基于水庫分期汛限水位的研究設計分析

肇 磊

(遼寧省葠窩水庫管理局，遼寧 遼陽111000)

0 前 言

從分期頻率與年頻率之間的關系看，當前分期汛限水位法未能達到指定防洪標準，而通過優(yōu)化設計后，在不降低水庫防洪標準的條件下，依據(jù)分期設計洪水調洪計算結果，優(yōu)化分期汛限水位的模型和算法，發(fā)現(xiàn)這種模型通過略降低主汛期汛限水位，能夠取得可觀的防洪效益，且大幅度抬高了訊末期的汛限水位，進而提升了水庫汛期的興利性，可最大限度利用洪水資源［1］。下面本文以本溪桓仁桓龍湖水庫為例闡述這一情況。

1 水庫概況

本溪桓仁桓龍湖是遼寧省最大的水庫，距桓仁縣城6 km，水庫沿線長81 km，水域面積3 200 hm2，庫容量34.6 億m3。該水庫涉及到的各項防洪參數(shù)如下表1. 倘若汛限水位達到99 m，則水庫容量可達到15.6 m3，并且洪水庫容的預留時期在每一年的6—8月。

本溪范圍內(nèi)的降水量時空分布不均衡，且每年的旱澇災害接連不斷，加之當?shù)仉娏ω摵汕闆r不良，桓仁桓龍湖水庫作為遼寧省最大水力發(fā)電廠，不可避免地產(chǎn)生防治洪水與有效發(fā)電的矛盾。當防洪水庫較安全時，用分期汛限水位法管理水庫汛期的運行，可借助洪水資源調節(jié)防洪與發(fā)電之間的矛盾，有重要作用［2］。本溪桓仁桓龍湖特征參數(shù)見表1。

表1 本溪桓仁桓龍湖特征參數(shù)

本文重點研究分析水庫6—9月的調度，現(xiàn)將其分成6月、7月1日—7月20日、7月21日—8月31日、9月4個時間段，計算出各段時間內(nèi)的洪水。通過認真分析可知水庫汛限水位在94 ～106 m適宜。水庫的主要作用是發(fā)電，故在優(yōu)化設計過程中重視這一點。在每年汛期，該水庫初始水位一樣，預定好不同分期的汛限水位，利用模型測算出入庫流量帶來的發(fā)電效益。具體指的是①分期期限內(nèi)一年平均發(fā)電量;②總獲水量，因為水庫平均水頭約為40 m，根據(jù)9 m3/kW·h公式將消耗的水資源轉化成電能，進一步推算出汛限水位不同時獲得的發(fā)電效益。

但必須注意需要將6月初、9月末的總水量差轉化成電能后再計算，若片面考慮總水量忽視水頭不同，故在計算發(fā)電效益時不包括汛末水位導致的水能變化。依照調洪演算具體要求，9月份汛限水位宜＜102 m。鑒于優(yōu)化設計過程中牽涉的4個變量目標復雜，必須用Powell 算法得出一定范圍內(nèi)的最優(yōu)解，具體優(yōu)化設計圖如圖1。

圖1 分期汛限水位優(yōu)化設計圖

2 分期汛限水位優(yōu)化設計模型

汛期水位不但是調節(jié)防洪與水利關系的重點，還對庫內(nèi)引水位抬高、泥沙淤積、水庫淹沒指標等密切相關，故需要參考各種方案的計算結果具體的工程開發(fā)條件進行全方位比較分析以后選擇。防洪目標以不降低防洪標準為基礎，以興利效益最大化為目標，得出分期汛限水位優(yōu)化設計目標函數(shù)即:

其中:fk(X)k =1.2.3 表示不同目標數(shù)值，X 表示分期汛限水位方案，n 表示目標值個數(shù)。

2.1 約束條件

運用水庫汛限水位設計，以不降低水庫防洪標準為基準，加入約束條件通過分期頻率計算出年頻率，確保不降低年防洪標準。按照不同防洪要求，設計出的防洪標準分為一級或者設計與校核兩級。其中防洪保護對象可以分成:①自身防洪能力差;②確保防洪對象安全的各相關方;③受到嚴重的洪水威脅需自保。

在防洪過程中，必須考慮都的防洪標準為:①庫區(qū)淹沒;②下游河道安全的洪流量，分成幾級控制;③確定是永久性水工洪水，用原來設計汛限水位計算出年最大設計洪水量，實施定量估計。將分期汛限水位優(yōu)化設計約束條件表示為:

式中:Rk(X)表示防洪標準，用風險率%表示，它的估計率標準數(shù)值用獨立組合式表示;R0為事先預定的防洪標準;X0表示原防洪風險概率。

2.2 計算風險率

如果將汛限水位當成調節(jié)水位，設計出在某一頻率條件的調洪力度，調洪所需的出庫流量最大數(shù)值。水位，若將與汛限水位相應的防洪標準風險概率設定為數(shù)值P。給出在不同頻率段的洪水流程變化曲線，其和臨界流量保持一致，采用試計算方法估計汛限水位在各種防洪標準條件下的防洪風險概率，在明確某一汛限水位以后，利用各汛限水位防洪風險概率插值計算出防洪風險概率。

3 結果分析

1)優(yōu)化設計防洪標準，在給年防洪標準的情況下進行優(yōu)化計算，分析不同組合條件下的分期汛限水位設計結果可知:不管采用哪一種組合方式，得到的汛限期間水位都有以下幾點表現(xiàn):洪水每年頻繁出現(xiàn)，其中洪水量最大主要集中在7月21日—8月31日時間分期內(nèi)，這段時期汛限水位最低，6月的汛限水位最高。

2)比較分析獨立組合與保守組合可知，在7月21日—8月31日時間分期內(nèi)，保守組合與獨立組合相比，汛限水位約降低0.1 m，發(fā)電效益降低500 000 kW·h。進一步推理可知保守組合可能會降低水庫效益，有一定的保守性，能夠保證水庫達到預定防洪標準，但是獨立組合則不然。

3)將報告設計作為基礎進一步優(yōu)化設計。按照報告中分期汛限水位設計方案，用獨立組合預測風險概率，并將其當作約束條件不斷優(yōu)化設計，得出結果。①在各個分期中，7月21日—8月31日期間的設計洪水數(shù)值最大，優(yōu)化設計得出的分期汛限水位方案在7月21日—8月31日期間內(nèi)水位運行降低2.0 m的條件下，能夠取得防洪效益。而在未降低水庫防洪標準的情況下，6月份與7月1日—7月20日的汛限水位分別提升3.2 ～2.2 m。比較各個不同分期獲得防洪水利效益，降低汛限水位主要在主汛期，在一定程度上可提升分期汛限水位高度。②在7月21日—8月31日期間可能損失部分電能，此時在6月，7月1日—7月20日會得到最大限度補償，優(yōu)化設計后在6—9月的發(fā)電量和原來設計相比增加幅度達到1.54%，符合水庫防洪標準，進一步提高了水庫經(jīng)濟效益。

［1］鄧輝. 萬家寨水庫汛期防洪調度風險分析［J］. 水資源與水工程學報，2008，19(05):61－64.

［2］何曉燕，黃金池. 對水庫汛限水位動態(tài)控制風險分析的認識［J］. 大壩與安全，2010(06):27－30.