白龜山水庫防洪調度風險研究

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山　467031)

水庫是控制地表徑流最主要的工程措施，抬高水庫汛限水位，增加水庫汛期蓄水，是一種能有效挖掘洪水資源利用潛力的措施和方法，依靠科學技術的進步，合理調整水庫汛限水位，挖掘調蓄潛力，將部分洪水轉化為可利用的水資源，協調興利與防洪之間的矛盾，在保證防洪安全的前提下充分發揮蓄水效益，是有效解決水資源緊缺問題的重要途徑之一，對緩解流域水資源危機具有重要的現實意義。

1　水庫防洪調度風險模擬及分析

1.1　水庫汛期風險調度模型

當來水量一定時，影響水庫蓄水量的主要因素為汛限水位Hi，正常高水位Hz，最高蓄水位Hm，起蓄時間T0及起蓄水位H0，即

W=f(Hi，Hz，Hm，H0，T0)

水庫提高汛限水位后，從風險損失與興利效益角度看，應是以較小的風險帶來較大的效益增值。數學模型可表示為

式中f(x)——效益增值函數；

s(x)——風險損失；

p(x)——風險概率大小；

ε——可以接受的最大風險概率；

G(x)——約束條件集，表示時段的水量平衡、泄洪能力約束、下游安全及其他社會約束和子系統狀態方程等[1]。

1.2　防洪調度風險因子識別

水庫汛限水位風險因子辨識是防洪調度風險分析的第一步，其主要任務是對水庫汛限水位所涉及的風險事件、風險因子有一個明確的辨識。水庫汛限水位變動所發生的風險是由多種因素引起，包括水文因子、水力因子、防洪工程和人為因素。

由于水庫汛限水位變動所導致的水庫防洪調度風險由水庫庫區風險和下游防洪安全風險組成。水文氣象不確定性、水力不確定性、結構和技術不確定性、調度時間不確定性、預測模型不確定性和統計參數不確定性等因素共同導致該類事件發生。

1.3　風險臨界值

風險損失的大小可通過與效益的對比分析來判斷是否可以接受,當只考慮設計洪水過程時可靠性大于80%，考慮多種因素時可靠性大于60%。

2　白龜山水庫防洪調度風險研究

白龜山水庫是淮河流域沙潁河水系沙河干流上的一座大(2)型年調節半平原水庫。設計防洪標準為100年一遇洪水，校核防洪標準為2000年一遇洪水。總庫容9.22億m3。

白龜山水庫現行汛限水位為101.00m，汛期多年平均棄水量3.61億m3，浪費了大量寶貴的水資源。因此，在確保水庫和下游防洪安全的前提下，合理抬高水庫的汛限水位是充分利用洪水資源、緩解當地水資源供需矛盾的一條捷徑。基于對關鍵影響因子的不確定性分析，從風險的角度綜合分析汛限水位調整對水庫防洪的影響，為合理調整汛限水位提供依據。

2.1　白龜山水庫汛限水位調整方案的擬定

目前，白龜山水庫起調水位為101.00m，汛后正常蓄水位103.00m。綜合考慮以上內容，同時為盡量滿足水庫綜合利用的要求，盡可能提高水庫綜合利用效率，以現狀運行水位為基礎擬定不同汛限水位，擬定101.00m、101.40m、101.80m、102.00m、102.20m和102.60m六個汛限水位調整方案，并假定上述各汛限水位為水庫的初始水位進行調洪演算，在此基礎上進行相應的風險率計算。

2.2　白龜山水庫設計洪水成果

根據白龜山水庫的設計洪水復核成果(表1)，設計洪水過程線如圖1所示。

表1　白龜山以上各分區設計洪水復核成果

圖1　不同頻率的設計洪水線

2.3　防洪調度風險分析評價

2.3.1水庫防洪調度風險因子識別及組合

結合白龜山水庫實際狀況，防洪調度風險因子主要為設計洪水、預報誤差、調度滯時、水位庫容、泄流能力等5種風險因子。

風險估計中需要考慮風險因子是如何組合影響汛限水位風險的。其主要風險因子為設計洪水、預報誤差、調度滯時、泄流能力和水位庫容因子。這五種因子之間并沒有相關關系或者僅具有很弱相關關系，因此，可以視為獨立變量，風險因子在隨機模擬時可以獨立進行，然后進行組合。水庫調洪的對象是洪水過程，因此，將設計洪水視為基礎因子。水庫在防洪調度中，設計洪水可以和預報誤差、調度滯時、水位庫容和泄流能力之中的任意一種或幾種因子同時存在，因此，在進行風險計算時，風險因子組合包括單因子(設計洪水)、雙因子組合、三因子組合、四因子組合和五因子組合(表2)。

表2　風險因子組合

2.3.2防洪調度方案風險分析

分別根據單因子(設計洪水)、雙因子組合、三因子組合、四因子組合和五因子組合，對不同頻率下設計洪水進行5000次隨機模擬，得到汛期不同汛限水位方案下對應的隨機洪水過程風險估計結果。以單因子風險估計為例，計算結果見表3。

表3　單因子風險估計結果

續表

根據各因子組合風險估計結果，針對101.00m、101.40m、101.80m、102.00m、102.20m和102.60m六個汛限水位調整方案，在只考慮洪水過程這一基礎風險因子時，不同頻率下所有方案的風險率均在風險臨界值以內；但進行多因子風險估計計算時，發現從50年一遇之后，101.80m方案的風險率接近或者達到風險臨界值，而102.00m方案對應的風險已超出風險臨界值。以100年一遇為例，從圖2～圖5可以看出當水位超過101.80m時，風險增速變快，隨著汛限水位增加風險會明顯突然增大。

圖2　雙因子情況下不同汛限水位的風險率

圖3　三因子情況下不同汛限水位的風險率

圖4　四因子情況下不同汛限水位的風險率

圖5　五因子情況下不同汛限水位的風險率

3　結　論

本文根據白龜山水庫的調度運行資料，通過建立水庫汛期風險調度模型，對水庫抬高汛限水位蓄水的防洪風險進行綜合分析，得到比較合理的評估結果，根據計算結果，進行防洪調度方案風險綜合分析，結果表明: 白龜山水庫的汛限水位可由目前的101.00m適當抬高不超過101.80m。在水庫實際運行中，通過實時預報校正，降低預報誤差，根據來水實際情況，對水庫下泄流量進行實時調整，可進一步降低風險。

[1]趙恒.汛限水位動態控制風險評價方法與應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2013.

[2]焦瑞峰.水庫防洪調度多目標風險分析模型及應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2004.