三河口水庫(kù)洪水資源利用方式研究

董磊華，金 弈，張傲然，胡 劍，劉 飛，劉桂華，譚奇林

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；3.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315192)

0 引 言

關(guān)中地區(qū)是我國(guó)嚴(yán)重的資源型缺水地區(qū)之一，引漢濟(jì)渭工程作為緩解關(guān)中地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境的跨流域調(diào)水工程，對(duì)改善陜西省水資源分布不均的局面具有足重輕的作用。而作為引漢濟(jì)渭工程主要水源的三河口水庫(kù)，因其具有較大的調(diào)蓄庫(kù)容，能夠做到蓄豐補(bǔ)枯，在引漢濟(jì)渭工程中更是發(fā)揮了骨干調(diào)節(jié)作用。

作為陜西省有史以來(lái)規(guī)模最大的水利工程，引漢濟(jì)渭無(wú)疑是省內(nèi)以及國(guó)內(nèi)水資源研究者的焦點(diǎn)之一。作為跨流域調(diào)水工程，如何進(jìn)一步挖掘水源工程的潛力，是工程建設(shè)和初期運(yùn)營(yíng)期間的首要問(wèn)題。目前引漢濟(jì)渭工程已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵施工期，汛期如何有效地利用洪水資源，發(fā)揮供水效益，已經(jīng)是擺在工程運(yùn)營(yíng)及管理部門(mén)的重要課題。劉攀等[1]歸納研究了水庫(kù)洪水資源化調(diào)度的主要內(nèi)容，指出分期汛限水位方法、汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法是汛限水位研究的基本課題。張建生等[2]將分形理論運(yùn)用到安康水庫(kù)的汛期分期中，并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)得出基于分形理論的汛期分期結(jié)果更為具體、準(zhǔn)確的結(jié)論?？篆偩盏萚3]將汛限水位動(dòng)態(tài)控制域方法應(yīng)用于吉安白云山水庫(kù)，更加充分地利用了原來(lái)廢棄的洪水資源。周慶義等[4]對(duì)音河水庫(kù)分期汛限防洪調(diào)度進(jìn)行了研究，提出了傳統(tǒng)的提高汛限水位分時(shí)段運(yùn)行調(diào)度方案。周如瑞等[5]對(duì)大伙房水庫(kù)汛期分期研究，提出只考慮汛期分期，對(duì)興利蓄水效益的提高并不明顯，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度方式的研究。蔣海艷等[6]評(píng)述了國(guó)內(nèi)外水庫(kù)汛期分期研究的發(fā)展動(dòng)態(tài)，指出汛期分期的研究主目前沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)地研究，但在水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域發(fā)展比較完善。胡向陽(yáng)等[7]制定了三峽水庫(kù)洪水資源利用調(diào)度規(guī)則，定量明確了三峽水庫(kù)洪水資源利用的調(diào)度方式和效益分析，對(duì)中小洪水調(diào)度進(jìn)行了探索性的研究。

本文以引漢濟(jì)渭工程初設(shè)報(bào)告[8](下稱《初設(shè)報(bào)告》)為基礎(chǔ)，以三河口水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)三河口水庫(kù)洪水資源化利用的關(guān)鍵問(wèn)題和途徑進(jìn)行定量研究。

1 研究區(qū)概況

三河口水庫(kù)位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河中游狹谷段，壩址以上控制流域面積2 186 km2，是一座以供水為主，結(jié)合防洪發(fā)電的多年調(diào)節(jié)水庫(kù)(圖1)。水庫(kù)總庫(kù)容7.1 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.62 億m3；正常蓄水位643 m，汛限水位642 m，正常運(yùn)行死水位558 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水位642.95 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，校核洪水位644.7 m。

圖1 三河口水庫(kù)流域水系圖Fig.1 Water system of Sanhekou reservoir basin

子午河流域洪水主要由暴雨形成，且集中在汛期6-9月份；根據(jù)壩址附近四畝地雨量站的觀測(cè)資料，汛期降水量占全年降水量65%以上，日降水量大于50 mm的暴雨90%以上發(fā)生在汛期7-9月，實(shí)測(cè)7月最大年降水量占全年降水量的49%，8月最大年降水量占全年降水量的42%；根據(jù)兩河口水文站1963-2010年實(shí)測(cè)洪水資料，汛期洪水發(fā)生率達(dá)88%。

三河口水庫(kù)洪水資源化利用方式的主要研究?jī)?nèi)容如圖2所示。其中汛限水位設(shè)計(jì)和洪水資源利用調(diào)度方式是三河口水庫(kù)洪水資源化中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?？茖W(xué)控制水庫(kù)汛限水位可增加興利庫(kù)容及供水時(shí)間，合理的興利調(diào)度計(jì)劃則是保證洪水資源充分開(kāi)發(fā)利用的必要條件。如何調(diào)度使用三河口水庫(kù)興利庫(kù)容，有必要開(kāi)展系統(tǒng)的方案研究。

圖2 水庫(kù)洪水資源化利用研究?jī)?nèi)容技術(shù)路線圖Fig.2 Schematization of flood resources utilization in reservoir

2 三河口水庫(kù)汛限分期

汛期分期是進(jìn)行三河口水庫(kù)洪水資源的先決條件，本文基于分形理論進(jìn)行三河口水庫(kù)汛期分期可行性研究。

2.1 基于分形理論的汛期分期研究

2.1.1 分形理論方法

侯玉等[9]首次提出用分形理論[10]劃分洪水分期的方法，認(rèn)為與傳統(tǒng)方法相比,其結(jié)果相對(duì)較為客觀，受經(jīng)驗(yàn)和人為影響較小。近年來(lái)，將分形理論應(yīng)用于洪水分期的研究已有不少，如王中雅等[11]比較了分形理論和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法在太湖流域洪水分期的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)分形理論的結(jié)果能夠揭示太湖流域洪水序列背后隱藏的規(guī)律性。張端虎等[12]運(yùn)用分形理論分析了華南山區(qū)大型水利工程洪水分期，結(jié)果表明較傳統(tǒng)方法分形理論下的分期結(jié)果更加客觀。

分形理論應(yīng)用于洪水汛期分析的具體思路為：

(1)選擇能夠反映汛期特點(diǎn)的水文系列樣本(主要為降雨、徑流或洪峰流量)；

(2)假定i種汛期分期方案，相應(yīng)的每種方案該汛期分期時(shí)間跨度為T(mén)i[i=1，2，3，…，表示假設(shè)的汛期方案數(shù)；Ti一般單位為d，如研究前汛期分期，假設(shè)前汛期方案T1=20(06-01至06-20)、T2=30(06-01至06-30)、T3=40(06-01至07-10)等，其中06-01即6月1日，下同]；

(3)選取第i種方案時(shí)間段Ti內(nèi)反映該時(shí)段樣本特征的特征值YQi(一般可取Ti時(shí)間段內(nèi)的平均值)；

(4)計(jì)算第i種汛期分期方案在不同時(shí)間尺度ε(一般ε為小于Ti的時(shí)間段，單位為d)下計(jì)算其相對(duì)量度值NN(ε)[13][根據(jù)分型理論NN(ε)=N(ε)/NT，其中N(ε)為絕對(duì)度量，NT是劃分的時(shí)段總數(shù)，NT=T/ε，T為時(shí)段總長(zhǎng)]，進(jìn)而繪制lnNN(ε)-ln(ε)相關(guān)線，計(jì)算其中直線部分的斜率b，得到容量維數(shù)Db=2-b。

若容量維數(shù)Db在Ti內(nèi)變化很小，即認(rèn)為T(mén)i屬一個(gè)分期，隨著Ti增大，若Db在發(fā)生很大變化，說(shuō)明該時(shí)段已跨期。根據(jù)相關(guān)研究成果[2]，作為同一汛期分期的容量維數(shù)最大偏差一般按5%控制比較符合實(shí)際而又能得到理想的結(jié)果。

2.1.2 分期計(jì)算

三河口水庫(kù)汛期選取的時(shí)間樣本為四畝地雨量站1995至2017年23年汛期逐日雨量系列，并求得多年日平均雨量最大值作為研究樣本，四畝地雨量站歷年汛期日最大降雨量序列見(jiàn)圖3。

圖3 三河口水庫(kù)歷年汛期最大日雨量分布圖Fig 3 Annual maximum daily precipitation in flood season of Sanhekou reservoir

利用分形理論的計(jì)算步驟，計(jì)算以6月1日為起點(diǎn)的前汛期洪水分期。初步選取第1種前汛期分期為6月1日至6月20日，即T1=20 d。同時(shí)，取閾值水平Y(jié)Q1=21.6 mm，變換不同的時(shí)間尺度ε(分別取3，4，5，6 d)，然后根據(jù)上述步驟，繪制出lnNN(ε)～ln(ε)相關(guān)線趨勢(shì)線，并確定其斜率b，即可求得該分期T的容量維數(shù)Db。改變總時(shí)段T的長(zhǎng)度，分別計(jì)算T2=30 d(06-01至06-30)、T3=40 d(06-01至07-10)和T4=35 d(06-01至07-05)時(shí)的時(shí)間容量維數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，選擇時(shí)段長(zhǎng)T=20 d、30 d時(shí)，Db相差不大，說(shuō)明該時(shí)段屬于同一分期；當(dāng)T=40 d時(shí)，直線斜率出現(xiàn)了較大的變化，容量維數(shù)偏差約為70.1%，判斷此時(shí)段汛期已跨期。為進(jìn)一步細(xì)化分期，按5 d為步長(zhǎng)縮短分期時(shí)段T，計(jì)算T=35 d時(shí)的散點(diǎn)所形成直線段斜率及相應(yīng)的時(shí)間容量維數(shù)。經(jīng)計(jì)算，其斜率b為1.0，容量維數(shù)偏差約為20.6%，判斷此時(shí)段汛期亦已跨期。根據(jù)實(shí)際計(jì)算需要及現(xiàn)有資料整編精度及防洪方面的考慮，汛期分期不宜劃分太細(xì)，故認(rèn)計(jì)算最小步長(zhǎng)為5 d已滿足需求，不再進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)段再進(jìn)行細(xì)化分期界限點(diǎn)。綜合分析，認(rèn)為T(mén)=30 d作為前汛期最大時(shí)間跨度，即以6月30日作為前汛期與主汛期分界點(diǎn)比較合理。

圖4 三河口水庫(kù)汛期lnNN(ε)～ln(ε)相關(guān)圖Fig 4 The correlation of flood season between lnNN(ε) and ln(ε)

綜上所述，確定三河口水庫(kù)前汛期時(shí)段為6月1日至6月30日，主汛期時(shí)段為7月1日至9月30日。

2.2 分期汛限水位確定

將三河口水庫(kù)汛期分為前汛期和主汛期，分別通過(guò)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和洪水調(diào)節(jié)計(jì)算確定相應(yīng)的汛限水位。其中：

(1)主汛期汛限水位采用《初設(shè)報(bào)告》成果，見(jiàn)表1。

表1 主汛期(7-9月)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表(摘自《初設(shè)報(bào)告》)Tab.1 The flood regulation results of the main flood season(Jul.-Sep.)

(2)前汛期設(shè)計(jì)洪水依據(jù)兩河口水文站歷年實(shí)測(cè)洪峰流量頻率分析計(jì)算，再按面積比擬換算到三河口壩址，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見(jiàn)表2；按以峰為控制條件的同倍比放大法分別對(duì)1983和1987年典型洪水進(jìn)行縮放后，得到設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。分期汛限水位最大的理論爭(zhēng)議在于分期防洪標(biāo)準(zhǔn)如何確定[14]，為保證工程安全，前汛期執(zhí)行原設(shè)計(jì)的調(diào)度原則，并執(zhí)行與主汛期一致的防洪標(biāo)準(zhǔn)，以洪水位不超過(guò)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水位作為約束條件進(jìn)行調(diào)洪演算，以現(xiàn)主汛期汛限水位(642 m)至正常蓄水位(643 m)區(qū)間作為汛限水位可變動(dòng)空間，通過(guò)試算確定可以滿足防洪要求的前汛期汛限水位方案。結(jié)果表明，前汛期汛限水位可抬高至642.8 m，有關(guān)調(diào)洪計(jì)算試算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 前汛期(6月)洪水調(diào)節(jié)試算成果表Tab.3 The flood regulation results of the pre-flood season (Jun.)

表2 前汛期(6月)設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表Tab.2 The design peak flow of the pre-flood season (Jun.)

3 三河口水庫(kù)洪水資源調(diào)度方式研究

在水庫(kù)實(shí)施汛期分期后，以往的研究多側(cè)重于汛末蓄水的分析[5,15]或依據(jù)調(diào)度圖的單一方案調(diào)度分析[4]，而汛末蓄水方式的制定實(shí)質(zhì)上是推求水庫(kù)調(diào)度規(guī)則的問(wèn)題[2]。合理的興利調(diào)度計(jì)劃是保證洪水資源充分開(kāi)發(fā)利用的必要條件。

本論文的研究對(duì)象----三河口水庫(kù)是一座防洪、供水結(jié)合發(fā)電的綜合利用水庫(kù)，因此興利調(diào)度的首要任務(wù)是充分利用三河口水庫(kù)的調(diào)蓄庫(kù)容，提高供水量同時(shí)盡可能結(jié)合供水利用棄水多發(fā)電。據(jù)此建立洪水資源綜合利用模擬調(diào)度模型。

3.1 洪水資源利用方案擬定

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

①汛限水位：前汛期(06-01至06-30)642.8 m；主汛期(07-01至09-30)642 m；②正常蓄水位：643 m；③生態(tài)基流：利用Tennant法分析三河口水庫(kù)下游河道生態(tài)需水量，采用多年平均流量的10%，計(jì)算得下游生態(tài)基流為2.71 m3/s；④徑流系列：1954至2008年共55年長(zhǎng)系列逐旬徑流資料；⑤蒸發(fā)增損及滲漏水量計(jì)算參數(shù)來(lái)自《初設(shè)報(bào)告》；⑥水位～庫(kù)容關(guān)系來(lái)自《初設(shè)報(bào)告》。

3.1.2 約束條件

①可調(diào)水量約束，來(lái)自《初設(shè)報(bào)告》確定的三河口水庫(kù)和黃金峽水庫(kù)逐年可調(diào)水量系列；②《初設(shè)報(bào)告》確定的調(diào)水規(guī)模為10 億m3，以此作為供水量(本文所述“供水”，具體指供受水區(qū)用水，下同)下限，根據(jù)調(diào)度規(guī)則，在允許條件下能多供盡量多供，以實(shí)現(xiàn)洪水資源利用最大化。

3.1.3 洪水資源調(diào)度方案

三河口水庫(kù)主要任務(wù)為供水，兼顧防洪、發(fā)電及生態(tài)效益。由于秦嶺隧洞進(jìn)口位于水庫(kù)大壩下游右岸，來(lái)水通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄后，一部分經(jīng)過(guò)隧洞為受水區(qū)供水，一部分下泄為河道生態(tài)用水，兩部分水量首先經(jīng)過(guò)水輪機(jī)，即當(dāng)上游來(lái)水不超過(guò)水輪機(jī)過(guò)機(jī)流量時(shí)可全部用來(lái)發(fā)電，因此供水調(diào)度過(guò)程中不考慮發(fā)電，而在進(jìn)行供水及生態(tài)水量調(diào)度后，直接計(jì)算相應(yīng)的發(fā)電量。

結(jié)合水庫(kù)的防洪調(diào)度方式和前述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算方法建立洪水資源利用調(diào)度模型。從供水、生態(tài)優(yōu)先順序出發(fā)提出以下兩種供水調(diào)度方案：①生態(tài)用水優(yōu)先方案，即在供水調(diào)度缺水時(shí)，優(yōu)先供給三河口水庫(kù)下游生態(tài)流量；②供水優(yōu)先方案，即在供水調(diào)度缺水時(shí)優(yōu)先滿足供水需求。

3.1.4 供水與生態(tài)滿足程度計(jì)算

調(diào)節(jié)試算從半庫(kù)起調(diào)，逐旬進(jìn)行水量平衡計(jì)算，遇到余水就蓄，遇虧水則通過(guò)隧洞供水。供水量小于需水量則該旬供水不足遭受破壞，直到全系列逐時(shí)段計(jì)算結(jié)束，統(tǒng)計(jì)供水被破壞的旬?dāng)?shù)，分別計(jì)算長(zhǎng)系列受水區(qū)供水與生態(tài)滿足程度P(%)，公式如下所示：

(1)

3.2 調(diào)度成果及洪水資源化利用效益分析

本文2.2節(jié)中汛期分期汛限水位的研究，是基于不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)前提進(jìn)行的，故水庫(kù)安全運(yùn)行仍能得到保障。供水調(diào)度嚴(yán)格按前汛期汛限水位642.8 m、主汛期汛限水位642 m和非汛期正常蓄水位643 m控制庫(kù)水位，并基于1954至2008年長(zhǎng)系列逐旬徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水資源利用調(diào)度。

不同調(diào)度方案及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同方案效益分析Tab.4 Benefits analysis of different scenarios

3.2.1 供水及生態(tài)效益分析

由表4可知，相比A1方案，本次調(diào)度方案B1和B2方案均充分利用了前汛期庫(kù)容的調(diào)蓄作用，多年平均供水量分別增加了400和2 900 萬(wàn)m3，供水滿足程度分別提高了1.8%和5.9%。調(diào)度方式為生態(tài)優(yōu)先的B1方案生態(tài)滿足程度較B2方案提高了28.6%，而B(niǎo)2方案的生態(tài)滿足程度較A1方案有所降低。由此可見(jiàn)，B2方案新增供水量更大，但擠占部分生態(tài)用水，而B(niǎo)1方案在充分保證生態(tài)用水的基礎(chǔ)上，仍能新增一定供受水區(qū)水量。

3.2.2 發(fā)電效益分析

對(duì)應(yīng)方案A1初步設(shè)計(jì)調(diào)度方式的電站多年平均發(fā)電量為1.353 億kWh，其中常規(guī)機(jī)組發(fā)電1.08 億kWh，可逆機(jī)組發(fā)電0.273 億kWh。在前述長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)度方案B1、B2逐旬進(jìn)行發(fā)電計(jì)算，得到電站多年平均發(fā)電量分別為1.389和1.382 億kWh，其中最優(yōu)方案B1的常規(guī)機(jī)組發(fā)電1.11 億kWh，可逆機(jī)組發(fā)電0.279 億kWh。多年平均發(fā)電量較A1方案增加了0.036 億kWh。主要為增加下游生態(tài)供水流量和稍微抬高發(fā)電水頭帶來(lái)的效益，其中以增加發(fā)電流量為主要因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將分形理論應(yīng)用于三河口水庫(kù)汛期分期，運(yùn)用提高汛限水位分時(shí)段運(yùn)行方法確定分期汛限水位，并進(jìn)行相應(yīng)洪水資源調(diào)度規(guī)則的模擬分析，嘗試為水庫(kù)調(diào)度決策提供一定參考。本文得出如下結(jié)論。

(1)采用分形理論法，將三河口水庫(kù)流域汛期分為前汛期(06-01至06-30)和主汛期(07-01至09-30)，前汛期水庫(kù)汛限水位由目前的642 m抬高至642.8 m。

(2)由興利調(diào)度及洪水資源化利用效益分析可知，通過(guò)模擬調(diào)度，供水滿足程度可分別提高1.8%或5.9%。調(diào)度方式為生態(tài)優(yōu)先的B1方案與初步設(shè)計(jì)調(diào)度方案A1相比，B1方案在顯著提高生態(tài)基流滿足程度的基礎(chǔ)上，仍能新增一定供受水區(qū)水量，且多年平均發(fā)電量增加了0.036 億kWh。

(3)通過(guò)三河口水庫(kù)汛末蓄水情況分析可知，洪水資源化利用B1方案在供水、生態(tài)及發(fā)電效益方面較原調(diào)度方案有一定改善。然而，雖然汛期分期成果建立在滿足原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，但未來(lái)來(lái)水量及過(guò)程均具有不確定性，提高前汛期的汛限水位，導(dǎo)致水庫(kù)防洪庫(kù)容減小，若前汛期遭遇較大洪水，仍可能帶來(lái)一定潛在防洪風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)在加強(qiáng)和提升三河口水庫(kù)上游洪水預(yù)報(bào)能力(尤其是前汛期)的基礎(chǔ)上采用洪水資源化推薦方案才是更穩(wěn)妥、更科學(xué)的選擇。

□