水庫汛限水位動態控制研究——以海子灣水庫為例

付劍峰

(新疆沙灣縣水利局，新疆沙灣832100)

近年來我國水庫的病險情況日益加重，就新疆來說，大多數的水庫都興建于20世紀的60—70年代，建設時由于資金、技術等原因，導致大多數的水庫都存在一定的質量問題;加上多年的帶病運行，如果不進行有效的水位控制，很容易造成潰壩等失控現象，所以必要的汛限水位控制系統非常重要。就新疆沙彎縣以北的海子灣水庫來說，此水庫受建設初期的條件限制，為邊設計邊施工而成的“三邊工程”，施工質量較差。本文將以海子灣水庫為例，對汛限水位的動態控制技術進行深入的研究。

1 水庫概況

海子灣水庫位于天山北麓沙灣縣城以北30 km的金溝河和沙灣河交匯處。海子灣水庫主要調蓄金溝河洪水和沙灣河來水，是一座以灌溉、防洪為主，結合養殖的綜合性水庫，直接灌溉面積666.7 hm2，間接灌溉面積2.87萬hm2。海子灣水庫屬III等中型平原水庫，工程由擋水壩和兩個放水涵洞及兩個溢洪道組成。水庫壩型為均質土壩，壩頂高程394.6 m，壩頂寬6.0 m，壩長6.4 km，最大壩高12 m，總庫容1 825萬m3，興利庫容1 662萬m3，調洪庫容1 225萬m3，死庫容200萬m3，集水面積1 525 km2。

2 對海子灣水庫進行汛限水位動態控制的必要性

2.1 海子灣水庫的運行狀況

海子灣水庫是新疆興水戰略35項應急水源工程之一，屬新疆重點工程。海子灣水庫始建于1957年，是一座兼防洪、灌溉于一體的調節水庫，于1987年被自治區列為病險水庫。1996、1999年由于上游失控致使水庫出現潰堤的重大險情，2000年7月塔城地區水利局組織專家對海子灣水庫大壩進行了安全鑒定后，于2002年經自治區批準對水庫進行除險加固，工程于2002年9月15日開工，于2003年7月15日竣工，并于2003年9月通過初驗后投入運行。水庫至2003年除險加固工程以后運行狀況良好，但是由于該地區的水文情況不穩定，水庫仍然存在一些運行風險因素，所以對水庫進行汛限水位動態控制非常必要。

2.2 水庫進行汛限水位動態控制的可行性分析

所謂的水庫實時汛限水位動態控制是指:在汛期，根據面臨天氣、時刻雨、水情信息和洪水預報信息，確保水庫上、中、下游地區安全不受洪水災害，對汛限水位進行浮動的調度過程，要求精確以及科學的一種做法。對海子灣水庫進行汛限水位動態控制主要包括2方面要求:①是水庫汛限水位動態控制范圍的確定;②是能夠根據即時條件下的雨水量、水情和工情等具體信息，利用短期降雨和洪水預報對庫內水位進行實時調度以及現場的控制。

3 預報調度在汛限水位動態控制中的影響因素

在海子灣水庫的汛限水位動態控制工程實施過程中，主要選擇“預報凈雨、預報洪峰或洪水傳遞時間”等來作為判斷何時適合改變蓄泄流量規則，并以此為參考標準進行水庫水量的蓄泄活動，同時要求各種規定的規則指標既能安全調度各頻率洪水，又能保證一定程度上的安全性質不被改變，即就是所謂的極力避免安全隱患的存在;汛限水位動態控制過程中的預報因素主要包括:分析洪水預報精度和預見期，確定預報調度過程中降雨集中區域、洪峰、洪量和洪水傳播時間。這些都是汛限水位動態控制中的最主要的影響因素;預報調度在海子灣水庫汛限水位動念控制過程中也同樣具有重要作用，預報過程一旦出現失誤——哪怕是微小失誤，那也將給水庫調度過程帶來很大風險當然還有許多不明顯的安全隱患。因此還必須考慮預報調度的影響因素。

4 確定水庫汛限水位動態控制范圍的方法

確定海子灣水庫汛期動態汛限水位控制范圍的目的，是為其實時水位動態控制提供更有效的安全保證，通過科學的風險分析證明海子灣水庫發生危險的概率相對要小得多。它的確定方法，通常可采用預泄能力約束法和庫容補償法。其中預泄能力約束法即有效預見期內預泄能力計算的預蓄水位來作為動態控制汛限水位的上限。

4.1 預泄能力約束法確定汛限水位動態控制范圍

對一次洪水而言，從洪水開始起，漲到預泄流量，達到下游允許安全泄流量的時間就是水庫一次洪水極限預泄時間。可在海子灣水庫一次洪水極限預泄時間里扣除信息傳遞時間、預報作業時間、決策時間、開閘時間后，那么就為有效預泄時間。通過對海子灣水庫水庫一次洪水的預泄水量，可確定出該水庫汛限水位以上的動態蓄水量，依此就可確定海子灣水庫在一次洪水過程中可能抬高的汛限水位值，同時，也確定了水位動態控制范圍。

4.2 庫容補償調度法的基本原理

水庫之所以能夠進行防洪任務和調蓄洪水，是因為水庫設有防洪庫容和調洪庫容。這是庫容調度法的基本原理。在這原理中，水庫的防洪庫容和調洪庫容均是以汛限水位為標準的，防洪高水位與汛限水位之間的庫容為防洪庫容，設計洪水位與汛限水位之間的庫容為調洪庫容。在水庫運行過程中，由于降雨在地區分布的不均勻性，大流域水庫群的蓄水狀態變化也會較大。在洪水來臨前，水庫群中各水庫的汛限水位往往不能同時達到要求，水庫群總的實際防洪庫容往往大于規劃設計時的防洪庫容，因此，在水庫運行中可以通過相互補償來調度的方法，抬高汛限水位。海子灣水庫水庫汛限水位動態控制要依靠流域內短期降雨預報和洪水預報，因此首先要考慮預報調度在海子灣水庫水庫汛限水位動態控制中的重要性及注意事項。然后研究海子灣水庫汛限水位動態控制范圍的確定方法，即利用海子灣水庫庫容補償法和預泄能力約束法推求汛限水位動態控制范圍，并給出了這兩種方法的計算原理和模型。最后提出根據海子灣水庫面臨時刻的水情、雨情和工情信息，短期降雨預報和洪水預報信息，利用“預蓄預泄“法求出汛限水位動態控制決策值，并給出“預蓄預泄”法和預泄回充法的計算原理及方法。

4.3 汛限水位動態控制的原則

從對海子灣水庫汛限水位動態控制風險問題的重要性、實用性出發，對海子灣水庫汛限水位動態控制風險分析探討需堅持如下原則:

1)分析中要以描述隨機因子規律的概率論與統計學方法為主，其他方法為輔。影響海子灣水庫汛限水位動態控制的風險因素復雜，既有客觀自然隨機因子，又有主觀因素。因此要求有合理的方法說明和互相輔助。

2)海子灣水庫汛限水位動態控風險分析的各個環節要堅持相對性和狹義性，以原設計汛限水位的風險率為評價標準開展研究。基于防洪安全第一原則，實施汛限水位動態控制的水位，首先應該對海子灣水庫大壩安全進行檢查，并設計洪水復核，達到一類壩的大型水庫的標準;其次海子灣水庫汛限水位動態控制應以不降低水庫防洪標準，確保水庫及上、中、下游地區防洪安全為前提。

3)堅持“互克性原理”，海子灣水庫汛限水位動態控制的風險決策方案。沒有最優解，只有滿意解，即要留有余地地求出“安全前提下的洪水資源利用較多且可承受的風險方案”。在此之間，最重要要考慮海子灣水庫的安全隱患。

5 結論

海子灣水庫至建成以來多次出現險情，經過2002年和2003年期間的全面除險加固以后，水庫的運行才趨于穩定，但受其上游金溝河和沙灣河水文情況的影響，就必須考慮對海子灣水庫水文進行動態監控和實時控制，合理應用汛限水位動態控制技術，以保證水庫的安全、平穩，非常適合。

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