流域聯合調度方式下大崗山水庫汛期調度方案研究

朱艷軍，陳在妮，徐雨妮，牛文靜

（1.國能大渡河流域水電開發有限公司，成都 610041；2.長江水利委員會水文局，武漢 430010）

0 引 言

大渡河位于青藏高原東南邊緣向四川盆地西部的過渡地帶，是長江流域岷江水系最大支流、我國規劃開發的十三大水電基地之一［1-3］。大渡河干流規劃建設“3庫28級”梯級水庫群，干流開發任務以發電為主，兼顧防洪、航運、灌溉等［4-8］。隨著以瀑布溝水庫為代表的具備一定調節能力的水庫群陸續投產，流域整體防洪能力逐漸增強。但隨著上下游水庫的投產，河道的水文特性改變，以及多業主電站獨立運行［9，10］，使得單庫規劃設計之初的調度運行方式不利于防洪能力的充分利用和水資源的綜合開發［11，12］。因此，亟需針對具備調節能力的水庫開展聯合調度方式下的防洪調度方案研究，為流域總體防洪庫容的充分利用和梯級水庫汛期運行調度管理提供有利的技術支撐和指導。

1 研究對象

大崗山水庫位于大渡河中游上段，四川省雅安地區石棉縣境內，系大渡河干流水電規劃的第15 級水庫，其梯級拓撲結構如圖1所示。壩址距下游石棉縣城約40 km，距上游瀘定縣城約72 km。壩址控制流域面積62 727 km2，占大渡河總流域面積81%。水庫校核水位1 132.73 m，設計水位1 125.7 m，正常蓄水位1 130.00 m，相應庫容7.29 億m3，汛期排沙運行水位1 123.00 m，死水位1 120.00 m，調節庫容1.16 億m3，總裝機容量2 600 MW，總庫容7.62 億m3［13］，2015年建成投運。水庫下游無具體防洪對象，不承擔防洪任務。

圖1 大渡河流域梯級水庫群拓撲結構示意圖Fig.1 Topological structure of cascade reservoirs in Dadu River Basin

2 現行調度方式分析

2.1 現行調度方式

大崗山水庫主要防洪任務為在確保工程自身防洪安全，且不增加工程防洪風險的前提下，應根據防洪調度規則盡量兼顧下游防洪需求。

根據大渡河流域汛期劃分標準，大崗山水庫6-9月為汛期，5、10月為平水期，1-4月、11-12月為枯水期。其中，汛期6-9月排沙運行時水庫水位控制在排沙運行水位1 123 m 運行；非汛期，水位控制在1 120～1 130 m運行。

大崗山水庫汛期現行防洪調度方式主要為：防洪起調水位為1 123 m，當洪水入庫后，逐步增開閘門，使壩前水位維持在1 123 m 運行；當泄洪能力小于入庫洪水時，按水庫泄洪能力泄洪，庫水位升高。當入庫洪水小于200年一遇洪峰流量7 510 m3∕s 時，水輪機按最大發電流量過流；當入庫洪水大于7 510 m3∕s，且洪水渾濁、漂浮物較多時，機組不過流［14］。

2.2 實際調度中存在的問題

（1）大渡河流域電站為多業主開發管理，尚未建立統一聯合調度機制，不利于流域整體防洪能力的發揮和洪水的資源化利用。

（2）隨著氣象水情預報技術的發展，現有調度規則是基于原有水情預報技術編制，導致洪水資源利用率較低，無法協調興利和防洪之間的矛盾。

3 汛期調度方式

大崗山水庫汛期調度方式的研究主要包括防洪調度方式研究和實時調度方式研究。防洪調度方式是針對水庫在梯級水庫群聯合防洪背景下設置的調度方式；而實時調度方式是針對水庫汛期來水較小時，在保證防洪安全的前提下，利用具有一定精度和預見期的水文氣象預報信息，合理控制水庫運行水位，以提高水能資源利用效率和工程運行效益的調度方式。兩種調度方式互為補充，在不提高水庫防洪風險的前提下，盡可能兼顧下游的防洪任務，不僅有利于進一步保障流域內人民群眾的生命財產安全，也有利于洪水資源利用和提高流域水資源的綜合利用效益。

3.1 指標計算

3.1.1 調洪指標

為研究大崗山水庫的防洪調度方式，本節主要介紹控泄流量和最高調洪水位2類調洪指標的計算。

（1）控泄流量。考慮到大崗山水庫防洪調度時，應在不增加工程防洪風險的前提下，盡量兼顧下游防洪需求，因此，大崗山水庫的控泄流量不因造成石棉站超保證水位。由于石棉站保證水位854.4 m，相應流量6 500 m3∕s，且大崗山水庫至縣城河段區間多條一級支流汛期流量總和約1 000 m3∕s。因此，汛期大崗山水庫預泄流量控制在5 500 m3∕s 以內，基本能兼顧下游防洪安全，具體調度根據防汛主管部門調令進行控泄調整。

（2）最高調洪水位。最高調洪水位則是在確保不降低水庫設計標準的前提下，水庫攔蓄洪水過程可以使用的最大調節庫容對應的水位。針對聯合調度下大崗山水庫最高調洪水位的研究，本節主要考慮大崗山水庫以上兩個具備調節能力的主要水庫，即猴子巖水庫和長河壩水庫。由于3 個水庫建設運行時間不同，設計階段的防洪調度方式未能充分考慮水庫面臨的調度情勢的變化，因此水庫原定運行方式尚有可優化空間。為實現大崗山水庫防洪調度方式的優化，需要根據水庫設計資料，針對設計∕校核洪水進行重新演算，以確定大崗山水庫最高調洪水位。根據上述思路，提出演算步驟如下：

①資料核定分析：根據水庫設計資料，明確其設計∕校核標準，并核定水庫特征水位，尤其是設計∕校核洪水位計算的起調水位及調洪過程，及庫區土地線、移民線計算的相關標準。

②洪水過程計算：選擇水庫最不利典型年，根據水庫的設計∕校核洪水標準和設計參數，計算其對應的洪水過程，并確定上下游水庫同典型年、同頻率下的洪水過程。

③區間流量計算：根據梯級水庫群各庫洪水過程，考慮傳播時間影響，計算各水庫區間流量過程。

④梯級調洪演算：根據洪水過程和區間流量，針對梯級水庫群自上而下依次進行調洪計算，在上游水庫因泄洪能力不足而被動抬高水位的情況下，改變待求水庫的起調水位并承接設計∕校核洪水過程，分別獲得相應最高調洪水位，在確保最高調洪水位等于設計洪水位、校核洪水位的情況下，該起調水位即為聯合調度下水庫為減輕下游防洪壓力可運用到的最高調洪水位。

⑤指標判別分析：將遭遇設計∕校核洪水過程時水庫為減輕下游防洪壓力可運用到的最高調洪水位進行比較分析，若其均小于正常蓄水位，則以計算所得水位中較小值作為水庫調整后的最高調洪水位；若其均大于等于正常蓄水位，則以正常蓄水位為水庫調整后的最高調洪水位；若一大一小，則以計算所得水位中較小值作為水庫調整后的最高調洪水位。

按照上述分析步驟，考慮上下游的一致性，采用大崗山1 000年一遇設計洪水和5 000年一遇校核洪水進行梯級水庫群聯合調度計算，并基于指標判斷分析，確定梯級水庫群聯合防洪調度下，大崗山水庫最高調洪水位為1 125.7 m，計算結果詳見表1。

表1 大崗山水庫最高調洪水位計算成果表 mTab.1 Flood routing results of Dagangshan reservoir

3.1.2 動態控制指標

為研究大崗山水庫的實時調度方式，本節主要介紹最大安全泄量和運行水位浮動2類動態控制指標的計算。

（1）最大安全泄量。考慮到汛期大崗山水庫需兼顧下游石棉站的防洪需求，因此，大崗山水庫的預泄不應造成石棉站水位超警。由于石棉站警戒水位853.51 m，相應流量5 480 m3∕s，且據上文分析大崗山～石棉區間洪水流量約1 000 m3∕s，從而可以確定大崗山水庫的最大安全泄量為4 480 m3∕s。

（2）運行水位浮動指標。運行水位浮動指標需要根據大崗山水庫壩址歷史長系列來水情況，分析徑流季節性變化規律，并根據大崗山水庫水文氣象預報有效預見期和水庫下游河道安全泄量，確定大崗山水庫在不同來水情況下的預泄能力，從而推求水庫運行水位動態控制方案。根據上述思路，提出演算步驟如圖2所示。

圖2 運行水位浮動指標計算流程圖Fig.2 Calculation flow chart of the dynamic operation index of the Dagangshan reservoir

根據上文闡述的分析計算流程可得：①基于汛期浮動水位應不增加下游防洪壓力、不降低水庫防洪標準的考慮，大崗山水庫汛期運行水位動態控制的啟動條件主要包括石棉站水位低于其警戒水位、大崗山水庫入庫流量小于4 480 m3∕s，且可預見期內最大入庫流量不大于4 480 m3∕s 等；②大崗山水庫氣象、水文預報的有效預見期分別為72 h 和6 h，從偏安全的角度考慮，本研究采取6 h 水文預報有效預見期對大崗山水庫水位浮動指標進行分析，采用72 h 氣象預報有效預見期對預泄時機進行控制；③基于對大崗山水庫運行期間（2016-2020年）入庫洪水過程漲落指標的統計分析，洪峰流量漲至4 480 m3∕s 以上的次洪過程的起漲流量基本在2 000 m3∕s 以上，且洪水6 h 漲率在180～1 530 m3∕s。根據上述分析結果，在來水平穩和上漲兩種入庫流量模式下，依據大崗山水庫最大安全泄量以及其水文氣象預報有效預見期，采用改進預泄能力約束法［15］，可計算不同來水模式下有效預見期內水庫的預泄能力，并推求水庫最高可上浮的水位，計算結果詳見表2。

表2 上游不同來水情勢下按4 480 m3/s控泄大崗山水庫最高上浮水位Tab.2 The highest water level of Dagangshan reservoir under different inflow scenarios when the discharge is controlled at 4 480 m3/s

3.2 汛期調度方案

3.2.1 防洪調度方式

（1）若入庫流量大于5 500 m3∕s 且小于最大下泄能力時，按照5 500 m3∕s 控制，庫水位最高攔蓄至1 125.7 m 后按入出庫平衡控制；若入庫流量大于最大下泄能力，原則上按照最大下泄能力控制，并通知相關單位和部門，提前采取有效措施。

（2）當庫水位達到正常高水位1 130 m時，采用敞泄方式。

3.2.2 實時調度方案

（1）總體原則。以不降低水庫防洪標準（水庫參與防洪的起調水位為排沙運行水位），也基本不增加下游防洪壓力為前提；以大洪水來臨之前將水庫水位預泄至排沙運行水位為條件，由防汛部門根據防洪形勢、實際來水以及預測預報情況進行機動控制，當不需要大崗山水庫進行防洪調度時，利用水庫部分庫容，發揮水庫的綜合效益，當需要大崗山水庫進行防洪調度時，以服從防洪調度為原則。

（2）啟動條件。①當前入庫流量小于4 480 m3∕s且未來12 h內大崗山入庫洪峰流量小于4 480 m3∕s，或出現過較大洪水但入庫流量已退至4 480 m3∕s以下且天氣形勢明朗、12 h內仍處于退勢。②石棉站水位低于警戒水位。③在可預見時間（6～12 h）內，大崗山上游和大崗山至石棉區間無明顯的強降雨過程，無發生較大洪水的可能（即大崗山最大入庫流量不會大于4 480 m3∕s，且下游區間發生大洪水的可能性很小）。④在考慮預見期降雨的情況下，并且大崗山水庫超蓄水量在72 h 預見期內預泄至排沙運行水位后，石棉站水位低于警戒水位。

（3）控制指標。以利用水文氣象預報進行預報預泄，確保大崗山水庫能及時降至排沙運行水位，減少水庫棄水，發揮水庫的綜合效益為原則，運行水位按以下指標控制：①當入庫流量小于等于2 000 m3∕s 時，庫水位運行區間可控制在1 120～1 128 m，如遇電網調峰、調頻等需求，可短時突破1 128 m，最高不超過1 130 m。②當入庫流量大于2 000 m3∕s 且小于等于3 000 m3∕s 時，庫水位運行區間可控制在1 120～1 126 m，如遇電網調峰、調頻等需求，可短時突破1 126 m，最高不超過1 128 m。③當入庫流量大于3 000 m3∕s 且小于等于4 480 m3∕s 時，庫水位運行區間可控制在1 120～1 124 m。④當預報入庫流量增加，需要降低庫水位時，相機啟動預泄，控制出庫流量不大于4 480 m3∕s的前提下盡快將庫水位降至目標水位，可視具體情況，協調上游水庫預泄時間和預泄流量。

3.3 典型洪水演算

3.3.1 防洪調度

本節利用歷史典型洪水過程、不同設計頻率洪水等，采用上述防洪調度方式開展調洪計算，以驗證所提調度方式的合理性和可行性。本節選擇典型年1981年9月洪水過程及由該典型年計算的百年一遇、20年一遇洪水過程和2018年7月、2020年6月典型洪水過程進行驗證。部分計算成果如圖3所示。

圖3 2020年6月典型洪水過程對應各庫調度過程線Fig.3 Operation of cascade reservoirs in Dadu River Basin according to the inflow process of“2020.6”

由圖分析可知，針對2020年6月典型洪水過程，在流域聯合調度方式下，采用本文所提的防洪調度方案，大崗山水庫最高調洪水位在1 125.7 m左右，削減洪峰流量530 m3∕s，一定程度上減輕了下游石棉斷面的防洪壓力。

3.3.2 實時調度

本節針對大崗山水庫2016-2019年實況來水過程進行分析，分別采用“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 場洪水過程，根據當前和預見期內來水情況，在擬定的水位動態浮動方案的基礎上開展調洪計算，以驗證所提實時調度方案的合理性和可行性。方案風險評價標準為：在來水漲至4 480 m3∕s 前，若大崗山水庫可以最大不超過水庫安全泄量的出庫流量將浮動水位預泄至排沙運行水位，則運行水位動態控制方案不存在運行風險；反之，則存在一定的風險。計算成果如圖6所示。

由圖分析可知，針對“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 場洪水過程，在擬定的水位動態浮動方案的基礎上，大崗山水庫均能在入庫流量漲至4 480 m3∕s 前，以最大下泄不超過4 480 m3∕s 的出庫流量，將浮動水位預泄至1 123 m。此外，由于“1992.6”和“2018.7”兩場洪水洪峰量級均超5 500 m3∕s，采用本研究提出的防洪調度方案進行攔洪后，最高調洪水位分別為1 124.34 m 和1 123.03 m，且洪峰過后能以不超5 500 m3∕s 的出庫流量快速將水位下降至1 123 m。由此可以說明：大崗山水庫采用此水位動態浮動方案運行，水庫工程自身安全有保障，且在來水較大時，根據本研究提出的防洪調度方案，大崗山水庫可發揮有效的攔洪錯峰作用。進一步分析可知，依據該運行水位動態控制方案對“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 場洪水過程的調度，大崗山水庫的發電量較原調度方案分別增加0.06、0.06、0.09 億kWh。由此可以說明：汛期開展實時調度可有效提高大崗山水庫的經濟效益，有助于實現洪水資源化利用，增發清潔能源電量，減少碳排放量。

圖4 “1992.6”、“2018.7”、“2020.6”來水情況下大崗山水庫實時調度過程圖Fig.4 Operations of Dagangshan reservoir under the inflow scenarios of“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”

4 結 論

以大渡河流域大崗山水庫為研究對象，開展了汛期大崗山水庫實時調度方式研究。首先，通過分析大崗山水庫現行調度方式，明確了現存主要問題和需求，然后針對大崗山水庫面臨的不同調度需求，分別提出了針對防洪需求的調洪指標和針對較小來水情況下的動態控制指標計算方法，并基于此制定了大崗山水庫防洪調度方式和實時調度方式，最后通過典型洪水過程的演算分析，驗證了所制定方式的合理性和有效性，能夠為大崗山水庫汛期實時調度運行提供可行的技術指導，為類似具備調節能力的水庫的運行管理提供可靠借鑒。 □