淮河上游水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度效果及潛力分析

賈本有， 鐘平安，2， 萬(wàn)新宇， 陳 璇， 戴 力， 陳 娟

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心， 江蘇 南京 210098）

分析水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度效果和潛力，對(duì)客觀評(píng)價(jià)水庫(kù)群防洪作用，進(jìn)一步提高水庫(kù)群防洪能力和指導(dǎo)水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度考評(píng)具有重要的參考價(jià)值。目前，關(guān)于水庫(kù)防洪調(diào)度效果的評(píng)價(jià)已有較多研究，文獻(xiàn)[1]從實(shí)時(shí)調(diào)度考評(píng)的角度，提出以洪水起漲水位指數(shù)、次洪水最高水位指數(shù)、次洪水最大下泄流量指數(shù)和預(yù)泄調(diào)度指數(shù)等作為衡量調(diào)度水平的考評(píng)指標(biāo)，但這些指標(biāo)只針對(duì)單個(gè)水庫(kù)單場(chǎng)洪水，而不適合于水庫(kù)群綜合防洪效果的評(píng)價(jià)。此外，還有學(xué)者采用削峰率、錯(cuò)峰時(shí)間、攔蓄水量、經(jīng)濟(jì)損失等指標(biāo)對(duì)于水庫(kù)群防洪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[2-5]；但不同文獻(xiàn)的應(yīng)用背景不同，資料條件差異大，指標(biāo)的選取普適性不夠。關(guān)于水庫(kù)群防洪潛力的分析目前研究相對(duì)缺乏，趙云發(fā)[6]和王春來(lái)[7]等人從水庫(kù)運(yùn)行條件出發(fā)，研究挖掘單個(gè)水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪潛力的方法。本文則以淮河上游水庫(kù)群為研究對(duì)象，研究水庫(kù)群防洪效果與防洪潛力的的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。

1 基本原理

1.1 水庫(kù)群防洪效果評(píng)價(jià)

1.1.1 防洪效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)防洪控制斷面以上有n座水庫(kù) （見(jiàn)圖1），各庫(kù)的入庫(kù)流量過(guò)程為 Qi（t）（i=1，…，n）， 各庫(kù)到防洪控制斷面的區(qū)間流量為Qd（t），則防洪控制斷面的天然流量過(guò)程為

圖1 防洪系統(tǒng)示意

設(shè)各水庫(kù)實(shí)際調(diào)度的泄流過(guò)程為qi（t），則防洪控制斷面的實(shí)際流量過(guò)程為

由于區(qū)間流量過(guò)程的不可控性，防洪控制斷面在調(diào)度后的流量過(guò)程滿足

當(dāng)防洪控制斷面水位流量關(guān)系單一時(shí)，下游防洪效果可以用控制斷面出現(xiàn)的最大流量反映。本文提出以防洪效果指數(shù)α和綜合防洪效果指數(shù)β作為水庫(kù)群防洪調(diào)度效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

定義第i場(chǎng)洪水防洪效果指數(shù)

式中，分母為第i場(chǎng)洪水水庫(kù)群對(duì)防洪控制斷面的極限削峰量，分子是第i場(chǎng)洪水經(jīng)水庫(kù)群調(diào)度后的削峰量。αi∈[0，100]是水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)用后的削峰量占極限削峰量的百分?jǐn)?shù)，反映了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的防洪效果。

水庫(kù)群的綜合防洪效果指數(shù)β以次洪防洪效果指數(shù)的均值反映，即

式中，m為洪水場(chǎng)次數(shù)。

為評(píng)價(jià)綜合防洪效果指數(shù)β的優(yōu)劣，將防洪效果指數(shù)分成5級(jí)，中間每級(jí)區(qū)間寬度為Δ=[max（αi）-min（αi）]/5 （見(jiàn)圖 2）。 根據(jù) β 的大小評(píng)定調(diào)度效果等級(jí) （見(jiàn)表1）。

圖2 分級(jí)示意

表1 水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度效果等級(jí)評(píng)價(jià)

1.1.2 防洪效果評(píng)價(jià)步驟

（1） 收集歷史大洪水樣本 Qi,j（t）， Qi,d（t）和 qi,j（t）。其中， i=1，…，m； j=1，…，n； t=1，…，T， T 為洪水時(shí)段數(shù)。

（2） 根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算各場(chǎng)洪水在防洪控制斷面的天然洪水過(guò)程和經(jīng)調(diào)度后的洪水過(guò)程，區(qū)間洪水演進(jìn)過(guò)程可采用馬斯京根、匯流單位線等方法計(jì)算。

（3） 根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算各場(chǎng)洪水的防洪效果指數(shù)和綜合防洪效果指數(shù)，并按等級(jí)評(píng)價(jià)綜合防洪效果指數(shù)的優(yōu)劣。

1.2 水庫(kù)群防洪潛力分析

1.2.1 防洪潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)

水庫(kù)群對(duì)下游防洪控制斷面的防洪潛力是指通過(guò)改善水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度方式或改變控制運(yùn)用條件，使水庫(kù)群防洪效果進(jìn)一步提升的幅度。定義水庫(kù)群對(duì)第i場(chǎng)洪水的極限防洪潛力

Δi實(shí)際上是指防洪控制斷面以上的各水庫(kù)由現(xiàn)行的防洪調(diào)度方式轉(zhuǎn)為對(duì)下游防洪控制斷面洪峰流量“零”貢獻(xiàn)的調(diào)度方式時(shí)，防洪控制斷面所獲得的流量減幅的極限值。實(shí)現(xiàn)極限防洪潛力的條件是上游各水庫(kù)均具有足夠大的防洪庫(kù)容，以及滿足精度和足夠長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的洪水預(yù)報(bào)信息要求。實(shí)際調(diào)度中，由于考慮水庫(kù)大壩安全，防洪與興利的矛盾，以及洪水預(yù)見(jiàn)期不足等諸多因素，絕大多數(shù)情況不可能挖掘極限防洪潛力，為此在水庫(kù)群防洪潛力分析中將式（6）轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中，Q改,i（t）為改進(jìn)聯(lián)合調(diào)度方式后，防洪控制斷面的洪水過(guò)程。

水庫(kù)現(xiàn)行實(shí)際調(diào)度方式的改善，可以采用不同的優(yōu)化調(diào)度模式。水庫(kù) （群）實(shí)時(shí)補(bǔ)償調(diào)度是行之有效的改善方式。本文中△′即為采用水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度模型相對(duì)于實(shí)際調(diào)度方式下的優(yōu)化潛力。

定義優(yōu)化潛力的均值占極限潛力的均值的百分比為綜合潛力指數(shù)C，它反映水庫(kù)群的綜合防洪潛力，計(jì)算如下

1.2.2 防洪潛力分析步驟

（1）采用與防洪效果指數(shù)評(píng)價(jià)相同的洪水樣本。

（2）建立水庫(kù)群聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度模型。本文采用文獻(xiàn)[8]中提供的水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度模型。

（3）采用與樣本洪水實(shí)際調(diào)度相同的初始條件和邊界條件進(jìn)行水庫(kù)群聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)度，得到不同防洪控制斷面的流量過(guò)程 Q改,i（t）。

（4） 利用式（6）和式（7）計(jì)算水庫(kù)群各場(chǎng)洪水的極限防洪潛力和優(yōu)化防洪潛力，利用式（8）計(jì)算水庫(kù)群綜合潛力指數(shù)。

以上步驟取得的是與實(shí)際運(yùn)行相同初始條件和邊界條件下，水庫(kù)群采用補(bǔ)償調(diào)度模型相對(duì)于實(shí)際調(diào)度方式的優(yōu)化潛力。實(shí)際上，各水庫(kù)不同場(chǎng)次洪水實(shí)際最高水位是不同的，各水庫(kù)的設(shè)計(jì)防洪庫(kù)容并沒(méi)有在各場(chǎng)次洪水中完全發(fā)揮作用，所以，防洪潛力還應(yīng)該包含約束條件的變化對(duì)防洪效果的提升，本文不考慮這部分潛力。

由式（4）和式（6）可知，次洪的極限防洪潛力與防洪效果指數(shù)之間具有以下關(guān)系

可見(jiàn)，次洪的極限潛力與防洪效果指數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為現(xiàn)狀防洪效果指數(shù)越大，防洪潛力越小。

2 實(shí)例分析

圖3為淮河王家壩以上防洪系統(tǒng)概化圖。班臺(tái)、息縣、王家壩為防洪控制斷面，其上游有石漫灘、板橋、薄山、宿鴨湖、南灣、花山、石山口、五岳、潑河等9座大型水庫(kù)，含洪河、汝河、浉河、潢河、淮河干流等河道。收集9次較大歷史洪水的水庫(kù)水位過(guò)程、出庫(kù)過(guò)程和防洪斷面的實(shí)測(cè)流量過(guò)程，通過(guò)還原計(jì)算得到各水庫(kù)的入庫(kù)洪水過(guò)程、水庫(kù)下游區(qū)間流量過(guò)程和控制斷面天然洪水過(guò)程。

圖3 王家壩以上防洪系統(tǒng)概化

表2為淮河上游主要控制斷面典型洪水洪峰流量統(tǒng)計(jì)表，表2中區(qū)間是指控制斷面以上水庫(kù)至該斷面之間的總區(qū)間。

表2 主要控制斷面典型洪水洪峰流量統(tǒng)計(jì)m3/s

按照防洪效果評(píng)價(jià)步驟，防洪效果評(píng)價(jià)結(jié)果如表3。

表3 主要控制斷面典型洪水防洪效果計(jì)算 %

參見(jiàn)表1，根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，得到各斷面綜合防洪效果等級(jí) （見(jiàn)表4）。

由表3和表4可見(jiàn)：

（1）王家壩以上水庫(kù)群在現(xiàn)行的防洪調(diào)度水平下，對(duì)下游班臺(tái)、息縣和王家壩防洪控制斷面防洪效果顯著，各斷面的歷史大洪水的防洪效果指數(shù)絕大多數(shù)都在50%以上。

表4 主要控制斷面綜合防洪效果等級(jí)

（2）水庫(kù)群對(duì)息縣的綜合防洪效果優(yōu)于班臺(tái)，班臺(tái)優(yōu)于王家壩，表明水庫(kù)群的防洪效果與斷面控制面積的大小與防洪斷面的位置有關(guān)，水庫(kù)群距離防洪斷面越近防洪效果越好。

按照防洪潛力分析步驟，采用王家壩以上水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化補(bǔ)償調(diào)度方式，得到典型洪水的防洪調(diào)度潛力分析結(jié)果 （見(jiàn)表5）。

表5 水庫(kù)群防洪潛力分析結(jié)果

由表5可見(jiàn)：

（1）由于洪水組成、水庫(kù)起調(diào)水位、實(shí)際調(diào)度水平等不同，不同典型洪水的防洪潛力相差較大。就極限防洪潛力的均值而言，王家壩大于班臺(tái)，班臺(tái)大于息縣。對(duì)比表4與表5可以看出，平均極限防洪潛力與防洪效果指數(shù)成反比關(guān)系。

（2）改進(jìn)調(diào)度方式可以進(jìn)一步挖潛，三個(gè)防洪斷面都可以從潛在防洪潛力中挖掘50%以上。

3 結(jié)論

本文提出次洪防洪效果指數(shù)、綜合防洪效果指數(shù)、極限潛力、優(yōu)化潛力和綜合潛力指數(shù)等作為水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度效果和潛力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用于淮河歷史實(shí)測(cè)洪水分析評(píng)價(jià)，主要結(jié)論有：

（1）王家壩以上水庫(kù)群在現(xiàn)行的防洪調(diào)度水平下，對(duì)下游班臺(tái)、息縣和王家壩防洪控制斷面防洪效果顯著，水庫(kù)群對(duì)息縣的綜合防洪效果優(yōu)于班臺(tái)，班臺(tái)優(yōu)于王家壩。

（2）不同典型洪水的優(yōu)化防洪潛力相差較大，綜合潛力指數(shù)班臺(tái)為68%，息縣為49%，王家壩為51%，進(jìn)一步研究水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度具有實(shí)際意義。

（3）利用本文指標(biāo)反應(yīng)的淮河上游水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度的效果和進(jìn)一步挖掘潛力的意義與實(shí)際感受較為符合。

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