水庫(kù)群防洪庫(kù)容利用等效關(guān)系研究

周麗偉　康玲　丁洪亮　李天慶　姚華明

摘要：為定量研究遭遇不同類型洪水時(shí)不同水庫(kù)之間防洪庫(kù)容利用等效關(guān)系，結(jié)合馬斯京根模型，從理論上推導(dǎo)分析了河道洪水演進(jìn)對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度的影響，然后提出水庫(kù)群防洪庫(kù)容利用等效比及其計(jì)算方法，最后以錦屏一級(jí)、二灘、溪洛渡、向家壩、三峽水庫(kù)對(duì)枝城站的聯(lián)合防洪補(bǔ)償調(diào)度為例，分析遭遇6場(chǎng)有代表性設(shè)計(jì)洪水時(shí)，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比。研究結(jié)果表明：① 上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比大于等于1，且隨上游水庫(kù)與三峽水庫(kù)距離的增加而增大;② 隨著三峽水庫(kù)使用防洪庫(kù)容的減少，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比逐漸增大;③ 上游水庫(kù)可控制洪水占三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水比例越大，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比越小;④ 防洪庫(kù)容利用等效比隨著枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)的增加而逐漸減少，并趨向1。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)群; 防洪調(diào)度; 防洪庫(kù)容; 洪水演進(jìn); 等效比; 馬斯京根模型; 三峽水庫(kù)

中圖法分類號(hào)： TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.003

0引 言

根據(jù)《2020年長(zhǎng)江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃》，長(zhǎng)江流域納入聯(lián)合防洪調(diào)度的水庫(kù)增加至41座，形成了以流域控制性水庫(kù)群為主體的流域防洪調(diào)度工程體系。當(dāng)流域發(fā)生洪水時(shí)，合理利用各水庫(kù)的防洪庫(kù)容進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度，能夠提高流域的整體防洪能力[1-2]。

圍繞水庫(kù)群防洪庫(kù)容分配利用的現(xiàn)行研究方法主要包括兩類：① 采用模擬調(diào)度方式，根據(jù)區(qū)域的防洪需求和各個(gè)水庫(kù)的防洪庫(kù)容，研究上游水庫(kù)配合下游水庫(kù)的攔洪次序及方式，進(jìn)而確定水庫(kù)群防洪庫(kù)容的分配方案[3-8];② 采用優(yōu)化調(diào)度方式，確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合相關(guān)約束條件建立聯(lián)合防洪調(diào)度優(yōu)化模型，如基于大壩安全與防護(hù)區(qū)防洪需求的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型[9]、基于所需防洪庫(kù)容最小準(zhǔn)則的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型[10]、基于等比例或等蓄量蓄水準(zhǔn)則的優(yōu)化調(diào)度模型[11-12]、基于系統(tǒng)非線性安全度策略的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型[13-14]等。這些研究提升了水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度的防洪效益，但水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度的防洪效益不僅受水庫(kù)自身因素的影響，還受洪水過程的影響。因此，部分學(xué)者通過分析洪水過程來(lái)進(jìn)一步研究水庫(kù)群防洪庫(kù)容的分配利用問題。王本德等[15]根據(jù)不同類型暴雨形成洪水特點(diǎn)，提出了水庫(kù)防洪分類調(diào)度方法;Hui等[16]通過簡(jiǎn)化分析洪水過程線，提出了洪峰削減效果最好的防洪庫(kù)容分配方法;Connaughton等[17]研究了遭遇4種不同形狀洪水時(shí)，最小化洪峰、最小化洪水頻率和最小化短期預(yù)報(bào)洪峰3種調(diào)度方式對(duì)洪量的削減效果。

當(dāng)水庫(kù)與防洪控制站之間的河道較長(zhǎng)時(shí)，洪水沿河道演進(jìn)會(huì)出現(xiàn)坦化變形的現(xiàn)象，使得地理位置分布不同的水庫(kù)在遭遇不同類型的洪水時(shí)對(duì)防洪控制站的削洪效果會(huì)有所差異。而在現(xiàn)行水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案制定過程中沒有考慮洪水的坦化變形對(duì)防洪調(diào)度方案制定的影響，這造成水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行與制定的防洪調(diào)度方案不符。因此，本文結(jié)合馬斯京根河道洪水演進(jìn)模型進(jìn)行理論上的分析，以研究洪水坦化變形對(duì)水庫(kù)群防洪調(diào)度的具體影響，并進(jìn)一步提出防洪庫(kù)容利用等效比及其計(jì)算方法，為解決水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度時(shí)水庫(kù)群防洪庫(kù)容高效利用問題提供理論支撐。

1洪水演進(jìn)對(duì)防洪調(diào)度的影響

由于受重力作用的影響，水庫(kù)下泄的洪水沿河道演進(jìn)至防洪控制站時(shí)會(huì)出現(xiàn)坦化的現(xiàn)象。當(dāng)水庫(kù)與防洪控制站距離較近時(shí)，可以忽略這種現(xiàn)象，認(rèn)為水庫(kù)攔蓄洪量與防洪控制站在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)削減洪量相等;但當(dāng)水庫(kù)與防洪控制站距離較遠(yuǎn)時(shí)，洪水的坦化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)攔蓄洪量與防洪控制站在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)削減洪量不相等。

若已知防洪控制站天然洪水的超標(biāo)洪量，對(duì)于單庫(kù)防洪調(diào)度，根據(jù)削洪量與攔洪量比，即可推算出水庫(kù)需要使用的防洪庫(kù)容;而對(duì)于水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度，由于各水庫(kù)至防洪控制站的河道不同，洪水坦化變形的程度也不相同，使得各水庫(kù)對(duì)防洪控制站的削洪效果不同，進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度時(shí)，水庫(kù)之間的防洪庫(kù)容不能簡(jiǎn)單地等效補(bǔ)償。因此，需要進(jìn)一步研究水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度中各水庫(kù)之間防洪庫(kù)容利用等效關(guān)系及其計(jì)算方法。

2水庫(kù)群防洪庫(kù)容利用等效比

2.1定義

在水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度中，由于水庫(kù)空間位置差異性和洪水時(shí)空分布不均勻性，不同水庫(kù)單位防洪庫(kù)容的防洪作用不盡相同，例如：離共同防洪控制站較遠(yuǎn)的水庫(kù)，其單位防洪庫(kù)容的防洪作用較小;入庫(kù)洪水較小的水庫(kù)，其單位防洪庫(kù)容的防洪作用較小。

3實(shí) 例

3.1研究區(qū)域概況

根據(jù)長(zhǎng)江流域的防洪部署，錦屏一級(jí)、二灘、溪洛渡、向家壩4座水庫(kù)在確保樞紐自身防洪安全的前提下，不僅承擔(dān)了長(zhǎng)江川渝河段的防洪任務(wù)，還要配合三峽水庫(kù)適時(shí)攔洪，共同承擔(dān)長(zhǎng)江中下游的防洪任務(wù)[19-20]。本文以長(zhǎng)江上游5座典型的干支流控制性水庫(kù)錦屏一級(jí)、二灘、溪洛渡、向家壩和三峽水庫(kù)為研究對(duì)象，共同防洪控制站為枝城站，研究長(zhǎng)江上游5座典型干支流控制性水庫(kù)對(duì)荊江河段的聯(lián)合防洪調(diào)度。建立水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度模型時(shí)，除設(shè)置枝城站過流流量不超過其安全流量的約束外，還要設(shè)置長(zhǎng)江川渝河段李莊站、朱沱站和寸灘站過流流量不超過其安全流量的約束，以保障長(zhǎng)江川渝河段的防洪安全，研究區(qū)域位置如圖1所示。

研究區(qū)域5座水庫(kù)相關(guān)參數(shù)如表1所列。溪洛渡和向家壩兩座水庫(kù)位置較近、區(qū)間洪水較小，可將溪洛渡和向家壩水庫(kù)統(tǒng)一調(diào)控，本文稱為溪向水庫(kù)，總設(shè)計(jì)防洪庫(kù)容為55.54億m3。

3.2洪水選擇

根據(jù)洪水演進(jìn)對(duì)防洪調(diào)度影響的分析可知，水庫(kù)對(duì)防洪控制站的削洪效果不僅與洪水類型有關(guān)，還與防洪控制站洪水超標(biāo)歷時(shí)有關(guān)，本文中防洪控制站洪水超標(biāo)歷時(shí)是指防洪控制站流量超過其安全泄量的持續(xù)時(shí)間。結(jié)合研究區(qū)域水庫(kù)位置及洪水地區(qū)組成情況，將研究區(qū)域三峽水庫(kù)以上部分分為3個(gè)區(qū)域：區(qū)域1是雅礱江二灘水庫(kù)以上的區(qū)域，區(qū)域2是金沙江向家壩水庫(kù)以上除去雅礱江二灘水庫(kù)以上的區(qū)域，區(qū)域3是向家壩至三峽水庫(kù)區(qū)間的區(qū)域?；?個(gè)區(qū)域最大7 d洪量占比，將6場(chǎng)具有典型代表性的100 a一遇設(shè)計(jì)洪水分為2類。1983，1931年和1988年100 a一遇設(shè)計(jì)洪水為類型1洪水，該類型洪水中區(qū)域1和區(qū)域2洪水占比相對(duì)較小;1935，1968年和1998年100 a一遇設(shè)計(jì)洪水為類型2洪水，該類型洪水中區(qū)域1和區(qū)域2洪水占比相對(duì)較大。6場(chǎng)典型代表性100 a一遇設(shè)計(jì)洪水分析結(jié)果如表2所列。從表2可以看出，6場(chǎng)典型代表性100 a一遇設(shè)計(jì)洪水中區(qū)域3洪水占三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水的62.07%以上。

3.3結(jié)果分析

遭遇6場(chǎng)典型代表性100 a一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)各水庫(kù)防洪庫(kù)容使用量如表3所列。從表3可以看出：三峽水庫(kù)使用防洪庫(kù)容較多，溪洛渡和向家壩水庫(kù)使用防洪庫(kù)容其次，錦屏一級(jí)和二灘水庫(kù)使用防洪庫(kù)容較少。

在水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度中以錦屏一級(jí)、二灘、溪洛渡、向家壩4座水庫(kù)對(duì)洪水進(jìn)行攔蓄，實(shí)現(xiàn)對(duì)三峽水庫(kù)的錯(cuò)峰調(diào)度，可有效降低三峽水庫(kù)的防洪壓力。以1931年100 a一遇設(shè)計(jì)洪水為例，如圖2所示，上游4座水庫(kù)參加聯(lián)合調(diào)度后，三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水明顯變小，洪峰流量降低了10 000 m3/s以上，且峰現(xiàn)時(shí)間延后一個(gè)調(diào)度時(shí)段，通過上游4座水庫(kù)對(duì)洪水的攔蓄作用，有效降低了三峽水庫(kù)的防洪壓力。因此，在滿足上游水庫(kù)防洪安全的基礎(chǔ)上，可通過增加上游水庫(kù)防洪庫(kù)容的利用來(lái)降低三峽水庫(kù)的防洪壓力，這需要進(jìn)一步研究上游各水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用的等效關(guān)系。

由圖3可以得到以下結(jié)論：

（1） 遭遇同一場(chǎng)洪水時(shí)，三峽水庫(kù)使用防洪庫(kù)容減少量相同時(shí)，錦屏一級(jí)、二灘、溪向水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比均大于等于1，且依次減小。說(shuō)明錦屏一級(jí)、二灘、溪向水庫(kù)和三峽水庫(kù)對(duì)枝城站的削洪效果依次增強(qiáng)。

（2） 遭遇同一場(chǎng)洪水時(shí)，隨著三峽水庫(kù)使用防洪庫(kù)容的減少，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比逐漸增大。說(shuō)明三峽水庫(kù)的使用防洪庫(kù)容越少，上游水庫(kù)需要使用的防洪庫(kù)容就越多，造成水庫(kù)群整體使用的防洪庫(kù)容就越大，水庫(kù)群削洪量與攔洪量的比值就越小，最終導(dǎo)致水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度的整體防洪效益變差。

（3） 遭遇同一類型洪水時(shí)，隨著區(qū)域1和區(qū)域2洪水占比的增大，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比逐漸減小。以圖3（a）中錦屏一級(jí)水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比為例，1983，1931年和1988年100 a一遇設(shè)計(jì)洪水為同類型洪水，且隨著區(qū)域1和區(qū)域2洪水占比逐漸增大，錦屏一級(jí)水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比逐漸減小。這說(shuō)明上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比與洪水地區(qū)組成相關(guān)，上游水庫(kù)可控制的洪水占三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水比例越大，上游水庫(kù)和三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用對(duì)下游枝城站的削洪效果越接近。

（4） 上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比與枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，即隨著枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)的增大，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比逐漸減小。特別地，當(dāng)枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)后，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比接近1，此時(shí)，上游水庫(kù)和三峽水庫(kù)對(duì)下游枝城站的削洪效果基本相同。該結(jié)論同時(shí)論證了前述河道洪水演進(jìn)對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度影響的分析結(jié)論，即對(duì)于短歷時(shí)洪水，洪水起漲消退較快，洪水過程形狀陡峭，洪水在河道中的坦化程度較重，水庫(kù)需要更多的防洪庫(kù)容攔蓄超標(biāo)洪量;反之，長(zhǎng)歷時(shí)洪水起漲消退緩慢，過程形狀平緩，在河道中的坦化程度較小。

4結(jié) 論

本文在利用馬斯京根模型分析洪水演進(jìn)對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度影響的基礎(chǔ)上，提出水庫(kù)群防洪庫(kù)容利用等效比，并給出其計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度中不同水庫(kù)之間防洪庫(kù)容利用等效關(guān)系的定量研究。以長(zhǎng)江流域5座控制性水庫(kù)針對(duì)枝城站的聯(lián)合防洪調(diào)度為例的研究結(jié)果表明，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比不僅與水庫(kù)地理位置有關(guān)，還與洪水地區(qū)組成、枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)有關(guān)。① 上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比大于等于1，且距離枝城站越近水庫(kù)的削洪效果越好;② 三峽水庫(kù)使用防洪庫(kù)容越多，上游水庫(kù)對(duì)下游水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比越小，水庫(kù)群整體的削洪效果越好;③ 隨著上游水庫(kù)可控制洪水占三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水比例的增大，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)防洪庫(kù)容利用等效比逐漸減小;④ 枝城站天然洪水超標(biāo)歷時(shí)越長(zhǎng)，洪水過程越平緩時(shí)，上游水庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)的防洪庫(kù)容利用等效比越接近1。本文的研究成果可以更加直觀科學(xué)地指導(dǎo)水庫(kù)群聯(lián)合防洪補(bǔ)償調(diào)度中水庫(kù)群防洪庫(kù)容的高效利用。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：In order to quantify the equivalent relationship of flood control capacity utilization between different reservoirs when encountering different types of flood，this paper analyzed the influence of river flood routing on reservoir flood control operation based on Muskingum model，and then put forward a concept of utilization equivalent ratio of flood control capacity of reservoir groups.Taking the joint flood control compensation dispatching of Jinping I，Ertan，Xiluodu，Xiangjiaba and Three Gorges Reservoir to Zhicheng Station in Changjiang river as an example，the equivalent ratio for flood control capacity utilization of upstream reservoirs to Three Gorges Reservoir was analyzed under six representative design floods.The results showed that：①? the equivalent ratio for flood control capacity utilization of the upstream reservoirs to the Three Gorges Reservoir were no less than 1，and it increased gradually with the increasing distance between the upstream reservoir and the Three Gorges Reservoir;②? with the decrease utilization of flood control capacity of the Three Gorges Reservoir，the equivalent ratio for flood control capacity utilization of the upstream reservoir to the Three Gorges Reservoir increased gradually;③? The larger the proportion of controllable flood from upstream reservoir to the flood inflow of the Three Gorges Reservoir，the smaller the equivalent ratio was;④ the corresponding equivalent ratio was negative correlated with the duration of excessive flood in Zhicheng Station，and it reached to 1 gradually.

Key words：reservoir group;flood control operation;flood control capacity;flood routing;equivalent ratio;Muskingum model;Three Gorges Reservoir