利用短期降雨預(yù)報(bào)實(shí)施水庫汛限水位動態(tài)控制淺析

胡煥發(fā)，闞曉東，魯常繞，梁家珍

(湖北省富水水庫管理局，湖北 黃石 435000)

1 問題的由來

目前，我國水庫的防洪安全大都采用汛期限制水位管理。水庫汛期限制運(yùn)行水位是依據(jù)水庫庫容確定防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水重現(xiàn)期，推求設(shè)計(jì)和校核洪水過程線，然后根據(jù)水庫擋水建筑物的高度、泄水建筑物的泄水能力，相當(dāng)多的水庫由于主要建筑物存在缺陷或隱患，安全存在問題，需考慮其水庫的洪水承載能力或建筑物的安全來反推汛限水位。這種方法簡單、實(shí)用，便于水庫操作管理，也便于監(jiān)管。最近10多年來，隨著我國大、中、小型水庫的除險(xiǎn)加固工程相繼完成，很多水庫除險(xiǎn)加固工程驗(yàn)收后恢復(fù)了正常蓄水，也有部分水庫盡管除險(xiǎn)加固工程驗(yàn)收通過了，但還按之前的水庫調(diào)度規(guī)程執(zhí)行。主要原因是擔(dān)心加固除險(xiǎn)后水庫沒有經(jīng)過高水位的考驗(yàn)、或水庫次要建筑物存在安全問題、或水庫的水雨情信息化系統(tǒng)不完善等原因，希望水庫蓄水循序漸進(jìn)[1-2]。

隨著信息化手段和管理技術(shù)的快速進(jìn)步，預(yù)報(bào)預(yù)警手段不斷創(chuàng)新，特別是有條件或管理較好的大型水庫，其氣象和水文預(yù)報(bào)的精度不斷提高，洪水預(yù)見期顯著加長，應(yīng)該著手考慮實(shí)施水庫汛期水位動態(tài)控制管理。水庫的汛期劃分固定不變、汛期水庫水位只能低不能高，其嚴(yán)格的靜態(tài)控制方法日益顯得保守，過分地注重水庫安全而輕視水庫是水資源的主要承載體，如果水庫不能充分發(fā)揮工程效益，則會造成水資源的大量流失，有水庫無水裝[3-4]。

2005年，富水水庫完成了水庫大壩除險(xiǎn)加固工程，對包括大壩、溢洪道和放空隧洞主要建筑物等進(jìn)行了必要的除險(xiǎn)加固，完善了大壩監(jiān)測系統(tǒng)和部分建筑物的觀測設(shè)施，水庫的面貌煥然一新。水庫大壩的監(jiān)測系統(tǒng)、水雨情測報(bào)自動化系統(tǒng)均滿足設(shè)計(jì)要求，此外，水庫有較為完善的且監(jiān)測精度高的雨量、流量監(jiān)測站網(wǎng)，管理人員的責(zé)任心和業(yè)務(wù)水平不斷提高，為水庫運(yùn)行管理上更高臺階創(chuàng)造了有利條件。

富水水庫建庫歷史長，遺留問題較多，特別是庫區(qū)內(nèi)有大量的違規(guī)建房，而水庫下游由于城鎮(zhèn)發(fā)展和鄉(xiāng)村建設(shè)，河道被擠占嚴(yán)重，成為制約水庫提高汛期蓄水位的短板。加上水庫地處鄂東南，暴雨強(qiáng)度大、洪水匯流快、不僅峰高且歷時(shí)長，每年汛期的水庫防汛既要考慮庫區(qū)的房屋、土地不能大面積受淹的歷史欠賬，又要考慮下游河道的安全泄流能力不斷減小的現(xiàn)實(shí)，防汛壓力特別大。如果還是按傳統(tǒng)的靜態(tài)汛期運(yùn)行水位控制，只能是在汛期水庫處于低水位運(yùn)行，超出的洪水被棄用，汛后看天蓄水。因此，是否可以利用短期降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，對富水水庫汛期限制水位動態(tài)控制做必要的探索就提上了水庫管理日程[5]。

2 富水水庫汛限水位動態(tài)控制域

最近10年，富水水庫的短期降雨預(yù)報(bào)信息精度有了很大提高，其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上，為水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制打下了基礎(chǔ)。運(yùn)行水位動態(tài)控制最直觀或最簡單的方法就是改進(jìn)預(yù)泄能力約束法[6]，該法是根據(jù)降雨預(yù)報(bào)特別是短期降雨預(yù)報(bào)信息來確定汛期運(yùn)行水位高低，其方法實(shí)用、直觀、簡單。主要原理是在利用短期降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率及精度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，利用降雨預(yù)報(bào)的時(shí)空分布信息，且留有一定操作時(shí)間和水位變幅余地來確定預(yù)泄期，在預(yù)泄期內(nèi)啟動溢洪道閘門預(yù)泄以提高汛期防洪限制水位。在確定的有效預(yù)見期T0內(nèi)水庫允許的下泄流量(小于下游河道安全泄量)為Qs，根據(jù)改進(jìn)預(yù)泄能力約束法，其動態(tài)控制域上限水位Zu與對應(yīng)的汛限控制域下限水位Z0的庫容關(guān)系為：

式中：Vu、V1分別為Zu、Z0相應(yīng)的庫容；t0為初始時(shí)刻；Δt為計(jì)算時(shí)長；Qt為t時(shí)刻水庫的入庫流量。

根據(jù)水庫防洪調(diào)度規(guī)程及汛限水位動態(tài)控制理念，可將富水水庫的后汛期汛限水位提升至正常蓄水位。為了更好地說明改進(jìn)預(yù)泄能力約束法能在富水水庫應(yīng)用，本文僅對主汛期后期采用該法進(jìn)行探討，求解其運(yùn)行水位動態(tài)控制域的上限值，并對其對應(yīng)的下限值作必要的說明或計(jì)算。

水庫的預(yù)泄包括預(yù)泄時(shí)間和預(yù)泄總水量，它是確定汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制域上限值的關(guān)鍵，其影響因素如下。

2.1 下游河道的安全下泄流量

富水水庫泄水建筑有溢洪道、發(fā)電洞、灌溉洞等，在小于20年一遇洪水的條件下下泄流量不能超過下游河道行洪過流能力。在汛期，富水水庫主要以灌溉、發(fā)電為主，這部分流量也常常被看作為固定的下泄流量。

水庫下游河道的安全下泄流量為1 300 m3/s，考慮用于灌溉、發(fā)電的固定用水流量150 m3/s，因此溢洪道泄流量應(yīng)為兩流量之差1 150 m3/s。

2.2 有效預(yù)見期

氣象降雨預(yù)報(bào)有時(shí)空分布，確定其可利用預(yù)見期時(shí)間長短與信息的獲取、分析和決策指令的傳達(dá)等有關(guān)，其有效預(yù)泄時(shí)間T0按下式計(jì)算。

T0=t1-t2

式中：t1為降雨預(yù)報(bào)可利用的預(yù)見期，h；t2為信息獲取、分析和指令傳達(dá)等執(zhí)行操作時(shí)間，h。

根據(jù)氣象降雨預(yù)報(bào)近10年的統(tǒng)計(jì)分析，富水水庫48 h的小雨、中雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，很顯然，其信息是可利用到水庫調(diào)度中去的。為慎重和安全起見，要找出實(shí)際降雨發(fā)生在預(yù)報(bào)的時(shí)間范圍內(nèi)對水庫調(diào)度決策的最不利時(shí)刻。如果預(yù)報(bào)未來24～48 h會出現(xiàn)降雨，那么在24 h出現(xiàn)降雨顯然是最不利的，因此降雨預(yù)報(bào)可利用的有效時(shí)間為24 h，扣除工作人員信息傳遞和預(yù)泄決策指令的傳達(dá)及實(shí)施等執(zhí)行約2 h的時(shí)間，有效預(yù)見期應(yīng)將其扣除，實(shí)際有效預(yù)見期為22 h。

2.3 有效預(yù)見期內(nèi)除降雨以外的入庫流量

有效預(yù)見期內(nèi)除降雨以外的入庫流量成因相對較復(fù)雜，例如受前期降雨、上游來水情況以及地形地質(zhì)條件、植被等多方面因素影響，可大致根據(jù)歷年洪水綜合退水過程或起漲前入庫流量估算。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，富水水庫多年洪水起漲前的平均入庫流量為230 m3/s左右，采用簡單計(jì)算，富水水庫一次洪水前預(yù)泄水量為(溢洪道下泄流量+固定用水流量-平均入庫流量)×實(shí)際有效預(yù)見期，約等于0.97億m3。根據(jù)富水水庫水位～庫容關(guān)系曲線，反推到汛限水位動態(tài)控制上限值可提高1.24 m，即在汛限水位下限值55.00 m的基礎(chǔ)上提高到56.24 m。

3 富水水庫汛限水位實(shí)時(shí)動態(tài)控制演示

富水流域或庫區(qū)內(nèi)發(fā)生大、暴雨時(shí)，才會出現(xiàn)流量超過1 300 m3/s的洪水，由于目前大雨預(yù)報(bào)信息的精度還不準(zhǔn)確，為安全起見，當(dāng)預(yù)報(bào)未來24～28 h有大雨及以上量級大雨時(shí)，水庫需提前預(yù)泄；當(dāng)預(yù)報(bào)后面沒有有效降雨則需要預(yù)蓄。表1為后汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的預(yù)蓄、預(yù)泄操作規(guī)則。

表1 汛期運(yùn)行水位實(shí)時(shí)動態(tài)控制規(guī)則表

根據(jù)水庫保存的當(dāng)時(shí)氣象資料和預(yù)報(bào)信息，將富水水庫2016年6月24日至6月29日的預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)資料進(jìn)行動態(tài)控制演示如下：

2016年6月14日至6月24日有10天無降雨，6月24日上午8:00庫水位為55.52 m，此時(shí)已得到氣象信息，預(yù)報(bào)未來24 h內(nèi)庫區(qū)會降小雨、24～48 h內(nèi)降中雨。根據(jù)水庫汛期運(yùn)行水位實(shí)時(shí)動態(tài)控制規(guī)則，由于當(dāng)前水庫水位低于汛期限制水位上限56.24 m，可將水位蓄至上限值56.24 m，此時(shí)應(yīng)攔蓄來水。這段時(shí)間內(nèi)流域?qū)嶋H降了2.5 mm小雨，其降水量小于灌溉、發(fā)電等固定用水量；25日上午8:00，水庫水位降到55.42 m，此時(shí)預(yù)報(bào)未來24 h內(nèi)有中雨、24～48 h內(nèi)有小雨，由于庫水位低于56.00 m，按控制規(guī)則仍繼續(xù)蓄水。26日8:00時(shí)，水庫水位上升至55.48 m，此時(shí)得到預(yù)報(bào)信息，在未來24 h有小雨、24～48 h內(nèi)會有大雨，按控制規(guī)則，應(yīng)在實(shí)際有效預(yù)見期22 h內(nèi)將庫水位從55.48 m降至下限水位55.00 m，下泄3 600萬m3水量。因此，需要開啟閘門22 h、以平均流量455 m3/s下泄騰出庫容。27日上午8:00，水位已降至汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制域的下限55.00 m處，騰出了0.97億m3庫容迎蓄洪水。從27日21:00開始，流域?qū)嶋H降了121.0 mm的大暴雨，按照上述規(guī)則調(diào)控，至29日上午8:00，水庫水位調(diào)控在56.26 m處，此時(shí)預(yù)報(bào)未來24 h與24～48 h內(nèi)將分別有小雨與中雨，由于預(yù)報(bào)24 h內(nèi)只有小雨，因此可將水位控制在56.24 m的動態(tài)控制域上限處，等待30日上午8:00新的氣象降雨預(yù)報(bào)信息，在29日上午8:00至30日上午8:00關(guān)閉閘門，利用發(fā)電將水位降至56.00 m，在此之后，根據(jù)預(yù)報(bào)，按汛期運(yùn)行水位實(shí)時(shí)動態(tài)控制規(guī)則調(diào)控。

4 結(jié) 語

富水水庫當(dāng)前是采用靜態(tài)防洪調(diào)度方式，由于歷史原因，汛期水位常?？刂圃谒畮爝\(yùn)行水位的下限值或以下，這樣才不會造成淹沒庫區(qū)的房屋、土地，形成了“慣例”，由于汛期水位低，庫水位從未達(dá)到防洪高水位，當(dāng)出現(xiàn)極端天氣或特大暴雨時(shí)庫水位達(dá)到57.00 m時(shí)，就有當(dāng)?shù)卣途用瘛翱棺h”，加重了水庫管理的難度，因此，水庫要更好的蓄水，動態(tài)防洪調(diào)度就顯得特別重要。

靜態(tài)調(diào)度方式不能充分?jǐn)r截后汛期洪水，特別是后汛期降雨少，如果還采用靜態(tài)調(diào)度方式會造成水庫不能充分蓄水。不僅如此，水庫長期在較低水位運(yùn)行，庫區(qū)居民的生產(chǎn)生活不斷向本應(yīng)是水庫水位正常變幅區(qū)的下游遷移，一方面造成庫區(qū)管理范圍越來越小、難度卻越來越大；另一方面，水庫的洪水資源利用率越來越低。

如果富水水庫能采用汛限水位動態(tài)控制的防洪調(diào)度，在滿足防洪安全的前提下能顯著增加水庫的效益。經(jīng)測算，如對富水水庫汛限水位進(jìn)行動態(tài)控制后，水庫的防洪能力與其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，借助氣象科學(xué)、短期的降雨預(yù)報(bào)的高準(zhǔn)確率，其增加的防洪風(fēng)險(xiǎn)率幾乎為零，與靜態(tài)調(diào)度相比，動態(tài)控制后并不會造成額外的淹沒損失，水庫年均發(fā)電效益可增加500萬元左右。此外，該調(diào)度方式有利于下游錯峰，減輕下游行洪壓力。

動態(tài)調(diào)度是建立在科學(xué)、準(zhǔn)確降雨預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合管理人員的管理水平、水庫的水雨情系統(tǒng)，涉及到流域上下游一盤棋管理等問題，也涉及到水庫管理制度調(diào)整等問題，應(yīng)深入研究，循序漸進(jìn)。