花枝水庫汛期優化調度運行分析

孫立穎

（太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾陽市花枝水庫屬小（1）型水庫，最大壩高12 m，上下游最大水頭差為10.10 m，水庫洪水標準為30年一遇設計，300年一遇校核。花枝水庫壩址位于文峪河二級支流董寺河上石家莊村北的汾陽市西二環公路上游100 m 處。水庫樞紐工程包括大壩和放水工程，其中大壩壩型為碾壓式均質土壩，放水工程為泄洪排沙閘。花枝水庫為調蓄庫，壩址處兩岸地面高程均為780 m，上游河底高程約為768 m，下游河底高程約為767.70 m，確定壩頂高程為780 m。

2 原汛期調度運行方式

花枝水庫主汛期在5月下旬至9月初，設置防洪限制水位和預留防洪庫容分別為775.50 m 和38.52 萬m3，在保持上下游片區防洪負擔不變的情況下，承擔者重要的地區防洪任務。洪水調節的目的是確定水庫泄洪建筑物的高程和尺寸，以確保工程本身的安全。花枝水庫最大洪峰流量主要發生在汛期，除每年汛期第一場洪水外，當上游來水為設計洪水和校核洪水且庫水位達到汛限水位時，泄洪建筑物開始泄洪。

花枝水庫主要防洪對象為汾陽縣縣城，考慮到水庫建成后20 年一遇入庫設計洪水比原天然20 年一遇洪水大，故應進行調控，以免增大汾陽縣防洪負擔；在設計階段縣城規劃防洪標準為20 年一遇洪水。結合以上設計，為保證水庫大壩安全，所擬定的調洪方式為：入庫流量不大于199 m3/s 時，應當根據實際來水量進行下泄；而當入庫流量大于199 m3/s 時，應當根據流量相等原則控制下泄水量，直至庫水位蓄積至773 m；當庫水位不小于777.80 m 時水庫應敞泄運行，以保證水庫安全。

3 優化調度運行

結合該地區類似水利工程調度運行控制實踐，采用的預蓄預泄法成效顯著。該方法主要根據洪水預見期內水庫泄流能力確定水庫汛限水位上浮幅度。

該水庫在相應汛期內加強運行調度控制重點應放基于防洪安全的基礎上，充分考慮原設計防洪汛限水位而上下浮動一定范圍，以滿足防洪調度要求，通過預泄調度促使庫水位回落至原防洪汛限水位以下，確保水庫防洪攔蓄作用順利發揮。

3.1 汛期水位變幅

花枝水庫汛期水位變幅確定的前提為不影響水庫防洪作用的發揮，減少電站調峰棄水并增強電站調度的靈活性。一方面，水庫水位高于汛限水位后可能影響汾陽縣縣城防洪安全，故水庫水位升高上限應以汛限水位為限；另一方面，考慮到花枝水庫所對應的額定水頭為23 m，即便是根據汛期所允許的最高水位進行汛限水位確定，電站出力仍會受到較大阻礙。為使發電量增大，應將電站日調節庫容設置在防洪汛限水位以上。

考慮到花枝水庫有沖沙要求，每年的首場洪水空庫迎洪；水庫生態效益要求水庫在灌溉放水后到第二年蓄水前保留一定的水面面積；永田渠從水庫穿過，渡槽槽底高程約為778 m，校核洪水位應滿足渡槽安全要求。所以，此階段考慮水庫在灌溉放水后的首場洪水空庫迎洪，首場洪水過后汛限水位定為773 m，最大泄流量為63.17 m3/s。目前水庫下游董寺河河道行洪能力為20年一遇，水庫300年校核洪水通過水庫調節后最大下泄流量63.17 m3/s，小于董寺河20年洪峰流量93.30 m3/s。

3.2 預泄調度方式

汛期花枝水庫水位浮動運行調度方式的確定必須考慮三個條件：一是為減輕沿河縣城防洪負擔，按20年一遇標準洪水控制，水庫壩前最高洪水位應不超出773 m。考慮水庫所處汾河流域文峪河水系一級支流董寺河河段現狀安全泄量，下泄流量應控制在200 m3/s以內。

水庫電站按照裝機容量所確定的最大發電流量為255 m3/s，當電站來水量超出這一設計值時，為避免發生棄水，電站則不能采取調峰運行方式，無需進行日庫容調節。所以，水庫電站預泄方式起調時機應確定在洪水來水量255 m3/s 以上。為簡化調度操作過程，當水庫入庫來水量不大于255 m3/s 時，水庫電站應當采用按日進行調節的具體運行方式，并將實際水位控制在高出汛限水位但不超過允許上浮水位的范圍；當水庫入庫來水量在255～400 m3/s時，應按照400 m3/s的固定流量預泄；當水庫入庫來水量在400～500 m3/s 時，按照來水量下泄；當水庫入庫來水量在500～600 m3/s，應加大下泄流量，按600 m3/s的上限固定流量預泄；當水庫入庫來水量大于600 m3/s，水庫則按照敞泄方式調節。對于洪水退水的過程，應結合上游水情預報、天氣及水文氣象預報進行水庫運行調度。

3.3 優化調度運行結果

花枝水庫汛限水位上浮幅度為1.50 m 的方案對庫容實際利用率并不大，對于采取預泄水庫調度運行方式而言，基本上能夠在洪水實際到來前將其具體水位控制在773 m及以下，避免造成沿河縣城防洪負擔增大；通常情況下，運行水位上浮幅度越大，所得到的容量效應和電量效益也越大。考慮到花枝水庫防洪庫容設計同時還承擔著配合上游水庫防洪任務，且水庫投運時間短，并未與流域其他水庫建立起暢通的信息交流機制，所以花枝水庫汛限水位上浮范圍不宜過大，應待流域內上下游水庫之間聯動機制建立起來后再擇機抬高上浮范圍。

通過以上分析，在考慮花枝水庫防洪效益及增大電站所對應的調峰容量等措施實施后，必須及時、全面檢查該水庫及相應的泄洪建筑物所對應的啟閉時效以及水電站按日調節過程中所必需的水情測報誤差，根據得出的以上參數分析結果，可將該水庫實時調度庫水位控制在防洪汛限水位+1.50 m 的位置。

4 應用效果

4.1 汛期庫水位抬升

在保證水庫樞紐安全的基礎上，通過調整動態汛限水位，水庫2013-2021年7-9月的主汛期內庫水位均值顯著升高，平均升高幅度達到1.46 m。水庫2013-2021 年主汛期內庫水位統計結果見表1。

表1 2020-2021年主汛期內庫水位統計結果表（單位：m）

隨著庫水位提高，水庫電站在2013-2021年主汛期內發電水頭均值超出設計值，2013-2021年主汛期內發電水頭均值為24.42 m，比設計水頭20.84 m升高。發電水頭升高有效改善了電站機組出力受阻現象，機組震動明顯減小，運行可靠性增加。

水庫電站發電水頭提升后電站主汛期內耗水率均值逐年下降，2013-2021年主汛期內耗水率均值降至5 m3/kW·h以下，使電站節水發電效果增大。期間水電站主汛期內耗水率變動趨勢詳見圖1。

4.2 汛期棄水減少

在花枝水庫調蓄的過程中，流域防汛壓力減輕，水庫來水可全部用于發電，使電站在主汛期內始終維持高水位運行。通過控制水庫電站運行時間及泄洪閘門操作方式，2020-2021年主汛期內在保證電站安全度汛的同時，閘門操作次數及下泄水量均明顯減少，閘門運行的安全及穩定程度提升。

5 結論

結合汾河流域文峪河水系一級支流董寺河河段水情特征，對該水庫所在流域水情自動測報、數據收集及水庫科學調度等思路充分結合調度運行思路的可行性進行了驗證，并充分采用預報預泄調度的具體做法達到了水庫調節庫容及相應水量循環利用的目的，基本上實現了對水庫汛期運行水位的動態調度與按日調節。