特殊運行工況下水庫預泄調度方式研究

劉偉時，藍祝光

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

位于安徽省滁州市城區(qū)西北部的某中型水庫，其正常蓄水位及汛期限制水位均為29.00 m，設計水位為30.53 m，校核水位為31.41 m。該水庫原建有老閘(即南閘)，閘頂高程為31.20 m；如今又新建北閘，閘頂高程為29.30 m。新閘修建完成后，水庫仍按之前批復的設計標準運行。因新閘閘頂高程過低，水庫的實際防洪庫容大為下降，當水庫遭遇較大洪水時，會發(fā)生洪水漫過新閘閘頂的問題，危害水庫安全，并降低水庫防洪能力、增大下游防洪壓力。此外，在該水庫內還建有一座抽水蓄能電站，每日可抽放水量200萬～800萬m3。若抽水蓄能電站向水庫放水的同時，庫區(qū)遭遇洪水，更易造成洪水漫頂危害。針對該水庫復雜特殊的運行條件，建立科學有效且具有可操作性的洪水調度方式具有重要的意義。水庫預報預泄調度是水庫防洪調度的重要方式之一，可提高水庫防洪能力[1-5]。為防止該水庫發(fā)生洪水漫頂、危害水庫安全的事件發(fā)生，結合該水庫建有的水情遙測預報系統(tǒng)的洪水預報信息，探討特殊運行條件下水庫預泄調度方式。

1 水庫概況

該水庫位于滁河支流清流河的小沙河上，流域面積168 km2，流域最高峰海拔為317 m。流域最大長度為17.5 km，主河道長16 km，流域寬9.6 km，河道平均坡度為0.109%。

水庫的總庫容為7 112萬m3，興利庫容為4 000萬m3，防洪庫容為2 712萬m3，死庫容為400萬m3。防洪設計標準為100年一遇，設計水位30.53 m，設計泄量800 m3/s，水庫防洪校核標準為5 000年一遇，校核水位31.41 m，校核泄量2 326 m3/s。

該水庫閘門分為老閘(南閘)和新閘(北閘)。老閘為鋼筋混凝土閘門，閘門有5孔，閘門底高程為27.20 m，尺寸為凈寬5 m、高4 m；新閘為鋼閘門，閘門有10孔，閘門底高程為24.50 m，尺寸為凈寬7 m，高4.8 m。因新閘閘頂高程為29.30 m，而水庫仍按原先的設計標準運行。即，仍以29.00 m作為汛限水位，導致水庫實際防洪能力大為降低。當水庫遭遇較大洪水時，會發(fā)生洪水漫過新閘閘頂現象，危害水庫安全。

在水庫內建有1座抽水蓄能電站，該電站根據滁州市電力部門要求和電力系統(tǒng)實際需要，每天抽放水量為200萬～800萬m3。以29.00 m(正常蓄水位及汛限水位)為基準，抽水蓄能電站的抽放水量作業(yè)可導致水庫水位抬高或降低0.20～0.90 m。若在汛期，蓄能電站進行放水作業(yè)的同時庫區(qū)遭遇洪水，將會加劇洪水漫頂的危害性。

2 “84辦法”計算典型洪水

因該水庫洪水資料不齊全，為更加全面地對該水庫遭遇的各頻率洪水進行預泄調度研究，結合安徽省水利水電勘測設計院于1984年編制的《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區(qū)產匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設計洪水計算辦法》(以下簡稱“84辦法”)，計算本文研究所需的水庫各頻率洪水。

安徽省“84辦法”主要用于計算淮河以南，集水面積在10～300 km2之間的山丘區(qū)中、小型水庫設計洪水[6]。只要知道某水庫流域特征值：流域面積F、流域平均寬度B、河道平均坡度J，在“84辦法”附圖中查出設計流域中心處的某設計頻率24、1 h暴雨點—面折扣系數和年最大24、1 h點雨量的變差系數，經計算可得該設計頻率下的洪水過程線。具體計算方式詳見文獻[7]。

經計算可得該水庫各頻率洪水過程線(見表1)。

表1 水庫各頻率設計洪水過程線

3 洪水常規(guī)調度

該水庫經上級部門批復的防洪調度方式：①水位超過汛限水位29.00 m、低于30.15 m(即遭遇20年一遇洪水)時，新閘下泄流量控制為200 m3/s；②水位達到30.44m(即遭遇50年一遇洪水)時，新閘下泄流量控制為500 m3/s；③水位達30.53 m(即遭遇100年一遇洪水)時，新閘下泄流量為800 m3/s；④水位超過31.20 m(即遭遇千年一遇洪水)時，新閘全開，老閘按100 m3/s控制，啟用非常溢洪道泄。

依據批復的調度方式對該水庫各頻率洪水進行調洪計算，即

(1)

式中，Qt、Qt+1分別為時段Δt始末的入庫流量；qt、qt+1分別為時段Δt始末的出庫流量；Vt、Vt+1分別為時段Δt始末的水庫庫容；Δt為時段長。調洪結果如表2所示。

表2 各頻率洪水常規(guī)調度結果

由表2可知，在不考慮抽水蓄能電站影響的情況下，按批復的洪水調度方式進行調洪，當遭遇10年一遇以上洪水時皆有可能造成洪水漫過新閘閘頂的問題。為解決此問題，需研究適應該水庫實際情況的洪水預泄調度方式。

4 洪水預泄調度

水庫的預泄調度是在洪水出現前提前下泄一部分水庫水量，使水庫水位消落到汛限水位之下，以利用這部分預先騰空的容積來提高水庫的防洪能力。就水庫預泄調度研究方法而言，有預報預泄方式和非預報預泄方式兩大類。前者，采用洪水預報作為預泄的判別條件；后者，根據已出現水情作為預泄的判別條件[8-12]。

該水庫建有水情遙測預報系統(tǒng)，可有效進行短期水情預報，其洪水預見期為24～48 h。該預報系統(tǒng)為洪水預泄調度提供了可靠保障。本文研究采用預報預泄方式進行水庫洪水預泄調度，且預見期T取24 h。

4.1 預泄調度約束條件

充分考慮該水庫特殊運行工況和批復的調度方式，在進行洪水預泄調度時需滿足以下約束條件：

(1)因水庫新閘閘頂高程為29.30 m，為保障水庫安全運行，洪水經過時的最高庫水位不應超過29.30 m。

(2)預泄調度方案應以上級部門批復的洪水調度作為依據。

(3)抽水蓄能電站每日的抽放水量對庫水位影響較大，預泄調度應充分考慮其影響。

(4)因水庫的主要功能是蓄水興利、為滁州市及抽水蓄能電站供水。調洪后的水庫水位應能恢復到汛限水位29.00 m。

(5)為方便實際操作，預泄調度方案應化繁為簡，具有可操作性、實用性和方便性。

4.2 預泄調度方式

抽水蓄能電站每日的抽放水量作業(yè)對庫水位產生較大變幅，大大增加了預泄調度的復雜性。為避免抽水蓄能電站對汛期水庫防洪產生的影響，基于實際情況和可操作性考慮，當水庫水情遙測預報系統(tǒng)提前預知水庫即將遭遇洪水時，抽水蓄能電站立即停止進行放水發(fā)電作業(yè)，待洪水過后再進行放水發(fā)電。

水庫預泄調度是在批復的常規(guī)調度基礎上，充分考慮水庫調度約束條件，在洪水到來前24 h(即洪水預見期T)，按一定預泄流量提前將水庫水位從汛限水位降至某個水位，增加防洪庫容；在洪水經過時，再根據批復的洪水調度方式進行調度。根據以下公式求出遭遇各頻率洪水時，水庫提前預泄庫容后的庫容量。即

w預泄=w洪水-w閘頂

(2)

w降低=w汛限-w預泄

(3)

q預泄=w預泄/T

(4)

式中，w預泄為水庫遭遇各頻率洪水需提前預泄洪量；w洪水為常規(guī)調度方式下水庫遭遇各頻率洪水時最高庫水位對應庫容量；w閘頂為閘頂高程29.30 m對應的庫容量，w降低為水庫提前預泄洪量后的庫容量；w汛限為汛限水位對應庫容量；q預泄為遭遇各頻率洪水時的預泄流量；T為洪水預見期。

求出w降低后，根據水位-庫容曲線得到對應的水位值Z降低。Z降低即為遭遇各頻率洪水時，水庫水位應從汛限水位降低至的水位值。計算結果如表3所示。

表3 Z降低計算結果

綜上所述，可得到該水庫的預泄調度方案：預報得知庫區(qū)即將遭遇某頻率洪水時，水庫提前24 h(洪水預見期T)根據相應的預泄流量q預泄將庫水位從汛限水位29.00 m降至相應的水位Z降低；當洪水開始入庫時，根據批復的洪水調度方式進行調度。

4.3 預泄調度結果

根據制訂的預泄調度方案對各頻率洪水進行調洪，調洪過程如圖1～4所示。

圖1 10年一遇洪水常規(guī)、預泄調度過程

圖2 20年一遇洪水常規(guī)、預泄調度過程

圖3 50年一遇洪水常規(guī)、預泄調度過程

圖4 100年一遇洪水常規(guī)、預泄調度過程

由圖1～4可知，與批復的常規(guī)洪水調度方案相比，預泄調度方案可確保水庫遭遇各頻率洪水時最高洪水位均不超過閘頂高程29.30 m，提高了該水庫的實際防洪能力，更有效地確保水庫安全泄洪。

5 結 語

因水庫實際情況的特殊性，批復的防洪調度方案無法確保水庫安全運行。本文充分考慮該水庫特殊運行條件，并結合水庫實際狀況，提出具有可操作性和實用性的預泄調度方案。預泄調度結果表明，該方案能解決水庫實際防洪能力不足的問題，可確保汛期水庫安全泄洪。因該預泄調度方案的可靠性與洪水預見期T的準確性密切相關，后期應進一步研究T的準確性對預泄調度結果產生的影響。