水口水庫汛限水位動態(tài)控制調度風險防范措施探討

池惠??

摘要：水口電站水庫具有不完全季調節(jié)性能，自2002年以來開展了汛限水位動態(tài)控制調度的有益探索與嘗試，2008年6月被正式批準為全國第二批試點水庫，試運行至今已取得很好的綜合效益，但應對所隱含的安全風險加以防范與轉化。本文主要分析了水口水庫汛限水位實行動態(tài)控制運行可能產(chǎn)生的防洪安全風險，并就風險防范與控制措施進行了分析探討，可供今后實際調度運用時參考。

關鍵詞：汛限水位；動態(tài)控制；安全風險；防范措施；水口水庫

水口水電站總裝機容量140萬kW，是以發(fā)電為主，兼有航運等綜合效益的大型水電樞紐工程，壩址位于閩江干流閩清縣安仁溪河段。電站水庫多年平均徑流量533億m3，正常蓄水位65.0m，發(fā)電削落水位57.0m，主汛期（ 4～7月）原設計防洪限制水位61.0m，相應的興利庫容3.2億m3，防洪興利兩用庫容3.8億m3，調節(jié)性能差。由于閩江洪水來量大，嚴格按原設計的汛限水位進行靜態(tài)控制運用，常出現(xiàn)次洪水資源大量浪費而洪后又面臨航運等綜合用水緊張的現(xiàn)象，工程效益沒有得到最大程度的充分發(fā)揮。

水口電站水情自動測報系統(tǒng)于1994年汛期建成投運，通過不斷的技改完善與加強運行維護管理，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，于2000年首家順利通過原國家電力公司實用化驗收，2009年福建省水利水電勘測設計研究院通過綜合分析認為該系統(tǒng)洪水預報精度、方案合格率均達到了國內先進水平；此外，電站還建有氣象衛(wèi)星云圖系統(tǒng)，還常年委托省專業(yè)氣象臺逐日提供短期降水預報及臺風等災害性天氣預報，這些均為實行水口水庫汛限水位動態(tài)控制運用打好了堅實基礎。

經(jīng)過多年有益的探索與嘗試，2008年6月水口水庫被國家防總辦正式批準為全國第二批汛限水位動態(tài)控制試點水庫，2009年10月與2010年11月水口水庫汛限水位動態(tài)控制研究報告分別通過福建省防汛抗旱指揮部、水利部水利水電設計規(guī)劃研究總院主持的審查批復，至2016年試運行已累計多攔蓄洪量52.95億m3，實現(xiàn)節(jié)水增發(fā)電量8.08億kW·h。研究及試運行均表明，水口水庫利用部分防洪興利兩用庫容實行汛限水位動態(tài)控制運用是可行的，其綜合效益明顯，但也隱含一定的防洪安全風險。本文主要對水口水庫汛限水位動態(tài)控制運用的風險防范與轉化措施進行了分析探討，以求在充分發(fā)揮綜合效益的同時，盡量減少調度安全風險。

1 防洪安全風險分析

水口水庫防洪對象主要是其樞紐工程、上游庫區(qū)各防護對象及下游沿江兩岸。設計規(guī)定，電站防洪任務的特點是以確保大壩樞紐本身安全為主，正常運行時應保證庫區(qū)農田、移民、南平市中心、外福鐵路分別在50%、5%、2%、1%洪水標準下不受淹沒影響，并以不惡化下游防洪條件為原則。要實現(xiàn)次洪調度的安全，需同時滿足各防洪對象的防洪要求。

主汛期利用部分防洪興利兩用庫容實行汛限水位動態(tài)控制運用，與汛限水位靜態(tài)控制法相比，改變了水庫原設計調度邊界條件，但防洪邊界條件保持不變，其風險主要體現(xiàn)在水庫超原設計值“預蓄”后，由于預報誤差或人為因素等原因，庫水位無法在后續(xù)次洪調洪過程中按預期回落到相應的能保證庫區(qū)防洪安全的壩上允許最高洪水位以下，致使調洪水位高于設計許可值，出現(xiàn)庫區(qū)臨時淹沒，甚至危及工程安全；或在后續(xù)次洪“預泄”過程中，為盡快削落水庫的“預蓄”水位，過分加大出流，造成最大出庫流量大于入庫洪峰值等現(xiàn)象，人為增加了下游防洪負擔，甚至釀成洪災。

以上分析表明，水口水庫汛限水位動態(tài)管理可能產(chǎn)生的防洪安全風險是客觀存在的，必須在運用時采取科學有效的措施加以防范。

2 風險防范措施探討

因大壩樞紐和上游庫區(qū)的防洪要求主要體現(xiàn)在庫水位上，而發(fā)電廠房和下游沿江的防洪要求主要反映在出庫流量上，結合水口水庫的防洪特點，防范水庫汛限水位動態(tài)控制運用的安全風險，主要是在不惡化下游防洪條件的前提下，確保水庫的“預蓄”水位在次洪調洪過程中均回落至相應的壩上允許最高洪水位以下。

2.1 按預泄能力約束法合理確定動態(tài)控制運用的上限值

綜合水口水庫回水恒定流計算成果，為保證庫區(qū)防洪安全，水庫入庫流量達到16780～29200m3/s之間時，必須控制壩上庫水位不高于61.0m；隨著入庫流量的減小，相應的壩上允許最高洪水位將逐漸增大，直至達到正常高水位65.0m。亦即僅靜態(tài)地從庫區(qū)回水安全角度考慮，水口水庫可依據(jù)入庫流量的大小，利用庫水位61.0～65.0m之間的全部防洪興利兩用庫容，實行汛限水位動態(tài)管理運用，其上限值可達65.0m。

但水庫超原設計預蓄運用后，必須保證在所有突發(fā)性暴雨洪水來臨前，可通過采取“預報預泄”調度措施，將庫水位削落到安全的起調水位以下。選擇水口水庫各種特性的歷史洪水，按規(guī)范要求進行汛期劃分再細分及分期洪水設計，并考慮到洪水預報誤差事先的未知性，為保證最大出庫流量不超過入庫洪峰流量，依據(jù)水口水情測報系統(tǒng)歷史上曾出現(xiàn)的最大作業(yè)預報誤差，預泄值統(tǒng)一按最大正誤差考慮折算系數(shù)、而實際預報值卻偏小最大的最不利組合，來分析基本預見期12h條件下的水庫預泄能力，分析計算表明，當水口水庫汛限水位動態(tài)控制下限值采用61.0m和上限值為前汛期（4月1日～4月30日）6275m、主汛期（5月1日～7月10日）62.5m，后汛期（7月11日～7月31日）63.5m時，都可在入庫流量16780m3/s處將壩上水位降至61.0m，且各時刻庫水位均不會超過相應的壩上允許最高洪水位。

由此可見，僅依靠現(xiàn)有洪水預報條件，近階段水口水庫汛限水位實行動態(tài)控制運用的上限值前汛期（4月1日～4月30日）不宜超過62.75m，主汛期（5月1日～7月10日）不宜超過62.5m，后汛期（7月11日～7月31日）不宜超過63.5m；否則，水庫超上限值預蓄后，部分次洪在調洪過程中，有可能無法將庫水位均削落至相應的壩上允許最高洪水位以下，造成庫區(qū)臨時淹沒。

2.2 結合水能優(yōu)化利用要求選擇最適宜的運用時間

為分析水口水庫汛限水位動態(tài)控制運用后的水能優(yōu)化利用方式，選擇設計提供的豐水代表年1962年、枯水年1963年、平水年1969和1982年的主汛期逐日徑流資料，在原設計的電力調度圖基礎上，分側重于利用水頭（以分期動態(tài)控制上限值為上基本調度線）、或側重于利用水量（以發(fā)電削落水位57.0m為上基本調度線）、或直接以靜態(tài)汛限水位61.0m為上基本調度線等三種水能利用方式推算設計電量，對主汛期實行動態(tài)汛限控制后的發(fā)電效益進行分析對比，結果見下表。

從上表可知，水口水庫汛限水位實行動態(tài)控制運用后，片面追求水頭或水量利用最大化都不能達到發(fā)電量最大的目的，而庫水位在靜態(tài)汛限水位61.0m以上時側重利用水量、在61.0m以下時側重利用水頭的運用方式，可更充分發(fā)揮工程的發(fā)電效益。對于航運用水而言，水庫汛限水位實行動態(tài)控制運用后，庫水位在61.0m以上時側重于水量利用，顯然可增加通航天數(shù)，與電站發(fā)電利益相統(tǒng)一。

利用該成果進一步分析，水口水庫汛限水位實行動態(tài)控制運用的最適宜時間是次洪退水段及洪后一段時間，而非整個主汛期，即選擇在次洪退水段回蓄靜態(tài)汛限水位61.0m以上庫容，洪后通過加大發(fā)電滿足航運等綜合用水要求，盡快削落庫水位至61.0m以下，等待下一場洪水來臨。這樣，既實現(xiàn)了水庫水能資源的優(yōu)化利用，又將航運發(fā)電等綜合用水要求與汛限水位動態(tài)控制的風險控制有機結合了起來。

2.3 根據(jù)洪水退水規(guī)律把握最佳的運用回蓄時機

次洪退水段攔洪“預蓄”靜態(tài)汛限水位61.0m以上庫容時，若在較大退水流量處開始回蓄，則可能由于出現(xiàn)連續(xù)洪水而增加防洪風險；如在較小退水流量處開始回蓄，又面臨可能無法蓄滿的風險，必須利用水庫洪水退水規(guī)律加以指導。

借用竹歧站的歷史水文資料與水口建庫后的洪水退水資料，并利用設計單位提供的兩站洪峰相關關系，綜合分析出水口水庫的退水上下包曲線，結合近年來水口電站主汛期棄水期間的發(fā)電流量資料，考慮出庫流量均勻減少的約束要求后，可推算出水口水庫退水流量與最小可供回蓄水量之間的關系。結果表明，在退水流量12000、10000、9000、8000m3/s處開始回蓄，一般均能分別回蓄庫水位3、2、1.5、1m以上。

根據(jù)這種退水流量與最小可供回蓄水量之間的關系，在次洪退水段實時調度中，只要明確水庫汛限水位動態(tài)控制運用的上限值，就可較準確地把握好最佳的回蓄時機，有效地減少工程防洪或無法蓄滿風險。

2.4 依據(jù)短期降水預報成果靈活修正動態(tài)控制運用的上限值

在按預泄能力約束法確定水口水庫汛限水位動態(tài)管理運用的上限值時，主要是根據(jù)流域分期洪水規(guī)律與現(xiàn)有預報條件分析水庫預泄能力，充分考慮原設計要求承擔的防洪任務后，綜合確定出的研究設計成果，并未考慮天氣預報對水庫預泄騰庫的作用。但短期降水預報在實時調度中，仍具有較高的參考價值，可用來靈活修正次洪過后的“預蓄”水位上限值，從而達到控制汛限水位動態(tài)控制運用期間出現(xiàn)連續(xù)性洪水時防洪風險的目的。

近年來，我公司均委托省氣象臺逐日提供未來三日內上游流域的降水預報信息，經(jīng)檢驗具有較高的實用價值。根據(jù)流域產(chǎn)匯流規(guī)律分析，在主汛期（4～7月份）的次洪退水段攔洪回蓄調度中，若上游流域土壤濕潤，當短期預報后續(xù)降水面雨量區(qū)間中值小于30mm時宜適當超蓄調度運用，面雨量區(qū)間中值達40mm時宜控制庫水位61.0m附近運行，面雨量區(qū)間中值大于40mm時可控制庫水位低于61.0m運行；若上游流域土壤基本蓄滿，當短期預報后續(xù)降水面雨量區(qū)間中值小于20mm時宜適當超蓄調度運用，面雨量區(qū)間中值達25mm時宜控制庫水位61.0m附近運行，面雨量區(qū)間中值大于30mm時可控制庫水位低于61.0m運行，以規(guī)避不必要的防洪風險。

在實時調度階段，還應依據(jù)雨水情實況及演變趨勢，結合全廠機組滿發(fā)流量、預測的洪水歷時等變化情況，不斷修正調整攔洪回蓄的庫水位高程及運行方案；若預測的入庫洪量偏小，須適時依據(jù)洪水預報成果實施“預泄騰庫”調度，盡快消落庫水位，并使后續(xù)調洪水位均低于相應的允許最高洪水位；若后續(xù)天氣發(fā)展趨勢不明朗，則應依據(jù)“安全第一”的原則，按預測的最不利情況，及時做好防范工作，或干脆直接將庫水位削落至61m高程處，以確保防洪調度安全。

2.5 采取“預泄騰庫”調度將“預蓄”水位削落至允許洪水位以下

在次洪退水段，水口水庫汛限水位實行動態(tài)控制運用后，應盡量保持電站全廠機組滿發(fā)，盡快將庫水位削落至汛限水位動態(tài)控制下限值61.0m以下。若汛限水位動態(tài)控制運用期間，發(fā)生突發(fā)性或降水預報偏小的暴雨洪水，據(jù)洪水預報成果預測預見期內僅靠發(fā)電用水將導致超蓄時，則必須及時開閘泄水，實施“預泄騰庫”調度盡快削落庫水位，并使后續(xù)洪水調洪過程中庫水位均低于各入庫流量相應的壩上允許最高洪水位。

采用“預泄騰庫”調度措施削落水庫水位，應以不惡化下游的防洪條件為原則，即盡可能按入庫次洪形狀提前放水，避免加大出庫流量過程的漲落率，并保證最大出庫流量不大于入庫洪峰流量。因此，在確定預泄流量時，要充分計及可能的預報誤差，留有足夠的安全余度，統(tǒng)籌兼顧樞紐工程和上下游沿江的防洪要求。

準確的水文氣象預報成果，是保證“預泄騰庫”調度安全及實現(xiàn)預期騰庫目標的關鍵。日常工作中要加強水情測報系統(tǒng)的管理與維護，不斷提高系統(tǒng)可靠性和預報精度；同時，還應注意與防汛、水文、氣象部門聯(lián)系溝通，努力實現(xiàn)水文氣象測預報信息的共享，進一步提高洪水測預報信息來源的保障程度。

3 結語

水口水庫實行汛限水位動態(tài)控制運行，可提高洪水資源的利用程度，具有很好的綜合效益，但也存在一定的防洪風險，應積極采取有效的調度措施加以控制與轉化。本文主要對可能產(chǎn)生的風險進行了分析，并從流域工程特性、水文氣象預報條件等角度，對水庫汛限水位實行動態(tài)控制運行的風險防范措施進行了全面探討，可供實際運用時參考。次洪實時調度中，特別是天氣發(fā)展趨勢不明朗時，應依據(jù)“興利服從防洪”的原則，按預測的最不利情況，科學穩(wěn)妥地做好防洪調度工作，確保防洪安全。