南一水庫防洪調度模型研究

馮勝男 董增川 楊光

摘要：針對南一水庫防洪要求，構建指令調度、水位控制調度和錯峰補償調度等水庫防洪調度模型。其中：指令調度模型指定下泄流量，操作簡便，側重于保護水庫自身安全；水位控制調度模型能夠控制調度期內水庫最高水位和調度期末水位；錯峰補償調度模型考慮區間來水進行錯峰補償調度，充分利用河道行洪能力。以2013年“天兔”臺風造成的洪水過程作為調度對象進行水庫防洪調度，并對不同模型的調度結果進行分析，表明錯峰補償調度模型較另兩個模型具有更強的靈活性，能夠在保障水庫安全的前提下，保證下游防洪參考斷面的安全。

關鍵詞：防洪；指令調度；水位控制；錯峰補償；南一水庫

中圖分類號：TV697.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.006

1 引言

我國是世界上洪澇災害最為頻繁和嚴重的國家之一，洪澇損失居各種自然災害的首位。流域的防洪除了繼續完善防洪工程體系外，迫切需要進一步挖掘現有防洪工程的防洪潛力，以提高流域抵御洪水災害的能力[1]。為應對洪水帶來的不利影響，在保證水庫安全的前提下，充分利用防洪庫容調蓄洪水、削減洪峰[2]，保證下游防洪參考斷面安全，本文嘗試構建不同的防洪調度模型，以2013年“天兔”臺風造成的洪水過程作為調度對象，對南一水庫進行防洪調度，并對調度結果進行分析。

九龍江流域位于福建省西南部，春夏多雨，夏秋季節受頻繁臺風影響，易發生洪水災害，其中西溪支流最為嚴重。西溪上游花山、船場、蘿江、永豐等支流暴雨過后匯流時間短，洪水來勢迅猛，在南靖城關附近匯集，經由鄭店進入漳州平原，最后在石碼處匯入東海。上游短急的來水情況和特殊的地理位置導致位于漳州平原中心位置的漳州城區極易受到臺風等自然現象帶來的洪災危害。

南一水庫位于九龍江西溪支流船場溪上游，集水面積522km2，汛限水位291.60m，正常蓄水位303.50m，防洪高水位305.0m，是一座以防洪為主的大（2）型水庫，防護點為南靖城關和漳州城區。南靖城關20a一遇防洪標準的河道安全流量為1640m3/s，船場站位于南靖城關上游，兩者距離較近，以船場斷面作為南靖城關的防洪參考斷面；以鄭店斷面作為漳州城區防洪參考斷面，該斷面20a一遇防洪標準的河道安全流量為3700m3/s，調度概化見圖1。

2.3 錯峰補償調度模型

錯峰補償調度模型充分利用水庫庫容，為下游防洪參考斷面進行洪水的錯峰調度。也就是區間來水較大則相應地減小水庫下泄流量，利用水庫防洪庫容蓄滯洪水，而區間來水較小時則逐漸加大水庫下泄流量，充分利用河道行洪能力，目的在于將兩者的組合流量控制在下游防洪參考斷面的安全流量以內[9]。最佳調度結果就是使得水庫各時刻的泄流量與相應時間區間來水流量總和正好與下游防洪參考斷面的安全流量相等。

錯峰補償調度的目標是在符合水庫調度期內最高水位與調度期末限制水位要求的前提下，使防洪參考斷面的最大流量最小，具體目標函數為式中：q安為防洪參考斷面的安全下泄流量，m3/s。

約束條件同水位控制調度。

南一水庫采用分級補償的錯峰補償調度模式。首先以船場斷面為防洪參考斷面，補償南一水庫一船場區間流量，使船場斷面滿足防洪要求。其次在保證船場斷面防洪安全的前提下，考慮鄭店斷面的防洪任務，補償北溪洪水。最終使船場和鄭店斷面都能夠達到防洪要求。

通過分段試算法求得最大削峰目標下水庫出流流量qt，采用馬斯京根方法演算至船場斷面，將其和南一水庫一船場區間流量疊加得到船場斷面的流量過程，如果最大流量小于等于船場斷面的安全泄流量q船場，則繼續演算到鄭店斷面，同理判斷鄭店斷面是否滿足行洪要求；如果最大流量大于船場斷面的安全泄流量，則超過部分的流量按安全泄流量處理，減去區間入流量后得到新的流量過程，采用馬斯京根方法反演得到南一水庫新的出庫過程，將其作為輸入值重新試算后得到校正后的出庫流量，再向下游演算，重復上述過程直至船場斷面滿足行洪要求，鄭店斷面同理判斷。計算流程見圖3。

河道流量通常包括水庫放水和區間來水兩部分，利用系統分解原理，將防洪調度系統分解成水庫調度與下游河道的洪水演進兩個子系統，通過河道洪水反向演算模型，將防洪斷面的目標控制過程演算到壩址斷面[10]。

3 結果與分析

選用九龍江流域2013年9月23日“天兔”臺風造成的洪水過程作為調度對象，該洪水的入庫洪峰流量為915m3/s，為2007年以來的最大值。南一水庫至船場的區間來水峰值為728m3/s，不對船場斷面構成威脅；南一水庫至鄭店斷面的區間來水峰值為3620m3/s。

模擬調度的初始條件：起調時間2013年9月23日00：00，調度結束時間2013年9月24日00：00；起調水位292.64m，起調時刻下泄流量40m3/s；調度時段長1h，時段數24。

約束條件：水庫調度期內最高水位為304.70m；調度期末控制水位為296.50m；相鄰時段內水庫下泄流量的變幅不超過100m3/s。

根據水庫調度模型的基本約束條件，結合南一水庫的防洪要求，建立3種調度模型進行調度，水庫水位變化見圖4、表1，調度結果見表2、圖5。①指令調度：對該場次洪水，按固定泄流量240m3/s的指令進行下泄。由于起調水位比較低，因此起初以水庫的泄流能力進行下泄；2013年9月23日09：00以后水庫的下泄能力超過240m3/s，水庫以240m3/s的指令進行下泄。②水位控制調度：由于起調水位較低、入庫洪水不大，因此水庫水位不超過設定的最高控制水位30.70m。調度過程為2013年9月23日00：00到2013年9月23日09：00以水庫的泄流能力進行下泄，2013年9月23日09：00以后水庫以301m3/s控泄，2013年9月24日00：00水庫水位回落到調度期末控制水位296.50m。③錯峰補償調度：區間來水較大，接近鄭店斷面的安全泄流量，此時需要南一水庫進行錯峰補償。南一水庫到鄭店斷面的傳播時間按9h考慮[11]，在2013年9月23日07：00至2013年9月23日08：00時段南—水庫接近不下泄時，經河道演算，鄭店斷面在2013年9月23日15：00出現峰值3700m3/s，流量過程見圖6。全的前提下，利用水庫庫容削峰，其中可以指定下泄流量的指令調度削峰效果最為明顯，削峰率達到73.8%，但在大幅度削峰的同時，該調度模型無法將水庫調度期末水位下調至296.5m；水位控制調度模型和錯峰補償調度模型中都包含水庫調度期末水位的約束，所以利用這兩種模型進行水庫調度，水庫調蓄率同為16.3%，而此次調度中區間來水峰值較大，為了充分利用河道過流能力，保證區間來水峰值時下游鄭店斷面安全，需要在區間來水較小時加大水庫下泄流量，區間來水較大時減小水庫下泄流量，所以造成了錯峰補償調度的后期出庫流量不減反增情況的發生。上述3種漠型中，僅錯峰補償調度模型能夠考慮下游防洪參考斷面安全，而利用另外兩種模型進行調度，鄭店斷面最大過流量分別為3900、4250m3/s，超過了該斷面的安全流量。

4 結語

（1）針對南一水庫特點和下游的防洪任務，結合水庫防洪目標函數及水庫防洪調度的基本約束條件，研究構建不同的水庫調度模型。指令調度模型可以人為指定下泄流量，在保證水庫安全的前提下盡量削峰，但該模型無法控制水庫在調度過程中的水位變化；水位控制調度模型控制調度期內最高水位和調度期末水位，來水迅猛條件下可保障水庫自身安全；為了同時保障水庫和下游防洪參考斷面的安全，充分利用下游河道行洪能力，控制調度期內水庫的下泄過程，錯峰補償調度模型無疑是最好的選擇。

（2）區間入流資料有限且同步性差，可能對調度結果產生一定影響，需積累更多的數據后進行調整和進一步研究。

參考文獻：

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