洪水資源利用安全水平評估方法

陳 丁 戴建煒 陳守倫,2 顧文鈺(.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 20098; 2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 20098； .貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

洪水資源利用安全水平評估方法

陳 丁1戴建煒3陳守倫1,2顧文鈺1(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098; 2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098； 3.貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

為平衡防洪安全和洪水資源利用之間的關系，提出了廣義洪水預見期，在敞泄回蓄和滯洪跟蹤調度方法中，可對洪水資源利用及安全水平進行量化分析，對不同量級的洪水及其退水過程進行洪水資源利用及安全水平評估。決定采用的調度方式，實現了減少無益棄水，在可控范圍內做到充分利用洪水資源。

洪水;水資源利用;安全;評估方法

1 概 述

眾所周知，水電能源是一種清潔可再生能源，增加汛期水電發電量，減少火電發電量對我國節能減排及環境保護將有重要作用。洪水資源利用和安全水平相互制約，對如何平衡二者關系曾有過廣泛研究，包括動態汛限水位研究，以及中、長期調節水庫分期蓄水的研究,其中都涉及到洪水資源的利用。

動態汛限水位完全基于一個假設，即后續洪水隨時會發生(含校核量級的洪水)，但這樣會造成常見洪水資源沒有得到任何程度的利用。本文討論廣義洪水預見期和充分利用能力以及最快下泄時間三者的關系，來評價洪水資源利用及安全水平，并可利用洪水特征，來選取不同的調度方式及洪水資源利用量。

2 基本概念

(1) 不可控洪水。當入庫洪水洪峰流量(Qm)大于起調水位(Z0)最大下泄能力(q0m)時，該洪水為不可控洪水(見圖1)[1-2]。

(2) 最快下泄時間。不可控洪水在被動執行敞泄過程中(q

(3) 敞泄回蓄法。庫水位因前期各種原因(包括不可控、下游防洪要求等)蓄至調洪高水位Z1后，為了水庫安全執行敞泄，恢復至汛限水位(Z0)，然后擇機(如te)攔尾回蓄，以利用洪水資源，圖2中陰影面積代表攔蓄的洪尾。

(4) 滯洪跟蹤法。設水庫興利充分利用水能力為QT(如發電最大引用流量),如圖3所示，調洪最高水位Z1，水庫已蓄了ΔV水量，自水位Z1(即t1時刻)開始執行跟蹤入庫調度方式(即q=Q)，直至tf時刻，水庫一直維持在高水位Z1，且保持ΔV，僅泄退水段入庫洪水。 若后期發生洪水，可執行敞泄泄洪。

(5) 廣義洪水預見期。關于洪水預見期有各種不同的定義，較為常見的有流域平均匯流時間、主雨強落地至峰現時間、洪水過程線形心定義等。為便于計算,將其定義為狹義預見期 ，而廣義洪水預見期TGy則定義為

TGy=Twy+Txy

(1)

式中,Twy為流域匯流時間，Txy為預報無雨時長，顯然，Twy=0，則TGy=Txy。

3 敞泄回蓄法

3.1 分 析

敞泄回蓄法是在敞泄完滯蓄洪水后，水位恢復至起調水位Z0(或汛限水位)，再執行回蓄，目的是在安全前提下利用洪水資源。這種方法又分客觀分析和主觀分析[4]，分述如下。

從客觀上分析:①如圖2所示，當敞泄至庫水位已恢復到汛限水位(Z0)，即te時刻開始回蓄，再計算回蓄水量ΔV,同時應扣除水庫在汛期興利充分用水能力QT(如發電最大引用流量);②計算回蓄水量充分興利歷時，即TXL=ΔV/QT；③利用與廣義洪水預見期TGy比較,若時間長于廣義洪水預見期,則需減少回蓄水量ΔV, 若小于,則體現洪水資源利用不充分。

從主觀上分析,利用與廣義洪水預見期TGy,以此推求希望回蓄水量ΔV，并以此ΔV″確定回蓄(關閘)起始時刻ts。

ΔV″=QT×TGy

(2)

式中，QT為發電最大引用流量。

3.2 回蓄水量ΔV′的安全水平再評價

(2) 計算無入庫洪水條件下(本次洪水已退盡，未來洪水仍未到)敞泄ΔV′所需歷時ΔT，可采用數值計算和近似計算，現以近似計算求ΔT

(3)

(3) 分別以敞泄ΔV′的歷時ΔT和ΔV′興利利用歷時TXL為標準，判別后續洪水發生對水庫防洪安全和興利用水程度的影響。后續洪水發生在ΔT內，安全水平下降；后續洪水發生在TXL-ΔT區間則防洪安全有保證，洪水(ΔV′)可部分利用；后續洪水發生在TXL以后，防洪安全有保證，且洪水(ΔV′)可完全利用。

(4) 利用以上成果，以ΔV′為參數，在后續洪水發生時間間隔的統計分布圖上，可以確定回蓄ΔV′的安全區、洪水資源(ΔV′)部分利用區、充分利用區。可以判定，對同一回蓄水量P安全>P部分利用>P充分利用。

4 滯洪跟蹤法

4.1 分 析

與敞泄回蓄調度方式相比，當洪水退水很快，可供回蓄的洪水資源量很少(尤其降雨主雨強過后無后續降雨情況)，采用敞泄回蓄法幾乎無水可蓄，所以在漲水段已滯蓄庫中洪水ΔV的利用值得重視。但這兩種方式在從最高調洪水位Z1恢復至汛限水位Z0的最快下泄時間(Tmin)是不同的，敞泄回蓄法最快下泄時間(Tmin)如圖3所示，Tmin=tg-t1,而滯泄跟蹤法由Z1水位恢復至Z0水位最大下泄時間

Tmin=tg-t1+ΔT′

(4)

式中，tg-t1為洪水退水過程(由Q=q1和Q=q0決定，q1、q0分別為水位Z1、Z0的最大下泄能力)中的一段時長，ΔT′為滯蓄的庫中洪水ΔV在tg時刻由Z1水位敞泄至Z0水位所需的時間。

4.2 滯洪跟蹤調度方式安全水平評價

(1) 計算充分興利歷時

(5)

(2) 計算滯洪跟蹤蓄水量ΔV(在興利供水開始時刻)遭遇后續洪水最快下泄時間ΔT′

(6)

式中，qc,q0分別為Z1，Z0水位條件下水庫敞泄能力。

(3) 分析后續洪水發生時刻對防洪與興利的影響并定義圖中ty2-ty=TXL,ty1-ty=ΔT′后續洪水發生在tyty1之間，水庫安全水平下降；若發生在ty1ty2之間，則安全有保證，滯蓄水量ΔV僅能部分利用；若發生在ty2以后則既安全，ΔV又可完全利用。

5 結 論

本文探討了洪水資源利用中的關鍵問題，即退水調度方式、洪水資源利用量,提出了廣義洪水預見期之間的關系,并獲得如下結論。

(1) 退水調度方式的選取依賴于洪水退水特性，滯泄跟蹤方式適合于退水急的洪水，攔尾回蓄調度方式對退水緩的洪水來說優于滯泄跟蹤方式。

(2) 洪水資源利用量與水庫風險呈正相關，洪水資源利用量增大，其風險相應提高[5]。

(3) 提出的攔尾水量敞泄歷時、充分興利能力和廣義洪水預見期概念之間的關系可用來對洪水資源利用程度、安全及風險水平進行評價。

[1] 陳娟, 鐘平安, 徐斌. 基于隨機微分方程的水庫防洪調度風險分析[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2013, 41(5):400-404.

[2] 劉攀. 水庫洪水資源化調度關鍵技術研究[D]. 武漢:武漢大學, 2005.

[3] 高波, 王銀堂. 水庫汛限水位調整與運用[J]. 水科學進展, 2005,31(1):8-11.

[4] 劉艷麗, 周惠成, 張建云. 不確定性分析方法在水庫防洪風險分析中的應用研究[J]. 水力發電學報, 2010, 29(6):47-53.

[5] 李英海, 周建中, 張勇傳, 等. 水庫防洪優化調度風險決策模型及應用[J]. 水力發電, 2009, 35(4):19-21,37.

(編輯：付湘寧)

2015-04-09

水利部公益性行業科研項目(201001016)

陳 丁，男，河海大學水利水電學院，本科生．

1006-0081(2015)04-0051-03

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