串聯(lián)水庫(kù)總防洪庫(kù)容補(bǔ)償調(diào)度增加水庫(kù)效益研究

董霞

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 太子河流域觀音閣和參窩串聯(lián)水庫(kù)概況

太子河流域?qū)龠|河水系，是遼河下游左側(cè)一大支流，干流全長(zhǎng)413 km，流域面積13883 km2。流域上建有觀音閣、參窩及湯河3座大型水庫(kù)，觀音閣水庫(kù)與參窩水庫(kù)串聯(lián)水庫(kù)于干流，見(jiàn)圖1。

圖1 太子河流域水庫(kù)工程位置示意圖

參窩水庫(kù)是以防洪、灌溉、城市供水為主，并結(jié)合發(fā)電的大（二）型水利樞紐工程，控制流域面積6175 km2，總庫(kù)容 7.91 億 m3，汛限水位 86.2 m，正常蓄水位96.6 m。

觀音閣水庫(kù)控制流域面積2795 km2，占參窩水庫(kù)控制面積的45.3%，水庫(kù)總庫(kù)容21.68億m3。水庫(kù)的任務(wù)是以城市生活和工業(yè)供水、防洪為主，其次為灌溉用水，結(jié)合工農(nóng)業(yè)用水發(fā)電，利用水庫(kù)水面發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)等。

本流域雨量多發(fā)生在主汛期（7月份和8月上旬），由于洪水多為單峰，歷時(shí)較短，所以主汛期應(yīng)是水庫(kù)蓄水的最佳時(shí)期，由于參窩水庫(kù)是不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，正常蓄水位96.6 m與汛限水位86.2 m相差10.4 m，庫(kù)容相差3.29億m3，受汛限水位限制，參窩水庫(kù)在主汛期來(lái)水經(jīng)常大量棄掉，汛后來(lái)水少，水庫(kù)蓄滿的機(jī)率很低，致使水庫(kù)的有效庫(kù)容難以得到充分利用，大大降低了水庫(kù)效益。

2 庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度研究模型

水庫(kù)之所以能調(diào)節(jié)洪水，是因?yàn)樗O(shè)有調(diào)洪庫(kù)容（設(shè)計(jì)洪水位與汛限水位之間的庫(kù)容），當(dāng)入庫(kù)洪水較大時(shí)，為使下游地區(qū)不遭受洪災(zāi)，可臨時(shí)將部分洪水?dāng)r蓄在水庫(kù)中，待洪峰過(guò)后再將其放出。

一般類型的流域防洪系統(tǒng)如圖2所示，主要包括：上中游水庫(kù)群；防洪控制點(diǎn)；水庫(kù)群至防洪控制點(diǎn)之間的未控區(qū)間面積。防洪控制點(diǎn)的來(lái)流過(guò)程主要包括區(qū)間來(lái)流和水庫(kù)群泄流，通過(guò)水庫(kù)群系統(tǒng)的閘門操作對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到防洪減災(zāi)目的。

圖2 流域防洪系統(tǒng)示意圖

補(bǔ)償調(diào)度的基本思路是：首先根據(jù)各水庫(kù)的入庫(kù)洪水過(guò)程，按照各水庫(kù)的防洪調(diào)度運(yùn)用方式自上而下進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，再與區(qū)間洪水匯合成防洪控制點(diǎn)的流量過(guò)程；若出現(xiàn)超載水量，可以從兩方面調(diào)整各水庫(kù)的泄洪策略（攔蓄或預(yù)泄），以達(dá)到避免或減少分洪水量的目的。

對(duì)于水庫(kù)群防洪系統(tǒng)，保證防洪控制點(diǎn)的安全行洪或減少分洪損失，是流域防洪調(diào)度運(yùn)用的目標(biāo)，即目標(biāo)函數(shù)為：

式中：T為洪水過(guò)程的時(shí)段數(shù)；qt為防洪控制點(diǎn)的計(jì)算泄流量；qan為防洪控制點(diǎn)的安全泄流量；α為指數(shù)，α的數(shù)值越大，要求防洪控制點(diǎn)的流量過(guò)程變化越緩慢；W*為目標(biāo)函數(shù)值，為分洪量。

約束條件主要包括：

1）水庫(kù)水量平衡約束：

式中：Vi，t，Vi，t+1分別為 i水庫(kù) t時(shí)段初、末庫(kù)蓄水量；Ii，t，Oi，t分別為 i水庫(kù) t時(shí)段平均入庫(kù)流量和出庫(kù)流量。

2）泄流能力約束：q泄為水庫(kù)泄流。

3）水流演進(jìn)約束：

式中：Qi，t為 i水庫(kù) t時(shí)段的（區(qū)間）入庫(kù)流量；Ni為i水庫(kù)上游的水庫(kù)個(gè)數(shù)；fj為上游j水庫(kù)到i水庫(kù)的水流演算函數(shù)。

4）庫(kù)容約束：

式中：Vi,min，Vi,max分別為i水庫(kù)最小與最大水庫(kù)蓄水量。

5）水庫(kù)上游淹沒(méi)約束：

式中：h蓄為水庫(kù)某時(shí)刻的蓄水位；h淹為水庫(kù)上游的淹沒(méi)動(dòng)遷壩前水位。

6）水庫(kù)下游防洪控制點(diǎn)安全泄量約束：

式中：q泄為水庫(kù)泄流；Q區(qū)為水庫(kù)未控區(qū)間洪水；qan為下游防洪控制點(diǎn)的安全泄量。

3 太子河流域串聯(lián)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度可能性分析

太子河流域防洪控制點(diǎn)遼陽(yáng)市的上游有3座水庫(kù)，遼陽(yáng)市的防洪任務(wù)由此3座水庫(kù)共同承擔(dān)，即遼陽(yáng)V防洪=湯庫(kù) V防洪+觀庫(kù)V防洪+參庫(kù) V防洪，由于湯河水庫(kù)采用的是自由溢流的防洪調(diào)度方式，故湯河水庫(kù)為遼陽(yáng)市提供的防洪庫(kù)容是一定的?？梢?jiàn)，如果觀音閣水庫(kù)為遼陽(yáng)市提供的防洪庫(kù)容越大，那么遼陽(yáng)市需要參窩水庫(kù)提供的防洪庫(kù)容就小一些，也就是參窩水庫(kù)的汛限水位可以提高一些，同時(shí)該水庫(kù)的興利庫(kù)容可以增加一些。

根據(jù)太子河流域觀音閣和參窩水庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行情況看，由于參窩水庫(kù)是年調(diào)節(jié)水庫(kù)，汛期往往是參窩水庫(kù)達(dá)到汛限水位，而上游的觀音閣水庫(kù)水位距離汛限水位255.2 m相差很遠(yuǎn)。經(jīng)1951—2000年50年系列太子河流域利水計(jì)算，統(tǒng)計(jì)觀音閣水庫(kù)50年汛前庫(kù)水位可知，45%的年份，水位低于246.0 m；63%的年份，水位低于250.0 m（見(jiàn)表1）。可見(jiàn)，觀音閣水庫(kù)和參窩水庫(kù)有實(shí)行庫(kù)群補(bǔ)償防洪調(diào)度的可行性。

4 觀音閣和參窩水庫(kù)串聯(lián)水庫(kù)洪水補(bǔ)償調(diào)度研究成果

考慮庫(kù)群補(bǔ)償防洪調(diào)度的作用，將觀音閣水庫(kù)的補(bǔ)償庫(kù)容經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，移植到參窩水庫(kù)，按照各種全區(qū)洪水不同頻率的設(shè)計(jì)洪水組合，考慮水庫(kù)大壩自身、下游防洪目標(biāo)的防洪標(biāo)準(zhǔn)以及淹沒(méi)動(dòng)遷標(biāo)準(zhǔn)等約束條件，計(jì)算出參窩水庫(kù)的汛限水位及其泄流方式。

調(diào)度運(yùn)用如下：上游觀音閣水庫(kù)仍保持原防洪調(diào)度運(yùn)行方式，下游參窩水庫(kù)的汛限水位抬高僅與上游水庫(kù)的蓄水狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)模型計(jì)算的成果，每一個(gè)上游水庫(kù)汛期水位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)下游水庫(kù)的動(dòng)態(tài)汛限水位。見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，參窩水庫(kù)興利庫(kù)容增加15.0～92.6×106m3，觀音閣水庫(kù)汛期水位越低，參窩水庫(kù)汛限水位抬高的越多，觀音閣水庫(kù)汛期水位為246 m時(shí)，參窩水庫(kù)汛限水位為89.7 m，抬高了3.5 m；但當(dāng)觀音閣水庫(kù)汛期水位低于246 m時(shí)，參窩水庫(kù)汛限水位不能再抬高。

5 太子河流域水庫(kù)增加效益分析

本次串聯(lián)水庫(kù)總防洪庫(kù)容補(bǔ)償調(diào)度增加流域效益分析，主要從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

參窩水庫(kù)多攔蓄的洪水，經(jīng)觀音閣、參窩二庫(kù)聯(lián)合興利調(diào)度，可以增加參窩水庫(kù)電站的發(fā)電量，同時(shí)，太子河流域水庫(kù)的興利采用聯(lián)合調(diào)度的運(yùn)行方式，可以增加觀音閣水庫(kù)的供水量。

表1 觀音閣水庫(kù)6月下旬汛前水位統(tǒng)計(jì)表

參窩水庫(kù)汛期水位抬高后，水位抬高幅度較大，使得發(fā)電水頭增加較多，從而增加發(fā)電效益，年平均發(fā)電量增加821萬(wàn)kW·h，上網(wǎng)電價(jià)按0.263元/（kW·h）計(jì)，年增加經(jīng)濟(jì)效益215.5萬(wàn)元，相當(dāng)于修建1座小型水電站

表2 觀音閣水庫(kù)汛期不同水位與參窩水庫(kù)汛限水位抬高及興利庫(kù)容增加成果匯總表

參窩水庫(kù)汛期水位抬高后，觀音閣與參窩水庫(kù)聯(lián)合興利調(diào)度，可以使觀音閣水庫(kù)每年凈增供水 7.1×106m3，水價(jià)按 0.53元/m3計(jì)，年增加經(jīng)濟(jì)效益376.5萬(wàn)元，相當(dāng)于修建1座中型水庫(kù)。

5.2 社會(huì)效益

本研究成果應(yīng)用到觀音閣水庫(kù)和參窩水庫(kù)的聯(lián)合防洪興利調(diào)度中，增加的發(fā)電量和供水量，可以保證企業(yè)的發(fā)展，可增加大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。大大改善本地區(qū)的水環(huán)境，減少地下水的開采，避免地下水漏斗的進(jìn)一步擴(kuò)大，將產(chǎn)生很大的社會(huì)效益。