黃河龍羊峽和劉家峽水庫凌汛關鍵期優化調度研究

胡一棟 劉吉峰 張毅 康耀輝 陳冬伶

關鍵詞：封河流量；凌汛災害；水庫調度；寧蒙河段；黃河

黃河寧蒙河段位于黃河流域最北端，全長１２１７ｋｍ。受大陸性季風氣候影響，冬季寒冷干燥，日平均氣溫在０℃以下的時間可持續４～５個月，最低氣溫可達－３５℃。黃河寧蒙河段一般從１１月下旬開始流凌，１２月上旬封凍，翌年３月中下旬解凍開河，封凍時間１２０ｄ左右，封河長度可達１０００ｋｍ。寧蒙河段特殊的河道走向導致封凍時冰蓋自下游向上游發展，容易卡冰阻水，壅高水位；解凍時自上而下，冰凌洪水沿程增大，極易形成冰凌災害。據統計，在１９５０—２０２０年的７１ａ中有１４ａ凌汛期發生堤防決口［１］。

黃河寧蒙河段上游劉家峽水庫和龍羊峽水庫分別于１９６８年和１９８６年蓄水運用，對寧蒙河段冰凌有重要調節作用［２］。兩庫聯合運用以來，防凌調度遵守“發電、供水服從防凌，防凌調度兼顧供水和發電，實現水資源的優化配置和合理利用”的原則，減少了凌情災害。２０００年以來黃河上游來水形勢、寧蒙河段河道狀況和凌情均發生了較大變化［３］，主要表現在：上游來水較２０世紀９０年代明顯增大，２０００—２０２０年唐乃亥站６—１０月來水均值較１９９０—１９９９年偏多１６％，龍羊峽水庫自２００５年以來開始蓄滿運用；寧蒙河段河道淤積情況有所改善，２０１２年汛期出現大洪水以來，黃河上游于２０１８—２０２０年連續３ａ出現３０００ｍ３／ｓ以上洪水過程，河段平灘流量恢復至２０００ｍ３／ｓ；冬季氣溫總體偏高，年內氣溫波動大，極端冷暖事件頻繁發生；河段槽蓄水增量呈減小趨勢，但凌汛災害潛在風險仍然存在。

青海省電力結構以水力發電為主，凌汛期正值用電高峰，水力發電所需水量大。凌汛期劉家峽水庫出庫流量減小，梯級電站發電量大幅減小，導致冬春季青海省缺電嚴重，同時龍羊峽水庫翌年汛前大量棄水，浪費寶貴的水資源。為了科學調度黃河上游干流水庫，確保黃河防凌安全，兼顧防凌、用水、發電等各方利益，迫切需要開展凌汛期龍羊峽、劉家峽水庫優化調度研究。

１防凌調度優化空間

按照《黃河水量調度條例》《黃河劉家峽水庫凌期水量調度暫行辦法》有關規定，劉家峽水庫下泄水量采用“月計劃、旬安排”的調度方式。水庫下泄水量按旬平均流量嚴格控制，日出庫流量避免忽大忽小，日平均流量變幅不能超過旬平均流量的１０％［４］。在上述原則基礎上，黃河防總經過２０多ａ的調度實踐，經歷了研究、應用、總結和再實踐等過程，初步形成了較為完整的黃河上游水庫防凌調度方法：流凌封河發展期塑造符合河道實際情況的適宜封河流量；封凍期適當減小水庫下泄流量，抑制槽蓄水增量的過快增長；開河期適度壓減上游水庫下泄流量，開河形勢從“武開河”轉向“文開河”；增強冰下過流能力，減小封開河關鍵期冰塞、冰壩致災概率，提高黃河上游梯級水庫凌汛期綜合效益。

基于２０００年以來凌情新特點和上游水庫防凌調度經驗，考慮黃河上游來水形勢年際變化，黃河龍羊峽、劉家峽水庫防凌調度仍有進一步優化空間。具體包括：基于河道條件、上游來水和用水需求確定適宜的封河流量，減小封河發展期冰塞出現概率和規模；根據凌情形勢和氣溫變化趨勢，優化開河期壓減水庫下泄流量的時機和力度，塑造“文開河”為主的開河形勢；充分利用上游區間來水和水庫蓄水的豐平枯變化，提高下游梯級電站的綜合效益；把握好防凌調度時機，提高精細調度能力，更加充分利用凌汛期寶貴的水資源。

２優化調度方式研究

２．１封河發展期

封河流量直接關系后期凌情發展形勢、防凌安全與整個凌汛期上游梯級水庫泄水總量及泄水過程，因此適宜的封河流量是確保凌汛期防凌安全的重要前提。

１）歷史封河流量。封河流量指封河前期的河道流量，一般以首封河段最近的水文站封河前３ｄ的平均流量表示［５］。龍羊峽、劉家峽水庫聯合運用的１９８９—２０２０年內蒙古河段封河流量均值為６６１ｍ３／ｓ，最大為９５３ｍ３／ｓ（１９９０—１９９１年度），最小為２７３ｍ３／ｓ（２０００—２００１年度）。其中：封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ，占１９％；５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ，占５３％；在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ，占２８％。

２）封河流量與凌汛期水位。受河道淤積影響，１９８６年以來黃河內蒙古三湖河口水文斷面凌汛期水位持續偏高［６］。利用內蒙古河段１９６８—２０２０年封河流量和三湖河口水文斷面封河水位、最大水位壅高、凌汛期最高水位等資料，研究封河流量與凌汛期水位的關系，見圖１。可以看出，封河流量與封河水位正相關，與最大水位壅高負相關，與凌汛期最高水位無明顯相關性。因此，封河流量越大，封河水位越高，凌汛期水位壅高越不明顯。

３）封河流量與槽蓄水增量。在內蒙古河段，封凍初期一部分水轉化為冰，還有一部分水受冰蓋阻水影響，轉化為槽蓄水增量。最大槽蓄水增量受河道條件和上游來水影響顯著［７］，為分析封河流量對最大槽蓄水增量的影響，選取１９９６—２０１３年凌汛期上游來水量為４０億ｍ３左右的年份，點繪封河流量與最大槽蓄水增量的關系，見圖２。從圖２可以看出，在河道條件相似、上游來水大致相同的情況下，封河流量與最大槽蓄水增量負相關，表明封河流量越大，最大槽蓄水增量越小。

４）封河流量與凌災。在１９８９—２０２０年的３２ａ中，寧蒙河段有１６ａ發生較嚴重凌汛災害，其中封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ中有４ａ發生凌汛災害，發生概率為６７％；封河流量為５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ中有９ａ發生凌汛災害，發生概率為５３％；封河流量在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ中有３ａ發生凌汛災害，發生概率為３３％。可見，封河流量越小，發生凌汛災害的概率越大。主要原因是，封河流量小，冰下過流能力弱，容易導致封凍河段上游壅水，引發冰塞，同時封河流量過小會產生較大的槽蓄水增量，若后期上游來水流量較大，超過冰下過流能力，則會壅高水位，水鼓冰開。

１９６８—２０２０年寧蒙河段不同河道過流能力對應的封河流量見表１。從表１可以看出，盡管兩庫聯合運用以后河道平灘流量明顯減小，主槽過流能力減弱，但水庫調節能力增強，調度經驗不斷積累，封河流量總體呈增大趨勢。可以認為，平灘流量約為１５００ｍ３／ｓ時，封河流量為７００ｍ３／ｓ左右不易發生險情；平灘流量約為２０００ｍ３／ｓ時，封河流量約為８００ｍ３／ｓ時不易發生險情。１９９０—１９９１年度寧蒙河段最小平灘流量約３０００ｍ３／ｓ，封河流量９５３ｍ３／ｓ，開河期氣溫回升晚、幅度大，同時由于缺乏水庫控制，因此開河關鍵期上游來水較大，開河速度快，大量冰塊隨流而下，致使三湖河口水文斷面以下發生卡冰結壩１０多處，水位壅高，民堤決口，造成凌災。可以說１９９０—１９９１年度的凌災主要是開河期氣溫回升快以及上游來水大造成的，不是大流量封河導致的。２０１２—２０１３年度寧蒙河段最小平灘流量約２０００ｍ３／ｓ，封河流量９００ｍ３／ｓ，凌汛期因水庫調度合理而未發生凌汛險情。寧蒙河段平灘流量越大，冰下過流能力越強，允許的封河流量越大［５］。可以認為，在水庫合理調度的前提下，平灘流量在３０００ｍ３／ｓ以上，封河流量不超過９５０ｍ３／ｓ，寧蒙河段不易發生凌汛險情。

２．２開河關鍵期

寧蒙河段開河關鍵期指開河發展至三盛公水利樞紐之日起，至全部封凍河段主流開通之日止。合理確定開河關鍵期劉家峽水庫壓減流量時機和壓減量級，可以確保開河關鍵期防凌安全，同時最大限度提高水庫發電效益。

１）開河關鍵期氣溫類型。根據內蒙古河段開河關鍵期氣溫回升時間早晚及回升幅度，將開河關鍵期氣溫變化過程分為急劇回升偏早型、中期急劇回升型、急劇回升偏晚型、緩慢回升型４種類型，見表２。開河關鍵期氣溫回升越早，槽蓄水增量集中釋放的可能性越大。因此，氣溫回升越早，允許的最大槽蓄水增量越小。

２）槽蓄水增量閾值。當槽蓄水增量達到閾值時，會在開河關鍵期產生水位過度壅高的風險，從而威脅堤防安全。２０００年以來三湖河口至包頭段水位壅高最明顯，因此將三湖河口水文斷面防凌臨界水位對應槽蓄水增量作為內蒙古河段槽蓄水增量閾值。三湖河口左右岸堤頂高程分別為１０２３．７０、１０２１．６１ｍ，不決口時最高水位距堤頂１．０ｍ左右［８］，防凌臨界水位為１０２０．６１ｍ。根據三湖河口水文斷面凌汛期最高水位與最大槽蓄水增量關系式，當三湖河口水文斷面達到防凌臨界水位時，內蒙古河段槽蓄水增量約為１６億ｍ３。

綜合開河關鍵期氣溫條件對槽蓄水增量釋放過程的影響，確定內蒙古河段槽蓄水增量閾值為１４億～１６億ｍ３。開河關鍵期氣溫急劇回升偏早年份、中期急劇回升年份、急劇回升偏晚年份、緩慢回升年份，允許最大槽蓄水增量應分別控制在１４億、１５億、１６億、１６億ｍ３以內。

３）開河關鍵期壓減流量指標。根據開河關鍵期氣溫類型，結合槽蓄水增量及分布形勢確定壓減流量時機。同時根據１月底槽蓄水增量和增長趨勢以及前期凌情確定流量壓減力度，并依據開河關鍵期氣溫類型適當調整。在３００～５００ｍ３／ｓ流量級，劉家峽至頭道拐河段封凍期水流傳播時間約２０ｄ，因此水庫壓減下泄流量的時間應提前兩旬，見表３。

開河關鍵期水庫調度預案一般要求１月底制作完成，因此根據１月末槽蓄水增量確定壓減流量大小。綜合考慮氣溫類型對槽蓄水增量閾值的要求，以及在壓減流量發揮作用前槽蓄水增量的增長空間，將１１．５億、１２．５億ｍ３作為劃分槽蓄水增量開河關鍵期壓減流量力度的指標。若１月末槽蓄水增量偏小（小于１１．５億ｍ３），則可晚壓減流量或少壓減流量；若槽蓄水增量偏大（大于１２．５億ｍ３），則必須加大壓減流量力度；槽蓄水增量為１１．５億～１２．５億ｍ３時，則適當壓減流量。

３優化調度建議

３．１適宜封河流量

封河流量過小會導致冰下過流能力減弱，封河河段上游壅水嚴重，造成冰塞險情，同時產生較大的槽蓄水增量。當封河流量小于５００ｍ３／ｓ時，頭道拐水文斷面冰下過流能力將小于３５０ｍ３／ｓ，給防凌帶來巨大壓力。在河道過流能力允許的條件下，大流量封河既可以保證防凌安全，又可以緩解防凌與發電之間的矛盾。隨著凌汛期水庫調度經驗的積累以及調度機制的完善，平灘流量在３０００ｍ３／ｓ以上時，封河流量只要不超過９５０ｍ３／ｓ，寧蒙河段就不易發生冰塞險情。根據寧蒙河段河道情況，考慮防凌安全，建議寧蒙河段封河流量控制在５００～９５０ｍ３／ｓ。具體封河流量根據河道過流能力、上游來水情況和水庫綜合效益確定。目前，寧蒙河段過流能力約為２５００ｍ３／ｓ，建議封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，其中豐水年控制在８５０ｍ３／ｓ左右、平水年控制在７００ｍ３／ｓ左右、枯水年控制在６００ｍ３／ｓ左右。

３．２開河關鍵期壓減流量

開河關鍵期壓減流量指標包括壓減流量的時機和力度。根據開河關鍵期氣溫類型及１月末槽蓄水增量，選擇壓減流量時機和力度。對于前期槽蓄水增量異常偏大的年份，結合槽蓄水增量增長趨勢及前期凌情特點適當調整壓減水庫出庫流量的時機，防止槽蓄水增量過大、過快增長造成凌汛災害。壓減流量力度分５個等級，即３５０、３８０、４００、４３０、４５０ｍ３／ｓ（以蘭州水文站為控制站）。考慮水流傳播時間，劉家峽水庫壓減下泄流量的時間必須提前兩旬進行，具體壓減方案見表４。

４優化調度方案與實踐

４．１調度情景分析

根據目前的河道條件，歷史來水與用水特征、龍羊峽水庫２００５年以來的蓄水情況和最近十幾年的凌情特點，設定龍羊峽和劉家峽水庫凌汛期調度情景，在此基礎上討論各種情景的適用條件和防凌調度效果。劉家峽水庫凌汛期調度方案見表５（其中壓減時機為２月）。其中，平水年采用龍羊峽水庫２００５年正常運用以來唐乃亥水文站汛期（６—１０月）來水均值（１５７億ｍ３），距平５％～１５％對應豐水年，距平－１５％～－５％對應枯水年。

４．２實施調度方案的效益

劉家峽水庫凌汛期泄水量與多年均值對比見圖３。可以看出，無論是平水年還是豐水年，封河流量為７００、８００ｍ３／ｓ時凌汛期泄水量均大于多年均值，發電效益十分明顯。封河流量為６００ｍ３／ｓ時，凌汛期泄水量小于１９８９—２０１０年均值，凌汛期泄水量在２０００—２０１０年均值附近。根據圖３，若采取６５０ｍ３／ｓ的封河流量，則凌汛期泄水量將大于２０００—２０１０年均值。因此，從凌汛期泄水量看，只要封河流量大于６５０ｍ３／ｓ，黃河上游梯級水庫就會產生較大的發電效益。

４．３優化調度實踐

２０１９年汛期黃河上游唐乃亥水文站來水偏多４３％，來水偏豐形勢下，黃河防總基于全河水資源調度以及防凌、抗旱工作需求，結合龍羊峽、劉家峽水庫調度建議，編制了２０１９—２０２０年度黃河防凌調度預案，推薦寧蒙河段適宜封河流量為８００ｍ３／ｓ。凌汛期水庫調度科學合理，雖然封河流量較大，但巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量僅９．４億ｍ３，較１９７０—２０２０年均值偏少０．７億ｍ３；開河關鍵期氣溫屬于急劇回升偏晚型，按照開河關鍵期調度方案，劉家峽水庫從２月下旬開始壓減出庫流量至４５０ｍ３／ｓ左右，３月上旬壓減出庫流量至３８０ｍ３／ｓ。該年劉家峽水庫凌汛期實際下泄水量為８６．８２億ｍ３，比調度預案多泄４．８３億ｍ３，較１９８９—２０２０年均值多泄１６．０４億ｍ３。凌汛期下泄水量明顯偏多，發電效益增大。雖然凌汛期水位整體偏高，但未出現凌汛險情。

２０２２年汛期唐乃亥水文站來水偏少３１％，來水偏枯形勢下，２０２２—２０２３年度黃河防凌調度預案推薦寧蒙河段的適宜封河流量為６００ｍ３／ｓ。開河關鍵期寧蒙河段氣溫從２月上旬開始持續偏高，屬于急劇回升偏早型，考慮槽蓄水增量非常小，巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量僅６．２億ｍ３，開河期劉家峽水庫壓減出庫流量的時間適當推遲，開河關鍵期劉家峽水庫從２月上旬開始壓減出庫流量至４５０ｍ３／ｓ左右，２月中旬壓減出庫流量至３８０ｍ３／ｓ左右。該年劉家峽水庫實際下泄水量為６８．５３億ｍ３，比調度預案少泄０．２２億ｍ３，較１９８９—２０２０年均值少泄２．２５億ｍ３，偏少３％。在前期來水明顯偏少且開河關鍵期氣溫對開河形勢明顯不利的情況下，凌汛期下泄水量接近常年，保證了發電效益。同時整個凌汛期凌情平穩，凌汛期水位整體偏低，未出現凌汛險情。

５結論

在寧蒙河段河道條件較好的情況下，封河流量越大，冰下過流能力越強，槽蓄水增量越小，凌災發生概率越小。根據內蒙古河段目前河道狀況，寧蒙河段封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，既可以保證防凌安全，又可以提高水庫發電效益。

槽蓄水增量集中釋放是造成開河關鍵期凌災發生的最主要原因。采用防凌臨界水位確定最大槽蓄水增量閾值為１４億～１６億ｍ３，開河關鍵期氣溫回升越早允許的最大槽蓄水增量越小。根據開河關鍵期氣溫類型及１月末槽蓄水增量，選擇水庫開河關鍵期壓減流量時機和力度。對于開河關鍵期氣溫屬于緩慢回升型且內蒙古河段槽蓄水增量偏小的年份，２月下旬開始壓減劉家峽水庫出庫流量至４５０ｍ３／ｓ，３月上旬壓減至４００ｍ３／ｓ，既可以保證防凌安全，又不影響發電效益。

根據目前的河道條件、歷史來水與用水特征、龍羊峽水庫蓄水情況和最近十幾年的凌情特點，設定了龍羊峽、劉家峽水庫凌汛期調度情景，提出的不同情境下龍羊峽、劉家峽水庫優化調度方案，可為凌汛期水庫調度預案和實時方案制作提供參考。２０１９—２０２０年度、２０２２—２０２３年度在汛期來水分別偏多、偏少情況下，采用提出的具體防凌優化調度方案，充分保證了防凌安全，明顯提高了黃河上游梯級水庫群發電效益。