汛限水位動態(tài)控制的條件及最適應時間分析

王金河

(黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局水務局，黑龍江建三江156300)

1 引言

各水庫由于調(diào)節(jié)性能、洪水特性不同，需分析出各自不同的汛限水位動態(tài)控制條件及最適宜時間。通過許多調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫實踐，通?！焙樗偭俊笔茄聪匏粍討B(tài)控制的必要條件，簡稱“洪水總量控制”條件。當序水位處于汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)，泄流開始大于入流且閘門具有控制能力，使具有汛限水位動態(tài)控制的充分必要條件。從防洪安全角度，基于汛限水位是水庫迢迢設計洪水的起調(diào)水位及其調(diào)洪過程中水位變化特性，實施“汛限水位動控制”的時間，不應該“一邊降雨一邊漲洪”的庫水位上升時期，基于大量調(diào)洪計算的統(tǒng)計規(guī)律，水庫最高水位出現(xiàn)在峰后的某一時段，所以汛限水位動態(tài)控制的充分必要條件發(fā)生的最適宜時間一般在本次洪水的退水階段，即本次洪水的庫水位開始下降到下次暴雨洪水起漲前的時期，這一時期越長汛限水位動態(tài)控制的效益越大。

汛限水位動態(tài)控制的條件從最適宜時間分析目的之一，是抓住汛限水位動態(tài)控制方案實施的關鍵時機，便于集中研究與此時期的汛限水位動態(tài)控制有關的安全與經(jīng)濟問題，如降雨預報信息可利用的有效時間、預泄能力、預報失誤的彌補措施與風險等問題;另一方面為選擇洪水預報方案可利用標準提供依據(jù)。如水沖調(diào)節(jié)性能較高，設計的防洪指標受洪水總量或3～7 d或更長時間洪量控制，則實施汛限水位動態(tài)控制所選擇的洪水預報(或退水預報)方案可利用標準應該是總量預報誤差最小，或洪量預報合格率最高(達到甲級水平)。若能依據(jù)較多的預報樣本分析出總量預報誤差分布，也可用小概率誤差對防洪安全影響程度來衡量預報方案的可利用性。如水庫調(diào)節(jié)性能較低，設計的防洪指標受洪峰控制，則所選擇的洪水預報方案可利用標準應該是峰或峰現(xiàn)時間誤差最小，不過這類水庫汛限水位動態(tài)控制的風險較大，應慎重從事。

2 汛限水位動態(tài)控制的必要與充分條件的描述

若依據(jù)面臨時刻t0的實際水位Z0、未來預報的入、出庫水量信息，判別決策t時刻是否具備“汛限水位動態(tài)控制”的必要與充分條件，則只要“面臨時刻水位的庫容量”與“未來預報的入庫水量扣除正常消耗量的余量”之和將達到“汛限水位動態(tài)控制域”內(nèi)泄流大于入流且水庫閘門具有控制能力，便具備汛限水位動態(tài)控制的充分必要條件。可用推理式描述:

式中:Z0為面臨時刻Z0水位;Win為未來預報的t0－t期間入庫水量;Wout為未來的正常消耗水量;Zd－、Zd+分別為汛限水位動態(tài)控制域的下限與上限水位;Zt為處于汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)。時刻水位，V為序容;Q(t)為水位開始下降的t時入庫流量;q(t)為t時刻的泄流量;q(Zt)為對應Zt的泄流能力;ok為具備汛限水位動態(tài)控制的充分必要條件。上述的判別準則適用于本次暴雨落地且洪水起漲時。

若不考慮洪水預報信息，僅以面臨時刻t0的實際水位Z0、入流Q(t0)、出流能力q(Z0)信息為判別依據(jù)，則“汛限水位動態(tài)控制”必要與充分條件，是指面臨時刻t0的實際水位已進入“汛限水位動態(tài)控制域”內(nèi)，泄流開始大于入流且水庫閘門具有控制能力，便具備汛限水位動態(tài)控制的充分必要條件。

不難看出，當本次洪水按照防洪調(diào)度規(guī)則調(diào)度的最高庫水位將處于“汛限水位動態(tài)控制域”之外，即庫水位低于汛限水位功態(tài)控制的下限或高于汛限水位動態(tài)控制的上限時，便不具備實施汛限水位動態(tài)控制的必要條件。前者只有等下次洪水抬高庫水位(多年調(diào)節(jié)水庫的供水期未，若庫水位消落較低時發(fā)生洪水，則常常如此)，后者需按照調(diào)度規(guī)則調(diào)度，等待庫水位降落到“汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)”、泄流大于入流且水庫閘門具有控制能力的條件形成。

3 汛限水位動態(tài)控制的條件及最適應時間分析

3.1 “洪水總量起控制作用”的分析方法

洪水總量起控制作用的分析，常是依據(jù)設計洪水及調(diào)洪成果資料，計算峰及量所占調(diào)洪庫容的比值進行的。

1)摘錄水庫不同頻率設計洪水成果，即1～6 h洪峰量與1～7 d或更長到15 d、30 d洪量，設計頻率洪水P%的調(diào)洪最高水位Z設計及其相應的庫容量，汛限水位Zd及其相應的庫容量。

2)據(jù)式(2)計算各設計頻率洪水的調(diào)洪庫容量

式中:VP%調(diào)洪為設計頻率洪水 P%的調(diào)洪庫容量;P%為0.01%、0.2%、1%;V(ZP%)為設計頻率洪水P%的調(diào)洪最高水位ZP%所相應的庫容量，查水位庫容關系求得;V(Zd)為汛限水位Zd所相應的庫容量，亦查水位庫容關系求得。

3.2 “汛限水位動態(tài)控制的最適宜時間”分析方法

當庫水位進入汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)且開始下降，若下降過程的某時刻庫容量加退水余量(已扣除正常用水)可充填興利庫容，則該時刻為汛限水位動態(tài)控制最適宜的起始時間。

實際上，由于各水庫洪水特性、調(diào)節(jié)性能及重疊庫容大小差異，防洪調(diào)度方式及其規(guī)則不同，暴雨發(fā)生的連續(xù)規(guī)律不同，所以“汛限水位動態(tài)控制最適應的起始時間”分析結(jié)果亦不同。就某一水庫而言，每場洪水退水不同則分析的結(jié)果也不同，但受上述的主要特性約束，差異不大，分析中一個平均的最適宜的起始時間對決策者只有重要參考價值。

最適宜的起始時間分析方法基本有兩種，即順時序分析法與逆時序分析法，前者是從適宜的起始時間計算至退水末，判斷能否將興利庫容充滿;后者是假定退水末興利庫容可充滿，反求適宜的起始時間。

3.3 實例

勤得利水庫應用建庫后5次調(diào)洪最高水位進入汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)且有棄水的實際洪水調(diào)度過程，按照上述方法步驟分析了汛限水位動態(tài)控制最適宜的起始時間。如表1。

表1 勤得利水庫發(fā)生棄水的洪水調(diào)度分析表

表1中的數(shù)值基本是實際暴雨、水位值及由水位庫容關系查求的庫容量、洪水過程推求的時段峰、洪水總量或退水量、漲水時段及最高水位的滯峰時段。根據(jù)水庫洪峰與最高水位發(fā)生的時間關系，選6 h、24 h兩個汛限水位動態(tài)控制起始時間方案。

綜合分析各場洪水的tk時間，最后從防洪安全計，按照起始時間盡量晚的原則選擇勤得利水庫汛限水位動態(tài)控制最適宜起始時間(tk)為峰后第24 h。從分析比較過程看，用洪水資源利用量最大原則選定tk也是可以的。

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