烏江思林水電站汛限水位動態(tài)控制研究

唐洪波 范正行

中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 貴州 貴陽 550081

引言

烏江是長江上游右岸最大的一條支流，流域面積10874km2，河流全長273km。思林水電站為烏江干流水電規(guī)劃（從上到下）的第8個電站，2009年建成發(fā)電，壩址流域面積48558km2。

思林水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，其次為航運(yùn)，兼顧防洪、灌溉等。水庫正常蓄水位440.00m，6～8月設(shè)計汛期防洪限制水位為435m，防洪庫容1.84億m3，電站具有日調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)容量1050MW，多年平均發(fā)電量40.64億kWh。

1 動態(tài)控制的可行性

從思林電站實際運(yùn)行情況來看，當(dāng)庫水位低于437.0m時，電站將受到不同程度的發(fā)電受阻影響，特別是在汛期時，因受汛限水位的控制，當(dāng)來流量較大時，電站發(fā)電水頭降低，發(fā)電受阻損失較大。在確保思林水庫原法定汛期防洪限制水位不變、大壩安全和不降低下游各防護(hù)對象防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將思林水電站原設(shè)計汛期限制水位435m改為汛期動態(tài)控制水位運(yùn)行，對于提高思林汛期運(yùn)行水頭，減少機(jī)組受阻，增加電站的容量和電量效益有較為重要的意義。同時，水庫控制流域內(nèi)已建成可靠的水文自動測報預(yù)報系統(tǒng)和洪水調(diào)度系統(tǒng)，且入庫洪水預(yù)報方案具有足夠長的預(yù)見期，為思林水庫實行汛限水位的動態(tài)控制提供了較高的可行性。

2 研究的原則

2.1 不改變思林電站原防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保思林大壩安全

思林大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇重現(xiàn)期；廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。

思林可研設(shè)計時，大壩及廠房設(shè)計、校核洪從440m起調(diào)，大壩校核洪水位449.27m，大壩設(shè)計洪水位444.83m。動態(tài)控制是針對從435m到440m范圍的研究。當(dāng)思林水庫采用動態(tài)控制汛期水位時，即便發(fā)生大壩設(shè)計、校核標(biāo)準(zhǔn)的洪水，起調(diào)水位均低于可研時的440m，最終大壩設(shè)計、校核洪水位也不會高于可研調(diào)洪結(jié)果，不影響工程安全。

2.2 不改變思林防洪任務(wù)

思林下游約3km的右岸是塘頭大片耕地，天然情況下，塘頭防洪能力為2年一遇，相應(yīng)流量9320m3/s。思林水庫主要承擔(dān)塘頭糧產(chǎn)區(qū)和思南縣城的防洪任務(wù)，并配合長江中下游的防洪。

可研設(shè)計時，為提高下游防洪對象塘頭糧產(chǎn)區(qū)和思南縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn)，思林水庫需將壩址5年一遇洪水削減到2年一遇、20年一遇洪水削減到10年一遇。本次研究思林汛期水位動態(tài)控制，不改變思林可研階段確定的防洪任務(wù)。

2.3 不增加思林水庫淹沒損失

思林水庫農(nóng)村居民點(diǎn)、一般城鎮(zhèn)和一般工礦區(qū)淹沒外包線由如下兩條回水線組成的：一是以正常蓄水位440m為起始水位，按枯水期20年一遇洪水推求的回水線；二是以汛期限制水位435m為起始水位，按20年一遇洪水推求的回水線。

思林水庫耕地、園地淹沒外包線由如下兩條回水線組成的：一是以正常蓄水位440m為起始水位，按枯水期5年一遇洪水推求的回水線；二是以汛期限制水位435m為起始水位，按5年一遇洪水推求的回水線。

思林可研設(shè)計時，已按上述外包線調(diào)查成果，確定了移民淹沒賠償線，本次汛期水位動態(tài)控制研究不增加水庫淹沒。

2.4 不改變構(gòu)皮灘的調(diào)洪運(yùn)行方式

構(gòu)皮灘泄洪設(shè)施由壩身孔口和岸邊泄洪洞組成。壩身孔口由6表孔、7中孔、2放空底孔組成。本次汛限水位動態(tài)研究以不改變構(gòu)皮灘的調(diào)洪運(yùn)行方式為基本前提。

3 暴雨洪水特點(diǎn)

本流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，洪水由暴雨形成，洪水特性與暴雨特性和流域的自然條件密切相關(guān)。

流域內(nèi)大暴雨多發(fā)生在6～8月份，持續(xù)時間大多在1～2天，而以一天為最多。一般從5月份開始有洪水出現(xiàn)，到10月份基本結(jié)束。從峰現(xiàn)時間看，6～7月份年最大洪峰出現(xiàn)次數(shù)最多，占全年的70%。

構(gòu)皮灘～思林為無控區(qū)間，流域面積5307km2，占思林壩址流域面積的11%。區(qū)間山丘起伏，地形復(fù)雜，暴雨常呈塊狀或帶狀分布，持續(xù)時間一般為1～3天，一天以內(nèi)暴雨強(qiáng)度最大。近壩區(qū)的六池河鳳岡、綏陽場一帶，最大24h點(diǎn)雨量為300～400mm，思南水文站附近為300mm，石阡河上游、渾塘河至湘江上游小支流湄江為200mm。

構(gòu)皮灘至思林洪水傳播時間約9h，區(qū)間洪峰主要由一日暴雨造成，由于暴雨強(qiáng)度大而集中，再加上坡度較陡，匯流迅速，區(qū)間洪水過程一般陡漲陡落，一次洪水過程主要集中在三日洪水過程線內(nèi)。年最大洪峰主要出現(xiàn)在5～8月，其中6～8月出現(xiàn)頻次占全年的73.21%。構(gòu)皮灘～思林區(qū)間20年一遇設(shè)計洪峰流量2700m3/s，5年一遇設(shè)計洪峰流量3890m3/s。洪水持續(xù)時間2～4日左右，最大1日洪量占洪水總量的比例在40%～80%之間，洪水持續(xù)時間越短，1日洪量所占比例越大。

4 方案擬定

水位動態(tài)控制范圍上限確定方法主要有預(yù)報調(diào)度法[1]、庫容補(bǔ)償法[2]、預(yù)泄能力約束法[3]等。預(yù)報調(diào)度法組合條件較多，對洪水調(diào)度的判斷較為繁雜；庫容補(bǔ)償法會影響構(gòu)皮灘水庫的調(diào)度方式。綜合分析思林水電站汛期動態(tài)水位控制研究采用預(yù)泄能力約束法。方案的具體操作步驟如下：

（1）當(dāng)思林天然入庫流量大于機(jī)組發(fā)電流量、小于最高通航流量4420m3/s時，根據(jù)9小時預(yù)報成果，采用最大入庫流量控制總泄量，扣除發(fā)電流量后，采用閘門局開下泄多余水量，使思林庫水位降低，但總泄量不能超過4420m3/s。

（2）當(dāng)思林天然入庫流量大于4420m3/s小于9320m3/s時，無航運(yùn)要求，可根據(jù)9小時預(yù)報最大入庫流量下泄洪水，降低庫水位到435m，但下泄總流量不能超過9320m3/s。

（3）當(dāng)思林庫水位下降到435m，天然來流量繼續(xù)上漲，按可研設(shè)計的洪水調(diào)度方案進(jìn)行洪水調(diào)度，大壩安全度達(dá)到與可研設(shè)計一致。

從437.5m方案開始，當(dāng)入庫流量大于機(jī)組發(fā)電流量開始預(yù)泄，所有實測洪水均能在9320m3/s流量出現(xiàn)前降到435m，438m方案未降到435m的實測過程只有一場洪水，而且僅高出0.06m。為留足安全余度，推薦思林水庫汛限水位動態(tài)控制的上限為437m。

5 風(fēng)險分析

思林水庫汛限水位動態(tài)控制主要風(fēng)險因素有：思林水電站工程安全度風(fēng)險、思林水電站上游淹沒風(fēng)險、思林水電站下游防洪風(fēng)險、思林水庫泥沙淤積風(fēng)險、思林水電站預(yù)泄決策風(fēng)險。推薦思林水電站汛限水位動態(tài)控制上限水位低于正常蓄水位，風(fēng)險評價著重對思林水電站預(yù)泄決策風(fēng)險進(jìn)行定量分析。在洪水預(yù)報過程中，假定凈雨預(yù)報誤差、洪峰流量預(yù)報誤差、峰現(xiàn)時間預(yù)報誤差三者之間是獨(dú)立無關(guān)的，則可將風(fēng)險定義為：在一次降雨徑流預(yù)報過程中，凈雨的預(yù)報誤差大于規(guī)范允許誤差，洪峰流量預(yù)報誤差大于規(guī)范允許誤差，峰現(xiàn)時間預(yù)報誤差大于規(guī)范允許誤差，三者至少發(fā)生之一的概率，可描述為：

從計算結(jié)果來看，洪峰流量預(yù)報的風(fēng)險率為2.94%，滿足允許風(fēng)險率應(yīng)小于20%，滿足水資源系統(tǒng)對風(fēng)險率的要求。即使考慮預(yù)報誤差20%的情況下，以動態(tài)汛期水位控制進(jìn)行調(diào)洪計算，計算結(jié)果即使最不利情況時考慮預(yù)報誤差，水位仍然可以降至435.0m。

6 效益分析

思林水電站的開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，汛期水位動態(tài)控制的效益主要體現(xiàn)在電量上。根據(jù)選定的豐、平、枯水年6～8月逐日徑流資料及各代表年洪水逐小時過程，進(jìn)行洪水興利連續(xù)調(diào)節(jié)，即：無洪水時段，庫水位保持在437m運(yùn)行；當(dāng)遇洪水來流量大于1874m3/s小于9320m3/s，庫水位逐步從437m降到435m；遇洪水來流量大于9320m3/s時，水位按435計算。計算6～8月水位動態(tài)控制時豐、平、枯三年平均電量為15.37億kWh，與6～8月水位控制在435m電量為14.55億kWh比較，可多獲得0.82億kWh電量效益。

7 結(jié)束語

通過本文汛限水位動態(tài)控制研究，思林水電站汛期運(yùn)行水位上限設(shè)置為437m，可在保證電站安全和不改變上下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下獲得較好的發(fā)電效益。

水庫汛期水位動態(tài)控制運(yùn)用現(xiàn)在已有大量的研究及應(yīng)用實例，但隨著我國大量水利、水電工程逐步建設(shè)完成，水庫水位動態(tài)控制研究和應(yīng)用的前景非常廣闊。現(xiàn)在，水文與氣象預(yù)報精度的提高和水文遙測系統(tǒng)的不斷發(fā)展以及新理論的逐漸成熟為汛期運(yùn)行水位的提高、增加水庫重復(fù)庫容提供了良好的條件。