張世全
(遼寧省防汛抗旱保障中心,遼寧沈陽(yáng) 110003)
傳統(tǒng)的汛限水位控制方法為靜態(tài)控制,即汛限水位是一個(gè)固定的值。雖然汛限水位靜態(tài)控制易于實(shí)施,但由于不能考慮氣象水文預(yù)報(bào)信息常使水庫(kù)難以回充到正常水位。為解決這個(gè)問(wèn)題,人們提出了汛限水位分期控制。分期控制盡管優(yōu)于靜態(tài)控制,但仍是一種基于靜態(tài)控制的方法,并沒(méi)有涉及到動(dòng)態(tài)控制的理念[1]。
隨著氣象和水文預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展,汛限水位動(dòng)態(tài)控制逐漸得到應(yīng)用[2-5]。由于考慮了實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)信息,汛限水位動(dòng)態(tài)控制允許汛限水位在一定的范圍內(nèi)波動(dòng),并且許多研究表明,汛限水位可以在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的情況下提高水資源的利用效率[6,7-10]。實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的一個(gè)關(guān)鍵要素是汛限水位控制域的確定,這也是目前的研究熱點(diǎn)[7,9,11]。但是汛限水位控制域通常是在水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段根據(jù)設(shè)計(jì)洪水或設(shè)計(jì)暴雨來(lái)確定的,并不能用于水庫(kù)的實(shí)時(shí)調(diào)度中。因此,需要研究汛限水位動(dòng)態(tài)控制在實(shí)時(shí)調(diào)度中的應(yīng)用方法。
實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制通常包括預(yù)蓄和預(yù)泄兩個(gè)過(guò)程。預(yù)泄是指在洪水起漲階段,提前泄流,降低水庫(kù)水位,增加水庫(kù)防洪能力,可用回充法確定預(yù)泄量;預(yù)蓄是在洪水消退階段提前蓄水,增加水庫(kù)蓄水量。因此,防洪過(guò)程可分為洪水退水段的預(yù)蓄、洪水起漲段的預(yù)泄和高洪峰段的調(diào)洪3個(gè)階段。
假設(shè)水庫(kù)當(dāng)前時(shí)刻t0的水位為Z()t0,且在汛限水位控制域中,即分別為水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的下限與上限值。當(dāng)預(yù)報(bào)信息發(fā)布后,可按下述步驟計(jì)算相應(yīng)的泄流方案。
1)求有效預(yù)見(jiàn)期Ty:
式中:Tj為預(yù)見(jiàn)期;Tcu為雨、水情信息傳遞、決策方案生成、決策會(huì)商及閘門操作等需要的時(shí)間。
2)以面臨時(shí)刻入庫(kù)流量qin(t0)為始退流量,利用退水預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)Ty內(nèi)的總?cè)肓鱓in或入庫(kù)流量過(guò)程qin(t0)。式中:tcu為當(dāng)前時(shí)刻;△t為計(jì)算時(shí)段。
3)若預(yù)報(bào)未來(lái)Tj后將有小雨或無(wú)雨,那么預(yù)蓄預(yù)泄的原則是保持庫(kù)水位等于汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的上限值,計(jì)算步驟如下:
①求面臨時(shí)刻水位Z(t0)與汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限水位Z+d的蓄水庫(kù)容差:
式中:V(t0)為水庫(kù)的當(dāng)前庫(kù)容;V(Zd+)為汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容。
②計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的平均泄流qˉout:
式中:qmin為供水需要的最小流量;qan為下游安全泄量;qintermax是有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)預(yù)報(bào)的下游區(qū)間最大流量。
4)若預(yù)報(bào)未來(lái)Tj后將有中到大雨,則預(yù)蓄預(yù)泄的原則是保持當(dāng)前水位不變。相應(yīng)的平均泄流可以在公式(5)的約束下按下式計(jì)算:
5)如果預(yù)報(bào)未來(lái)Tj后將有大暴雨,則可利用預(yù)蓄預(yù)泄法,依據(jù)下述步驟計(jì)算預(yù)見(jiàn)期末的水位
①預(yù)報(bào)Ty內(nèi)允許的下泄流量過(guò)程qout(t)或總水量:
式中:qinter(t)為區(qū)間入流,可通過(guò)預(yù)報(bào)獲得。
②計(jì)算Ty內(nèi)可預(yù)泄的水量wprerelease:
③求預(yù)見(jiàn)期末消落的水位Zd(t0+Tj)值:
式中:f(·)表示水位-庫(kù)容關(guān)系。若說(shuō)明泄流方案是可行的;若說(shuō)明泄流方案最優(yōu);若說(shuō)明泄流方案需要依據(jù)下述的回充方案重新制定。
回充法是指保證水位可以回升到汛限水位動(dòng)態(tài)控制域范圍內(nèi)。通常是在預(yù)報(bào)失誤的情況下,依據(jù)洪水退水余量來(lái)完成?;爻渌縲refill可以通過(guò)下式計(jì)算:
實(shí)際情況可以分為以下三類:
1)完全回充,指預(yù)報(bào)失誤后的退水余量較多,可以保證水庫(kù)水位回升到預(yù)泄開(kāi)始時(shí)的水位,即
wrefill=wprerelease表明公式(7)的泄流方案是最優(yōu)方案,而wrefill>wprerelease則表明水庫(kù)回充能力足夠補(bǔ)救預(yù)報(bào)失誤帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
2)部分回充,指預(yù)報(bào)失誤后的退水余量?jī)H能保證水庫(kù)水位回升到略高于汛限水位控制域的下限,而不能回充到預(yù)泄開(kāi)始時(shí)的水位。相應(yīng)的公式:
3)回充失敗,指預(yù)報(bào)失誤后退水余量?jī)H能使水庫(kù)水位達(dá)到低于汛限水位控制欲的下限,也即
這種情況下,需在公式(5)的約束下,按下式重新修改泄流方案:
碧流河水庫(kù)是一座以供水和防洪為主的水庫(kù),庫(kù)容為9.36×106m3,流域面積為2 085 km2。水庫(kù)的原設(shè)計(jì)方案采用兩段汛限水位:主汛期的汛限水位為68.1 m,后汛期的汛限水位為68.5 m。新的防洪調(diào)度方案采用汛限水位動(dòng)態(tài)控制,主汛期汛限水位的控制域?yàn)閇68.5 m,68.8 m],后汛期的汛限水位為68.8 m。碧流河水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)方案、退水預(yù)報(bào)方案及24 h降雨預(yù)報(bào),都已被證明可用于實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制中。
采用碧流河水庫(kù)“19960810”場(chǎng)次洪水來(lái)驗(yàn)證所提出的方法。該場(chǎng)洪水的開(kāi)始時(shí)間為1996年8月10日14:00,具體過(guò)程如圖1所示。8月12日11:00時(shí),水庫(kù)入流為525 m3/s,相應(yīng)的水位為69.18 m,可以開(kāi)始實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制。8月12日到17日每天發(fā)布24 h無(wú)雨預(yù)報(bào),采用預(yù)泄回充和預(yù)蓄預(yù)泄兩種方案進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制,并將所得結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比。
圖1 “19960810”場(chǎng)次洪水過(guò)程
按原設(shè)計(jì)方案,當(dāng)前應(yīng)采取的方案:繼續(xù)按照775 m3/s進(jìn)行泄流,盡快使水庫(kù)水位達(dá)到原設(shè)計(jì)汛限水位68.1 m。相應(yīng)的泄流過(guò)程和水位變化過(guò)程如圖2,3所示。
圖2 3種方案下泄流過(guò)程對(duì)比圖
圖3 3種方案下水位變化對(duì)比圖
8月14日17:00水庫(kù)水位達(dá)到汛限水位控制域的上限值68.8 m,相應(yīng)的庫(kù)容V(t0)=702.87×106m3,并且氣象臺(tái)將原無(wú)雨預(yù)報(bào)修正為中-大雨預(yù)報(bào)。因此,需要采取預(yù)泄回充方案降低水庫(kù)水位以迎接將要到來(lái)的洪水。具體的計(jì)算步驟:
1)已知預(yù)見(jiàn)期Jj是15 h,為安全Tcu取2 h,因此,Ty=Tj-Tcu=15-2=13 h。
2)需在15日8:00前將水位降至動(dòng)態(tài)控制閾值的下限,即,相應(yīng)的庫(kù)容
4)檢驗(yàn)回充能力。已知預(yù)見(jiàn)期末的入流量為122 m3/s,最小供水量為20 m3/s,最短時(shí)間tmint0-Tj=7 d,由公式(11)得回充水量wrefill=(122-20)/2×7×86400=30.8×106m3>wprerelease,說(shuō)明可以實(shí)現(xiàn)完全回充,不需修改泄流方案。
5)若實(shí)際發(fā)生空?qǐng)?bào),也可利用退水余量在8月22日前將水位回充到68.8 m,相應(yīng)泄流過(guò)程與水位變化過(guò)程如圖2,3所示。
由于8月12—17日連續(xù)5 d發(fā)布未來(lái)24 h無(wú)雨預(yù)報(bào),因此,可從8月13日08:00開(kāi)始將水庫(kù)水位控制為動(dòng)態(tài)控制域的上限值68.8 m,這個(gè)過(guò)程可以看做是預(yù)蓄。若預(yù)報(bào)8月16日17:00—17日17:00有大暴雨,則應(yīng)采取預(yù)泄措施。對(duì)應(yīng)的Ty=Tj-Tcu=24-2=22 h,有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的平均入庫(kù)流量qˉin為70 m3/s,為安全計(jì)最大泄流qout()t取為775 m3/s,那么,預(yù)泄水量為wprevelease=(775-70×22×3600=55.836×106m3),根據(jù)公式(10)可得到預(yù)見(jiàn)期末的水位為該水位低于汛限水位控制域的下限為提高洪水資源利用量,將末水位控制在68.5 m,則泄 流 量 修 改 為272 m3/s。相應(yīng)的泄流過(guò)程和水位變化過(guò)程見(jiàn)圖2,3。
3種方案的調(diào)度結(jié)果如表1所示??梢钥闯?種方案得到的最大水位和最大泄流量是相同的,但預(yù)蓄預(yù)泄方案和預(yù)泄回充方案的末水位均高于原設(shè)計(jì)方案,這說(shuō)明汛限水位動(dòng)態(tài)控制可以在不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下提供洪水資源利用率。
表1 3種方案的調(diào)度結(jié)果對(duì)比
汛限水位動(dòng)態(tài)控制的目標(biāo)是指導(dǎo)水庫(kù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。本文基于氣象水文預(yù)報(bào)信息提出了一種實(shí)施實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的方法,并將其應(yīng)用在了碧流河水庫(kù)的實(shí)時(shí)調(diào)度中。結(jié)果表明,實(shí)施實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制能在不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下提高水資源利用率;在水庫(kù)調(diào)度中應(yīng)考慮降雨預(yù)報(bào)、徑流預(yù)報(bào)等信息以增加水庫(kù)的效益。然而,徑流預(yù)報(bào)和降雨預(yù)報(bào)的不確定性會(huì)給預(yù)泄回充方案帶來(lái)回充風(fēng)險(xiǎn),因此,在以后的研究中應(yīng)進(jìn)一步展開(kāi)對(duì)實(shí)時(shí)汛限水位動(dòng)態(tài)控制中風(fēng)險(xiǎn)的分析。