基于實(shí)時(shí)水情信息的水庫防洪調(diào)度研究

耿貴江

(沈陽市應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心，沈陽 110001)

0 引 言

由于在設(shè)計(jì)階段無法有效預(yù)測水庫的洪水預(yù)報(bào)成果和運(yùn)行管理階段的管理水平，因此設(shè)計(jì)階段與運(yùn)行階段的防洪水庫工程調(diào)度方式存在較大的差異[1-5]。考慮到山區(qū)性河流洪水過程的不確定性特征，一般選用固泄方式確定設(shè)計(jì)階段的防洪庫容，從而使得水利樞紐工程的淹沒投資、建設(shè)成本和防洪庫容偏大。水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度是在區(qū)間洪峰來臨之前或洪峰過后，結(jié)合水庫下游區(qū)間未來洪水信息及時(shí)減少或增大水庫的泄量，從而保證組合的區(qū)間洪水流量與水庫泄量在下游控制斷面安全泄量的范圍以內(nèi)。較固定泄流方式，考慮了區(qū)間未來信息的水庫防洪庫容較小，但下游的防洪風(fēng)險(xiǎn)受不確定性洪水信息影響將會(huì)增加。由于不確定性區(qū)間洪水未來信息，在區(qū)間面積不大的設(shè)計(jì)階段水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度一般較少采用。所以，科學(xué)評估防洪補(bǔ)償調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)以及識(shí)別、量化不確定因子，可為提高防洪庫容設(shè)計(jì)精度和防洪調(diào)度優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)[6-7]。

鑒于此，通過分析洪水設(shè)計(jì)地區(qū)組成成果和水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度規(guī)則，對區(qū)間洪水過程依托設(shè)計(jì)頻率洪水和控制斷面實(shí)時(shí)水情信息進(jìn)行量化，對設(shè)計(jì)階段的防洪庫容優(yōu)化調(diào)度提出簡單易行的方法，將其應(yīng)用于沈陽市境內(nèi)的石佛寺水庫，以期為其他類似水庫的防洪設(shè)計(jì)和工程投資控制提供一定決策依據(jù)。

1 擬定水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度規(guī)則

水庫防洪調(diào)度規(guī)則的制定依據(jù)為基于防洪標(biāo)準(zhǔn)頻率的區(qū)間設(shè)計(jì)洪水過程，設(shè)定的參數(shù)包括區(qū)間峰現(xiàn)與洪水時(shí)間、防洪控制斷面洪水及壩址洪水，選取下游防洪控制斷面安全流量、區(qū)間水庫泄量和洪水流量作為判斷指標(biāo)。

以防洪控制斷面的安全泄量為標(biāo)準(zhǔn)，合理設(shè)置到達(dá)下游防洪控制斷面時(shí)區(qū)間洪水與水庫謝亮組合后的最大流量。其中，防洪控制斷面流量由于不成功的區(qū)間洪水過程補(bǔ)償調(diào)度而超過安全泄量，為水利樞紐防洪調(diào)度的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源。

2 識(shí)別和量化不確定因子

2.1 不確定因子的識(shí)別

防洪調(diào)度、洪水傳播時(shí)間和區(qū)間未來洪水過程滯時(shí)為防洪補(bǔ)償調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵性不確定因子，其中引起補(bǔ)償調(diào)度不成功的時(shí)間因素為隨機(jī)性特征。河道的槽蓄作用對于山區(qū)性小流域并不明顯，在傳播過程中洪水的時(shí)間變化存在較強(qiáng)的規(guī)律性，因此洪水傳播時(shí)間很容易通過分析確定；隨著汛前防汛檢查和水利自動(dòng)化信息的普及，水庫調(diào)度中可靈活調(diào)度閘門，調(diào)度滯時(shí)因子的不確定性基本上均可得以解決。所以，山區(qū)性流域的水庫防洪調(diào)度的不確定因子以區(qū)間洪水為主。

在無法改變不確定因子隨機(jī)性特征的情況下，為降低不確定性因子的影響可采取減小錯(cuò)峰流量、延長錯(cuò)峰歷時(shí)等措施，由此實(shí)現(xiàn)降低錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的目的；然而，相比固定泄流方式會(huì)占用較多的水庫防洪庫容，能夠在一定程度上降低訊限水位。圖1反映了錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率Pf與訊限水位Zx、錯(cuò)峰流量Qc、錯(cuò)峰歷時(shí)之間的關(guān)系，其中Zx0、Qc0、TL0分別為固定泄流調(diào)度的訊限水位、初始方案的錯(cuò)峰流量與錯(cuò)峰歷時(shí)。

(a)錯(cuò)峰歷時(shí) (b)錯(cuò)峰流量 (c)訊限水位

圖1 關(guān)系曲線圖

2.2 不確定因子的量化

若沒有設(shè)定一定的安全儲(chǔ)備，則在防洪補(bǔ)償調(diào)度通常存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，所以量化的不確定因子必須賦予相應(yīng)的安全儲(chǔ)備。為保證考慮安全儲(chǔ)備時(shí)的防洪調(diào)度應(yīng)用程度，可直接利用分析成果作為洪水傳播時(shí)間，結(jié)合具體情況設(shè)定調(diào)度滯時(shí)安全值。具體如下：

1)區(qū)間洪水的當(dāng)前時(shí)刻量化。控制斷面當(dāng)前時(shí)刻的流量根據(jù)水位變化與防洪控制斷面水位信息關(guān)系推算，當(dāng)前時(shí)刻流量結(jié)合水庫實(shí)際下泄流量和傳播時(shí)間分析結(jié)果進(jìn)行反推，由此得到實(shí)際流量。

2)區(qū)間洪水的未來時(shí)刻量化。安全系數(shù)乘以頻率洪水漲幅加上當(dāng)前時(shí)刻洪水量值，即為區(qū)間下一時(shí)刻在洪水漲水段時(shí)的量值；而下一時(shí)刻在區(qū)間洪水退水段的流量取值，即為實(shí)際出現(xiàn)的當(dāng)前時(shí)刻區(qū)間洪水流量，相應(yīng)的計(jì)算方法如下：

漲水時(shí)段：

Q區(qū)間i+T=min(Q區(qū)間i+Q區(qū)間設(shè)max(P)×T×K，Q區(qū)間設(shè)max(P))

(1)

退水時(shí)段：

Q區(qū)間i+T=min(Q區(qū)間i，Q區(qū)間設(shè)max(P))

(2)

式中：Q區(qū)間i、Q區(qū)間i+T分別為當(dāng)前時(shí)刻i和區(qū)間T小時(shí)的流量；T、K為控制斷面至壩址傳播時(shí)間和安全系數(shù)，K值一般取1.0-1.2；Q區(qū)間設(shè)max(P)為設(shè)計(jì)頻率的區(qū)間洪水峰值。

3 實(shí)例分析

石佛寺水庫位于遼河下游干流，壩址以上集水面積16.48km2，防洪庫容1.60×108m3，總庫容1.85×108m3，屬于一座典型的河道型大型水利樞紐工程，在工農(nóng)業(yè)供水、發(fā)電、防洪等方面發(fā)揮著不可替代的作用。該水庫2005年完成主體施工，主要有穿壩建筑物、泄洪閘、主副壩等構(gòu)成，其中主、副壩長29.9km和12.4km，水庫泄洪閘16孔，總寬248.5m，設(shè)計(jì)洪水為50.22m。地理位置為E120°26′-124°15′，N41°8′-42°11′，地處大陸性氣候區(qū)，冬季寒冷漫長、秋季短促多峰，年均溫度8.0℃，年均降水量721.9mm且多集中于7-9月。

沈陽市沈北新區(qū)河口為防洪控制斷面，防洪控制斷面、壩址頻率和區(qū)間頻率的洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間結(jié)合水文地區(qū)洪水組成分析成果(表1)，分別設(shè)定為3.5、5.5、6.5h。防洪控制斷面距離區(qū)間洪水出口斷面較近，不考慮洪水傳播時(shí)間，至壩址處的傳播時(shí)間為1.0h；當(dāng)洪峰到達(dá)防洪控制斷面或壩址時(shí)，區(qū)間退水狀態(tài)開始于2.5h前。

表1 石佛寺水庫洪水組成分析成果

3.1 不確定因子量化

1)傳播時(shí)間。根據(jù)以上分析結(jié)果，防洪控制斷面距離區(qū)間洪水出口斷面較近，不考慮洪水傳播時(shí)間，至壩址處的傳播時(shí)間為1.0h。

2)調(diào)度滯時(shí)。石佛寺水庫的閘門類型為弧形，為儲(chǔ)備一定的防洪安全控件和確保靈活開度泄洪，設(shè)定調(diào)度滯時(shí)為0.5h。

3)未來洪水估值。依據(jù)H-Q關(guān)系和該斷面水位H防i確定防洪控制斷面流量Q防i，即區(qū)間洪水當(dāng)前值利用式：Q區(qū)i=Q防i-Q泄i-1確定。設(shè)計(jì)洪峰流量在區(qū)間50a一遇標(biāo)準(zhǔn)下為245m3/s，平均漲率為68m3/s，峰現(xiàn)時(shí)間為3.5h，平均漲率按1.2的安全系數(shù)考慮為82m3/s，依據(jù)區(qū)間洪水漲退水和公式(1)、(2)計(jì)算確定區(qū)間未來時(shí)刻的流量估值。

3.2 優(yōu)化洪水調(diào)節(jié)方式

1)漲水段入庫洪水?？刂七\(yùn)用區(qū)間洪水：50a一遇及以下的洪水控制，在區(qū)間洪水漲水段時(shí)運(yùn)用漲率法；區(qū)間洪水峰現(xiàn)時(shí)間在洪水退水段時(shí)僅為3.5h，較壩址和防洪控制斷面風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間分別提前了2、3h，針對處于退水段時(shí)的洪水判斷區(qū)間，為儲(chǔ)備一定的安全空間以實(shí)際出現(xiàn)的當(dāng)前區(qū)間洪水流量作為下一時(shí)刻的區(qū)間洪水流量?？刂七\(yùn)用下泄流量：當(dāng)10a一遇及以下的洪峰流量為入庫流量時(shí)，在該情況下為維持水位不上漲，合理控制閘門開度保持來流量與下泄流量一致；當(dāng)10-50a一遇的洪峰流量為入庫流量，且處于持續(xù)上漲的情況下，根據(jù)壩址洪水與區(qū)間洪水控制遭遇和控制斷面安全泄量，合理設(shè)定大壩泄洪；當(dāng)超過50a一遇的洪峰流量為入庫流量時(shí)，以不制造人為洪水為基準(zhǔn)，岸大壩安全泄洪要求全開溢洪道閘門。

2)退水段入庫洪水。當(dāng)達(dá)到洪峰后入庫流量逐漸減小，此前2h區(qū)間洪水已開始退水，根據(jù)防洪控制斷面安全泄量要求、洪水傳播時(shí)間、防洪控制和入庫斷面的當(dāng)前流量等，確定水庫達(dá)到最高水位和大壩泄量。其中，控制斷面的流量依據(jù)水位流量關(guān)系和水位觀測值推算確定。此后，水位回落至起調(diào)水位的過程繼續(xù)按區(qū)間洪水控制和控制斷面的下泄流量進(jìn)行，以上過程即為完整的一次洪水。

3.3 防洪庫容

采用兩種地區(qū)洪水組合計(jì)算和上述優(yōu)化洪水調(diào)節(jié)方式，沈陽市防洪庫容為668萬m3時(shí)能夠達(dá)到50a一遇防洪要求；采用兩種地區(qū)洪水組合的區(qū)間洪水和固泄洪水調(diào)節(jié)方式，固泄流量為385m3/s，則沈陽市防洪庫容為826萬m3時(shí)能夠達(dá)到50a一遇防洪要求，優(yōu)化洪水調(diào)節(jié)方式的庫容偏大30%，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 石佛寺水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算(P=2%) m3/s；萬m3

續(xù)表2 石佛寺水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算(P=2%) m3/s；萬m3

根據(jù)以上分析結(jié)果可得出如下結(jié)論

1)區(qū)間洪水陡漲陡落為山區(qū)性河流的典型特征，采用優(yōu)化調(diào)度方式的基本條件為防洪控制斷面布置水位監(jiān)測設(shè)備。

2)水庫下游防洪風(fēng)險(xiǎn)以水庫防洪優(yōu)化調(diào)度為主要內(nèi)容，因此防洪控制斷面超過安全流量的風(fēng)險(xiǎn)定義為由于區(qū)間洪水與水庫泄水錯(cuò)峰不成功所引起的風(fēng)險(xiǎn)。在山區(qū)性河流中的石佛寺水庫應(yīng)用防洪優(yōu)化調(diào)度分析方法，結(jié)果顯示相對于固泄流量調(diào)度方式可顯著降低工程投資，優(yōu)化調(diào)度方式可減少30%的防洪庫容。

3)在無法改變不確定因子隨機(jī)特征的情況下為，降低不確定性因子的影響可下去增加調(diào)度滯時(shí)和延長傳播時(shí)間等措施，由此降低調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)；與此同時(shí)可占用更多的防洪庫容，較固定泄流方式仍然具有明顯的優(yōu)勢。

4)設(shè)計(jì)洪水過程為防洪優(yōu)化調(diào)度方案的基本依據(jù)，即防洪控制斷面流量依據(jù)水位流量與水位信息關(guān)系推算確定，區(qū)間洪水量值的推算要考慮錯(cuò)峰時(shí)間的影響，山區(qū)性河流的未來區(qū)間洪水的不確定性量化要考慮足夠的安全儲(chǔ)備。

5)水庫防洪庫容不僅與工程投資相關(guān)，而且還要考慮防洪效果和下游防洪目標(biāo)。水庫防洪庫容在滿足預(yù)期效果的條件下，盡可能的滿足節(jié)約工程投資的要求。所以，防洪庫容在設(shè)計(jì)階段的確定還要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度綜合分析。

4 結(jié) 論

根據(jù)水庫下游實(shí)時(shí)水情信息和優(yōu)化后的調(diào)度方式估算區(qū)間洪水，有利于降低水利工程投資和減少水庫防洪庫容。但是，由于調(diào)度、洪水傳播時(shí)間和區(qū)間洪水滯時(shí)等不確定因子影響，水庫下游防洪風(fēng)險(xiǎn)有可能會(huì)增大。所以，對洪峰錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的定量估計(jì)以及優(yōu)化調(diào)度中風(fēng)險(xiǎn)因子的識(shí)別，為水庫防洪調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。文章綜合考慮調(diào)度、洪水傳播時(shí)間和區(qū)間洪水過程風(fēng)險(xiǎn)因子，以沈陽市境內(nèi)的石佛寺水庫為例提出了優(yōu)化的防洪調(diào)度方法，可為洪水預(yù)報(bào)及調(diào)洪演算等提供一定指導(dǎo)。

隨著洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，實(shí)時(shí)修正河流洪水預(yù)報(bào)的理論方法取得了顯著的進(jìn)展，為水庫建成后的預(yù)報(bào)調(diào)度和洪水預(yù)報(bào)誤差達(dá)到預(yù)期的精度提供了有利的支撐。