針對降雨量級預報的串聯水庫汛限水位動態控制研究

盛海峰，張真奇，陳竽舟

(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 引 言

水庫傳統的汛期水位控制方法是按照設計水位控制，不考慮任何預報信息以既定的汛限水位來時刻防御小概率的設計與校核洪水的發生，這種“一刀切”的控制方式利于水庫的運行管理但卻導致了水庫汛期不敢蓄水汛后無水可蓄，造成洪水資源的浪費，限制了水庫綜合效益的發揮。隨著經濟社會發展、科學技術進步，氣象預報和水文預報的精度大大提高，社會對水資源的需求不斷增加，對洪水的認識發生了轉變，為水庫汛限水位動態控制研究提供了社會基礎和技術保障，國家防汛抗旱總指揮辦公室也印發了水庫汛限水位動態控制研究試點工作意見。

我國汛限水位動態控制的定義于90年代后被首次提出，在2000年以后逐步形成了較為完善的理論與方法[1]。王本德、周惠成、邱瑞田等提出了汛限水位動態控制的基本理論及計算方法[2,3]，應用后均取得了較大效益。但是影響汛限水位動態控制的因素較多，理論體系、控制方法結合科技發展和實際應用尚在不斷地完善中[4-7]，目前針對串聯水庫汛限水位動態控制的約束條件、結合實際防汛調度便于基層防汛人員操作的水庫汛限水位動態控制方案研究較少。

本文以浙江省分水江水庫為例，分析串聯水庫汛限水位動態控制域的約束條件、研究結合水庫實際、便于調度操作的汛限水位動態控制方案。

1 研究方法

1.1 實時預蓄預泄法

實時預蓄預泄法是基于水庫泄流能力，考慮洪水或降雨預報信息的控制方法，基本思想是在洪水預見期內有多大泄流能力就將汛限水位上浮多少。該方法理論基礎完善，計算簡單，適用于水文預報信息可靠性較高、預泄能力較大的水庫[2]。

1.2 汛限水位動態控制域

1.2.1 有效預泄時間

有效預泄時間是指水庫在預泄過程中的實際下泄時間，需要綜合氣象預報時間、洪水預報時間、調度決策和閘門操作時間確定。

Ty=Tx+Tr-Tcu

(1)

式中：Ty為考慮洪水與降雨預報信息的有效預泄時間；Tx為考慮洪水預報的極限預泄時間；Tr為考慮短期降雨預報的極限預泄時間；Tcu為信息傳遞、決策、閘門操作時間之和。

1.2.2 串聯水庫汛限水位動態控制域約束指標體系

串聯水庫的汛限水位動態控制域約束條件包括防洪安全和效益最優，其中防洪安全包括下游防洪保護對象安全、水庫運行安全、庫區防洪安全、上游水庫調度安全等；效益最優包括洪水資源化、防洪能力提升，為發揮水庫綜合效益最大化，預泄過程盡量采用發電滿發流量下泄，避免預蓄水量成棄水(圖1)。

下游河道的安全流量和水庫實際的下泄流量直接影響下游保護對象的安全，因此以下游河道允許泄量和水庫泄流能力作為考慮下游保護對象安全的代表因子；汛限水位動態控制引起的水庫校核水位變化，可能造成水庫自身安全風險，因此以水庫壩頂高程作為考慮水庫運行安全的代表因子；征地和移民是影響庫區安全和社會穩定的主要因素，因此以水庫的征地和移民水位作為考慮庫區安全的代表因子；汛限水位動態控制引起的庫區回水可能影響上游水庫的下泄從而影響上游水庫調度安全，因此以上游水庫的允許下泄流量作為考慮上游水庫調度安全的代表因子。以上各代表因子作為防洪安全的約束因子，在水庫汛限水位動態控制研究中必須考慮。

圖1 串聯水庫汛限水位動態控制域約束指標體系

1.3 汛限水位動態控制風險控制

降雨漏報是水庫汛限水位動態控制運行的主要風險點，一旦發生將放大水庫調度的風險及損失。據相關文獻統計[9,10]，我國氣象預報的晴雨預報準確率在80%以上，接近發達國家水平；小雨量級、中雨量級和大雨量級預報的漏報率已經分別降至9.5%、20.4%和12.5%。雖然氣象預報的空間尺度和短期降雨預報精度顯著提高，但降雨漏報仍有可能發生。隨著計算機技術的發展，水庫預報技術同樣有了較大發展，水庫預報的預見期為防汛人員爭取了補償調度時間，在滿足水庫安全、下游河道防洪安全的前提下，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動態控制域的上限調整至下限，減小甚至避免因降雨漏報而產生的汛限水位動態控制風險。

2 實例應用

2.1 研究區概況

分水江是浙江省錢塘江流域下游左岸的最大支流，主流上游昌化江，與支流天目溪匯合后稱分水江，全長167 km，河道平均坡降0.23%，流域面積3 443 km2。對流域洪水能起到一定攔洪削峰的水庫共有4座，即英公水庫、華光潭一級水庫、青山殿水庫和分水江水庫，分水江流域水系及工程示意如圖2。本研究考慮青山殿水庫對分水江水庫汛限水位動態控制的影響。

圖2 分水江流域水系及工程示意圖

青山殿水庫位于分水江上游昌化溪，壩址以上集水面積1 429 km2，發電流量160 m3/s。分水江水庫位于分水江干流中游段，壩址以上集水面積2 630 km2，水庫按100 年一遇洪水設計，1 000 年一遇洪水校核，正常蓄水位45.0 m，主汛期6月1日-7月15日限制水位40.0 m，水庫發電流量231 m3/s，水庫發電死水位39.0 m。

2.2 汛限水位動態控制域

分水江水庫汛限水位動態控制的約束條件為：

下游保護對象安全：分水江水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，因此水庫汛限水位動態控制過程中的下泄流量不能大于3 000 m3/s；

庫區防洪安全：分水江水庫的征地水位為45.5 m、移民水位為48.6 m，針對量級暴雨洪水的調洪成果不能突破征地水位和移民水位造成社會和經濟影響；

上游水庫調度安全：上游青山殿水庫洪水調度的重點為實施與天目溪洪水錯峰調度，使匯流后流量不超過3 000 m3/s。根據匯流后河道斷面水位流量關系，分水江水庫汛限水位動態控制后的回水不能影響青山殿水庫的下泄調度。

效益最優：分水江水庫發電流量為231 m3/s，預泄過程盡量以發電流量下泄，使預蓄水量效益最大化。

綜合分水江水庫預泄時間和約束條件，汛限水位動態控制域為[39,43]。

2.3 針對降雨量級的汛限水位控制方案

2.3.1 暴雨典型及量級

建立分水江流域實際暴雨洪水樣本庫，選擇暴雨分布和洪水過程差異的暴雨典型，分別為1985年型、1994年型和1995年型。根據分水江流域面積及水庫各頻率設計洪量確定暴雨量級分別為100、150、200和250 mm。

表1 分水江水庫不同量級暴雨與壩址洪量對應表

2.3.2 汛限水位動態控制方案

分水江水庫不同量級不同典型暴雨的調洪成果如表2～表5。

表2 250 mm量級暴雨洪水調洪成果

表3 200 mm量級暴雨洪水調洪成果

表4 150 mm量級暴雨洪水調洪成果

表5 100 mm量級暴雨洪水調洪成果

由表2～表5，根據約束條件確定當預報未來3 d分水江流域遭遇150 mm量級以上的暴雨時，水庫應將水庫水位控制在40.0 m；當預報未來3 d流域遭遇100～150 mm量級的暴雨時，水庫應將水位控制在42.0 m及以下；當預報未來3 d流域無雨時，水庫可將水位控制在43.0 m。

2.4 利用水庫預報調度的風險控制

2.4.1 風險控制方法

水庫預報的預見期可以為防汛人員爭取補償調度時間，采用緊急泄洪的方式使水庫汛限水位從動態控制域的上限調整至下限，減小甚至避免汛限水位動態控制的風險。分水江水庫預報的預見期一般為5～6 h，水庫下游河道的安全泄量為3 000 m3/s，考慮上游水庫發電下泄和區間入流，采用不同的緊急下泄流量使水庫水位從42.0 m回落至40.0 m所需的時間如表6?？芍斁o急下泄流量不小于1 000 m3/s，分水江水庫就能在洪水到達水庫前將水庫汛限水位控制在40.0 m，避免因汛限水位動態控制產生的風險。

表6 分水江水庫緊急泄洪成果表

2.4.2 風險控制效果

分水江水庫遭遇1969年型150 mm量級的暴雨洪水時，假定出現漏報時汛限水位處于42.0 m，則水庫調洪最高水位達到46.92 m，超過征地水位，最大下泄流量3 472 m3/s，超過下游河道安全泄流。利用水庫預報系統5～6 h預見期，通過緊急泄洪方式將汛限水位回落至40.0 m，則調洪最高水位46.17 m，最大下泄流量控制在下游河道安全泄量3 000 m3/s，大大減小了庫區的損失并避免了水庫下游保護對象的防洪風險。預報調度前后的調洪成果如表7，調度線如圖3。

表7 分水江水庫1969年150 mm量級洪水不同調度方式成果表

圖3 1969年型150 mm暴雨量級優化調度前后的過程線

3 結 語

水庫汛限水位動態控制方法在我國北方缺水地區有一定的應用，但是科學技術在不斷地發展、每個水庫的基本情況也不盡相同，本文采用實施預蓄預泄法，分析了串聯水庫汛限水位動態控制域的約束條件和針對量級暴雨預報的控制方案，對串聯水庫汛限水位動態控制具有借鑒作用。

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參考文獻：

[1] 王本德,周惠成,張改紅.水庫汛限水位動態控制方法研究發展現狀[J].南水北調與水利科技,2007,5(3)：43-46.

[2] 王本德,周惠成.水庫汛限水位動態控制理論與方法及其應用[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[3] 邱瑞田,王本德,周惠成.水庫汛期限制水位控制理論與觀念的更新探討[J].水科學進展，2004,15(1)：68-72.

[4] 周惠成,董四輝,王本德,等.水庫群聯合防洪預報調度方式及汛限水位研究[J].大連理工大學學報,2006,46(3)：401-406.

[5] 張麗娟,許海軍,方文莉,等.水庫汛限水位動態控制綜合信息模糊推理模式法及其應用[J].東北水利水電,2005，23(9)：34-35,54.

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[10] 程春田,王本德.短期氣象降雨預報在水庫防洪調度中的可行性分析[J].大自然探索,1994，13(4)：86-92.