汾河水庫分期汛限水位控制方案研究

曹玉濤

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國水資源的供需矛盾日益顯現(xiàn)，為充分利用水庫汛期洪水資源，發(fā)揮其綜合效益，水庫分期汛限水位控制方案的研究及應(yīng)用變得尤為重要。傳統(tǒng)的單一汛限水位調(diào)度方式往往會導(dǎo)致水庫在汛期發(fā)生大量棄水而汛后又無水可蓄的局面，極大地浪費了洪水資源。分期汛限水位調(diào)度不需要新建防洪工程，可以在滿足水庫防洪安全的前提下，在汛后期適當(dāng)抬高汛限水位。合理掌握水庫汛期洪水的季節(jié)變化規(guī)律，在不同的汛期分期執(zhí)行不同的汛限水位方案，增加水庫的興利庫容，可以有效地緩解水庫水資源短缺的問題。

汾河水庫地處山西省太原市婁煩縣境內(nèi)，目前是山西省最大的水庫，水庫運行多年來，在供水、防洪、保障下游用水部門安全、保護下游居民生命財產(chǎn)等方面發(fā)揮了不可替代的作用。目前汾河水庫在汛期執(zhí)行洪水調(diào)度時，汛限水位在整個汛期采用比較保守的單一數(shù)值。近年來，隨著汾河流域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，汾河水庫水資源供需矛盾愈發(fā)突出。水庫汛限水位分期調(diào)度是在充分了解當(dāng)?shù)亓饔蛩摹庀蠹竟?jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對水庫的汛期合理劃分，實施分期調(diào)度，利于攔蓄汛末洪水，減少棄水，提高水庫水資源利用量[1-3]。本文對汾河水庫分期汛限水位調(diào)度進行研究，以期得到汾河水庫分期汛限水位調(diào)度方案。本研究對于緩解當(dāng)?shù)厮Y源矛盾，充分利用汾河水庫汛期洪水資源、發(fā)揮水庫效益具有一定的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

汾河水庫位于汾河干流的上游端，婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)下石家莊村北1km，距離太原市83km。壩址以上干流總長度為122km，控制流域面積為5268km2，其中壩址以上控制面積為4990km2，壩址以上干流長度為224km。干流總落差1844m，河道平均縱坡為4.4‰，其中庫區(qū)段河床縱坡為2.6‰。汾河中支流眾多，其中支流流域面積大于30km2的共59條，流域面積大于1000km2的共7條。

汾河水庫流域內(nèi)設(shè)有靜樂、上靜游及婁煩三個較大型的水文站。水庫的主要任務(wù)是以城市生活供水和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲用水為主，同時兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用。

汾河水庫樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞和水電站構(gòu)成，水庫大壩為中填黃土均質(zhì)壩，大壩壩高61.40m，壩頂高程為1131.40m(大沽高程系)，壩頂寬度6m，長1002m。汾河水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水，校核標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水。水庫設(shè)計洪水位1128.95m，相應(yīng)攔洪庫容為3.20億m3，最大下泄流量1665.00m3/s；校核洪水位1131.36m，相應(yīng)調(diào)洪庫容為3.95億m3,最大下流量2254.00m3/s。

汾河水庫防洪調(diào)度結(jié)合水雨情預(yù)報、上游水文測站的水情測報、河道來水量及來水漲勢等綜合因素考慮，調(diào)度規(guī)則如下：

a.當(dāng)庫水位在1126.00～1128.00m時，由水電站引水，8m泄洪洞限泄，最大限泄流量556.50m3/s。

b.當(dāng)庫水位在1128.00～1129.24m時，由水電站引水，8m泄洪洞敞泄，溢洪道限泄，最大限泄流量1176.6m3/s。

c.當(dāng)庫水位在1129.24～1129.91m時，泄水設(shè)施全部敞泄，最大流量1946.34m3/s。

2 分期設(shè)計洪水研究

本文采用畢遠杰[4]對汾河水庫汛期分期的結(jié)果，即確定汾河水庫的主汛期為7月12日至8月23日，汛后期為8月24日至9月30日，本研究在此水庫汛期劃分的基礎(chǔ)上，進一步分析水庫汛后期的分期設(shè)計洪水。

采用汾河水庫河岔、婁煩和上靜游3個水文站的歷年實測水文資料，按年最大值法進行選樣，組成汾河水庫汛后期的實測洪水系列，以此為基礎(chǔ)計算汛后期的設(shè)計洪水。選用頻率分析法計算水庫分期設(shè)計洪水，頻率曲線選用水文中常用的皮爾遜Ⅲ型曲線，用矩法初估頻率參數(shù)，由適線法最終確定統(tǒng)計參數(shù)，得到汾河水庫汛后期分期設(shè)計洪水成果，見表1。

表1 汾河水庫后汛期設(shè)計洪水成果

由表1可知，與年最大設(shè)計洪水成果相比，汾河水庫汛后期分期設(shè)計洪水不論是洪峰、洪量的均值，還是各個頻率的設(shè)計值均遠小于年最大設(shè)計洪水的相應(yīng)數(shù)值。因此，可以對汾河水庫的汛限水位進行分期調(diào)度。眾所周知，在主汛期汾河水庫發(fā)生大洪水的概率相對較大，如果按偏于安全的角度考慮，水庫按現(xiàn)行防洪調(diào)度規(guī)則進行洪水調(diào)度，而不考慮降雨預(yù)報信息、實時洪水信息等，則汾河水庫主汛期汛限水位控制在1126.00m。

汛后期水庫發(fā)生大洪水的概率比較小。經(jīng)統(tǒng)計，汾河水庫在汛后期若遭遇10年一遇和100年一遇的洪水量級均小于水庫年最大5年一遇的設(shè)計洪水；而汛后期若遭遇2000年一遇洪水量級也小于水庫年最大10年一遇設(shè)計洪水。因此，汾河水庫在汛后期如果遭遇10年一遇和100年一遇洪水時，控制水庫最大下泄流量小于等于556.50m3/s；汛后期如果遭遇2000年一遇洪水時，控制最高調(diào)洪水位小于等于1131.00m。

研究中選擇67型洪水為代表洪水，其入庫洪水過程線見圖1。對汾河水庫汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水按洪峰同倍比方法進行縮放，分別得到汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇各自的縮放系數(shù)：K10%=0.10，K1%=0.34，K0.05%=0.73。汾河水庫汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水過程線見表2。

圖1 汾河水庫67典型入庫洪水過程

表2 汾河水庫汛后期不同頻率洪水過程 單位：m3/s

續(xù)表

3 分期汛限水位調(diào)度方案

研究中，選擇1126m、1126.5m、1127m和1127.5m 4個水位作為汛后期的汛限水位，按照汾河水庫現(xiàn)行防洪調(diào)度規(guī)則，分別對汛后期不同頻率設(shè)計洪水過程進行調(diào)洪演算，調(diào)洪過程計算結(jié)果見表3。

表3 汾河水庫汛后期設(shè)計洪水調(diào)洪過程

從表3中可以看出，汾河水庫在汛后期若遭遇10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水，即使從水位1127.50m起調(diào)，水庫最高調(diào)洪水位均不大于1128.00m(正常蓄水位)，最大泄量分別為470.40m3/s、475.00 m3/s和750.40m3/s(水庫最大限泄流量1176.60m3/s)，滿足下游河道防洪要求。因此，從防洪安全角度考慮，汛后期汛限水位可控制在1127.50m，滿足汾河水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求。

從汛期分期設(shè)計洪水統(tǒng)計研究可知，汾河水庫在汛后期發(fā)生大洪水的概率非常小，相應(yīng)洪水的量級也較小，而且汛后期在時間上與水庫蓄水期連續(xù)，水庫汛后期汛限水位按1127.50m控制是可行的。因此，可以得到汾河水庫分期汛限水位控制方案：主汛期(7月12日至8月23日)汛限水位按目前的汛限水位1126.00m，汛后期(8月24日至9月30日)汛限水位可以抬升至1127.50m。該方案有利于在汛后期攔蓄“洪水尾巴”，減少汾河水庫的棄水總量，進一步緩解汾河水庫水資源供需矛盾，進一步提高水庫的水資源利用率。

4 結(jié) 語

為了緩解山西省日益嚴(yán)峻的水資源供需矛盾，提高汾河水庫洪水資源利用率，本文對汾河水庫汛限水位分期控制方案進行研究，在現(xiàn)行汾 河水庫防洪調(diào)度運行規(guī)則的基礎(chǔ)上，對水庫汛后期不同頻率洪水進行洪水調(diào)節(jié)計算，最終得到了水庫汛后期汛限水位的可行方案。本文提出的汾河水庫分期汛限水位控制方案可以在確保水庫安全運行的前提下，有利于攔蓄“洪水尾巴”，增加洪水資源利用率，提高水庫的興利效益。