提高水庫汛限水位研究

孫立志，朱成立，張巧玉，張凌智

提高水庫汛限水位研究

孫立志1，朱成立1，張巧玉2，張凌智1

（1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2．河北浩川咨詢有限公司，石家莊 050021）

針對北方大多數(shù)水庫在主汛期由于汛限水位的制約經(jīng)常發(fā)生汛期空庫迎汛造成棄水，而汛后又無水可蓄，使得相當(dāng)一部分雨洪資源不能得到很好利用的矛盾局面。在分析流域水情的基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫汛期分期，在考慮水庫大壩安全和下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，運用數(shù)理統(tǒng)計法和多方案、多層次分析法對動態(tài)提高水庫汛限水位的風(fēng)險效益進(jìn)行分析，最終給出不同汛限水位方案的風(fēng)險和效益水平。通過對水庫進(jìn)行分期汛限水位研究，可知提高汛限水位在北方缺水地區(qū)實現(xiàn)洪水資源化的可行性和必要性。

汛限水位；防洪調(diào)度計劃；上關(guān)水庫

將汛期分期，實施分期汛限水位已成為中國北方有共用庫容的大中型水庫協(xié)調(diào)防洪興利間矛盾的主要方法。如何制定各分期合理的汛限水位及相應(yīng)的調(diào)度方式，目前仍缺乏較深入的研究，其難點在于如何確定分期后水庫上下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，或如何協(xié)調(diào)防洪與興利間矛盾［1］。針對上述問題，開展了很多研究工作。劉攀［2］等提出優(yōu)化設(shè)計分期汛限水位的模型與解法，通過降低主汛期汛限水位獲得的防洪效益，換取前汛期、后汛期汛限水位的抬高。李林［3］等以潘家口水庫為例，依據(jù)洪水預(yù)報與下游防洪要求，實行有序預(yù)泄和常規(guī)調(diào)度相結(jié)合的運行方式，對主汛期汛限水位實行動態(tài)管理。朱永英［4］指出了研究實時汛限水位動態(tài)控制的方法與應(yīng)用的必要性，并闡述了水庫實時預(yù)蓄預(yù)泄動態(tài)控制汛限水位的基本思想和數(shù)學(xué)表達(dá)。

在滿足水庫上下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的情況下，增加水庫蓄水量，提高水庫的供水保證率，既是滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，同時是洪水資源化［5］、實現(xiàn)人與洪水和諧共處的需要，也是科學(xué)治水新理念實踐的需要。為更好地解決以上問題，筆者以上關(guān)水庫為例，進(jìn)行動態(tài)調(diào)整汛限水位和防洪調(diào)度運用計劃研究。

1 水庫概況

上關(guān)水庫位于海河流域潮白薊運河系沙河支流魏進(jìn)河上。壩址位于河北省遵化市馬蘭峪鎮(zhèn)原上關(guān)村東南的遵化、興隆交界處。水庫控制流域面積175 km2，是一座以防洪、供水、灌溉為主，且兼顧發(fā)電的中型水庫。水庫總庫容為0．368 7億m3，其中興利庫容0．244 2億m3，死庫容0．012 0億m3。水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。水庫死水位121．80 m，汛限水位139．00 m，正常蓄水位143．00 m，設(shè)計洪水位144．94 m，校核洪水位148．09 m。

2 汛限水位調(diào)整的技術(shù)路線

本次研究本著如下思路進(jìn)行：

（1）根據(jù)汛期內(nèi)洪水（暴雨）在時程分配上有一個由小到大再由大到小的動態(tài)分布特點，結(jié)合水庫調(diào)度分期，對水庫進(jìn)行分期汛限水位研究，除分析主汛限水位調(diào)整的可能性及調(diào)整幅度外，還分析后汛限水位提高的可能性。

（2）在進(jìn)行水庫汛限水位調(diào)整之后，通過興利調(diào)節(jié)計算，分析和研究新的汛限水位條件和調(diào)度規(guī)則對上下游的風(fēng)險影響及可能產(chǎn)生的供水效益，確定提高水庫汛限水位的可行性。

（3）根據(jù)分期洪水調(diào)洪結(jié)果和水庫允許最高洪水位，初步確定水庫的分期汛限水位。

（4）采用瑞典圓弧法，對調(diào)整的主汛限水位進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，分析大壩風(fēng)險。

3 動態(tài)提高汛限水位的可行性

3．1 現(xiàn)狀汛期調(diào)度運行方式

“96．8”洪水以后，河北省水利廳統(tǒng)一劃定7月10日至8月10日為主汛期；8月11日至8月20日為過渡期；8月21日至8月31日為后汛期。上關(guān)水庫主汛期汛限水位控制在139．00 m；后汛期庫水位控制在142．00 m；過渡期水位由139．00 m均勻過渡到142．00 m。當(dāng)主汛期水位達(dá)到139．00 m時，用閘門控泄，來多少泄多少；入庫流量達(dá)到20年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時，溢洪道控制泄量500 m3／s，當(dāng)庫水位超過20年一遇洪水位，閘門全開，不再控泄。

3．2 分期設(shè)計洪水分析

3．2．1 主汛期洪水分析

水庫設(shè)計洪水是影響水庫汛限水位的主要影響因素。為驗證上關(guān)水庫設(shè)計洪水成果的合理性，本次在對水庫歷史洪水分析的基礎(chǔ)上，對歷次設(shè)計洪水重新進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)核內(nèi)容主要包括水庫流域特征參數(shù)復(fù)核、設(shè)計暴雨計算、設(shè)計洪峰流量及設(shè)計洪水總量復(fù)核。復(fù)核設(shè)計洪水成果見表1。

表1 上關(guān)水庫原設(shè)計與本次復(fù)核設(shè)計洪水成果對比表Table 1 Com parison of latest re-checked and original designed flood results of Shangguan reservoir

由表1可以看出，延長暴雨系列后的新成果普遍小于原成果，其中各頻率洪峰流量設(shè)計值與原成果比較，變化幅度在－9．4%～－11．9%之間；洪水總量與原成果比較，變化幅度在－4．7%～－11．0%之間。經(jīng)過上述本次設(shè)計與原設(shè)計洪水成果對比分析，兩成果相差不大；同時利用河北省現(xiàn)有實測流量資料與河流的洪峰流量模數(shù)圖進(jìn)行合理性驗證，兩成果均位于帶狀區(qū)內(nèi)，說明計算成果合理?？紤]到原成果在2002年6月已經(jīng)通過省水利廳的審查，審查意見明確表示：“《河北省中型水庫洪水及防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核報告》成果可用于水庫工程管理和防洪調(diào)度，也可作為大壩安全鑒定的依據(jù)”。因此，本次從工程安全角度考慮，仍采用2002年復(fù)核的設(shè)計洪水成果。

3．2．2 過渡期和后汛期洪水分析

基于上述的分期安排，統(tǒng)計上關(guān)水庫流域附近掛蘭峪、馬蘭峪和石廟子站8月11日至8月20日過渡期暴雨及8月21日至8月31日后汛期暴雨系列。

分期設(shè)計洪水的計算仍采用與主汛期相同的計算方法，即按照實測面暴雨瞬時單位線法，上關(guān)水庫分期設(shè)計洪水成果見表2。

表2 上關(guān)水庫分期設(shè)計洪水成果表Table 2 Designed flood results of different stages during flood season

3．3 汛限水位分期控制研究

為在保證度汛安全的前提下最大限度利用汛期洪水，興利除害，根據(jù)上關(guān)水庫現(xiàn)狀調(diào)度情況，結(jié)合分期洪水研究成果，對上關(guān)水庫汛限水位進(jìn)行分期調(diào)整。汛期時段劃分仍以水利廳規(guī)定現(xiàn)狀為準(zhǔn)。

為科學(xué)確定汛限水位，分2種情況進(jìn)行汛限水位研究。

方案1是保持20年一遇洪水控泄流量500 m3／s不變，確定不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的最高洪水位；方案2是在水庫遭遇10年一遇洪水時水庫限泄500 m3／s，遇10～20年一遇洪水時適當(dāng)加大泄量，使得20年一遇最高洪水位等于現(xiàn)狀汛限水位下20年一遇最高洪水位或移民高程144．35 m。

3．3．1 方案1

（1）主汛限水位調(diào)整方案和調(diào)洪結(jié)果

現(xiàn)狀主汛限水位為139．00m，本次調(diào)洪演算中，主汛限水位設(shè)置了139．00，139．50，140．00，140．50，141．00，141．20 m共計6個起調(diào)水位進(jìn)行計算。

根據(jù)水庫主汛期設(shè)計洪水過程線及水庫水位-庫容-泄量關(guān)系曲線，對重現(xiàn)期為20年、50年、100年、500年和1 000年的洪水進(jìn)行調(diào)洪演算（表3）。

由表 3成果可以看出，即使在汛限水位141．00 m、水庫遭遇100年一遇洪水的情況下，水庫最高洪水位146．17 m，低于水庫正常運用情況下允許最高洪水位147．50 m；水庫在遭遇1 000年一遇洪水的情況下，水庫最高洪水位148．04 m，低于水庫非常運用情況下允許最高洪水位148．18 m；單純從水庫安全角度看，主汛限水位最高可調(diào)整到141．00 m。當(dāng)水庫遭遇20年一遇洪水的時候，按主汛限水位139．00 m起調(diào)，最高洪水位144．74 m；若執(zhí)行141．00 m主汛限水位則最高洪水位為145．80 m，高于汛限水位139．00 m條件下的最高洪水位1．06 m。

（2）后汛限水位調(diào)整研究方案和調(diào)洪結(jié)果

根據(jù)后汛期設(shè)計洪水過程線，對重現(xiàn)期為20年、50年、100年、500年和1 000年的洪水進(jìn)行調(diào)洪演算。起調(diào)水位設(shè)置2個方案，一是維持現(xiàn)狀后汛限水位142．00 m不變，二是將汛限水位提高到正常高水位143．00 m。水庫調(diào)洪演算詳見表4。

表3 上關(guān)水庫主汛期調(diào)洪成果表Table 3 Flood regulation results of Shangguan reservoir duringmain flood season

表4 上關(guān)水庫后汛期調(diào)洪成果表Table 4 Flood regulation results of Shangguan reservoir during post-flood season

從表4可以看出，即使在后汛限水位143．00 m的情況下，水庫在遭遇100年一遇洪水時，水庫最高洪水位143．84 m，低于水庫正常運用情況下的允許最高洪水位147．50 m；水庫在遭遇1 000年一遇洪水的情況下，水庫最高洪水位143．97 m，低于水庫非常運用情況下允許的最高洪水位148．18 m；從大壩安全角度，后汛限水位最高可調(diào)整到143．00 m。

3．3．2 方案2

為了比較提高汛限水位后對水庫上游移民高程及下游河道安全泄量的影響，本次還擬定了方案2，即10年一遇洪水控泄500 m3／s；10～20年一遇洪水按不控泄、控泄600 m3／s及控泄750 m3／s分別進(jìn)行分析。主汛期汛限水位按139．00，140．00 m兩個方案考慮。由于方案1中后汛限起調(diào)水位143．00 m的情況下校核洪水位只達(dá)到143．97 m，因此，方案2不再進(jìn)行后汛限水位調(diào)節(jié)。主汛期洪水調(diào)節(jié)結(jié)果見表5。

從表5可以看出，當(dāng)10年一遇洪水控制下泄流量為500 m3／s，超10年一遇洪水不控泄時，無論主汛期汛限水位為139．00 m還是為140．00 m，20年一遇洪水位均低于水庫上游移民高程144．35 m，但20年一遇下泄流量較大（1 281．2～1 331．4 m3／s），相比較河道安全泄量500m3／s增加較多。當(dāng)10年一遇洪水控制下泄流量為500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄600 m3／s時，無論主汛期汛限水位為139．00 m還是為140．00 m，20年一遇洪水位均稍高于水庫上游移民高程。當(dāng)10年一遇洪水控制下泄流量為500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s時，無論主汛期汛限水位為139．00 m還是為140．00 m，20年一遇洪水位均低于水庫上游移民高程，同時對河道安全泄量500 m3／s，僅增大了250 m3／s，增加不多。

表5 上關(guān)水庫主汛期調(diào)洪最高洪水位成果表（10年控泄500 m3／s）Table 5 Themaximum water level of flood regulation duringmain flood season（discharge 500 m3／s during once in a decade deluge）

3．3 大壩滲流穩(wěn)定分析

本次穩(wěn)定滲流計算采用瑞典圓弧法進(jìn)行計算。計算公式如下：

式中：K為安全系數(shù)；W為土條重量；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力（向上為正，向下為負(fù)）；u為作用與土條地面的空隙壓力；a為條塊重力線與通過此條塊地面中點的半徑之間的夾角；c′，f′為土條地面有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)；b為土條寬度；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

本次滲流穩(wěn)定計算采用河海大學(xué)大壩穩(wěn)定計算程序。

Ⅲ級大壩在正常運用情況下，大壩的允許抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1．30。經(jīng)計算，大壩滲透出逸坡降為0．02，允許出逸坡降為0．12，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1．52，大于大壩允許抗滑穩(wěn)定系數(shù)，因而在主汛限水位141．00 m、設(shè)計洪水位146．17 m條件下，大壩是穩(wěn)定、安全的。

3．4 汛限水位調(diào)整后的供水效益分析

為了深入論證供水效益，我們對現(xiàn)狀和規(guī)劃2個水平年不同需水情況下的水庫運行進(jìn)行了興利調(diào)節(jié)，得出不同水平年多年平均增加的供水量。各水平年水庫按水利年采用長系列不完全年調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)算。每年共劃分為15個時段，從9月份至次年5月份時段以月為單位進(jìn)行劃分，7月份劃分為7月1日至7月9日、7月10日至7月31日兩個時段、8月份劃分為8月1日至8月10日、8月11日至8月20日、8月21日至8月31日3個時段。

為了比較效益，進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)度策略下和調(diào)整調(diào)度策略下的興利調(diào)節(jié)。本次調(diào)節(jié)計算中，現(xiàn)狀調(diào)度策略（基準(zhǔn)調(diào)度方案）的初汛限水位取139．00 m，主汛限水位139．00 m，后汛限水位142．00 m。調(diào)整調(diào)度策略下的主汛限水位3個：139．00，140．00，141．00 m。后汛限水位2個：142．00，143．00 m?？偣苍O(shè)6個組合方案，詳見表6。

從興利調(diào)節(jié)成果來看：現(xiàn)狀需水情況下，主汛限水位調(diào)整到140．00 m和141．00 m，后汛限水位相應(yīng)提高到142．00 m和143．00 m，水庫的多年平均蓄水量分別增加22萬m3和64萬m3，相應(yīng)多年平均棄水量分別減少22萬m3和64萬m3；在規(guī)劃水平年（近期）需水情況下，主、后汛限水位調(diào)整后水庫的多年平均蓄水量分別增加18萬m3和72萬m3。

很明顯，從興利角度來看，汛限水位提高幅度越大，可控水量增加越多。同時，隨著下游需水量增加，在相同的汛限水位條件下，可供水量也會增加。提高汛限水位后會取得更大的供水效益。

3．5 不同調(diào)整方案的綜合評價與比選

由于防洪和興利是矛盾的2個方面，因此，需要對各個方案進(jìn)行綜合平衡，比較分析，最終確定能夠保證大壩本身安全，同時又能較多地增加供水量的方案。經(jīng)過篩選，我們列出如下方案進(jìn)行分析比較，見表7。

上述方案均能滿足大壩安全。綜合供水對下游河道行洪的影響和對上游淹沒的影響分析，可以看出，主汛期水位以調(diào)整到140．00 m為宜，同時10年一遇洪水控泄500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s，對下游河道行洪增加壓力不大，水庫20年一遇最高洪水位低于上游移民高程，不會增加上游淹沒損失，而且可以增加水庫可供水量，因此，推薦主汛限水位提高到140．00 m，10年一遇洪水控泄500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s，超20年洪水位水庫敞泄；后汛限水位提高到142．00 m。

表6 上關(guān)水庫各方案多年平均可供水量表Table 6 Average available water supply of each scheme 萬m3

表7 上關(guān)水庫汛限水位調(diào)整綜合評價表Table 7 Comprehensive evaluation of lim ited water level adjustment in flood season

4 結(jié) 論

（1）通過分析防洪、興利調(diào)節(jié)成果、水庫大壩安全和水庫上下游的防洪情況，水庫汛限水位調(diào)整后，水庫防洪調(diào)度運用方式：當(dāng)主汛期汛限水位為140．00 m，庫水位低于142．90 m（10年一遇）時，水庫控制泄量500 m3／s；當(dāng)庫水位超過142．90 m，低于144．30 m（20年一遇）時，水庫控制泄量750 m3／s；當(dāng)庫水位超過144．30 m時，閘門全開，不再控泄。過渡期（8月11日至8月20日）汛限水位由140．00 m均勻升至142．00 m；后汛期（8月21日至8月31日）汛限水位為142．00 m。

（2）與傳統(tǒng)方法相比，本次筆者結(jié)合北方汛期洪水特點，通過多方案、多層次分析了提高汛限水位在北方缺水地區(qū)實現(xiàn)洪水資源化的必要性和可行性，為今后北方缺水地區(qū)水庫提高汛限水位和調(diào)度運用方式提供了科學(xué)依據(jù)。

（3）筆者認(rèn)為汛限水位研究和水庫規(guī)劃應(yīng)在考慮提高汛限水位增加汛期蓄水量，實現(xiàn)洪水資源化的同時，兼顧對下游河道的生態(tài)需水和自然生態(tài)環(huán)境的影響，今后研究中應(yīng)綜合分析經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，使其成果更能體現(xiàn)人與自然的和諧。

［1］ 周惠成，王福興，梁國華．碧流河水庫后汛期汛限水位及控制運用方式［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（6）：857－862．（ZHOU Hui-cheng，WANG Fu-xing，LIANG Guo-hua．Decision-making on Reservoir Flood Control Level and Its ControlManner in Post-flooding Seasons for Biliuhe Reservoir［J］．Advances in Water Science，2009，20（6）：857－862．（in Chinese））

［2］ 劉 攀，郭生練，肖 義，等．水庫分期汛限水位的優(yōu)化設(shè)計研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報，2007，26（3）：5－10．（LIU Pan，GUO Sheng-lian，XIAO Yi，et al．Study on the Optimal Reservoir Seasonal Flood Control Water Level［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26（3）：5－10．（in Chinese））

［3］ 李 林，翁建平．潘家口水庫主汛期汛限水位動態(tài)控制研究［J］．海河水利，2007，（1）：34－35．（LILin，WENG Jian-ping．Dynamic Control of its Control Manner in Limit-ed Water Level of Panjiakou Reservoir［J］．Haihe Water Resources，2007，（1）：34－35．（in Chinese））

［4］ 朱永英，袁晶蠧，王國利，等．實時預(yù)蓄預(yù)泄法汛限水位動態(tài)控制與應(yīng)用［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，27（4）：606－609．（ZHU Yong-ying，YUAN Jing-xuan，WANG Guo-li，et al．Real-time Pre-storage＆Pre-discharge Method of Dynamic Control Range of Reser-voir Limited Elevation and Its Application［J］．Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2008，27（4）：606－609．（in Chinese））

［5］ 胡四一，高 波，王忠靜．海河流域洪水資源安全利用——水庫汛限水位的確定與運用［J］．中國水利，2002，（10）：105－108．（HU Si-yi，GAO Bo，WANG Zhong-jing．Safe Utilization of Flood in Haihe River Basin［J］．ChinaWater，2002，（10）：105－108．（in Chinese））

［6］ 邱瑞田，王本德，周惠成．水庫汛期限制水位動態(tài)控制理論與觀念的更新探討［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（1）：68－72．（QIU Rui-tian，WANG Ben-de，ZHOU Hui-cheng．New Idea for Controlling the Limited Elevation of Reservoirs in the Flood Season［J］．Advances in Water Science，2004，15（1）：68－72．（in Chinese））

［7］ 陳守煜．水資源與防洪系統(tǒng)可變模糊集理論與方法［M］．大連：大連理工大學(xué)出版社，2005．（CHEN Shou-yu．Theories and Methods of Variable Fuzzy Sets in Water Resources and Flood Control System［M］．Dalian：Dalian University of Technology Press，2005．（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Analysis of Heightening Lim ited Water Level of Reservoir in Flood Season

SUN Li-zhi1，ZHU Cheng-li1，ZHANG Qiao-yu2，ZHANG Ling-zhi1
（1．College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2．Hebei Haochuan Consultative Corporation，Shijiazhuang 050021，China）

Restrained by flood limited water level，most reservoirs in North China discharge a substantive amount of water in order to vacate storage at flood season，while leaving littlewater for storage during post-flood season．As a consequence，a substantial partof storm-flood resources can’tbe utilized adequately．Based on analysis of drainage area，this article divides the whole flood season into different stages，and thus conducted risk benefit analysis on dynamically raising the limited elevation of reservoir under the premises of guaranteeing dam body safety and down-stream flood control security bymathematical statistics and multi-scheme，multi-level analysis．And finally the risk and benefit level of different limited elevation schemes is provided．Through the study on limited elevation of reser-voirs during different stages of the flood season，this paper demonstrates the feasibility and necessity of increasing the limited elevation of reservoirs to resolve the water shortage in North China．

limited water level；operation of flood control；analysis；shangguan reservoir

TV697．1

A

1001－5485（2011）03－0015－05

2010-03-30

孫立志（1980－），男，河北邢臺人，助理工程師，主要從事水土資源規(guī)劃的研究，（電話）15303312180（電子信箱）slz819029＠tom．com。