桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表研制

袁 晶 瑄， 王 本 德

(大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制是指水庫(kù)在汛期，根據(jù)實(shí)時(shí)雨、水情信息，利用降雨和洪水預(yù)報(bào)成果，在不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保水庫(kù)及其上下游地區(qū)防洪安全的前提下，按照科學(xué)論證并經(jīng)有關(guān)部門審批的水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案確定的控制范圍對(duì)汛限水位進(jìn)行浮動(dòng)的調(diào)度過程.

2002年初，國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室站在“從洪水控制向洪水管理”的新時(shí)期治水思路的高度，為更加充分利用洪水資源，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供更強(qiáng)有力的支持與保障，將“汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用”作為水利部重大科技項(xiàng)目，已取得有推廣應(yīng)用價(jià)值的成果[1～3].

總結(jié)多個(gè)試點(diǎn)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究的經(jīng)驗(yàn)，專家及使用者普遍提出一個(gè)亟待解決的課題，即所選的汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制方案的具體化和可操作性問題.本文針對(duì)桓仁水庫(kù)，重點(diǎn)研究“水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表”的研制和使用方法，方便水庫(kù)調(diào)度技術(shù)人員和決策人根據(jù)水雨工情信息，選擇面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值及控泄流量等，定方案、作決策并為我國(guó)調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫(kù)(水電站)汛期洪水退水段庫(kù)水位實(shí)時(shí)控制借鑒參考.

1 工程背景

1.1 流域水文氣象特征

桓仁水庫(kù)控制流域面積10 364km2，占渾江流域面積的70.4%.渾江流域坡降較大，植被良好，年均降雨量860mm.70%的雨量集中在6～9月間，大洪水發(fā)生在7月下旬～8月中旬，一次洪水過程的主要洪量集中在3d內(nèi)，可占80%，形成陡漲陡落的洪峰.一次天氣過程造成的暴雨歷時(shí)較短，致使大部分洪水呈單峰型，漲水歷時(shí)較短，1～2d，退水歷時(shí)較長(zhǎng)，7d左右.

1.2 水庫(kù)概況

桓仁水庫(kù)是以發(fā)電、防洪兼顧其他綜合利用的不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是渾江梯級(jí)水電站龍頭.攔河壩按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核；設(shè)計(jì)洪水位308.7m，校核洪水位310.8m，總庫(kù)容34.6×108m3.正常蓄水位與防洪限制水位均為300.0m，相應(yīng)庫(kù)容22.0×108m3.死水位290.0 m，興利庫(kù)容8.2×108m3.桓仁庫(kù)區(qū)耕地淹沒補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)洪水頻率10%，相應(yīng)壩上洪水位303.0m，控制泄量4 000m3／s.下游4km處桓仁鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水頻率2%，河道安全泄量9 000m3／s，相應(yīng)桓仁水庫(kù)防洪高水位306.0m，防洪庫(kù)容12.6×108m3.桓仁發(fā)電廠裝機(jī)容量222.5MW，滿發(fā)流量416m3／s.下游梯級(jí)均為日調(diào)節(jié)水電站.

2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表

2.1 研制汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表的必要性

隨著水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究的深入，專家及使用者普遍提出一個(gè)亟待解決的課題，即所選汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制方案的具體化和可操作性問題.盡管給出推理模式和設(shè)計(jì)開發(fā)了汛限水位動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)軟件，一定程度上方便了調(diào)度技術(shù)人員，但機(jī)器計(jì)算過程是隱含的，決策人使用時(shí)心中無(wú)數(shù)；為方便調(diào)度技術(shù)人員和決策人，本文研制桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表，據(jù)此套表，即可根據(jù)汛期洪水退水段的水雨工情信息，確定面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值及控泄流量等，方便水庫(kù)調(diào)度技術(shù)人員和決策人快速查算、定方案、作決策.這也是防范水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急措施.

2.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表編制的基本原理

“汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表”在事前編制.當(dāng)汛期庫(kù)水位進(jìn)入汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)，且?guī)焖婚_始下降時(shí)，決策人即可使用此表確定面臨時(shí)刻控制的庫(kù)水位值.該表編制基礎(chǔ)資料是退水預(yù)報(bào)信息，依據(jù)的是水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算原理.

若汛期洪水退水段，已知預(yù)見期Ty(1～7d)內(nèi)的入流過程Qin(t)－t、允許出流過程qout(t)－t，及汛限水位動(dòng)態(tài)控制約束域上、下限值Zup或Zdown，采用逆推法計(jì)算面臨時(shí)刻t0允許控制的庫(kù)水位值Z0，Zdown≤Z0≤Zup.

從防洪安全角度，若降雨預(yù)報(bào)的預(yù)見期末tend的庫(kù)水位控制約束于下限值Zdown，則

式中:V0為面臨時(shí)刻t0允許的庫(kù)容；V(Zdown)為預(yù)見期末tend的約束庫(kù)水位Zdown所對(duì)應(yīng)的庫(kù)容；Win為預(yù)見期Ty內(nèi)入庫(kù)水量；Wout為預(yù)見期Ty內(nèi)允許出庫(kù)水量；Z0為由V0查水位庫(kù)容關(guān)系z(mì)＝f(V)得面臨時(shí)刻t0允許控制的庫(kù)水位值.

2.3 影響水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的綜合信息

(1)汛期分期及原設(shè)計(jì)防洪限制水位

桓仁流域主汛期07－17～08－14，主汛限水位300.0m；后汛一期08－15～08－31，后汛一期汛限水位301.0m…

(2)原設(shè)計(jì)調(diào)洪原則及下游第一級(jí)防洪安全泄量約束

①起調(diào)水位300.0m；

②遭遇五年一遇洪水，桓仁水庫(kù)控泄≤4 000 m3／s，庫(kù)水位Z≤301.5m；

③庫(kù)區(qū)耕地淹沒補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)洪水頻率P＝10%，桓仁水庫(kù)控泄≤4 000m3／s，庫(kù)水位Z≤303.0m；

④居民遷移標(biāo)準(zhǔn)洪水頻率P＝3.3%，桓仁水庫(kù)控泄≤6 000m3／s，庫(kù)水位Z≤304.7m…

(3)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域

桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域下限值為原設(shè)計(jì)汛限水位300.0m、上限值303.0m(庫(kù)區(qū)耕地淹沒補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)洪水相應(yīng)的庫(kù)水位).

(4)徑流預(yù)報(bào)信息

從防洪安全角度考慮，一場(chǎng)洪水的退水段，是利用水雨工情信息、中短期降雨預(yù)報(bào)及洪水(退水)預(yù)報(bào)信息對(duì)庫(kù)水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制的關(guān)鍵時(shí)期.

桓仁入庫(kù)洪水始退水流量500～4 000m3／s(Δt＝6h)范圍可預(yù)報(bào)未來7d退水量.其中，桓仁水庫(kù)7d退水預(yù)報(bào)合格率100%，確定性系數(shù)0.88.7d退水預(yù)報(bào)漏報(bào)誤差最大值3.05×107m3，折徑流深(凈雨)2.9mm.桓仁水庫(kù)洪水(退水)預(yù)報(bào)方案精度均為甲級(jí)，具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，可在實(shí)際洪水調(diào)度中應(yīng)用.

(5)氣象臺(tái)降雨預(yù)報(bào)信息

通化氣象臺(tái)發(fā)布的桓仁流域未來24h無(wú)雨和小雨預(yù)報(bào)信息，桓仁流域大至暴雨過程后GFS系統(tǒng)未來1～7d降水預(yù)報(bào)信息等可利用于水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制.

(6)流域土壤含水量消退規(guī)律估計(jì)

桓仁流域蓄水容量65.0mm.未來幾日連續(xù)無(wú)雨時(shí)，流域土壤含水量日消退規(guī)律為未來1d流域土壤含水量消退6.5mm、未來2d流域土壤含水量累積消退12.4mm、未來3d流域土壤含水量累積消退17.6mm…

3 研制汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表

桓仁水庫(kù)洪水退水段實(shí)時(shí)調(diào)度中，可根據(jù)無(wú)雨(或小雨)等降水預(yù)報(bào)預(yù)見期信息、預(yù)見期末汛限水位約束、水庫(kù)控泄流量≤4 000m3／s，以及入庫(kù)洪水退水過程等實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)的水雨工情信息，依據(jù)2.2中“汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表”編制的基本原理，采用水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算原理逆推法，由式(1)逐時(shí)段逆推計(jì)算面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值.

其中，汛期洪水退水段，若桓仁流域未來3d預(yù)報(bào)無(wú)雨(或小雨)，3d后桓仁庫(kù)水位降至汛限水位300.0m，由式(1)逆推，計(jì)算未來3d每日始(8:00)庫(kù)水位值，填入表1第4列至第6列中.例如:若桓仁入庫(kù)始退水流量900m3／s，面臨時(shí)刻庫(kù)水位不超過303.0m，控泄2 000m3／s，3d后庫(kù)水位可降至汛限水位300.0m，每日始(8:00)庫(kù)水位上限值見表1第2方案欄第4行第4列至第6列加粗體數(shù)據(jù).

表1 桓仁流域3d無(wú)雨、每日8:00允許庫(kù)水位值表(末水位300.0m)Tab.1 The table of allowable reservoir water level at 8:00daily in Huanren basin with three days of no rain(tip water level 300.0m)

同理，可編制預(yù)見期1～7d的桓仁入庫(kù)始退水流量－水庫(kù)控泄流量－水庫(kù)每日始庫(kù)水位上限值－末水位300.0m之間關(guān)系表，形式同表1，略.

綜上，汛期洪水退水段，桓仁流域無(wú)雨(或小雨)預(yù)報(bào)的預(yù)見期1～7d，末水位300.0m，面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值見表2第4列至第10列的數(shù)值.

其中，若桓仁流域未來3d無(wú)雨，3d后桓仁庫(kù)水位降至汛限水位300.0m，面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位上限值見表2第6列數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)于表1第4列中數(shù)據(jù))；若流域未來5d無(wú)雨，5d后庫(kù)水位降至汛限水位300.0m，面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值見表2第8列數(shù)據(jù)；若流域未來7d無(wú)雨，7d后庫(kù)水位降至汛限水位300.0m，面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值見表2第10列數(shù)據(jù).

4 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表的安全性分析

4.1 安全性分析的主要內(nèi)容

桓仁水庫(kù)汛期洪水退水段實(shí)時(shí)調(diào)度中，若預(yù)報(bào)未來1～7d沒有明顯的降雨天氣系統(tǒng)(即沒有中雨以上量級(jí)降雨)，決策者期望通過調(diào)節(jié)出庫(kù)流量等于入庫(kù)流量，保持面臨庫(kù)水位不下降以利于提高水能利用率或增加汛后蓄滿率，那么未來幾天的防洪安全程度如何？如果出現(xiàn)預(yù)報(bào)失誤，預(yù)見期內(nèi)桓仁庫(kù)水位不超過汛限水位動(dòng)態(tài)控制約束域上限303.0m，水庫(kù)所控制的流域能抗御多大量級(jí)降雨量？能否保證水庫(kù)本身及上下游防洪安全？

為回答上述安全問題，需重點(diǎn)作如下分析計(jì)算，及編制應(yīng)用表(或圖)，詳見表3.

4.2 編制桓仁流域3d可抗御降雨量－面臨時(shí)刻庫(kù)水位等關(guān)系表

桓仁流域一次洪水過程的主要洪量集中在3 d內(nèi)，因此，分析桓仁水庫(kù)3d可承擔(dān)洪量、可抗御的降雨量對(duì)桓仁水庫(kù)本身及上下游防洪安全至關(guān)重要.

依據(jù)流域水量平衡原理及方程，預(yù)見期內(nèi)流域可抗御降雨量計(jì)算方程如下:

表2 預(yù)見期1～7d的桓仁水庫(kù)面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值表(末水位300.0m)Tab.2 The table of allowable current reservoir water level of Huanren reservoir with foreseeable period of 1－7days(tip water level 300.0m)

其中

以桓仁入庫(kù)始退水流量、控泄流量、庫(kù)水位上限值303.0m為約束條件，面臨時(shí)刻庫(kù)水位在300.0～303.0m，由式(2)計(jì)算桓仁流域未來3d可抗御降雨量，見表3第4列至第7列數(shù)據(jù).表3的分析結(jié)果清晰顯示了洪水退水段，在保證下游防洪安全(水庫(kù)控泄流量≤4 000m3／s)，未來3d水庫(kù)本身及上下游防洪安全程度.

由表3知，若面臨時(shí)刻庫(kù)水位300.0m，入庫(kù)始退水流量900m3／s，按控泄1 000m3／s方案，調(diào)洪高水位≤303.0m的約束下，桓仁流域未來3d降雨量不超過63.0mm(即表3第5方案欄第2行第7列加粗體數(shù)據(jù))，水庫(kù)本身及上下游防洪是安全的；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未來3d降雨量不超過76.9mm(即表3第4方案欄第3行第7列加粗體數(shù)據(jù))，水庫(kù)本身及上下游防洪是安全的；若控泄2 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御的降雨量90.8mm(見表3第3方案欄第4行第7列加粗體數(shù)據(jù))，相當(dāng)于抗御五年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御的降雨量118.6mm(見表3第2方案欄第5行第7列加粗體數(shù)據(jù))，即可抗御十年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水.

5 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表的使用

5.1 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表的使用條件

綜合分析桓仁水庫(kù)多年調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，汛期洪水退水段，桓仁入庫(kù)洪水始退水流量在2 000～500 m3／s，面臨時(shí)刻庫(kù)水位在300.0～303.0m 汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)，出庫(kù)流量在泄流能力與下游防洪要求約束范圍內(nèi)(下游第一級(jí)防洪安全泄量約束為桓仁水庫(kù)控泄4 000m3／s)，且出庫(kù)流量大于入庫(kù)流量，無(wú)雨(或小雨)預(yù)報(bào)預(yù)見期為1～7d，便具備使用汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表(包括表1、2及3等)的條件.

5.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表的應(yīng)用舉例

應(yīng)用桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表(表1、2及3)舉例:

表3 桓仁流域3d可抗御降雨量(mm)－面臨時(shí)刻庫(kù)水位－調(diào)洪高水位303.0m等之間關(guān)系表Tab.3 The table of the correlation among threeday resistible rainfall (mm)，the current reservoir water level and high flood water level 303.0min Huanren basin

若主汛期洪水退水段，已知面臨時(shí)刻8:00庫(kù)水位303.0m(汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值)，入庫(kù)退水洪水流量900m3／s，按照原設(shè)計(jì)調(diào)洪規(guī)則應(yīng)盡快降低庫(kù)水位至汛限水位300.0m，但受下游防洪安全泄量約束，水庫(kù)控泄，庫(kù)水位緩降.查表1、2及3可知:

(1)若預(yù)報(bào)未來6d流域無(wú)降雨過程，控泄1 000m3／s，面臨時(shí)刻庫(kù)水位303.0m，可保證6d后庫(kù)水位降至300.0m(見表2第4方案欄第2行第9列加粗體數(shù)據(jù))，水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)未增加(即遇強(qiáng)降雨時(shí)庫(kù)水位已降至汛限水位).

(2)若預(yù)報(bào)未來6d內(nèi)任意一日有大～暴雨，面臨時(shí)刻庫(kù)水位303.0m，高于預(yù)見期1～5d所允許控制的庫(kù)水位值300.15～302.41m(見表2第4方案欄第2行第4～8列加粗體數(shù)據(jù))，防洪有風(fēng)險(xiǎn).

若桓仁控泄流量加大至1 500m3／s，4d后庫(kù)水位可降至300.0m，即未來第5d流域發(fā)生大～暴雨，水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)未增加.

若桓仁控泄2 000m3／s，3d后庫(kù)水位可降至300.0m，未來3d逐日回落的庫(kù)水位上限值見表1第2方案欄第4行加粗體數(shù)據(jù).則未來第4d發(fā)生大～暴雨，水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)未增加.

若桓仁控泄3 000m3／s，2d后庫(kù)水位可降至300.0m，即未來第3d發(fā)生大－暴雨，水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)未增加.

(3)面臨時(shí)刻庫(kù)水位303.0m，入庫(kù)始退水流量900m3／s，若控泄1 000m3／s，在調(diào)洪高水位≤303.0m的約束下，桓仁流域未來3d可抗御29.8mm降雨量(見表3第5方案欄第2行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未來3d可抗御43.7mm降雨量(見表3第4方案欄第3行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄2 000 m3／s，桓仁流域未來3d可抗御57.6mm降雨量(見表3第3方案欄第4行第4列加粗體數(shù)據(jù))；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未來3d可抗御85.3mm降雨量(見表3第2方案欄第5行第4列加粗體數(shù)據(jù))，相當(dāng)于抗御五年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水.

后汛期的汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策方法與主汛期的類似，本文限于篇幅略.

6 結(jié) 論

(1)本文研制的“汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表”為事前編制.汛期洪水退水期，面臨時(shí)刻庫(kù)水位在汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)，由實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)的水雨工情信息，水庫(kù)調(diào)度技術(shù)人員和決策人即可使用此套表(表1、2及3)快速查算、確定庫(kù)水位實(shí)時(shí)控制方案.該套表為決策者提供了一種快速、應(yīng)急、便于操作、實(shí)用的決策工具.

(2)在約定條件下應(yīng)用汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表實(shí)時(shí)控制桓仁庫(kù)水位是安全的，即

①汛期洪水退水段，當(dāng)入庫(kù)始退水流量在2 000～500m3／s，面臨時(shí)刻庫(kù)水位處于303.0～300.0m汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)，下游防洪要求桓仁水庫(kù)出庫(kù)流量≤4 000m3／s，且出庫(kù)大于入庫(kù)流量，可根據(jù)實(shí)時(shí)和未來1～7d水雨工情預(yù)報(bào)信息，查汛限水位動(dòng)態(tài)控制決策支持表(表1、2及3)確定面臨時(shí)刻允許控制的庫(kù)水位值及出庫(kù)流量等，簡(jiǎn)潔方便制定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案.

②如果出現(xiàn)預(yù)報(bào)失誤，在不降低水庫(kù)本身及上下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提條件下，調(diào)洪高水位≤303.0m，預(yù)見期3d內(nèi)桓仁流域仍可抗御大雨～大暴雨量級(jí)的降雨量(見表3結(jié)果).

(3)基于新理念研究汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法及其應(yīng)用，是洪水資源安全利用的關(guān)鍵性前沿課題，是學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)[1～3].水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方面的研究成果已經(jīng)很多，但如何深層次地進(jìn)行應(yīng)用及應(yīng)用的可操作性一直是尚待解決的課題.本文的研究思想與方法，可為我國(guó)調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫(kù)(水電站)汛期洪水退水段庫(kù)水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制借鑒參考.

[1]王本德，周惠成，王國(guó)利，等.水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制理論與方法及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006

[2]邱瑞田，王本德，周惠成.水庫(kù)汛期限制水位動(dòng)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

[3]高 波，王銀堂，胡四一.水庫(kù)汛限水位調(diào)整與運(yùn)用[J].水科學(xué)進(jìn)展，2005，16(3):326－333