不同頻率的設計洪水組合，考慮水庫大壩自身、下游防洪目標的防洪標準以及淹沒動遷標準等約束條件，計算出參窩水庫的汛限水位及其泄流方式。

調度運用如下：上游觀音閣水庫仍保持原防洪調度運行方式，下游參窩水庫的汛限水位抬高僅與上游水庫的蓄水狀態有關，根據模型計算的成果，每一個上游水庫汛期水位都對應有一個下游水庫的動態汛限水位。見表2。由表2可見，參窩水庫興利庫容增加15.0～92.6×106m3，觀音閣水庫汛期水位越低，參窩水庫汛限水位抬高的越多，觀音閣水庫汛期水位為246 m時，參窩水庫汛限水位為89.7 m，抬高了3.5 m；但當觀音閣水庫汛期水位低于246 m時，參窩水庫汛限水位不能再抬高。

5 太子河流域水庫增加效益分析

本次串聯水庫總防洪庫容補償調度增加流域效益分析，主要從經濟效益和社會效益兩個方面進行論述。

5.1 經濟效益

參窩水庫多攔蓄的洪水，經觀音閣、參窩二庫聯合興利調度，可以增加參窩水庫電站的發電量，同時，太子河流域水庫的興利采用聯合調度的運行方式，可以增加觀音閣水庫的供水量。

表1 觀音閣水庫6月下旬汛前水位統計表

參窩水庫汛期水位抬高后，水位抬高幅度較大，使得發電水頭增加較多，從而增加發電效益，年平均發電量增加821萬kW·h，上網電價按0.263元/（kW·h）計，年增加經濟效益215.5萬元，相當于修建1座小型水電站

表2 觀音閣水庫汛期不同水位與參窩水庫汛限水位抬高及興利庫容增加成果匯總表

參窩水庫汛期水位抬高后，觀音閣與參窩水庫聯合興利調度，可以使觀音閣水庫每年凈增供水 7.1×106m3，水價按 0.53元/m3計，年增加經濟效益376.5萬元，相當于修建1座中型水庫。

5.2 社會效益

本研究成果應用到觀音閣水庫和參窩水庫的聯合防洪興利調度中，增加的發電量和供水量，可以保證企業的發展，可增加大量的就業機會。大大改善本地區的水環境，減少地下水的開采，避免地下水漏斗的進一步擴大，將產生很大的社會效益。