對穆棱市團結水庫汛期分段用不同汛限水位控制的研究

2022-10-13 01:07:14李志勝

黑龍江水利科技 2022年9期

李志勝

(黑龍江省穆棱市團結水庫管護中心，黑龍江穆棱 157500)

1 流域基本情況

穆棱市團結水庫地處穆棱河干流最上游的森林腹地，植被覆蓋良好,集雨面積445km2，流域內植被覆蓋良好,森林覆蓋率達80%以上，距下游共和鄉4km，距穆棱鎮85km，海拔高程在480～520m之間，河川平均坡降1/300～1/400，庫區寬度1～3km,屬山區水庫。

2 工程基本情況

團結水庫是一座具有防洪、灌溉、養魚、發電等綜合效益的大型多年調節水庫。水庫近期設計灌溉面積0.37×104hm2，遠景灌溉面積0.27×104hm2，為下游城鎮生活用水年供水量1632萬m3，多年平均發電量260萬kW·h。

水庫為100a一遇洪水設計，2000a一遇洪水校核，校核洪水位為513.01m，總庫容1.191億m3，興利水位503.00m，相應庫容5400萬m3，汛限水位502.00m，相應庫容4900萬m3，死水位490m，死庫容850萬m3。

水庫大壩為黏土心墻土石混合壩，壩頂高程為514.50m。

輸水洞(泄洪洞)位于大壩右側，承擔著輸水與泄洪雙重任務，最大泄量146m3/s。

溢洪道為無閘控制開敞式，堰頂高程為505.70m,最大泄量為622m3/s。

電站總裝機容量750kw，利用灌溉、城鎮用水和余水發電，設計多年平均發電量260萬kW·h[1]。

3 流域水文氣象

團結水庫地處寒溫帶季風氣候區，屬大陸性氣候。由于受太平洋季風及西泊利亞高壓的影響，夏季溫熱多雨而冬季干燥嚴寒，冬夏溫差很大。降水量主要集中在6～9月，占年降水量的70%以上。夏季受東南風的影響，常形成低溫形勢下的氣旋鋒雨，7、8月份臺風、靜止鋒最活躍時期也正是該流域降雨多的時期，并易形成洪水，歷史上的幾次大洪水以及運行后發生的幾次洪水也都是發生在7、8月份。據團結水庫站1979～2020年降雨、蒸發觀測資料統計分析，多年平均降水量551mm，年最大降水量760.4mm(2018年)，年最小降水量335.9mm(1984年)。20cm蒸發皿觀測多年平均蒸發量為943.3mm。

4 水庫運行情況

在防洪效益方面：特別是經過了2019年汛期超過5a一遇洪水檢驗，最大洪峰流量130m3/s。同時還經過了2017年7月25日建庫以來水庫第二高水位505.17m的高水位檢驗，工程不僅經受住了考驗，而且還為下游削減洪峰90%以上，減輕了下游的防洪壓力，為下游的防洪安全提供了有力保障。在興利效益方面：累計為下游灌溉及城鎮供水10.8億m3，累計發電萬3500萬°。

5 汛期分段的必要性

5.1 汛期的確定

目前團結水庫汛期的確定與黑龍江省的汛期劃分一致，即：每年的6月15日～9月20日。

5.2 目前汛期的汛限水位控制原則

目前團結水庫在整個汛期控制汛期限制水位的原則只有一個：“就是在6月15日進入汛期后，整個汛期把水位牢牢地把水庫水位控制在汛限水位或以下，直至9月20日汛期結束。水庫調度中不論發生什么標準的洪水,發生在什么時間,天氣形勢如何變化，當洪水過后庫水位仍降到設計汛限水位502.00m,不敢根據當時的具體天氣和水文條件靈活地控制水位[2]。

5.3 問題的提出

整個汛期按一個汛限水位調度，主要有以下弊端：是整個汛期水位必須控制在汛限水位或以下不可蓄水。往往一場洪水后因擔心后期還有洪水而不敢攔蓄洪水余量，仍把水位降至汛限以下，然而若此后不來洪水就造成空庫，統計團結水庫建庫后41年(1980～2020年)的實測資料可知,枯水年除外，每年汛期過后(9月21日)靠徑流蓄滿庫容的概率只占50%，見表1。

表1 歷年汛后(9月21日)水庫蓄水情況

特別是2017年汛期，在7月下旬發生一次洪水(Qmax=93.1m3/s)后，沒有按實際天氣和來水情況來調度，仍遵循把水位降至汛限以下的原則，結果后期天氣干旱而造成空庫運行，9月21日蓄水時水位僅為499.84m，低于興利水位2.16m，發電損失30余萬元，并影響了第二年的興利供水。

5.3 問題的解決途徑

5.3.1 汛限水位的控制方法

水庫汛限水位的控制方法一般分為兩種，即，靜態控制法和動態個控制法。

靜態控制法就是固定汛限水位法，即在整個汛期固定一個水位的方法，該方法優點是簡單易行，方便管理操作。因雨季的不確定性，不能掌握其規律，所以汛期結束前，不能及時攔蓄洪水余量，造成水資源浪費，影響了水庫興利效益的充分發揮。

動態控制法就是利用當地汛期的氣象條件，根據當時降水情況，氣象預報資料，在不降低水庫防洪標準，確保水庫下游安全的前提下，對汛限水位進行實時動態合理地控制。但因其調度風險較大，要求條件較高，所以此法應用較少。

5.3.2 問題的解決途徑

因動態控制法的影響因素多，技術條件要求高等原因，團結水庫汛限水位仍采用靜態控制法。汛期分段汛限水位控制方法，是當前團結水庫較好的解決防洪和興利矛盾的最好選擇，可以根據汛期不同時段的來水情況和氣象規律，采取用不同的汛限水位。

6 汛期時段劃分及各段汛限水位的確定

6.1 汛期時段劃分

團結水庫所在穆棱河流域洪水按成因可分為春汛和夏汛，春汛洪水由融冰融雪形成，一般情況占年量不大，過程較短。夏汛洪水主要是由暴雨形成。

根據調查和實測資料記載，造成穆棱河流域大洪水的天氣環流形式有三種：①北上臺風；②靜止鋒倒槽；③臺風和低壓合并。而北上臺風又是形成穆棱河流域洪水的主要天氣，臺風過境易形成大的洪水，如：1956年、1957年、1960年、1964年、1965年的較大洪水就是強臺風過境造成，這四次洪水中有三次洪水的標準超過了10a一遇，其中1965年的洪水達到了50a一遇(Qmax=730m3/s)。受臺風外圍影響也可形成洪水，但一般不會行成大的洪水過程。如建庫后的1994年、2000、2020年就是臺風的外圍影響而形成的洪水，但都在5a一遇以下。當臺風過后，也就意味著大的降水過程也就結束，水庫的主汛已結束。

水庫流域內的洪水與暴雨相應，主要發生在7月旬～8月中旬，以8月份最多，其次是7月份。峰形多為單峰形，起漲時間短，一般在12h，落水時間長，一般為3～5d，洪水全過程約3～7d，一次洪水總量約集中在1～3d。

根據水庫1980～2020年41年的實測資料，統計歷年最大洪水出現時間，洪水按大小排位，分析不同量級洪水的起始時間和出現年數，見表2～3，圖1。

表2 歷年水庫入庫洪峰流量統計

續表2 歷年水庫入庫洪峰流量統計

表3 年最大洪峰出現時間與頻率統計表

按本次水文分析統計的洪水出現頻次及時間，團結水庫最大洪峰前10位分別有6次出現在7月21日～8月25日(穆棱河歷史上最大洪峰發生在1965年的8月7日)，1次發生在5月末，另有3次發生在9月中上旬。前20位中均有9次發生在7月15日～8月25日，3次出現在5月下旬，3次出現在6月15日以后，3次出現在9月20日前，1次出現在10月初。

41年系列中，洪水發生在6月份的僅有8次，占41年系列的20%，其最高排位為第15位，屬小水，發生在6月15日之前的有8次，均為春季桃花水與降雨疊加形成的中小水；洪水發生在9月份以后的僅有2次，其最高排位在第12位。

根據以上統計分析，本著確保工程安全和最大程度地解決防洪與興利的矛盾的前提下，把汛期劃分為3個階段：前汛期、主汛期、末汛期，前汛期為6月15日～7月15日，主汛期為7月16日～8月25日，末汛期為8月26日～9月15日，并根據不同階段的洪水特點采用不同的汛限水位。

6.2 各時段汛限水位的確定

6.2.1 前汛期、主汛期汛限水位確定

從防洪防洪安全來看，主汛期仍采用水庫除險加固報告中汛限水位成果。前汛期雖都是小洪水，但出現頻率較高，因此汛限水位采用與主汛期相同的汛限水位502.00m。

6.2.2 后汛期汛限水位確定

6.2.2.1 水庫流域降雨規律分析

團結水庫流域內降雨量達暴雨程度的，一年發生二次的概率很小。經統計分析，在水庫及上游雨量站有降雨資料(水庫56年、和平46年、雙寧44年)年份的統計：24小時降雨量≤50mm以上降雨過程發生2次的年份水庫站只有3年，占總年份的5.4%；雙寧雨量站只有1年，占總年份的2.3%；和平雨量站只有5a，出現概率也僅為10.8%，見表4。