丹江口水庫汛期水位動態控制關鍵技術研究與實踐

張俊 閔要武 段唯鑫

摘要：隨著南水北調中線工程的通水運行，丹江口水庫防洪與蓄水矛盾、水資源供需矛盾日益突出。如何通過實時優化調度，在保障防洪安全并適度承擔風險的前提下，增加洪水資源利用率，使水庫盡量多蓄水，提高供水的保障程度，是丹江口水庫迫切需要研究解決的問題。在總結前人研究的基礎上，綜合歸納水庫實時操作的汛期運行水位動態控制關鍵技術，并以丹江口水庫為例，研究提出了汛期階段劃分、提高供水保證率的庫水位需求、汛期水位分階段興利動態控制指標、防洪調度指標等成果，編制實用的丹江口水庫實時預報調度方案。通過2017年的應用實踐表明，編制的實時預報調度方案能為保障丹江口水庫防洪、供水、發電等綜合效益的發揮提供有力技術支撐。

關鍵詞：水庫防汛;動態控制;實時預報調度;預報預泄

中圖法分類號：TV697.13

文獻標志碼：A

DOI： 10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0213

丹江口水利樞紐是漢江綜合開發治理的關鍵性水利工程，也是南水北調中線工程的水源工程，具有防洪、供水、發電、航運等綜合效益[l]。隨著南水北調中線工程的通水運行， “長江經濟帶”國家戰略的實施，漢江流域內外經濟社會持續快速發展，丹江口水庫防洪與蓄水矛盾、水資源供需矛盾日益突出，新的治水形勢和思路對其水資源綜合利用提出了更高要求。如何通過優化調度，在保障防洪安全的同時，使水庫盡量多蓄水，提高供水的保障程度，充分發揮水庫綜合效益，是丹江口水庫迫切需要研究解決的問題。

在保障防洪安全并適度承擔風險的前提下，精細預報、科學調度，合理利用水庫防洪與興利庫容，實現汛期運行水位的靈活控制，是發揮水庫綜合利用效益，緩解水資源緊缺與防洪減災矛盾的有效手段之一[2]。白21世紀初開始，國內學者聚焦解決水庫汛期水位控制問題，開展了大量研究：邱瑞田等[3]于2004年首先提出水庫汛限水位動態控制的新理念及其綜合推理模式;任明磊等[4]研究了利用短期降雨預報信息進行水庫汛限水位動態控制的實時調度方法;李響等[5]主要基于分期設計洪水調洪和預報預泄方法研究了三峽水庫汛期不同分期水位控制運用方案;王本德等[6]研究了利用實時水雨情工情及短期雨洪預報等綜合信息的汛期庫水位實時動態控制方法;周新春等[7]探討了大型水庫中小洪水實時預報調度技術在三峽水庫調度中的應用，實踐表明該技術使得三峽水庫在調度實踐中不僅保障了防洪安全，也取得了顯著的興利效益。陳桂亞等[8]將水庫運行水位動態控制調度定義為“在保證防洪安全的前提下，根據降雨和洪水預報信息，利用水庫對中小洪水（小于20年一遇）進行調節，適當抬高水庫短時的運行水位，以減小水庫下游的防洪壓力和提高水電站的發電、航運等綜合效益”，并提出了把握洪水規律、依據預報成果對水庫水位實施動態控制的技術路線和對調度結果進行風險分析評估的方法。

可見，經過多年的研究和實踐，行業內水庫汛期水位調度運用的觀念有了很大的發展，已由單一固定汛限水位，發展到分期汛限水位，直至當前的汛期運行水位動態控制階段，相關的水庫汛期水位控制理論與方法已逐步完善。然而現有研究多聚焦于中小洪水的興利調度，未將防洪調度納入汛期水位動態控制的范疇，且在面臨實時操作需求的技術細節方面還存有不足。

本文在總結前人研究的基礎上，綜合歸納水庫實時操作的汛期運行水位動態控制關鍵技術，并以丹江口水庫為例，研究提出了汛期階段劃分、提高供水保證率的庫水位需求、汛期水位分階段興利動態控制指標、防洪調度指標等成果，編制實用的丹江口水庫文時預報調度方案，為指導丹江口水庫實時預報調度決策，更好保障丹江口水庫防洪、供水、發電等綜合效益的發揮提供有力技術支撐。

1汛期運行水位動態控制關鍵技術

汛期運行水位動態控制的主導思想是要利用一切可利用的預報信息，適度承擔防洪風險，將庫水位控制在一個安全經濟域內，實現防洪安全和充分利用洪水資源的目標[9]。不同的水庫入庫洪水等級對應不同的防洪風險級別，因此可依據入庫洪水量級界定汛期運行水位動態控制的范疇和調度類別（見圖1）：水庫下游防護對象補償調度標準以下的洪水，無防洪需求，建議開展基于預報預泄的興利調度，根據有效預見期內能預泄水量確定上浮水位幅度，并以確保大洪水來臨前將庫水位預泄至汛限水位為調度原則;下游補償調度標準至20年一遇之間的洪水，有一定的防洪風險，開展以適度承擔防洪風險兼顧興利利用、為可能發生最不利洪水預留足夠防洪庫容為原則的防洪調度;20年一遇至水庫設計標準之間的洪水，有較大防洪風險，建議開展以汛限水位起調、分級控制的防洪調度;水庫設計標準以上洪水，參考設計防洪調度方式調度，以確保大壩自身安全為首要目標。

由汛期運行水位動態控制的主導思想和內容可知，在動態控制的過程中，涉及上浮、預報預泄、防洪、蓄水等不同調度的啟動、界定和銜接以及風險防控等問題，關鍵技術應包括汛期階段劃分、預報信息可用性評估、動態控制指標分析、運用條件與實施步驟制定、實時風險控制等。

1.1 汛期階段劃分

流域的洪水一般由暴雨形成，具有明顯的季節性變化規律，從入汛到汛末，洪水由弱變強，后又逐漸變弱，特定流域的汛期洪水往往呈現有較為固定的分期特征[10]。充分認識水庫所在流域的暴雨洪水季節分期特征，將入庫（壩址）洪水進行汛期階段劃分，可為汛期水位動態控制提供關鍵基礎支撐。

主要采用徑流特征統計分析，參考模糊分析、相對頻率、變點分析、有序聚類分析等方法，統計壩址年最大洪峰散點分布、壩址最大N天洪量分布及多年日平均徑流過程等特征，并綜合流域氣候特性、壩址與下游洪水的遭遇規律，對汛期階段作初步劃分，進行合理性分析后確定汛期各階段。

1.2預報信息可用性評估

傳統的水庫調度只利用洪水的歷史統計信息，時刻預防設計和校核等級的小概率洪水[11]。隨著現代科技的不斷發展，“長中短期嵌套、水文氣象耦合”的預報技術，對未來一定時期內可能發生的洪水事件有較為可靠的預見性，這為汛期運行水位動態控制提供了前提條件。

水文氣象預報的可靠性、及時性是確定預報預泄指標和運行水位實時控制的基礎。因此，評估預報信息的可用性主要考慮兩個方面：一是預見期長度，二是預報精度。

1.2.1有效預見期T

預報預見期決定了水庫預泄的時段長，是水庫預泄能力的約束之一，其主要約束條件是定量降雨預報的預見期、流域本身的產匯流特性和預報計算、調度決策及執行所需的時間，可由下式進行計算。

T=Tp+Th—Tn

式中：Th為降雨預報預見期，一般取短期降雨預報精度明顯下降的突變時間點;Th為水庫以上流域從強降雨開始至入庫洪水漲至下游安全泄量Q安的匯流時間;Tw為包括信息采集與傳輸、預報制作、決策會商及閘門、機組操作時間等。

1.2.2預報精度

鑒于汛期運行水位動態控制的可利用信息包括降雨預報和水情預報，需分別評定預報精度。短期降雨預報精度分析，一般依據氣象部門習慣，采用TS評分法進行評定，即量化不同等級降雨預報的準確率、漏報率和空報率，并分析發布某一量級降雨預報情況下實際發生降雨量的頻率分布規律;中期預報則通過合格率統計來評估其對強降雨過程的把握程度;水庫關注的水情預報精度主要包括入庫洪水和水庫下游防御對象兩部分，參照《水文情報預報規范》對入庫洪峰流量、最高調洪水位、下游控制站洪峰等要素進行預報合格率和誤差統計。針對調度需求，對預報成果的不確定性進行分析評估，科學決策并進行風險控制。

1.3 動態控制指標分析

1.3.1 安全泄量

決定水庫預泄能力的另一項約束是水庫為防御下游保護對象的安全下泄流量。安全泄量是動態指標，主要受斷面沖淤變化、水位流量關系變化以及水庫大壩至下游防護對象之間的區間來水影響，確定防護對象的水位指標H（一般為警戒水位或保證水位）所對應的偏安全流量q區，考慮水庫預泄遭遇不同區間來水q區后，綜合考慮預報誤差、河道沿程坦化等因素可確定水庫的安全泄量，其數學描述為：

qout，t= f （Q安， q區，）一εq

式中：f（冰）為河道演算函數;εa為區間流量預報誤差。

1.3.2上浮水位分析

預報預泄水位控制指標分析的基本思路是：一旦水庫達到啟動預泄的條件，水庫在有效預見期T內以安全泄量AZ下泄，將庫水位預泄至汛限水位，期間所能預泄的水量即為預泄能力，其對應的水位值即為汛限水位以上允許的上浮指標AZ，基本公式為：

式中：AZ為面臨時刻to在汛限水位以上的浮動上限值;F[*]為預泄量對應的庫水位轉換函數;qin，t為有效預見期，內預報的入庫流量過程;tcu為實施庫水位實時動態控制的起始時刻，tcu= to+Tw，t0為作業預報依據時間;T滿為入庫流量從to時刻漲至滿發流量的時間;εz為水位預報誤差。一般而言，選取汛期各階段發生的歷史典型大洪水過程作為樣本，將計算的△Z，進行綜合研判即得到各階段的運行水位上浮指標。

1.3.3 防洪控制指標

（1）中小洪水防洪補償調度

為避免水庫來水出現20年一遇以下洪水時，水庫未足夠承擔防洪任務造成下游不必要的防洪壓力，或水庫參與防洪時庫水位抬升過高造成水庫自身過大的防洪壓力，需分析設計水庫在參與中小洪水防洪時的庫水位控制指標。分析思路是：根據分階段歷史實況洪水過程成果，水庫在防御中小洪水時需留足庫容應對已發生該分段期內對防洪最為不利的洪水且最高調洪水位應考慮較小的庫區回水淹沒影響。根據水庫防洪高水位和分段歷史實況最大洪水在qout以上的超額水量，可計算不同分段內的最高容許起調水位：

z起=F[F（z防洪高）- W超]

（2）大洪水防洪補償調度

當預報將發生較大洪水（20年一遇至下游設計標準之間）時，起調水位明確為汛限水位，但如何根據面臨洪水確定補償控泄流量，并掌握可能的最高調洪水位，直接關系風險控制和防洪效益，在《規程》的防洪調度方式制定時，無論從入庫洪水量級還是補償調節流量等的分級較為粗略，且過多考慮后期小概率設計洪水，給此類洪水的實時防洪調度操作指導作用有待提高，據此實施防洪調度的效益并不最優。

可根據入庫洪峰、最大洪量及下游防護點洪峰等要素，將歷史實況典型洪水進行量級劃分，并根據下游防洪形勢劃分不同的防洪補償控泄等級，對每場次洪過程均按現狀T程條件、以汛限水位起調、充分參考補償控泄等級、防洪效益較優且操作性較強為原則進行防洪模擬調度，經綜合研判后歸納確定出各量級洪水Q補j的防洪調度操作指標（補償控泄流量Q補j最高調洪水位Z調，j）。

1.4 啟動條件與實施步驟

水庫汛期運行水位動態控制實施的核心是根據可利用信息實時研判形勢，完成防洪調度和興利調度的切換，因此需明確兩者的啟動條件和實施步驟。

1.4.1啟動條件

水庫汛期運行水位動態控制實施的前提是充分利用水文氣象預報信息，適度承擔防洪風險，但不降低水庫防洪標準，也基本不增加下游防洪負擔。故啟動條件應涵蓋來水形勢與預報預報信息、上下游防洪形勢與需求，可概括為：

1.4.2 實施步驟

①當無防洪需求時，實施興利動態調度，根據預泄能力實施分階段水位動態控制，上浮水位不超分階段上限值;

②當有防洪需求、但有較大把握預報洪水僅為中小洪水時，根據防洪需求和庫水位確定分級控泄流量，適當攔洪，但最高調洪水位不超該流量級最高容許水位;

③當預報有大洪水時，以汛限水位起調，參照實時防洪調度方案實施分級控泄調度;

④若入庫洪水已轉退，根據防洪形勢、依據水文氣象預報情況，確定庫水位消落過程;若天氣形勢明朗，后期基本無雨，則消落速度可緩慢消落至浮動水位上限值，否則在不增加下游防洪壓力的前提下盡快降至汛限水位;

⑤在實施興利動態調度過程中，如預報發生變化，可能發生較強降雨或較大洪水，則中止興利調度，轉入以防洪調度為主，將水庫盡快預泄至汛限水位甚至以下：

⑥汛末在保障防洪安全的前提下，與水庫蓄水有機結合提高水庫的蓄滿率。

1.5實時風險控制

水庫運行水位動態調度因降雨和洪水預報的預見期有限，且預報結果存在不確定性，必然存在一定的風險，實際操作時以動態控制的相關指標體系作為風險控制，視當前及預見期內水雨情變化情況及時、適度調整調度策略，同時通過加強監測和信息共享、提高預報預測能力、建立流域水庫群聯合調度機制等措施，提高風險防控能力。

2丹江口水庫汛期運行水位動態控制研究

2.1丹江口入庫洪水階段劃分

采用調查和實測（ 1929～2015）丹江口入庫最大洪峰流量資料、1954～2015年分割的丹皇區間洪水資料和日流量過程資料，繪制年最大洪峰出現時間統計圖、年最大洪峰流量散點圖、日均流量過程圖（見圖2～圖4）。

綜合分析可知，丹江口水庫汛期入庫洪水的階段特征顯著，呈現明顯的“三峰兩谷”形狀，同時考慮設計洪水的夏秋汛分期以及上游洪水和中游區間洪水的遭遇規律，可將丹江口水庫汛期劃分為6個階段：夏汛主汛期（6月21日～8月5日）、夏汛末期（8月6日～8月20日）、秋汛前期（8月21日～8月31日）、秋汛中期（9月1日～9月15日）、秋汛過渡期（9月16日～ 30日）、末汛期（10月1日～15日）。

夏汛主汛期，漢江上中游洪水遭遇可能性較大;8月6日～9月30日，上中游來水遭遇可能性相對較低，特別是9月份遭遇概率低;末汛期，上中游來水遭遇的概率雖然較大，但丹皇區間主要以小量級的洪水為主。

3.2短中期降雨預報

收集2003～2015年降雨和洪水預報數據樣本，對漢江預報信息可利用性進行評估。根據《長江水利委員會水文局流域面雨量預報標準》進行短期降雨預報評分統計，漢江流域24h、48h、72h的短期定量降雨預報平均為90.3分、87.7分、85.6分;統計發現中期f4～ 7d）漢江上游、中下游強降雨預報合格率分別為92.1%、70.4%;對丹江口入庫洪水預報進行精度評定，洪峰流量平均預見期達24.7h，24h、48h的預報合格率分別為93%、88%，調洪最高水位預見期平均可達72h，誤差在0.2m以內;皇莊站水情預報平均預見期為50h，48h、72h預見期預報合格率分別為90.5%、80%。

綜上分析認為：漢江流域降雨預報有效預見期取2天，48h內預報未來無雨或小雨的情況下，發生大雨以上量級實況降雨的概率很低;中期預報能提前5-7天較好的把握漢江流域系統性降雨過程;漢江流域水雨情預報精度較高，為丹江口水庫實時運行水位動態控制提供了有利條件。

3.3 需求分析與泄流能力

3.3.1 防洪需求分析

丹江口水利樞紐的防洪調度任務[10]是：在確保樞紐工程安全的前提下，與漢江中下游堤防、蓄滯洪區、民垸等聯合運用，滿足漢江中下游防洪要求;必要時分擔長江中下游防洪壓力。當漢江中下游遭遇1935年同大洪水（相當于百年一遇）時，通過水庫攔蓄上游洪水，配合運用杜家臺蓄滯洪區和中下游部分民垸分洪，確保漢江中下游防洪安全;當遇1935年以下洪水時，通過水庫攔蓄上游洪水，減少杜家臺蓄滯洪區和中下游民垸的運用幾率。

根據《規程》，漢江中游皇莊河段為丹江口水庫補償調度目標，而下游主要水文站（沙洋、仙桃）是否超警超保、杜家臺蓄滯洪區及民垸的啟用與否是漢江中下游防洪形勢評估的重要關注點。根據歷史資料分析皇莊流量與中下游防洪形勢的不同關系，丹江口對皇莊站的補償調度可分為以下6個等級（見表2）：

3.3.2滿足供水需求的丹江口水庫水位運行指標分析

參考《南水北調中線一期工程可行性研究總報告》《丹江口水庫調度規程》，通過需水分析和供水調度方式分析確定50%頻率的典型年對應設計需求作為丹江口典型供水過程。以次年4月底消落至15 0m為條件，以旬的時間尺度，按供水1年、2年分別逐年逆時序遞推計算1952年～2015年的分段庫水位過程，選取95%的供水保證率推求各階段的庫水位控制指標，見圖4。

綜合分析可知：丹江口水庫加高完成后，若要保證95%以上年份正常供水，在供水期末水位消落至死水位的情況下，6月21日、8月21日、10月初水位應分別保證在162m、164.5m、165m左右;若遭遇連續枯水典型年，需有1-2年水庫水位能蓄至正常高水位，才能保證供水;總體而言，為保障后期供水，汛期運行水位有高于汛限水位的需求。

3.3.3 泄流能力分析

選取30場歷史典型洪水分析發現，漢江上游發生強降雨到丹江口水庫入庫洪水漲至10 000m3/s平均有36h，偏安全考慮取24h。綜合考慮降雨預報的可靠預見期為2天，丹江口水庫預泄的有效預見期取3天。

采用皇莊控泄11 000m3/s（秋季取12 000m3/s）作為邊界，選取歷史典型洪水過程綜合分析丹江口水庫3天預見期的預泄能力可知：夏季洪水具備8億m3以上預泄能力，折合水位Im左右，秋季洪水預泄能力在9-12億m3，折合水位在l-1.5m;中期預報最大預見期7天，以主汛期丹江口入庫、丹皇區間平均流量2 280m3/s、420m3/s為條件，可計算控制皇莊不超5 000m3/S的預泄能力約為14億m3，偏安全取對應水位約1.5m。

3.4 丹江口水庫實時預報調度方案

3.4.1 分階段水位上浮控制指標

考慮丹江口水庫入庫洪水的階段特征，在無防洪需求時，綜合預泄、供水等因素，汛期運行水位可適當上浮，汛期水位分階段浮動控制指標按表3。

3.4.2 預報預泄方案

1、若當前庫水位高于浮動控制水位，當預報未來10天有降雨過程時，應立即將水位預泄至浮動控制水位，預泄方式為盡量控制皇莊流量不超過5 000m3/s，若情況十分緊急，可將目標流量增大至8 000 m3/S -

2、若當前庫水位高于浮動控制水位，當預報未來3天有中等強度以上明顯降雨過程（3天累計雨量大于30mm）時，應立即將水位預泄至浮動控制水位，預泄方式為盡量控制皇莊流量不超過8 000rm3/s，若情況十分緊急，可將目標流量增大至10 000 m3/S。

3、若當前庫水位高于浮動控制水位，降雨已開始，未來又有加強趨勢，預報預泄可按皇莊流量5 000～12 000m3/s控制，且不大于當時漢江中下游的安全泄量，盡快將庫水位降至浮動控制水位，必要時將水位降低至汛限水位;

4、在預報預泄過程中，若已將水位降至浮動控制水位，強降雨尚未開始，上游來水未起漲，防洪形勢不明朗時，可將水位暫時維持，并視水雨情發展繼續預泄或轉入蓄水。

5、當有特殊需要時，可根據防汛部門的意見適當調整丹江口控制水位指標。

3.4.3防洪調度方案

（1）中小洪水防洪調度

根據表2中漢江中下游補償調度的不同皇莊控泄流量，以汛期各分段實況最不利洪水作為實施中小洪水攔洪后需要繼續防范的洪水標準，計算按不同流量控泄的允許最高調洪水位，成果見表4。

當未來有持續降雨，難以判斷洪水量級或發展趨勢時，可逐步按照上述實時控制指標，根據所在汛期階段和面臨時段庫水位級，分別按控制皇莊流量不超過8 000m3/S、10 000m3/s、12 000m3/s、16 000m3/s、18 000m3/S、20 000m3/S的目標進行攔洪調度，盡量減輕下游防洪壓力，并根據來水情況適時轉入大洪水或規程調度。

（2）大洪水防洪調度

將典型年洪水按入庫洪峰及最大7d、15d、30d洪量及歷史排位進行綜合考慮，劃分為不同洪水量級，根據3.3.1對中下游補償調度的不同等級進行模擬調度，在綜合《規程》的基礎上，總結提煉丹江口水庫的實時防洪調度控制方案，如表5所示。

當發生1954年、1998年型洪水，漢口水位較高，需要丹江口水庫攔洪錯峰時，根據實時水雨情和洪水預報，有充分把握保障樞紐及漢江中下游防洪前提下，可適當分擔長江干流防洪壓力。

4丹江口水庫動態控制調度實踐

以2017年秋汛為例介紹丹江口水庫開展動態，制調度的實踐情況，2017年秋汛期間丹江口水庫，態控制調度過程如圖5所示，表6列出了2017年，汛防洪調度的特征值統計。

2017年9～ 10月，副熱帶高壓異常強盛、偏北，西風槽不斷東移，加之冷空氣南下，冷暖氣流交匯，造成漢江上游發生3次明顯降雨過程，大部分地區出現大到暴雨。受其影響，丹江口水庫出現3次入庫洪峰在17 000m3/s以上的洪水過程，年最大入庫洪峰流量18 600m3/s，最大15d洪量110.3億m3，為秋季10年一遇洪水。與此同時，丹皇區間出現多次漲水過程，最大洪峰流量7 000m3/S，最大7d洪峰流量23.2億m3，超過秋季20年一遇;中下游干流多站水位大幅上漲并超警，最大漲幅超llm。

在秋汛期間，丹江口入庫流量短期1～ 2d預報相對誤差15%以內，洪峰量級預報最長預見期達lOd;提前4d預報中下游主要站超警，臨近期洪峰水位預報誤差在0.15m內。期間，丹江口水庫以良好的預報為支撐，實施了水位上浮、錯峰、削峰等動態控制調度，取得了顯著的綜合效益：在三次洪峰超17 000m3/s的洪水過程中，丹江口水庫在確保防汛及工程安全的前提下實施攔洪削峰，最大出庫流量8 040m3/s，3次洪水削峰率均在50%以上，最高調洪水位達到165.85m，累計最大攔蓄洪量47.8億m3，降低了漢江中游干流主要站洪峰水位約2m，避免多站超保證水位，同時避免漢江下游分洪民垸和杜家臺分洪區的啟用，顯著減輕了漢江中下游防洪壓力，據不完全統計，防洪效益約7.04億元;9～10月期間，陶岔、清泉溝供水量分別達12.89億m3、2.53億m3，超額完成了同期供水任務;汛末庫水位蓄至歷史最高的167m，不僅保障了大壩安全監測的條件，還為下一年的供水、生態效益發揮提供了良好基礎。

5結論

本文針對汛期運行水位動態控制需求，研究并提出了實時操作層面的實用技術體系，并以丹江口水庫為例，編制了實時預報調度方案，為保障丹江口水庫防洪、供水、發電等綜合效益的發揮提供技術支撐，得出以下主要結論：

一是水庫入庫洪水具有分期規律特性，且需經歷發生發展的過程，可針對汛期不同分期和洪水過程不同階段采取不同調度策略;

二是水文氣象預報技術大幅提升，具有較為可靠的預見期與精度保證，對洪水發生有一定可預見性，為水庫動態控制創造了條件;

三是水庫有蓄水與防洪矛盾，可根據預報信息，統籌協調，適度承擔風險，進行科學調度決策，保障防洪安全并充分發揮綜合效益;

四是提出實用技術體系具有較好的普適性，可為水庫的汛期運行水位動態控制實時應用提供參考。

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