基于實時水情信息確定防洪庫容的方法在水庫設計中的應用

2018-10-19 09:18:28安莉娜郭太英

水力發電 2018年7期

安莉娜，郭太英

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

0 引言

由于水庫在設計階段無法對運行管理階段的管理水平及洪水預報成果進行有效預測，因而防洪水庫工程在運行階段的防洪調度方式往往與設計階段的防洪調度方式差別較大。在設計階段，由于區間洪水過程的不確定性，防洪庫容一般采用固泄方式確定，導致防洪庫容偏大，水庫淹沒投資和樞紐工程的投資也隨之偏大。水庫防洪補償調度是水庫防洪調度的主要方式之一，它依據水庫下游區間未來洪水信息，在區間洪峰來臨前及時減少水庫泄量，區間洪峰過后適時加大水庫下泄流量，使水庫泄量與區間洪水的流量組合不超過下游控制斷面的安全泄量。與不考慮區間未來信息的固定泄流方式相比，水庫需要的防洪庫容較?。坏鞘軈^間洪水未來信息等不確定因素的影響，可能會增加下游的防洪風險。水庫防洪補償調度在設計階段，由于區間洪水未來信息等不確定因素的影響，在區間面積不大的情況下較少采用。因此，識別及量化水庫防洪補償調度中的不確定因子和評估防洪補償調度的風險，對合理確定防洪庫容，提高設計精度具有重要意義。

為此，本文擬從制定水庫防洪補償調度規則出發，在設計洪水地區組成分析成果合理情況下，僅依托防洪控制斷面實時水情信息和設計頻率洪水，對區間洪水過程進行量化，提出設計階段簡單易行的優化調度分析防洪庫容的方法，并應用于舞陽河流域的山區性河流的某防洪水庫，為其他類似防洪水庫工程的設計提供借鑒。

1 水庫防洪補償調度規則的擬定

以防洪標準頻率的區間設計洪水過程作為依據，制定水庫防洪調度規則。需要確定的參數有：壩址洪水、防洪控制斷面洪水和區間洪水及峰現時間。判斷指標為區間洪水流量和水庫泄量以及下游防洪控制斷面安全泄量。

水庫泄量與區間洪水組合后到達下游防洪控制斷面的流量不得大于防洪控制斷面的安全泄量。防洪調度的主要風險是由于對區間洪水過程補償調度不成功導致的防洪控制斷面流量超過安全泄量。

圖1 錯峰歷時TL、錯峰流量Qc、汛限水位Zx與錯峰調度風險率Pf的關系

2 不確定因子的識別

影響水庫防洪補償調度風險的不確定因子主要有：區間未來洪水過程、洪水傳播時間和調度滯時。隨機性是導致補償調度不成功時間的因子。對于山區性小流域而言，河道的槽蓄作用不明顯，洪水傳播時間規律性較強，容易通過分析確定洪水傳播時間；隨著水利信息自動化的普及和汛前防汛檢查，水庫調度中閘門的靈活性較好，可靈活調度，基本可解決調度滯時因子的不確定性。故，對山區性流域而言，區間洪水是未來水庫防洪調度的主要的不確定因子。

在不確定性因子隨機特征無法改變的前提下，通過延長錯峰歷時、減小錯峰流量能降低不確定性因子帶來的影響，從而減小錯峰調度的風險；但會占用水庫較多的防洪庫容，相比固定泄流方式抬高的汛限水位也相應降低。錯峰歷時TL、錯峰流量Qc、汛限水位Zx與錯峰調度風險率Pf的關系如圖1所示。圖1中，TL0、Qc0、Zx0分別為初始方案(沒有提供安全余量)的錯峰歷時、錯峰流量以及固定泄流調度方案的汛限水位。

3 不確定因子的量化

在防洪補償調度中，如果沒有提供安全余量，一般而言會具有較大風險，因此不確定因子的量化必須考慮足夠的安全余量。為了保證考慮的安全余量達到可投入使用的程度，洪水傳播時間可直接采用分析成果，調度滯時可根據情況取安全值；本文主要就區間洪水量化進行詳細闡述。

(1)當前時刻區間洪水量化。根據防洪控制斷面水位信息和水位流量關系推算控制斷面當前時刻的流量，結合分析的傳播時間和水庫實際下泄流量，反推區間當前時刻流量即為實際流量。

(2)未來時刻區間洪水量化。區間洪水漲水段時，區間下一時刻洪水量值為當前時刻區間洪水量值加上頻率洪水漲幅乘以安全系數，且不大于區間設計頻率洪峰；區間洪水退水段時，下一時刻的流量取值為區間洪水當前時刻實際出現的流量。計算公式為漲水時刻Q區間i+T=min(Q區間i+Q區間設max(P)×

T×K，Q區間設max(P))

(1)

退水時刻Q區間i+T=min(Q區間i，Q區間設max(P))

(2)

式中，Q區間i+T和Q區間i為區間T小時和當前時刻i的流量；Q區間設max(P)為區間設計頻率洪水峰值；T為壩址至控制斷面傳播時間，h；K為安全系數，一般取值1.0～1.2考慮。

4 實例應用

A水庫位于貴州省舞陽河的一級支流抬拉河上，工程任務是防洪、供水和灌溉，壩址以上集水面積366 km2，水庫防洪對象為B縣城(防洪標準為50年一遇)，防洪控制斷面位于抬拉河河口，安全泄量639 m3/s。壩址至防洪控制斷面區間(以下簡稱“區間”)面積49 km2，防洪控制斷面流域面積415 km2，壩址且距防洪控制斷面8 km。

根據水文地區洪水組成分析，區間頻率洪水峰現時間約3.5 h、壩址頻率洪水峰現時間約5.5 h、防洪控制斷面洪水峰現時間約6.5 h，壩址至防洪控制斷面洪水傳播時間約1 h，區間洪水出口斷面距離防洪控制斷面較近，不考慮傳播時間；當壩址或防洪控制斷面洪峰到達及退水時，區間已于2.5 h前便處于退水狀態。

表1 A水庫至防洪控制斷面地區洪水組成洪水成果

4.1 不確定因子量化

(1)洪水傳播時間。依分析，壩址至防洪控制斷面洪水傳播時間約1 h，區間洪水出口斷面距離防洪控制斷面較近，不考慮傳播時間。

(2)調度滯時。A水庫為弧形閘門，可以靈活開度泄洪，為安全計，考慮調度滯時0.5 h。

(3)區間未來洪水估值。①區間洪水當前值，防洪控制斷面流量Q防i依該斷面水位H防i和H～Q關系查得Q防i，Q區i=Q防i-Q泄i-1(水庫前1 h實際下泄量)。②區間未來洪水估值，區間50年一遇設計洪峰流量243 m3/s，峰現時間3.5 h，則平均漲率為69 m3/s，考慮1.2的安全系數后，平均漲率為83 m3/s。區間未來時刻的流量的估值依據區間洪水漲退水，按式(1)、式(2)計算。

4.2 優化洪水調節方式

(1)入庫洪水漲水段。①區間洪水的控制運用。區間洪水漲水段時，采用漲率法對區間50年一遇及其以下洪水控制運用。區間洪水退水段時，區間洪水的峰現時間僅3.5 h，較壩址洪水峰現時間提前2 h，較防洪控制斷面峰現時間提前3 h，當判斷區間洪水明顯處于退水段時，為安全計，區間洪水下一時刻的流量取值為區間洪水當前時刻實際出現的流量。②下泄流量控制運用。當入庫流量不大于10年一遇洪峰流量時，此時，控制水庫閘門開度，使下泄流量與來流量一致，維持水位不上漲；當入庫流量繼續上漲，入庫流量介于10年一遇～50年一遇的洪峰流量時，根據控制斷面安全泄量和區間洪水與壩址洪水在控制遭遇，確定大壩泄洪；當入庫流量大于50年一遇洪峰流量時，按大壩安全泄洪，且不造人為洪水，直至溢洪道閘門全開。

(2)入庫洪水退水段。當入庫達到洪峰后流量開始減小時，區間洪水已基本在此前2 h開始退水，結合入庫、防洪控制斷面的當前流量(根據防洪控制斷面的水位觀測值和水位流量關系推算控制斷面的流量)和傳播時間，按照防洪控制斷面安全泄量要求，確定大壩泄量直至水庫達到最高水位。此后繼續按照控制斷面和區間洪水控制下泄流量使水位回落至起調水位，一次洪水過程結束。

4.3 防洪庫容

采用上述優化洪水調節方式后，經兩種地區洪水組合計算后，滿足下游B縣城50年一遇防洪要求所需防洪庫容為661萬m3(見表2)；若按固泄洪水調節方式，當入庫流量大于603 m3/s時，根據兩種地區洪水組合的區間洪水，按固泄流量396 m3/s泄洪，則滿足B縣城50年一遇防洪要求所需防洪庫容為853萬m3，較優化后庫容偏大30%，見圖2。

圖2 A水庫洪水調節優化前后成果對比(P=2%)

5 結語

水庫優化后的調度方式利用了水庫下游防洪控制斷面的實時水情信息對區間洪水進行估值，能有效減小水庫防洪庫容，降低水庫工程投資；但受區間洪水、水庫下泄洪水傳播時間、調度滯時等不確定性因素的影響，有可能會增加水庫下游的防洪風險。因此，識別優化調度過程中可能存在的風險因子，定量估計防洪錯峰調度帶來的風險，是水庫防洪優化調度方案能否應用于實際調度的關鍵。本文綜合考慮了區間洪水過程、洪水傳播時間、調度滯時共3個風險因子，提出了水庫防洪優化調度方法，并應用于山區性河流的A水庫。主要結論有: