基于實時水情信息的水庫防洪調度研究

耿貴江

(沈陽市應急管理事務服務中心，沈陽 110001)

0 引 言

由于在設計階段無法有效預測水庫的洪水預報成果和運行管理階段的管理水平，因此設計階段與運行階段的防洪水庫工程調度方式存在較大的差異[1-5]。考慮到山區性河流洪水過程的不確定性特征，一般選用固泄方式確定設計階段的防洪庫容，從而使得水利樞紐工程的淹沒投資、建設成本和防洪庫容偏大。水庫防洪補償調度是在區間洪峰來臨之前或洪峰過后，結合水庫下游區間未來洪水信息及時減少或增大水庫的泄量，從而保證組合的區間洪水流量與水庫泄量在下游控制斷面安全泄量的范圍以內。較固定泄流方式，考慮了區間未來信息的水庫防洪庫容較小，但下游的防洪風險受不確定性洪水信息影響將會增加。由于不確定性區間洪水未來信息，在區間面積不大的設計階段水庫防洪補償調度一般較少采用。所以，科學評估防洪補償調度風險以及識別、量化不確定因子，可為提高防洪庫容設計精度和防洪調度優化提供科學指導[6-7]。

鑒于此，通過分析洪水設計地區組成成果和水庫防洪補償調度規則，對區間洪水過程依托設計頻率洪水和控制斷面實時水情信息進行量化，對設計階段的防洪庫容優化調度提出簡單易行的方法，將其應用于沈陽市境內的石佛寺水庫，以期為其他類似水庫的防洪設計和工程投資控制提供一定決策依據。

1 擬定水庫防洪補償調度規則

水庫防洪調度規則的制定依據為基于防洪標準頻率的區間設計洪水過程，設定的參數包括區間峰現與洪水時間、防洪控制斷面洪水及壩址洪水，選取下游防洪控制斷面安全流量、區間水庫泄量和洪水流量作為判斷指標。

以防洪控制斷面的安全泄量為標準，合理設置到達下游防洪控制斷面時區間洪水與水庫謝亮組合后的最大流量。其中，防洪控制斷面流量由于不成功的區間洪水過程補償調度而超過安全泄量，為水利樞紐防洪調度的關鍵風險源。

2 識別和量化不確定因子

2.1 不確定因子的識別

防洪調度、洪水傳播時間和區間未來洪水過程滯時為防洪補償調度風險的關鍵性不確定因子，其中引起補償調度不成功的時間因素為隨機性特征。河道的槽蓄作用對于山區性小流域并不明顯，在傳播過程中洪水的時間變化存在較強的規律性，因此洪水傳播時間很容易通過分析確定；隨著汛前防汛檢查和水利自動化信息的普及，水庫調度中可靈活調度閘門，調度滯時因子的不確定性基本上均可得以解決。所以，山區性流域的水庫防洪調度的不確定因子以區間洪水為主。

在無法改變不確定因子隨機性特征的情況下，為降低不確定性因子的影響可采取減小錯峰流量、延長錯峰歷時等措施，由此實現降低錯峰調度風險的目的；然而，相比固定泄流方式會占用較多的水庫防洪庫容，能夠在一定程度上降低訊限水位。圖1反映了錯峰調度風險率Pf與訊限水位Zx、錯峰流量Qc、錯峰歷時之間的關系，其中Zx0、Qc0、TL0分別為固定泄流調度的訊限水位、初始方案的錯峰流量與錯峰歷時。

(a)錯峰歷時 (b)錯峰流量 (c)訊限水位

圖1 關系曲線圖

2.2 不確定因子的量化

若沒有設定一定的安全儲備，則在防洪補償調度通常存在較大的風險，所以量化的不確定因子必須賦予相應的安全儲備。為保證考慮安全儲備時的防洪調度應用程度，可直接利用分析成果作為洪水傳播時間，結合具體情況設定調度滯時安全值。具體如下：

1)區間洪水的當前時刻量化。控制斷面當前時刻的流量根據水位變化與防洪控制斷面水位信息關系推算，當前時刻流量結合水庫實際下泄流量和傳播時間分析結果進行反推，由此得到實際流量。

2)區間洪水的未來時刻量化。安全系數乘以頻率洪水漲幅加上當前時刻洪水量值，即為區間下一時刻在洪水漲水段時的量值；而下一時刻在區間洪水退水段的流量取值，即為實際出現的當前時刻區間洪水流量，相應的計算方法如下：

漲水時段：

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)

退水時段：

Q區間i+T=min(Q區間i，Q區間設max(P))

(2)

式中：Q區間i、Q區間i+T分別為當前時刻i和區間T小時的流量；T、K為控制斷面至壩址傳播時間和安全系數，K值一般取1.0-1.2；Q區間設max(P)為設計頻率的區間洪水峰值。

3 實例分析

石佛寺水庫位于遼河下游干流，壩址以上集水面積16.48km2，防洪庫容1.60×108m3，總庫容1.85×108m3，屬于一座典型的河道型大型水利樞紐工程，在工農業供水、發電、防洪等方面發揮著不可替代的作用。該水庫2005年完成主體施工，主要有穿壩建筑物、泄洪閘、主副壩等構成，其中主、副壩長29.9km和12.4km，水庫泄洪閘16孔，總寬248.5m，設計洪水為50.22m。地理位置為E120°26′-124°15′，N41°8′-42°11′，地處大陸性氣候區，冬季寒冷漫長、秋季短促多峰，年均溫度8.0℃，年均降水量721.9mm且多集中于7-9月。

沈陽市沈北新區河口為防洪控制斷面，防洪控制斷面、壩址頻率和區間頻率的洪水風險時間結合水文地區洪水組成分析成果(表1)，分別設定為3.5、5.5、6.5h。防洪控制斷面距離區間洪水出口斷面較近，不考慮洪水傳播時間，至壩址處的傳播時間為1.0h；當洪峰到達防洪控制斷面或壩址時，區間退水狀態開始于2.5h前。

表1 石佛寺水庫洪水組成分析成果

3.1 不確定因子量化

1)傳播時間。根據以上分析結果，防洪控制斷面距離區間洪水出口斷面較近，不考慮洪水傳播時間，至壩址處的傳播時間為1.0h。

2)調度滯時。石佛寺水庫的閘門類型為弧形，為儲備一定的防洪安全控件和確保靈活開度泄洪，設定調度滯時為0.5h。

3)未來洪水估值。依據H-Q關系和該斷面水位H防i確定防洪控制斷面流量Q防i，即區間洪水當前值利用式：Q區i=Q防i-Q泄i-1確定。設計洪峰流量在區間50a一遇標準下為245m3/s，平均漲率為68m3/s，峰現時間為3.5h，平均漲率按1.2的安全系數考慮為82m3/s，依據區間洪水漲退水和公式(1)、(2)計算確定區間未來時刻的流量估值。

3.2 優化洪水調節方式

1)漲水段入庫洪水。控制運用區間洪水：50a一遇及以下的洪水控制，在區間洪水漲水段時運用漲率法；區間洪水峰現時間在洪水退水段時僅為3.5h，較壩址和防洪控制斷面風險時間分別提前了2、3h，針對處于退水段時的洪水判斷區間，為儲備一定的安全空間以實際出現的當前區間洪水流量作為下一時刻的區間洪水流量。控制運用下泄流量：當10a一遇及以下的洪峰流量為入庫流量時，在該情況下為維持水位不上漲，合理控制閘門開度保持來流量與下泄流量一致；當10-50a一遇的洪峰流量為入庫流量，且處于持續上漲的情況下，根據壩址洪水與區間洪水控制遭遇和控制斷面安全泄量，合理設定大壩泄洪；當超過50a一遇的洪峰流量為入庫流量時，以不制造人為洪水為基準，岸大壩安全泄洪要求全開溢洪道閘門。

2)退水段入庫洪水。當達到洪峰后入庫流量逐漸減小，此前2h區間洪水已開始退水，根據防洪控制斷面安全泄量要求、洪水傳播時間、防洪控制和入庫斷面的當前流量等，確定水庫達到最高水位和大壩泄量。其中，控制斷面的流量依據水位流量關系和水位觀測值推算確定。此后，水位回落至起調水位的過程繼續按區間洪水控制和控制斷面的下泄流量進行，以上過程即為完整的一次洪水。

3.3 防洪庫容

采用兩種地區洪水組合計算和上述優化洪水調節方式，沈陽市防洪庫容為668萬m3時能夠達到50a一遇防洪要求；采用兩種地區洪水組合的區間洪水和固泄洪水調節方式，固泄流量為385m3/s，則沈陽市防洪庫容為826萬m3時能夠達到50a一遇防洪要求，優化洪水調節方式的庫容偏大30%，計算結果見表2。

表2 石佛寺水庫洪水調節計算(P=2%) m3/s；萬m3

續表2 石佛寺水庫洪水調節計算(P=2%) m3/s；萬m3

根據以上分析結果可得出如下結論

1)區間洪水陡漲陡落為山區性河流的典型特征，采用優化調度方式的基本條件為防洪控制斷面布置水位監測設備。

2)水庫下游防洪風險以水庫防洪優化調度為主要內容，因此防洪控制斷面超過安全流量的風險定義為由于區間洪水與水庫泄水錯峰不成功所引起的風險。在山區性河流中的石佛寺水庫應用防洪優化調度分析方法，結果顯示相對于固泄流量調度方式可顯著降低工程投資，優化調度方式可減少30%的防洪庫容。

3)在無法改變不確定因子隨機特征的情況下為，降低不確定性因子的影響可下去增加調度滯時和延長傳播時間等措施，由此降低調度風險；與此同時可占用更多的防洪庫容，較固定泄流方式仍然具有明顯的優勢。

4)設計洪水過程為防洪優化調度方案的基本依據，即防洪控制斷面流量依據水位流量與水位信息關系推算確定，區間洪水量值的推算要考慮錯峰時間的影響，山區性河流的未來區間洪水的不確定性量化要考慮足夠的安全儲備。

5)水庫防洪庫容不僅與工程投資相關，而且還要考慮防洪效果和下游防洪目標。水庫防洪庫容在滿足預期效果的條件下，盡可能的滿足節約工程投資的要求。所以，防洪庫容在設計階段的確定還要從技術經濟的角度綜合分析。

4 結 論

根據水庫下游實時水情信息和優化后的調度方式估算區間洪水，有利于降低水利工程投資和減少水庫防洪庫容。但是，由于調度、洪水傳播時間和區間洪水滯時等不確定因子影響，水庫下游防洪風險有可能會增大。所以，對洪峰錯峰調度風險的定量估計以及優化調度中風險因子的識別，為水庫防洪調度優化設計的關鍵內容。文章綜合考慮調度、洪水傳播時間和區間洪水過程風險因子，以沈陽市境內的石佛寺水庫為例提出了優化的防洪調度方法，可為洪水預報及調洪演算等提供一定指導。

隨著洪水預報技術的不斷研究和發展，實時修正河流洪水預報的理論方法取得了顯著的進展，為水庫建成后的預報調度和洪水預報誤差達到預期的精度提供了有利的支撐。