劉家峽水庫汛限水位動態控制研究

沈利平，賈懷森，姬生才，王進學，高承眾

(1.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠,甘肅省永靖縣 731600;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

汛限水位作為防洪與興利的結合點，其高低直接影響著水庫的防洪安全和興利效益[1]。水庫汛限水位動態控制是洪水資源利用的主要方式之一[2]，目的是根據各種實時信息，結合水庫蓄水和泄流能力，研究既能滿足防洪要求，又可充分利用洪水資源的可操作性調度方法[3]。目前，中國水庫汛期超汛限水位運行研究主要集中在單個水庫[4-8]，而對2個或多個水庫聯合調度的研究相對較少。

黃河龍羊峽、劉家峽水庫是分別具有多年調節、年調節性能的大型水庫。黃河上游梯級水電站的運行是在龍羊峽-劉家峽兩庫聯合運行的格局下進行的，特別是梯級洪水調度。黃河上游唐乃亥以上降雨量較豐，是黃河上游的主要產洪區，而龍羊峽防洪庫容大，可有效對唐乃亥以上汛期洪水起到削減作用，為劉家峽汛期抬高運行水位提供了條件。因此，本文對劉家峽水庫動態汛期限制水位運行進行研究，以期為水庫汛限水位動態控制提供技術基礎，提高汛期發電量，增加電站發電效益。

1 龍羊峽、劉家峽水庫的運行實踐

1.1 龍羊峽水庫的運行實踐

龍羊峽水電站位于黃河上游龍-青河段的最上游，是黃河梯級規劃的第一座大型龍頭水電站，總裝機容量1 280 MW，具有多年調節能力。龍羊峽水庫死水位2 530.00 m，設計汛期限制水位2 594.00 m，黃河水利委員會(簡稱：黃委會)目前允許的汛期限制水位2 588.00 m，正常蓄水位2 600.00 m，校核洪水位2 607.00 m。

龍羊峽水庫自1988—2015年水庫月初運行水位過程見圖1，龍羊峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程見圖2。由圖1、2可知，龍羊峽水庫自1988年正常運行以來，由于2005年前黃河上游來水持續偏枯，龍羊峽水庫的運行水位長期偏低，在汛期限制水位以下尚有較多的庫容可以存蓄洪水。盡管2005年底水位接近正常蓄水位，但2006—2015年的10 a間，龍羊峽水庫7、8、9月3個月初平均水位分別為2 575.86、2 581.39、2 583.33 m，低于汛限水位2 588.00 m。另外，龍羊峽水庫屬多年調節水庫，即使今后上游來水正常，從運行特性和水庫特性分析，水庫每年汛期運行水位不可能均達到汛期限制水位，從實施調度的角度來說，龍羊峽水庫有一定的空閑庫容可為劉家峽水庫在汛期超汛期限制水位運行所用。

圖1 龍羊峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程圖

圖2 龍羊峽水庫1988—2015年汛期7、8、9月平均水位過程圖

1.2 劉家峽水庫的運行實踐

劉家峽水電站位于甘肅省

永靖縣境內的黃河干流，擴機后總裝機容量1 690 MW，具有年調節性能。劉家峽水庫死水位1 694.00 m，設計汛期限制水位1 726.00 m，黃委會允許的汛期限制水位1 727.00 m，設計正常蓄水位1 735.00 m，校核洪水位1 738.00 m。

劉家峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程見圖3，劉家峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程見圖4。由圖3、4可知，劉家峽水庫在龍羊峽水庫投產以后汛期7、8、9月平均水位別為1 719.95、1 721.77、1 724.27 m，較汛期限制水位1 727.00 m分別低7.05、5.23、2.73 m；汛期7、8、9月最高水位別為1 729.45、1 731.36、1 733.39 m，汛期有超汛限水位1 727.00 m運行記錄。因此，劉家峽水庫在龍羊峽水庫投入運行后已有多次超汛期限制水位運行的經驗。

綜上所述，綜合“1.1 龍羊峽水庫的運行實踐”與“1.2 劉家峽水庫的運行實踐”，而且目前黃河水利委員會允許的龍羊峽水庫汛限水位為2 588.00 m，比原設計汛限水位2 594.00 m降低6 m，增加防洪庫容21.56億m3；而允許的劉家峽水庫汛限水位為1 727.00 m，比原設計汛限水位1 726.00 m抬高1 m，減少防洪1.58億m3，但龍羊峽和劉家峽兩庫凈增防洪庫容19.98億m3，總防洪庫容比原設計防洪庫容增加約30%，均為研究抬高劉家峽水庫汛限水位提供了有利條件。

2 龍羊峽-劉家峽水庫的原洪水聯合運行設計

2.1 防洪對象

龍羊峽-劉家峽兩庫聯合防洪的保護對象是龍羊峽水電站設計確定的防洪對象，即龍-劉區間已建梯級水電站、鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市。

圖3 劉家峽水庫1988—2015年水庫月初運行水位過程圖

圖4 劉家峽水庫1988—2015年水庫汛期7、8、9月平均水位過程圖

2.2 洪水與地區組成

黃河上游洪水采用原龍羊峽設計的1964年和1967年2種典型，洪水地區組成采用1964、1967年典型比例分配放大和按照上、下游同頻、區間相應2種地區組成，黃河上游典型洪水和地區洪水共組成4種洪水過程。

2.3 控制泄量及泄量判別方式

(1) 劉家峽水庫

劉家峽水庫承擔下游鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市3個防護對象的防洪任務，防洪標準分別為2 000年一遇、1 000年一遇、100年一遇。為保證劉家峽水庫下游各防護對象達到預定的防洪標準，在不考慮洪水預報的情況下，只能采用固定控制下泄流量的方式進行調洪，見表1。

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司(簡稱：西北院)有關專家通過對黃河上游洪水漲落特性的分析，研制了一套既安全可靠，又能及時判別泄量跳級的判別圖，見圖5。

圖5中有2組線，其中以虛線表示的3條垂直線分別是頻率為1%、0.1%、0.05% 的最大日平均流量，若調洪中某一時段的流量位于某一頻率最大日平均流量線的右方，則說明劉家峽水庫的天然入庫流量已超過該頻率的最大流量；另一組線是以實線表示的曲線，是對應于3種頻率的洪量判別線，若某一時段的洪量位于某一頻率洪量上側，則說明劉家峽水庫的天然入庫洪量已超過該頻率的最大洪量。采用判別圖進行泄量判別，同時考慮了流量和洪量，二者同時超過標準才加大泄量，實際上大大提高了對下游防護對象的防洪安全程度。

(2) 龍羊峽水庫

在1983年開展的黃河上游河段防洪規劃以后確定的龍羊峽各級控泄流量：1 000年一遇及以下洪水時，控制最大下泄流量不超過4 000 m3/s；超過1 000年一遇洪水直至可能最大洪水，均控制最大下泄流量不超過6 000 m3/s。

表1 劉家峽水庫各級控制流量表

龍羊峽采用入庫流量的大小作為判別指標。當天然入庫流量超過1 000年一遇洪峰流量7 040 m3/s時，則認為龍羊峽的洪水已超過1 000年一遇標準，允許最大下泄流量由4 000 m3/s跳級至6 000 m3/s。

2.4 龍羊峽-劉家峽水庫聯合防洪調度規則

龍羊峽、劉家峽兩庫采用聯合防洪調度，既要保證劉家峽水庫下游各防護對象達到預定的防洪標準要求，又要保證龍羊峽、劉家峽兩水庫自身的防洪安全。在滿足上述防洪安全的條件下，盡可能使龍羊峽、劉家峽兩水庫的防洪庫容之和較小及兩庫的調洪庫容都得到較充分的利用，以減少龍羊峽預留的調洪庫容。確定龍羊峽-劉家峽兩水庫聯合調洪規則，即確定在調洪過程中各時段龍羊峽、劉家峽兩水庫的下泄流量，按照2.3節中泄量判別方式進行控制下泄流量。

圖5 龍羊峽-劉家峽兩庫聯合調洪時劉家峽 水庫泄流量判別圖

3 劉家峽水庫汛期超汛限水位的計算與分析

3.1 計算條件

隨著黃河上游龍-青河段規劃的24級水電站陸續建成，2015年以后黃河上游防洪任務相對簡單，龍、劉兩水庫按原洪水聯合運行設計進行防洪度汛，所以在不考慮洪水預報條件下，龍羊峽、劉家峽的控制泄量、泄量判別方式及聯合防洪調度規則同原洪水聯合運行設計一致。

龍羊峽、劉家峽兩庫計算的起調水位及龍羊峽汛期限制水位等計算條件見表2。

表2 龍羊峽、劉家峽水庫聯合調洪計算起始條件表

3.2 計算結果

在不考慮洪水預報條件下，根據龍羊峽-劉家峽水庫聯合防洪調度規則、泄量判別方式等，對黃河上游1964年和1967年典型洪水及地區組成設計洪水進行調洪計算。在滿足安全度汛情況下，龍羊峽水庫正常運行期劉家峽水庫汛期超汛限運行調洪成果見表3，劉家峽水庫在起調水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m時對應的PMF洪水過程調洪結果見圖6～8。

圖6 劉家峽水庫起調水位1 728.00 m時調洪過程圖

圖7 劉家峽水庫起調水位1 729.00 m時調洪過程圖

由表3可看出，龍羊峽水庫按照黃委會允許的汛期限制水位2 588.00 m，劉家峽水庫在起調水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m條件下，調洪計算得到的劉家峽最高水位均在劉家峽校核洪水位1 738.00 m以下，但劉家峽水庫在起調水位1 731.00 m條件下，調洪計算得到最高水位1 738.90 m，超過水庫校核洪水位。所以，可以認為劉家峽水庫可抬高汛限的運行水位最高1 730.00 m。另外，龍羊峽水庫起調水位2 588.00 m及劉家峽起調水位在1 728.00～1 730.00 m時，龍羊峽調洪計算得出最高水位差異較小，但劉家峽水庫汛期可提高水位最高為1 730.00 m，說明龍羊峽防洪庫容再大，也無法控制龍-劉區間洪水，劉家峽水庫為調節龍羊峽-劉家峽的區間洪水，必須留有一定的防洪庫容。

表3 劉家峽水庫汛期超汛限運行水位成果表

圖8 劉家峽水庫起調水位1 730.00 m時調洪過程圖

因此，龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m，為劉家峽水庫汛期超汛限水位運行提供了條件。龍羊峽水庫防洪庫容大，且運行水位低于汛期限制水位，運行水位至汛期限制水位之間的空閑庫容可以攔蓄部分小洪水，減少龍羊峽的下泄流量，亦為劉家峽水庫汛期超汛限水位運行提供條件。

4 劉家峽水庫汛期超汛限水位運行效益計算

黃河上游龍羊峽-青銅峽段已形成龍羊峽-劉家峽兩庫聯合調度的格局，在確保現狀用水及防凌安全條件下，對全梯級合計出力的等出力進行水利計算。

根據1919—2000年徑流系列，分別對劉家峽水庫汛期不同運行水位的發電量計算，劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發電量見表4。

表4 劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發電量表

由表4可見，如果按現在劉家峽水電站上網電價0.15元/kWh計算，劉家峽水電站主汛期運行水位抬高1、2、3 m時，則劉家峽水電站可增加發電量0.173億、0.346億、0.471億kWh，按現行上網電價計算，分別增加年收入達260萬、519萬、707萬元。該收入不需要增加投入，其效益是比較顯著的。

5 結 語

黃河上游梯級水電站運行是在龍羊峽-劉家峽兩大水庫聯合運行的格局下進行的，尤其是梯級洪水調度。龍羊峽水庫防洪庫容大，且汛期運行水位至汛期限制水位之間的空閑庫容可以攔蓄部分小洪水，減少龍羊峽的下泄流量，而且劉家峽水庫在龍羊峽水庫投入運行后已有多次超汛期限制水位運行的經驗，均為劉家峽水庫在汛期抬高運行水位提供了基礎。

在滿足龍劉安全度汛、梯級水電站及蘭州市防洪要求的前提下，在龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m、校核洪水位允許達到2 607.00 m、以及不考慮洪水預報的條件下，劉家峽水庫汛期超汛限水位運行的最高水位為1 730.00 m，而且，可滿足劉家峽水庫需預留一定的防洪庫容調節龍羊峽-劉家峽的區間洪水的要求。另外，劉家峽水庫汛期超汛限運行可增加劉家峽水電站的發電量，以提高3 m計算，可多得電量0.471億kWh，增加發電收入707萬元。

參考文獻:

[1] 李果峰,欒策,祁天龍,等.大伙房水庫汛限水位動態控制研究[J].人民黃河，2013,35(11)：28-30.

[2] 高波,吳永祥,沈福新,等.水庫汛限水位動態控制的實現途徑[J].水科學進展，2005,16(03)：406-411.

[3] 李瑋,郭生練,劉攀,等.梯級水庫汛限水位動態控制模型研究及運用[J].水力發電學報，2008,27(02)：22-28.

[4] 馬永勝.安康水庫汛限水位動態控制研究[D].西安：西安理工大學，2009.

[5] 劉佳明,王玉才,吳漢青,等.高關水庫汛限水位動態控制方法應用研究[J].中國農村水利水電，2015(10):78-82.

[6] 郭衛.吳城水庫汛限水位動態控制與運用研究[D].太原：太原理工大學，2012.

[7] 吳建春,陳守倫.湖南鎮水庫汛限水位動態控制研究[J].水力發電，2010,36(10)：10-12.

[8] 吳澤寧,趙恒,胡彩虹,等.陸渾水庫汛限水位動態控制風險研究[J].水利水電技術，2013,44(10)：103-106.