汾河水庫分期汛限水位控制方案研究

曹玉濤

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國水資源的供需矛盾日益顯現(xiàn)，為充分利用水庫汛期洪水資源，發(fā)揮其綜合效益，水庫分期汛限水位控制方案的研究及應(yīng)用變得尤為重要。傳統(tǒng)的單一汛限水位調(diào)度方式往往會導(dǎo)致水庫在汛期發(fā)生大量棄水而汛后又無水可蓄的局面，極大地浪費(fèi)了洪水資源。分期汛限水位調(diào)度不需要新建防洪工程，可以在滿足水庫防洪安全的前提下，在汛后期適當(dāng)抬高汛限水位。合理掌握水庫汛期洪水的季節(jié)變化規(guī)律，在不同的汛期分期執(zhí)行不同的汛限水位方案，增加水庫的興利庫容，可以有效地緩解水庫水資源短缺的問題。

汾河水庫地處山西省太原市婁煩縣境內(nèi)，目前是山西省最大的水庫，水庫運(yùn)行多年來，在供水、防洪、保障下游用水部門安全、保護(hù)下游居民生命財產(chǎn)等方面發(fā)揮了不可替代的作用。目前汾河水庫在汛期執(zhí)行洪水調(diào)度時，汛限水位在整個汛期采用比較保守的單一數(shù)值。近年來，隨著汾河流域社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汾河水庫水資源供需矛盾愈發(fā)突出。水庫汛限水位分期調(diào)度是在充分了解當(dāng)?shù)亓饔蛩?、氣象季?jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對水庫的汛期合理劃分，實施分期調(diào)度，利于攔蓄汛末洪水，減少棄水，提高水庫水資源利用量[1-3]。本文對汾河水庫分期汛限水位調(diào)度進(jìn)行研究，以期得到汾河水庫分期汛限水位調(diào)度方案。本研究對于緩解當(dāng)?shù)厮Y源矛盾，充分利用汾河水庫汛期洪水資源、發(fā)揮水庫效益具有一定的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

汾河水庫位于汾河干流的上游端，婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)下石家莊村北1km，距離太原市83km。壩址以上干流總長度為122km，控制流域面積為5268km2，其中壩址以上控制面積為4990km2，壩址以上干流長度為224km。干流總落差1844m，河道平均縱坡為4.4‰，其中庫區(qū)段河床縱坡為2.6‰。汾河中支流眾多，其中支流流域面積大于30km2的共59條，流域面積大于1000km2的共7條。

汾河水庫流域內(nèi)設(shè)有靜樂、上靜游及婁煩三個較大型的水文站。水庫的主要任務(wù)是以城市生活供水和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲用水為主，同時兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用。

汾河水庫樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞和水電站構(gòu)成，水庫大壩為中填黃土均質(zhì)壩，大壩壩高61.40m，壩頂高程為1131.40m(大沽高程系)，壩頂寬度6m，長1002m。汾河水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水，校核標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水。水庫設(shè)計洪水位1128.95m，相應(yīng)攔洪庫容為3.20億m3，最大下泄流量1665.00m3/s；校核洪水位1131.36m，相應(yīng)調(diào)洪庫容為3.95億m3,最大下流量2254.00m3/s。

汾河水庫防洪調(diào)度結(jié)合水雨情預(yù)報、上游水文測站的水情測報、河道來水量及來水漲勢等綜合因素考慮，調(diào)度規(guī)則如下：

a.當(dāng)庫水位在1126.00～1128.00m時，由水電站引水，8m泄洪洞限泄，最大限泄流量556.50m3/s。

b.當(dāng)庫水位在1128.00～1129.24m時，由水電站引水，8m泄洪洞敞泄，溢洪道限泄，最大限泄流量1176.6m3/s。

c.當(dāng)庫水位在1129.24～1129.91m時，泄水設(shè)施全部敞泄，最大流量1946.34m3/s。

2 分期設(shè)計洪水研究

本文采用畢遠(yuǎn)杰[4]對汾河水庫汛期分期的結(jié)果，即確定汾河水庫的主汛期為7月12日至8月23日，汛后期為8月24日至9月30日，本研究在此水庫汛期劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析水庫汛后期的分期設(shè)計洪水。

采用汾河水庫河岔、婁煩和上靜游3個水文站的歷年實測水文資料，按年最大值法進(jìn)行選樣，組成汾河水庫汛后期的實測洪水系列，以此為基礎(chǔ)計算汛后期的設(shè)計洪水。選用頻率分析法計算水庫分期設(shè)計洪水，頻率曲線選用水文中常用的皮爾遜Ⅲ型曲線，用矩法初估頻率參數(shù)，由適線法最終確定統(tǒng)計參數(shù)，得到汾河水庫汛后期分期設(shè)計洪水成果，見表1。

表1 汾河水庫后汛期設(shè)計洪水成果

由表1可知，與年最大設(shè)計洪水成果相比，汾河水庫汛后期分期設(shè)計洪水不論是洪峰、洪量的均值，還是各個頻率的設(shè)計值均遠(yuǎn)小于年最大設(shè)計洪水的相應(yīng)數(shù)值。因此，可以對汾河水庫的汛限水位進(jìn)行分期調(diào)度。眾所周知，在主汛期汾河水庫發(fā)生大洪水的概率相對較大，如果按偏于安全的角度考慮，水庫按現(xiàn)行防洪調(diào)度規(guī)則進(jìn)行洪水調(diào)度，而不考慮降雨預(yù)報信息、實時洪水信息等，則汾河水庫主汛期汛限水位控制在1126.00m。

汛后期水庫發(fā)生大洪水的概率比較小。經(jīng)統(tǒng)計，汾河水庫在汛后期若遭遇10年一遇和100年一遇的洪水量級均小于水庫年最大5年一遇的設(shè)計洪水；而汛后期若遭遇2000年一遇洪水量級也小于水庫年最大10年一遇設(shè)計洪水。因此，汾河水庫在汛后期如果遭遇10年一遇和100年一遇洪水時，控制水庫最大下泄流量小于等于556.50m3/s；汛后期如果遭遇2000年一遇洪水時，控制最高調(diào)洪水位小于等于1131.00m。

研究中選擇67型洪水為代表洪水，其入庫洪水過程線見圖1。對汾河水庫汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水按洪峰同倍比方法進(jìn)行縮放，分別得到汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇各自的縮放系數(shù)：K10%=0.10，K1%=0.34，K0.05%=0.73。汾河水庫汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水過程線見表2。

圖1 汾河水庫67典型入庫洪水過程

表2 汾河水庫汛后期不同頻率洪水過程 單位：m3/s

續(xù)表

3 分期汛限水位調(diào)度方案

研究中，選擇1126m、1126.5m、1127m和1127.5m 4個水位作為汛后期的汛限水位，按照汾河水庫現(xiàn)行防洪調(diào)度規(guī)則，分別對汛后期不同頻率設(shè)計洪水過程進(jìn)行調(diào)洪演算，調(diào)洪過程計算結(jié)果見表3。

表3 汾河水庫汛后期設(shè)計洪水調(diào)洪過程

從表3中可以看出，汾河水庫在汛后期若遭遇10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水，即使從水位1127.50m起調(diào)，水庫最高調(diào)洪水位均不大于1128.00m(正常蓄水位)，最大泄量分別為470.40m3/s、475.00 m3/s和750.40m3/s(水庫最大限泄流量1176.60m3/s)，滿足下游河道防洪要求。因此，從防洪安全角度考慮，汛后期汛限水位可控制在1127.50m，滿足汾河水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求。

從汛期分期設(shè)計洪水統(tǒng)計研究可知，汾河水庫在汛后期發(fā)生大洪水的概率非常小，相應(yīng)洪水的量級也較小，而且汛后期在時間上與水庫蓄水期連續(xù)，水庫汛后期汛限水位按1127.50m控制是可行的。因此，可以得到汾河水庫分期汛限水位控制方案：主汛期(7月12日至8月23日)汛限水位按目前的汛限水位1126.00m，汛后期(8月24日至9月30日)汛限水位可以抬升至1127.50m。該方案有利于在汛后期攔蓄“洪水尾巴”，減少汾河水庫的棄水總量，進(jìn)一步緩解汾河水庫水資源供需矛盾，進(jìn)一步提高水庫的水資源利用率。

4 結(jié) 語

為了緩解山西省日益嚴(yán)峻的水資源供需矛盾，提高汾河水庫洪水資源利用率，本文對汾河水庫汛限水位分期控制方案進(jìn)行研究，在現(xiàn)行汾 河水庫防洪調(diào)度運(yùn)行規(guī)則的基礎(chǔ)上，對水庫汛后期不同頻率洪水進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計算，最終得到了水庫汛后期汛限水位的可行方案。本文提出的汾河水庫分期汛限水位控制方案可以在確保水庫安全運(yùn)行的前提下，有利于攔蓄“洪水尾巴”，增加洪水資源利用率，提高水庫的興利效益。