水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究——以海子灣水庫(kù)為例

付劍峰

(新疆沙灣縣水利局，新疆沙灣832100)

近年來我國(guó)水庫(kù)的病險(xiǎn)情況日益加重，就新疆來說，大多數(shù)的水庫(kù)都興建于20世紀(jì)的60—70年代，建設(shè)時(shí)由于資金、技術(shù)等原因，導(dǎo)致大多數(shù)的水庫(kù)都存在一定的質(zhì)量問題;加上多年的帶病運(yùn)行，如果不進(jìn)行有效的水位控制，很容易造成潰壩等失控現(xiàn)象，所以必要的汛限水位控制系統(tǒng)非常重要。就新疆沙彎縣以北的海子灣水庫(kù)來說，此水庫(kù)受建設(shè)初期的條件限制，為邊設(shè)計(jì)邊施工而成的“三邊工程”，施工質(zhì)量較差。本文將以海子灣水庫(kù)為例，對(duì)汛限水位的動(dòng)態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

1 水庫(kù)概況

海子灣水庫(kù)位于天山北麓沙灣縣城以北30 km的金溝河和沙灣河交匯處。海子灣水庫(kù)主要調(diào)蓄金溝河洪水和沙灣河來水，是一座以灌溉、防洪為主，結(jié)合養(yǎng)殖的綜合性水庫(kù)，直接灌溉面積666.7 hm2，間接灌溉面積2.87萬hm2。海子灣水庫(kù)屬III等中型平原水庫(kù)，工程由擋水壩和兩個(gè)放水涵洞及兩個(gè)溢洪道組成。水庫(kù)壩型為均質(zhì)土壩，壩頂高程394.6 m，壩頂寬6.0 m，壩長(zhǎng)6.4 km，最大壩高12 m，總庫(kù)容1 825萬m3，興利庫(kù)容1 662萬m3，調(diào)洪庫(kù)容1 225萬m3，死庫(kù)容200萬m3，集水面積1 525 km2。

2 對(duì)海子灣水庫(kù)進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的必要性

2.1 海子灣水庫(kù)的運(yùn)行狀況

海子灣水庫(kù)是新疆興水戰(zhàn)略35項(xiàng)應(yīng)急水源工程之一，屬新疆重點(diǎn)工程。海子灣水庫(kù)始建于1957年，是一座兼防洪、灌溉于一體的調(diào)節(jié)水庫(kù)，于1987年被自治區(qū)列為病險(xiǎn)水庫(kù)。1996、1999年由于上游失控致使水庫(kù)出現(xiàn)潰堤的重大險(xiǎn)情，2000年7月塔城地區(qū)水利局組織專家對(duì)海子灣水庫(kù)大壩進(jìn)行了安全鑒定后，于2002年經(jīng)自治區(qū)批準(zhǔn)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，工程于2002年9月15日開工，于2003年7月15日竣工，并于2003年9月通過初驗(yàn)后投入運(yùn)行。水庫(kù)至2003年除險(xiǎn)加固工程以后運(yùn)行狀況良好，但是由于該地區(qū)的水文情況不穩(wěn)定，水庫(kù)仍然存在一些運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素，所以對(duì)水庫(kù)進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制非常必要。

2.2 水庫(kù)進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的可行性分析

所謂的水庫(kù)實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制是指:在汛期，根據(jù)面臨天氣、時(shí)刻雨、水情信息和洪水預(yù)報(bào)信息，確保水庫(kù)上、中、下游地區(qū)安全不受洪水災(zāi)害，對(duì)汛限水位進(jìn)行浮動(dòng)的調(diào)度過程，要求精確以及科學(xué)的一種做法。對(duì)海子灣水庫(kù)進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制主要包括2方面要求:①是水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍的確定;②是能夠根據(jù)即時(shí)條件下的雨水量、水情和工情等具體信息，利用短期降雨和洪水預(yù)報(bào)對(duì)庫(kù)內(nèi)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度以及現(xiàn)場(chǎng)的控制。

3 預(yù)報(bào)調(diào)度在汛限水位動(dòng)態(tài)控制中的影響因素

在海子灣水庫(kù)的汛限水位動(dòng)態(tài)控制工程實(shí)施過程中，主要選擇“預(yù)報(bào)凈雨、預(yù)報(bào)洪峰或洪水傳遞時(shí)間”等來作為判斷何時(shí)適合改變蓄泄流量規(guī)則，并以此為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水庫(kù)水量的蓄泄活動(dòng)，同時(shí)要求各種規(guī)定的規(guī)則指標(biāo)既能安全調(diào)度各頻率洪水，又能保證一定程度上的安全性質(zhì)不被改變，即就是所謂的極力避免安全隱患的存在;汛限水位動(dòng)態(tài)控制過程中的預(yù)報(bào)因素主要包括:分析洪水預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期，確定預(yù)報(bào)調(diào)度過程中降雨集中區(qū)域、洪峰、洪量和洪水傳播時(shí)間。這些都是汛限水位動(dòng)態(tài)控制中的最主要的影響因素;預(yù)報(bào)調(diào)度在海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)念控制過程中也同樣具有重要作用，預(yù)報(bào)過程一旦出現(xiàn)失誤——哪怕是微小失誤，那也將給水庫(kù)調(diào)度過程帶來很大風(fēng)險(xiǎn)當(dāng)然還有許多不明顯的安全隱患。因此還必須考慮預(yù)報(bào)調(diào)度的影響因素。

4 確定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍的方法

確定海子灣水庫(kù)汛期動(dòng)態(tài)汛限水位控制范圍的目的，是為其實(shí)時(shí)水位動(dòng)態(tài)控制提供更有效的安全保證，通過科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)分析證明海子灣水庫(kù)發(fā)生危險(xiǎn)的概率相對(duì)要小得多。它的確定方法，通?？刹捎妙A(yù)泄能力約束法和庫(kù)容補(bǔ)償法。其中預(yù)泄能力約束法即有效預(yù)見期內(nèi)預(yù)泄能力計(jì)算的預(yù)蓄水位來作為動(dòng)態(tài)控制汛限水位的上限。

4.1 預(yù)泄能力約束法確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍

對(duì)一次洪水而言，從洪水開始起，漲到預(yù)泄流量，達(dá)到下游允許安全泄流量的時(shí)間就是水庫(kù)一次洪水極限預(yù)泄時(shí)間?？稍诤Ｗ訛乘畮?kù)一次洪水極限預(yù)泄時(shí)間里扣除信息傳遞時(shí)間、預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間、決策時(shí)間、開閘時(shí)間后，那么就為有效預(yù)泄時(shí)間。通過對(duì)海子灣水庫(kù)水庫(kù)一次洪水的預(yù)泄水量，可確定出該水庫(kù)汛限水位以上的動(dòng)態(tài)蓄水量，依此就可確定海子灣水庫(kù)在一次洪水過程中可能抬高的汛限水位值，同時(shí)，也確定了水位動(dòng)態(tài)控制范圍。

4.2 庫(kù)容補(bǔ)償調(diào)度法的基本原理

水庫(kù)之所以能夠進(jìn)行防洪任務(wù)和調(diào)蓄洪水，是因?yàn)樗畮?kù)設(shè)有防洪庫(kù)容和調(diào)洪庫(kù)容。這是庫(kù)容調(diào)度法的基本原理。在這原理中，水庫(kù)的防洪庫(kù)容和調(diào)洪庫(kù)容均是以汛限水位為標(biāo)準(zhǔn)的，防洪高水位與汛限水位之間的庫(kù)容為防洪庫(kù)容，設(shè)計(jì)洪水位與汛限水位之間的庫(kù)容為調(diào)洪庫(kù)容。在水庫(kù)運(yùn)行過程中，由于降雨在地區(qū)分布的不均勻性，大流域水庫(kù)群的蓄水狀態(tài)變化也會(huì)較大。在洪水來臨前，水庫(kù)群中各水庫(kù)的汛限水位往往不能同時(shí)達(dá)到要求，水庫(kù)群總的實(shí)際防洪庫(kù)容往往大于規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的防洪庫(kù)容，因此，在水庫(kù)運(yùn)行中可以通過相互補(bǔ)償來調(diào)度的方法，抬高汛限水位。海子灣水庫(kù)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制要依靠流域內(nèi)短期降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)，因此首先要考慮預(yù)報(bào)調(diào)度在海子灣水庫(kù)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制中的重要性及注意事項(xiàng)。然后研究海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍的確定方法，即利用海子灣水庫(kù)庫(kù)容補(bǔ)償法和預(yù)泄能力約束法推求汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍，并給出了這兩種方法的計(jì)算原理和模型。最后提出根據(jù)海子灣水庫(kù)面臨時(shí)刻的水情、雨情和工情信息，短期降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)信息，利用“預(yù)蓄預(yù)泄“法求出汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策值，并給出“預(yù)蓄預(yù)泄”法和預(yù)泄回充法的計(jì)算原理及方法。

4.3 汛限水位動(dòng)態(tài)控制的原則

從對(duì)海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)問題的重要性、實(shí)用性出發(fā)，對(duì)海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析探討需堅(jiān)持如下原則:

1)分析中要以描述隨機(jī)因子規(guī)律的概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為主，其他方法為輔。影響海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜，既有客觀自然隨機(jī)因子，又有主觀因素。因此要求有合理的方法說明和互相輔助。

2)海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控風(fēng)險(xiǎn)分析的各個(gè)環(huán)節(jié)要堅(jiān)持相對(duì)性和狹義性，以原設(shè)計(jì)汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)開展研究?；诜篮榘踩谝辉瓌t，實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的水位，首先應(yīng)該對(duì)海子灣水庫(kù)大壩安全進(jìn)行檢查，并設(shè)計(jì)洪水復(fù)核，達(dá)到一類壩的大型水庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn);其次海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制應(yīng)以不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保水庫(kù)及上、中、下游地區(qū)防洪安全為前提。

3)堅(jiān)持“互克性原理”，海子灣水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)決策方案。沒有最優(yōu)解，只有滿意解，即要留有余地地求出“安全前提下的洪水資源利用較多且可承受的風(fēng)險(xiǎn)方案”。在此之間，最重要要考慮海子灣水庫(kù)的安全隱患。

5 結(jié)論

海子灣水庫(kù)至建成以來多次出現(xiàn)險(xiǎn)情，經(jīng)過2002年和2003年期間的全面除險(xiǎn)加固以后，水庫(kù)的運(yùn)行才趨于穩(wěn)定，但受其上游金溝河和沙灣河水文情況的影響，就必須考慮對(duì)海子灣水庫(kù)水文進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制，合理應(yīng)用汛限水位動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，以保證水庫(kù)的安全、平穩(wěn)，非常適合。

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