淺談水庫(kù)汛限水位的調(diào)整

摘 要:中國(guó)是世界上嚴(yán)重缺水的國(guó)家之一，水資源短缺矛盾突，這己成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。而依賴(lài)科技進(jìn)步，充分發(fā)揮現(xiàn)有水庫(kù)的調(diào)蓄作用，挖掘調(diào)蓄潛力，在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下適時(shí)適度地提高水庫(kù)的汛限水位，將部分洪水轉(zhuǎn)化為可利用的水資源，對(duì)緩解流域水資源危機(jī)、改善流域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:缺水水資源汛限水位新技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào):TV697.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(a)-0129-01

我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均水資源占有量2200m3，僅為世界平均水平的1/4，是世界上13個(gè)最貧水國(guó)之一。20世紀(jì)80年代以來(lái)，水資源短缺問(wèn)題由局部逐漸蔓延至全國(guó)大部分地區(qū)。目前，全國(guó)660座城市中有400座供水不足，110座嚴(yán)重缺水。同時(shí)，隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污水排放量也在不斷增加，水質(zhì)惡化加劇了水資源短缺矛盾，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，水資源問(wèn)題己成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。

洪水資源利用是實(shí)現(xiàn)流域水資源可持續(xù)利用戰(zhàn)略的重要措施和現(xiàn)實(shí)選擇，依托科技進(jìn)步，充分挖掘和發(fā)揮流域現(xiàn)有水利工程的調(diào)蓄潛力，將部分洪水轉(zhuǎn)化為可資利用的水資源，適時(shí)適地提供維持流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)所需的水量，對(duì)緩解流域水資源短缺矛盾具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義利用水庫(kù)調(diào)控洪水資源，是流域洪水資源利用研究的一個(gè)重要課題。一方面，我國(guó)大多數(shù)流域河川徑流受季風(fēng)影響，在年內(nèi)和年際間分配極不均勻，需要經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄才能充分利用。流域暴雨洪水具有明顯的季節(jié)性規(guī)律，因此在掌握其季節(jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用分期汛限水位能有效調(diào)控不同季節(jié)的洪水，使水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行更符合流域洪水特性，在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下適時(shí)增加蓄水，是實(shí)現(xiàn)洪水資源利用、緩解水資源短缺矛盾的有效途徑;另一方面，洪水資源化是對(duì)傳統(tǒng)防洪觀念的挑戰(zhàn)，即從防御洪水向

洪水管理轉(zhuǎn)變。在承受適度風(fēng)險(xiǎn)的前提下，制定合理可行的調(diào)度方案，變害為利，是優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)行管理機(jī)制、提高水資源利用效率的重要措施。

利用水庫(kù)增加蓄水需要解決防洪與興利的結(jié)合問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題的焦點(diǎn)主要體現(xiàn)在汛期限制水位的確定上，即改變目前水庫(kù)汛前和汛期大量棄水，而汛后又無(wú)水可蓄的矛盾局面。制定分期汛限水位的一個(gè)重要前提環(huán)節(jié)就是對(duì)水庫(kù)汛期進(jìn)行合理地分期。由于暴雨洪水的物理成因背景復(fù)雜，影響因子眾多，因此分期應(yīng)從汛期成因入手，結(jié)合流域暴雨洪水特性的統(tǒng)計(jì)分析，輔以科學(xué)的定量劃分方法來(lái)綜合分析，使分期結(jié)果符合客觀規(guī)律。水庫(kù)增加蓄水的同時(shí)將臨時(shí)占用部分防洪庫(kù)容，而受現(xiàn)有洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度手段水平的限制，汛限水位的上浮調(diào)整會(huì)在一定程度上加大發(fā)生洪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)從洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，基于風(fēng)險(xiǎn)分析理論，分析汛限水位調(diào)整對(duì)水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)的影響，并綜合水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行的效益評(píng)價(jià)，為水庫(kù)汛限水位的合理調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。研究成果可為水庫(kù)開(kāi)展洪水資源利用相關(guān)研究工作提供一定技術(shù)支撐和借鑒作用。

傳統(tǒng)的汛限水位確定方法是通過(guò)設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算途徑得出的。即在確定水庫(kù)某一防洪標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)計(jì)算各種頻率的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，經(jīng)水庫(kù)調(diào)洪演算反推得出。近幾十年來(lái)，為挖掘水庫(kù)潛力，緩解水資源供需矛盾，國(guó)內(nèi)外針對(duì)傳統(tǒng)汛限水位控制方式的不足，從汛限水位的確定與調(diào)整、汛限水位的動(dòng)態(tài)控制等方面展開(kāi)積極有益的探索，為提高水庫(kù)綜合利用效益，我國(guó)學(xué)者曾對(duì)如何利用暴雨洪水的季節(jié)性變化特征來(lái)緩解水庫(kù)防洪與興利的矛盾進(jìn)行了有益的探索。最初是從形成暴雨的天氣系統(tǒng)及暴雨、洪水本身的季節(jié)性變化特性入手，定性地尋找分期規(guī)律。在可控范圍內(nèi)，利用洪水尾水超蓄部分水量，在下次洪水起漲前保證庫(kù)水位回落到原設(shè)計(jì)汛限水位的一種方法。很顯然，對(duì)于年內(nèi)發(fā)生一次洪水的水庫(kù)，在保證預(yù)報(bào)精度等條件下，該方法能保證水庫(kù)原防洪標(biāo)準(zhǔn)不變，增加興利效益。隨著新理論和新技術(shù)的引入，可利用信息的增加，水文與氣象預(yù)報(bào)精度的提高，有些水庫(kù)逐漸利用中短期降雨預(yù)報(bào)和天氣形勢(shì)演變趨勢(shì)等信息，實(shí)時(shí)控制汛限水位，更進(jìn)一步提高了防洪興利效益。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，利用降雨預(yù)報(bào)信息實(shí)時(shí)控制汛限水位是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。即制定考慮降雨徑流預(yù)報(bào)的調(diào)洪規(guī)則，使水庫(kù)能在安全調(diào)節(jié)原設(shè)計(jì)的各種頻率洪水，滿(mǎn)足水庫(kù)工程及上下游設(shè)計(jì)防洪要求的前提下，適當(dāng)上浮調(diào)整汛限水位。

汛限水位調(diào)整方案下水庫(kù)的防洪風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，基于對(duì)關(guān)鍵影響因子的不確定性分析，從水文，水文與水力相結(jié)合兩個(gè)角度綜合分析了汛限水位調(diào)整對(duì)水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)的影響。一方面，考慮入庫(kù)洪水的隨機(jī)性，從設(shè)計(jì)洪水和隨機(jī)生成入庫(kù)洪水兩個(gè)途徑來(lái)分析計(jì)算汛限水位調(diào)整后水庫(kù)超校核洪水位的極限風(fēng)險(xiǎn)率;另一方面，綜合考慮入庫(kù)洪水、庫(kù)容、泄流能力以及風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高等因素的不確定性及其相關(guān)關(guān)系，采用一次二階矩法分析計(jì)算水庫(kù)超壩頂高程的漫壩風(fēng)險(xiǎn)率。綜合分析分期汛限水位調(diào)整對(duì)水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)的影響，分析結(jié)果可為合理調(diào)整分期汛限水位提供依據(jù)。

壩前庫(kù)水位隨機(jī)特性及對(duì)應(yīng)的防洪風(fēng)險(xiǎn)率是與水庫(kù)的整個(gè)調(diào)洪過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的。在水庫(kù)調(diào)洪過(guò)程中，存在著許多人們難以預(yù)料和控制的不確定性因素，其中包括洪水、庫(kù)容(庫(kù)面積)以及泄洪能力的不確定性等。另外，由風(fēng)作用引起的風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高的不確定性，與調(diào)洪過(guò)程中的各種不確定性一起，導(dǎo)致了壩前庫(kù)水位變化過(guò)程的隨機(jī)性，也最終導(dǎo)致了與水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的水庫(kù)年最高(或分期最高)壩前水位的隨機(jī)性。

1 洪水不確定性

洪水一般用洪水過(guò)程線(xiàn)來(lái)描述，洪水過(guò)程線(xiàn)涉及四個(gè)特征量:洪峰、時(shí)段洪量、峰現(xiàn)時(shí)間及行洪歷時(shí)。在上述四個(gè)特征量中，假設(shè)其它三個(gè)量不變時(shí)，一般規(guī)律有:洪峰越大，風(fēng)險(xiǎn)越大;時(shí)段洪量越大，風(fēng)險(xiǎn)越大;峰現(xiàn)時(shí)間越滯后，風(fēng)險(xiǎn)越大;歷時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)越小。大量實(shí)踐表明，上述四個(gè)量均為隨機(jī)變量，因此構(gòu)成了洪水的不確定性。

2 庫(kù)面積和庫(kù)容不確定性

傳統(tǒng)的分析方法都把庫(kù)容和庫(kù)面積認(rèn)為是確定量，而事實(shí)上它們都是隨機(jī)量。對(duì)同一座水庫(kù)，由不同的測(cè)量員繪制出的庫(kù)盆等高線(xiàn)圖是不同的;在同樣的等高線(xiàn)條件下，由于計(jì)算原理和使用設(shè)備的不同，計(jì)算出的庫(kù)面積和庫(kù)容也是不同的;洪水期間和洪水過(guò)后產(chǎn)生的沖淤，也將改變水下地形從而改變庫(kù)面積和庫(kù)容。總之，人們的測(cè)量誤差、計(jì)算簡(jiǎn)化誤差與水庫(kù)的沖淤，導(dǎo)致了庫(kù)面積與庫(kù)容的不確定性。

3 泄流能力不確定性

由于真實(shí)的三維水流采用一維水流簡(jiǎn)化模型，存在著模型的不確定性;在模型中的某些系數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)選定的，與真實(shí)值可能不盡一致，水流的影響因素又錯(cuò)綜復(fù)雜，利用實(shí)測(cè)資料反推的系數(shù)不但包含有簡(jiǎn)化模型因素，而且也包含該特定流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)因素。這些都導(dǎo)致了泄流能力的不確定性。

4 風(fēng)荷載的不確定性

風(fēng)的不確定性包括風(fēng)速和風(fēng)向的不確定性。一般水庫(kù)只有風(fēng)級(jí)資料，水庫(kù)遭遇的風(fēng)級(jí)是不確定的，而同一風(fēng)級(jí)的風(fēng)速也是在一定的范圍內(nèi)變化的。一年之中的風(fēng)向也是變化的，而且研究表明，只有吹向壩體的風(fēng)才有可能配合洪水對(duì)水庫(kù)防洪安全構(gòu)成威脅。這些不確定性直接導(dǎo)致了風(fēng)荷載引起的水庫(kù)風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高的不確定性。

隨著新理論和新技術(shù)的引入，可利用信息的增加，水文與氣象預(yù)報(bào)精度的提高，有些水庫(kù)逐漸利用中短期降雨預(yù)報(bào)和天氣形勢(shì)演變趨勢(shì)等信息，實(shí)時(shí)控制汛限水位，更進(jìn)一步提高了防洪興利效益。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，利用降雨預(yù)報(bào)信息實(shí)時(shí)控制汛限水位是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。