崗南、黃壁莊水庫汛限水位風(fēng)險分析

程雙虎

（河北省水文水資源勘測局，石家莊050031）

1 崗黃水庫基本情況

崗南、黃壁莊水庫（以下簡稱崗黃）是海河流域子牙河水系滹沱河中下游的兩座梯級大型水庫。崗南水庫控制流域面積1.59萬km2，總庫容17.04億m3。下游28km處為黃壁莊水庫，總庫容12.1億m3，距離石家莊市30km，崗黃水庫聯(lián)合控制流域面積2.34萬km2，占滹沱河流域面積的95%。兩座水庫功能均以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、工業(yè)和城市生活、環(huán)境供水等。兩座水庫均初建于1958年，后又經(jīng)歷了擴建、續(xù)建、除險加固等階段，目前兩座水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)均達到萬年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)。

崗黃水庫保護區(qū)為：下游25個縣（市）、1245萬人口、120萬hm2耕地，重要工礦及交通設(shè)施有：華北油田、大港油田，京廣、京九、京深等重要交通干線。崗黃水庫聯(lián)合調(diào)度曾抗御了“63·8”和“96·8”兩次特大洪水，發(fā)揮了巨大的防洪作用。崗黃水庫還是省會石家莊市和西柏坡電廠的水源地，為下游6條灌區(qū)超過20萬hm2農(nóng)田提供農(nóng)業(yè)用水。崗黃水庫作為向首都北京應(yīng)急供水工程的兩大水庫，2008～2013年向北京累計供水7.68億m3，崗黃水庫為區(qū)域經(jīng)濟社會的發(fā)展做出了很大貢獻。

2 崗黃水庫汛限水位動態(tài)控制研究的必要性

崗黃水庫擔(dān)負著流域防洪、供水等重要任務(wù)，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水庫承擔(dān)的防洪任務(wù)越來越重，興利要求也越來越高，防洪與興利的矛盾非常突出。目前水庫汛期調(diào)度采用分期汛限水位，但主汛期水庫洪水調(diào)度仍采用汛限水位 “靜態(tài)控制法”，嚴格按照設(shè)計的汛限水位進行控制，不考慮實時降雨預(yù)報和洪水預(yù)報成果，只要水庫超過汛限水位，洪水過后必須降到汛限水位，以迎接設(shè)計洪水的到來。由于流域降雨非常集中，往往集中在主汛期一兩場暴雨，庫水位降至汛限水位后，一旦再無洪水可蓄，造成水資源的極大浪費。崗黃水庫作為石家莊市水源地，每年的城市生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)很重，2008年以來崗黃水庫開始向北京供水，2009年又增加了滹沱河生態(tài)供水，崗黃水庫水資源狀況將對區(qū)域經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。為此，在確保水庫安全的前提下合理抬高與運用水庫汛限水位是緩解流域水資源供需矛盾的有效途徑。

3 崗黃水庫汛限水位動態(tài)控制實用方法

根據(jù)崗南、黃壁莊水庫除險加固建設(shè)工程完成后的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)度運行情況，在汛限水位研究方法上進行調(diào)研和探索，利用預(yù)留淤積庫容法、峰前量法、峰量不同頻率變時段同倍比放大法，結(jié)合下游河道調(diào)蓄及地下水庫實現(xiàn)水庫可控動態(tài)泄流調(diào)度法等不同方法計算汛限水位可以調(diào)整的幅度，并采用漫壩風(fēng)險分析法、隨機模擬法，對汛限水位抬高進行風(fēng)險分析。

3.1 利用預(yù)留淤積庫容法

3.1.1 基本原理

主要是依據(jù)設(shè)計洪水過程線和水庫庫容曲線，按照預(yù)先制定的調(diào)度方式進行調(diào)洪，要求萬年一遇洪水位不能超過允許最高洪水位。水庫除險加固設(shè)計中都是按照淤積一定年限后的庫容進行調(diào)度分析，崗黃水庫都剛剛完成加固，近年又沒有出現(xiàn)較大洪水，水庫淤積量不大，可利用預(yù)留的淤積庫容，為水庫實時調(diào)度中提高汛限水位提供可能。

3.1.2 汛限水位抬高分析

崗黃水庫設(shè)計洪水過程線采用1994年4月《崗南黃壁莊水庫設(shè)計洪水復(fù)核報告》中成果；庫容曲線崗南采用1989年實測資料分析到2006年庫容曲線，黃壁莊采用2004年實測庫容曲線；泄流曲線崗黃水庫按現(xiàn)有泄水建筑物的泄流能力。采用常規(guī)的三級控泄崗黃水庫洪水調(diào)度方式，崗南水庫汛限水位為192m，黃壁莊汛限水位按116，117，118m分別進行調(diào)洪演算，調(diào)洪結(jié)果如表1所示。

表1 崗黃水庫不同汛限水位調(diào)洪最高水位

由表1可以看出，崗南水庫汛限水位按192m時，萬年一遇洪水位達209.586m，與設(shè)計校核水位（209.59m）基本一致；黃壁莊水庫以允許最高洪水位128.098m控制，對于區(qū)間設(shè)計崗南相應(yīng)組合的情況，汛限水位可以調(diào)整到116m；對于區(qū)間相應(yīng)崗南設(shè)計組合的情況，汛限水位可以提高到118m?？傮w來講，崗南水庫汛限水位為192m時，黃壁莊水庫汛限水位可以調(diào)整到116m。

3.2 峰量不同頻率變時段同倍比放大法

從崗黃水庫實測洪水資料分析可以看出，歷年實測的洪水資料中洪峰和時段最大洪量同頻率遭遇的機會很少，即所謂的峰量不同頻率。按照這種性質(zhì)，用峰量變時段同倍比放大的過程線，理論上比同頻率放大的過程線洪量要小，因此汛限水位有提高的空間。根據(jù)原設(shè)計采用的黃壁莊、崗南、平山3個站的洪峰、3d洪量、6d洪量的頻率計算成果，分別采用流域已發(fā)生的1956年、1963年和1996年3場洪水作為典型年放大，得到各典型年的設(shè)計洪水過程線，依此過程線，崗南水庫按汛限水位192m，黃壁莊水庫按汛限水位113～119m進行調(diào)洪演算，得出結(jié)論如下：

（1）在遇到峰小量大的“63·8”胖型洪水時，崗南汛限水位192m時，萬年一遇的洪水位204.01m。黃壁莊汛限水位119m時，萬年最高洪水位為127.39m，低于水庫的允許最高洪水位。

（2）在遇到峰高量小的“96·8”瘦型洪水時，崗南汛限水位192m時，萬年一遇的洪水位204.61m。黃壁莊汛限水位119m時，萬年最高洪水位為126.77m，低于水庫的允許最高洪水位。

（3）在遇到峰量適中的“56·8”洪水時，崗南汛限水位192m時，萬年一遇的洪水位208.47m。黃壁莊汛限水位117m時，萬年一遇最高洪水位為127.953m；汛限水位118m時，萬年一遇最高洪水位為128.387m，高于水庫的允許最高洪水位。最不利的典型為“56·8”型洪水，黃壁莊水庫汛限水位最大提高到117m。

3.3 峰前量法

3.3.1 設(shè)計原理

在洪水過程中，在洪峰流量時刻利用洪峰流量和峰前洪量兩個要素確定該洪水的量級，不一定需要等峰后的量形成后再確定洪水的量級；這樣的峰前量法可以提前一段時間進行洪水調(diào)度。

3.3.2 調(diào)度判斷

判別條件為：當(dāng)崗南水庫入庫洪峰流量大于5年一遇（1900m3/s）時，同時其洪峰前的洪水總量達到5年一遇的最大洪峰流量前的洪量 （0.55億m3，相當(dāng)于3d洪量的24.5%，6d洪量的19.2%）時，可以判斷此洪水達到5年一遇洪水，洪水調(diào)度可以提前進入下一級調(diào)度，即由與區(qū)間湊泄400m3/s變?yōu)榕c區(qū)間湊泄800m3/s；同樣遇洪峰及洪峰前的洪量達到10年、50年的控制條件時，可提前進入下一級調(diào)度。

采用平山為條件，可以判斷區(qū)間來水達到5年、10年、50年等控泄條件時的洪水，利用黃壁莊水庫設(shè)計洪峰流量和設(shè)計最大洪峰前的洪水總量進行判斷，確定洪水量級：5年控泄 400m3/s，10年控泄800m3/s，50 年控泄 3300m3/s。

表2 崗南水庫及區(qū)間設(shè)計洪水峰前量法判別條件

3.3.3 調(diào)度成果

采用 “峰前量法”調(diào)度，崗南水庫汛限水位192m時，對于崗南設(shè)計區(qū)間相應(yīng)情況，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到119m以上，對于崗南相應(yīng)區(qū)間設(shè)計情況，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到118m。

3.4 水庫可控動態(tài)泄流調(diào)度法

3.4.1 設(shè)計原理

黃壁莊水庫下游入滲條件較好，存在一個面積400km2的地下調(diào)節(jié)水庫，水庫的泄流經(jīng)過滹沱河河道，經(jīng)河槽調(diào)蓄和補充地下水，洪峰和洪量都有很大損失。在滿足同一標(biāo)準(zhǔn)河道規(guī)定流量情況下，水庫可以加大下泄流量，以此原理，調(diào)整水庫汛限水位動態(tài)控制所需要的泄量。

3.4.2 利用河道調(diào)蓄功能加大泄流方案

在制定方案時，對于低標(biāo)準(zhǔn)洪水可以減少泄量，體現(xiàn)洪水資源的利用。對于預(yù)報洪水達到規(guī)定的洪水標(biāo)準(zhǔn)時，可以通過增加泄量，降低洪水位，本次采用設(shè)計洪水位和校核洪水位控制，根據(jù)水庫實際情況制定3種泄流方案，對3種方案按崗南汛限水位192m，黃壁莊為115～119m時分別進行調(diào)洪演算，調(diào)洪成果見表3。

表3 不同泄流方案萬年一遇最高洪水位 單位：m

3.4.2.1 預(yù)蓄后超泄型（方案1）

5年以下洪水控泄200m3/s，5～10年水庫控泄400m3/s，10～50 年控泄 4000m3/s。此方案在低標(biāo)準(zhǔn)洪水時，先進行蓄水，滿足洪水資源化，當(dāng)預(yù)報洪水達到規(guī)定的洪水標(biāo)準(zhǔn)時，再增加泄量。由萬年一遇洪水控制，黃壁莊汛限水位可以達到118m以上。

3.4.2.2 預(yù)蓄中超后常規(guī)型（方案2）

5年以下洪水控泄 200m3/s，5～10年水庫控泄1200m3/s，10～50年控泄 3300m3/s。 由萬年一遇洪水控制，黃壁莊汛限水位可以達到116m上。

3.4.2.3 超泄型（方案3）

5年以下洪水控泄 800m3/s，5～10年水庫控泄1200m3/s，10～50年控泄 4000m3/s， 此方案充分利用河道的調(diào)蓄功能，在每個時段都超泄，當(dāng)黃壁莊汛限水位即便是119m時，水庫萬年最高洪水位才到127.5359m，遠遠低于允許值128.098m。

4 水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析

4.1 隨機模擬法

根據(jù)水庫歷年洪水特征值之間相互獨立的特性，采用自回歸模型以1956年洪水為典型洪水過程隨機模擬了1萬組崗南與區(qū)間洪水組合，分別組成了入庫洪水序列，對不同汛限水位調(diào)整方案，分別進行防洪風(fēng)險計算，得出以下結(jié)論：

（1）崗南水庫汛限水位變化對黃壁莊的防洪風(fēng)險影響很大，而其自身的風(fēng)險卻變化不大，這是由兩水庫聯(lián)合調(diào)度方式?jīng)Q定的。當(dāng)遭遇大洪水時，按照水庫調(diào)度規(guī)程，一旦庫水位超過203m時，水庫敞泄，這就相當(dāng)于把崗南自身的風(fēng)險轉(zhuǎn)嫁給了下游的黃壁莊水庫，因此導(dǎo)致黃壁莊水庫風(fēng)險增大。當(dāng)崗南水庫汛限水位提高至193m時，黃壁莊水庫超過設(shè)計洪水位的風(fēng)險迅速增大，此時黃壁莊水庫的設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)由接近500年一遇降為300年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)由萬年一遇降為5000年一遇。因此，在進行崗南、黃壁莊水庫汛限水位調(diào)整時，對于崗南水庫，要慎之又慎，盡量使其汛限水位保持不變，以保證下游黃壁莊水庫的防洪安全。

（2）黃壁莊水庫汛限水位的變化對崗南水庫的防洪風(fēng)險影響較小，因此，黃壁莊水庫調(diào)整汛限水位主要考慮其自身防洪風(fēng)險的變化情況即可。當(dāng)黃壁莊水庫汛限水位增至115m時，其相應(yīng)的設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)降為400年一遇，增至115.5m時，降為約200年一遇，對其防洪安全影響很大，同時，當(dāng)汛限水位提高至115m時，水庫及下游的防洪危險度也開始迅速增大。故黃壁莊水庫汛限水位調(diào)整，應(yīng)該嚴格控制，不宜超過115.5m。

4.2 漫壩風(fēng)險分析法

當(dāng)崗南汛限水位192m，黃壁莊水庫汛限水位由114m抬高至116m時，水庫漫壩風(fēng)險均低于10-6數(shù)量級，可以接受。按照可接受程度，黃壁莊汛限水位不宜超過116m。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

崗黃汛限水位研究符合新時期水利發(fā)展要求，可以充分利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源，大大提高了水庫蓄水能力。本研究采用了國內(nèi)外多種前沿方法如漫壩風(fēng)險分析法、隨機模擬法等，并進行創(chuàng)新研究如結(jié)合下游河道調(diào)蓄削峰及地下水庫減量實現(xiàn)水庫可控動態(tài)泄流調(diào)度法等，這些研究方法互為補充，在理論上對水庫汛限水位研究與設(shè)計進行了有益嘗試，對于北方缺水地區(qū)水庫汛限水位調(diào)整具有很高的理論推廣價值。

本文經(jīng)過研究分析，崗南保持汛限水位192m不變，黃壁莊水庫汛限水位可以提高至115.5m。黃壁莊水庫近幾年來，采用汛限水位研究中間成果，汛限水位由114m提高至115m，累計減少汛前和汛期棄水1.26億m3，水庫在連續(xù)枯水年仍能滿足各用水戶用水需求，發(fā)揮了穩(wěn)定的經(jīng)濟效益。尤其是在2007年和2008年主汛期調(diào)度中，水庫主汛期按115m汛限水位進行調(diào)度，減少了汛期棄水0.9億m3，在一定程度上緩解了春季大旱對農(nóng)業(yè)灌溉的影響，也為北京應(yīng)急供水儲備了足夠的水源，有效緩解了流域水資源短缺問題。

5.2 展望

崗黃水庫汛限水位動態(tài)控制研究的目的，是在確保水庫防洪安全的前提下，科學(xué)利用洪水資源。為此，研究應(yīng)用過程要遵照有關(guān)防洪安全的基本思想、原則與要求，要充分論證研究的科學(xué)性，要在以后調(diào)度實踐中多總結(jié)經(jīng)驗，這對于提高水庫科學(xué)管理水平，合理利用洪水資源，充分發(fā)揮水庫防洪興利綜合效益具有重要的理論意義和實用價值。應(yīng)該指出，本次研究成果只是初步的，以后隨著工作的深入和科學(xué)技術(shù)的進步，還需要進行深入研究：

（1）應(yīng)根據(jù)研究成果進一步明確水庫防洪調(diào)度的判別條件與調(diào)度方式，編制水庫調(diào)度規(guī)程，在確保水庫防洪安全的前提下科學(xué)調(diào)度。

（2）對崗黃水庫汛限水位動態(tài)控制的效益與風(fēng)險分析進行深入研究。

（3）以后隨著降雨、洪水預(yù)報技術(shù)的提高，可利用信息的增加，對汛限水位動態(tài)控制進行深入研究，黃壁莊水庫汛限水位可以提高到116m。

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