龍羊峽水庫汛限水位動態控制方案研究

宋偉華 賀順德 徐曉英 崔鵬

摘?要：影響龍羊峽水庫汛限水位動態控制方案的主要因子有黃河上游的洪水起漲特點、水庫下游河道的安全過流能力、龍劉水庫的聯合防洪調度方式、入庫洪水預報的精度和預見期等幾個方面。龍羊峽水庫的預泄模式宜采用固定預泄的方式，洪水預報的有效預見期為7 d，預泄判別流量為1 500 m3/s，預泄流量為2 000 m3/s，相應的汛限水位動態控制域為2 588～2 590 m，在此區間內水庫進行動態調蓄運用，視上游來水預報和水庫蓄水情況確定出庫流量。水庫水位超過2 590 m時，水庫按常規防洪運用方式運用;水庫水位超過2 594 m時，水庫按設計防洪運用方式運用。

關鍵詞：汛限水位;動態控制;預泄模式;龍羊峽水庫

中圖分類號：TV697.1+1;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.004

Abstract：The main factors influencing the scheme of dynamic control of the flood control level of Longyangxia Reservoir are the flood rising characteristics of the upper reaches of the Yellow River， the safe flow capacity of the lower reaches of the reservoir， the integrated control regulation mode of the LongyangxiaReservoir and Liujiaxia Reservoir as well as flood forecast accuracy and forecast lead time of the Reservoir. Fixed pre-discharge mode/pattern should be applied for the Longyangxia Reservoir. The effective flood forecast lead time is 7 days， the distinguishing criteria of pre-discharge is 1 500 m3/s， the pre-discharge flow is 2 000 m3/s， and the corresponding dynamic control range of the flood control level is 2 588-2 590 m.In this range， dynamic regulation will be commenced according to the reservoir storage and forecasted upstream inflow. When the water level of the reservoir exceeds 2 590 m or 2 594 m，the reservoir is operated according to the normal or designed flood control operation mode.

Key words： the flood control level; dynamic control; pre-discharge mode; Longyangxia Reservoir

龍羊峽水庫是黃河唯一多年調節水庫，壩址以上控制流域面積13.1萬km2，約占黃河流域面積的17.5%，是黃河徑流的主要來源區。龍羊峽水庫正常蓄水位2 600 m，相應庫容247億m3，電站裝機容量1 280 MW，多年平均發電量59.4億kW·h，壩址以上多年平均流量650 m3/s，年徑流量205億m3，地表徑流量占黃河地表水總量的38.4%。水庫開發任務以發電為主，并聯合劉家峽水庫擔負下游防洪、灌溉和防凌任務。水庫設計汛限水位2 594 m，正常蓄水位2 600 m。在實際防洪調度運用過程中，利用2 588～2 594 m之間的防洪庫容兼顧上游在建工程施工度汛和青甘寧蒙河段的防洪需求。經過30 a運行實踐，龍羊峽水庫不但經受了大洪水和強地震的考驗，也經歷了局地暴雨引發的山洪泥石流和連續枯水年的考驗，已度過初期運行階段[1]。作為具有多年調節性能的龍頭水庫，龍羊峽水庫運用方式的調整對下游梯級水電站群、西北電網、黃河流域水資源綜合利用等有持續多年的影響。尤其是龍羊峽水庫汛前和汛末水位的控制，關系到龍羊峽水庫當年汛期棄水情況，影響到黃河上游梯級水庫群當年甚至后續多年的發電效益[2]。目前，龍羊峽水庫具有較為完善且運行穩定的水庫水雨情測報、洪水預報調度等系統，有穩定且預報精度較高的洪水預報方案，水庫具備開展汛限水位動態控制的條件，可以通過汛限水位動態控制和優化調度等舉措，更好地發揮水庫的防洪、發電、供水等多個方面的綜合效益。

1?影響汛限水位動態控制的主要因子

影響龍羊峽水庫汛限水位動態控制方案的主要因子有黃河上游的洪水起漲特點、水庫下游河道的安全過流能力、龍劉水庫的聯合防洪調度方式、入庫洪水預報的精度和預見期等幾個方面。

1.1?洪水起漲特點

本次通過統計唐乃亥站1956—2015年6—10月的不同時期的旬平均流量情況（見圖1），來分析汛期洪水的起漲特點。主要表現出以下幾個特征：

（1）從1956—1975年、1976—1995年、1996—2015年等年份6—10月的多年逐旬平均流量來看，唐乃亥站汛期各旬的多年均值是比較穩定的，各時段的旬平均流量差別在200～300 m3/s之間。其中：6—8月流量的多年均值非常接近，9—10月流量均值除1996—2015年有一個明顯的枯水段外，也是比較穩定的。

（2）從汛期洪水的多年均值來看，6月中旬至8月上旬和8月下旬至10月上旬有兩場明顯的洪水過程。從總體情況看，前后兩場洪水的平均洪峰流量表現為前高后低的狀態，后峰的起漲流量較前峰的起漲流量要大一些。

（3）從洪水的起漲流量來看，6月上中旬起漲階段的旬平均流量均為800 m3/s左右，8月下旬起漲階段的旬平均流量為1 000 m3/s。總體來看，6月上中旬洪水的起漲流量一般要小于8月下旬洪水的起漲流量。

1.2?龍劉水庫的聯合防洪調度方式

龍劉（龍羊峽和劉家峽）兩水庫通過聯合防洪調度，共同承擔下游各防洪對象的防洪任務。在防洪調度計算中，龍羊峽和劉家峽水庫控制不同的下泄流量來滿足各防洪對象的防洪要求，劉家峽水庫下泄流量按照劉家峽下游防洪對象的防洪要求控制，龍羊峽水庫按照一定蓄洪比例攔洪泄流，下泄流量需滿足龍劉區間防洪對象的防洪要求，并使劉家峽水庫不同頻率洪水時的最高庫水位不超過設計值。實際調度中，根據遭遇洪水的大小，按照不同防洪對象的防洪標準與要求，逐級控制龍羊峽、劉家峽水庫的泄量，保證各防洪對象安全度汛，充分發揮兩個水庫的防洪作用。

1.3?下游河道允許泄量

根據近年來龍劉兩水庫的聯合防洪調度和黃河干流青海、甘肅、寧夏、內蒙古河段的防洪需求，在龍羊峽水庫設計汛限水位以下兼顧下游河道防洪的水庫控制泄量同近年方案一致，即龍羊峽水庫控制下泄流量不超過2 000 m3/s，劉家峽水庫控制下泄流量不超過2 500 m3/s（隨著防洪工程的建設，下游河道安全過洪能力提高，水庫控制流量可相應增加）。

1.4?洪水預報預見期及精度

根據龍羊峽水庫水情測報站網設置、洪水和徑流預報方案，目前龍羊峽水庫防洪調度中應用的日徑流預報方案的模擬精度較高，洪峰合格率可以達到甲級。7 d內的徑流預報評價指標達到乙級以上，能夠滿足項目精度要求，可以為水庫汛限水位動態控制研究提供依據，龍羊峽水庫日徑流預報的有效預見期為7 d。

2?預泄模式及動態控制域

水庫汛限水位動態控制域的確定是動態控制研究的關鍵內容，也是動態控制方案擬定的基礎。汛限水位動態控制域確定方法的總體原則是根據不同洪水預報預見期，考慮合理的預泄運用，適當抬高水庫的汛限水位。目前，汛限水位動態控制域常用預泄能力約束法來確定，即在現有洪水預見期、預泄流量下，選取不同典型洪水過程，計算可能的汛限水位上限，再結合實際情況綜合確定動態控制運用水位上限。基于預泄能力約束法的確定方法，預泄模式一般包括考慮洪水預報的預泄模式和不考慮洪水預報的預泄模式。考慮洪水預報的預泄模式根據洪水預報結果，在可用的預見期內，提前根據預報流量將水庫水位預泄至設計的汛限水位;不考慮洪水預報的預泄模式是當水庫的入庫流量超過一定值時，便認為水庫上游發生洪水，并將水庫水位預泄至設計的汛限水位[3]。龍羊峽水庫采用考慮洪水預報的預泄模式。

2.1?預泄判別指標

對于龍羊峽水庫來說，水庫上游洪水期基流較大，水庫的預泄水量直接與預泄流量和洪水預見期有關。按預泄流量不超過下游河道允許泄量的原則，擬定固定預泄模式下，預泄流量為2 000 m3/s，滾動預泄模式下，預泄流量為1 500 m3/s和2 000 m3/s兩級流量。

考慮到龍羊峽水電站發電流量和預泄流量的變化情況，龍羊峽水庫的預泄判別流量應在800～2 000 m3/s之間。但是，預泄判別流量太小，對小洪水的預泄操作頻繁，發生常遇洪水時，水庫棄水較多，預泄庫容回蓄的風險相對較高，對于水庫洪水資源充分利用不利;預泄判別流量太大，預泄開始的時間晚，起漲前預泄的水量少，對大洪水的防洪調度不利。

從唐乃亥站的洪水起漲特點分析成果得知，洪水過程在洪水起漲段拐點為1 000～1 200 m3/s，拐點以前洪水起漲過程相對平緩，拐點之后，洪水起漲迅速，在3 d左右的時間內漲至2 000 m3/s。根據黃河上游的洪水特性，唐乃亥站60 a的洪水序列中，有10 a的洪峰流量小于1 500 m3/s。

綜合考慮上游汛期來水、洪水起漲特點、電站發電流量、下游河道安全過洪流量等多個因素，以盡量減小水庫棄水為原則，現狀條件下擬定固定預泄模式判別流量為2 000 m3/s，滾動預泄判別流量為1 200、1 500 m3/s。

2.2?汛限水位動態控制域

采用預泄能力約束法計算汛限水位上限時，在現有洪水預見期、預泄流量確定的情況下，汛限水位上限與預泄的方式有關。根據上述分析得到的預泄模式、預泄流量、預泄判別指標，擬定相應的計算方案，方案設置見表1。

針對龍羊峽水庫入庫洪水的不同起漲過程，選取1964年、1967年等16個典型年的不同洪水過程。其中前期流量較小、上漲比較慢的過程選用了1964年等典型年，前期流量較小、上漲比較快的過程選用了1973年等典型年，前期流量大、上漲比較慢的過程選用了1976年等典型年，前期流量大、上漲比較快的選用了1979年等典型年。不同類型洪水典型年的選擇見表2。

根據上述調度方案和典型年，計算可能的汛限水位上限。計算結果見表3。

從表3可以看出，A、B、C、D四類典型的起漲過程中，對于預泄比較有利的類型為上漲比較慢的A和C類，對于預泄較為不利的類型為上漲比較快的B和D類，其中前期流量大、上漲速度快的D類最為不利。

對于方案一，按照現有的洪水預見期7 d，預泄判別流量為2 000 m3/s時，即預報入庫流量達到2 000 m3/s時，水庫進入預泄模式。從選擇的16個典型年的統計情況看，預泄水量最大為5.13億m3，最小為1.34億m3，平均為3.14億m3，相應的上限水位最高為2 589.42 m，最低為2 588.31 m，平均為2 588.84?m。所以，在現有的預泄流量2 000 m3/s的情況下，僅利用7 d的預見期，龍羊峽水庫的預泄水量較小，可以達到的汛限水位上限比較低。應在分析黃河上游洪水特性的基礎上，水庫提前預泄，以達到在確保防洪安全的情況下適當提高汛限水位上限的目的。

對于方案二，按照現有的洪水預見期7 d，預泄判別流量為1 200 m3/s時，即預報入庫流量達到并超過1 200 m3/s時，水庫進入預泄模式。從選擇的16個典型年的統計情況看，預泄水量最大為15.5億m3，最小為7.03億m3，平均為9.93億m3，相應的上限水位最高為2 592.27 m，最低為2 589.98 m，平均為2 590.77 m。在選取的16個典型年中，有15 a的上限水位達到或超過2 590 m，1 a接近2 590 m。

對比方案一和方案二，隨著預泄判別流量的減小，水庫進入預泄模式的時間提前，預泄天數和預泄水量相應增大。本次從減少發生小洪水時的預泄次數和棄水量且不影響較大洪水的防洪安全角度考慮，推薦預泄能力約束法方案二確定的最低汛限水位上限2 589.98 m。

綜上所述，根據不同典型年的設計洪水過程，采用現狀水庫運用方式，完成當前防洪任務（設計防洪任務兼顧下游河道防洪安全）且不超過水庫設計、校核指標時，計算得龍羊峽水庫汛限水位動態控制上限為2 590.50 m。采用預泄能力約束法，按照現有洪水預見期和預泄流量，計算得龍羊峽水庫汛限水位動態控制上限為2 589.98 m。經綜合分析并取整，本次推薦龍羊峽水庫汛限水位動態控制上限為2 590 m，即龍羊峽水庫汛限水位動態控制域為2 588～2 590 m。

3?汛限水位動態控制運用方案

（1）當水庫水位低于汛限水位下限2 588 m時，水庫合理攔蓄洪水，下泄流量以發電要求為主，最大發電流量為1 080 m3/s。

（2）當水庫水位位于汛限水位動態控制區間（2 588～2 590 m）時，龍羊峽水庫動態調蓄運用，視上游來水預報和水庫蓄水情況確定出庫流量。在漲水段，若預報上游來水小于預泄判別流量1 500 m3/s，水庫按發電運用，水庫預蓄;若預報上游來水超過1 500 m3/s，水庫下泄流量以盡量降低水庫水位至2 588 m為原則，根據蓄水量和上游預報來水量靈活確定出庫流量，最大出庫流量按下游安全過洪流量2 000 m3/s控制。當入庫流量大于預泄流量2 000 m3/s時，龍劉兩水庫按比例攔蓄洪水，龍羊峽水庫最大出庫流量按2 000 m3/s控制。在落水段，若入庫流量大于預泄流量2 000 m3/s，按2 000 m3/s控泄;當入庫流量小于預泄流量2 000 m3/s時，水庫按發電流量1 000 m3/s回蓄，最高水位不超過汛限水位動態控制上限2 590 m;當落水段處于9月時，按照9月的控制水位運用。

（3）當水庫水位高于汛限水位上限2 590 m時，水庫按常規調度方案運用。即當水庫水位處于汛限水位上限2 590 m和設計汛限水位2 594 m之間時，按與劉家峽水庫的蓄洪比例靈活控制下泄流量，原則上控制出庫流量不超過2 000 m3/s。

（4）當水庫水位達到或超過設計汛限水位2 594 m時，水庫按照設計防洪運用方式運用。

4?結?語

（1）通過固定預泄模式和滾動預泄模式的分析比較，選擇預泄判別流量為1 500 m3/s時、預泄流量為2 000 m3/s的固定預泄模式。采用固定預泄模式，滿足大洪水的防洪要求，同時在遭遇小洪水時表現出一定的優越性。首先，通過延長預泄時間增加了預泄水量，提高了汛限水位動態控制域上限;其次，減小了因洪水初期預泄流量過大造成的回蓄風險;第三，通過預泄盡量降低水位至動態控制域下限，可兼顧下游10 a一遇洪水的防洪安全;第四，避免了預泄期間閘門頻繁的啟閉操作，對于防洪調度運用是比較有利的。

（2）龍羊峽水庫汛限水位動態控制期間主要處于洪水起漲階段，通過加大下泄流量將水位從汛限水位上限2 590 m降低至下限2 588 m。經分析，發生設計和校核標準的洪水時，水庫的最高調洪水位不超過相應的設計洪水位和校核洪水位。因此，龍羊峽水庫汛限水位動態控制，對龍羊峽水庫和劉家峽水庫自身的防洪安全是沒有影響的。

（3）龍羊峽水庫當前的防洪任務主要是通過與劉家峽水庫聯合防洪運用，保證下游蘭州的防洪安全，兼顧青甘寧蒙河段防洪安全。一方面，在龍羊峽水庫設計汛限水位2 594 m以下，為兼顧下游河道防洪安全，龍羊峽水庫控制下泄流量不超過2 000 m3/s，劉家峽水庫控制下泄流量不超過2 500 m3/s，對于10 a一遇及以下洪水，大部分典型年龍羊峽水庫最高蓄洪水位都低于2 594 m，少數典型年最高蓄洪水位在短時間內超過2 594 m，但超過2 594 m的時段較短，防洪依然是安全可控的，即可以兼顧10 a一遇洪水防洪安全。另一方面，黃河上游發生10 a一遇以上洪水時，通過龍劉兩水庫的聯合防洪調度運用，按照常規防洪調度方式或者設計防洪調度方式，可以控制蘭州站不超過相應的設防流量。

參考文獻：

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[3]?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，2006：121-122.

【責任編輯?許立新】