特殊運行工況下水庫預(yù)泄調(diào)度方式研究

劉偉時，藍祝光

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

位于安徽省滁州市城區(qū)西北部的某中型水庫，其正常蓄水位及汛期限制水位均為29.00 m，設(shè)計水位為30.53 m，校核水位為31.41 m。該水庫原建有老閘(即南閘)，閘頂高程為31.20 m；如今又新建北閘，閘頂高程為29.30 m。新閘修建完成后，水庫仍按之前批復(fù)的設(shè)計標準運行。因新閘閘頂高程過低，水庫的實際防洪庫容大為下降，當水庫遭遇較大洪水時，會發(fā)生洪水漫過新閘閘頂?shù)膯栴}，危害水庫安全，并降低水庫防洪能力、增大下游防洪壓力。此外，在該水庫內(nèi)還建有一座抽水蓄能電站，每日可抽放水量200萬～800萬m3。若抽水蓄能電站向水庫放水的同時，庫區(qū)遭遇洪水，更易造成洪水漫頂危害。針對該水庫復(fù)雜特殊的運行條件，建立科學(xué)有效且具有可操作性的洪水調(diào)度方式具有重要的意義。水庫預(yù)報預(yù)泄調(diào)度是水庫防洪調(diào)度的重要方式之一，可提高水庫防洪能力[1-5]。為防止該水庫發(fā)生洪水漫頂、危害水庫安全的事件發(fā)生，結(jié)合該水庫建有的水情遙測預(yù)報系統(tǒng)的洪水預(yù)報信息，探討特殊運行條件下水庫預(yù)泄調(diào)度方式。

1 水庫概況

該水庫位于滁河支流清流河的小沙河上，流域面積168 km2，流域最高峰海拔為317 m。流域最大長度為17.5 km，主河道長16 km，流域?qū)?.6 km，河道平均坡度為0.109%。

水庫的總庫容為7 112萬m3，興利庫容為4 000萬m3，防洪庫容為2 712萬m3，死庫容為400萬m3。防洪設(shè)計標準為100年一遇，設(shè)計水位30.53 m，設(shè)計泄量800 m3/s，水庫防洪校核標準為5 000年一遇，校核水位31.41 m，校核泄量2 326 m3/s。

該水庫閘門分為老閘(南閘)和新閘(北閘)。老閘為鋼筋混凝土閘門，閘門有5孔，閘門底高程為27.20 m，尺寸為凈寬5 m、高4 m；新閘為鋼閘門，閘門有10孔，閘門底高程為24.50 m，尺寸為凈寬7 m，高4.8 m。因新閘閘頂高程為29.30 m，而水庫仍按原先的設(shè)計標準運行。即，仍以29.00 m作為汛限水位，導(dǎo)致水庫實際防洪能力大為降低。當水庫遭遇較大洪水時，會發(fā)生洪水漫過新閘閘頂現(xiàn)象，危害水庫安全。

在水庫內(nèi)建有1座抽水蓄能電站，該電站根據(jù)滁州市電力部門要求和電力系統(tǒng)實際需要，每天抽放水量為200萬～800萬m3。以29.00 m(正常蓄水位及汛限水位)為基準，抽水蓄能電站的抽放水量作業(yè)可導(dǎo)致水庫水位抬高或降低0.20～0.90 m。若在汛期，蓄能電站進行放水作業(yè)的同時庫區(qū)遭遇洪水，將會加劇洪水漫頂?shù)奈：π浴?/p>

2 “84辦法”計算典型洪水

因該水庫洪水資料不齊全，為更加全面地對該水庫遭遇的各頻率洪水進行預(yù)泄調(diào)度研究，結(jié)合安徽省水利水電勘測設(shè)計院于1984年編制的《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計洪水計算辦法》(以下簡稱“84辦法”)，計算本文研究所需的水庫各頻率洪水。

安徽省“84辦法”主要用于計算淮河以南，集水面積在10～300 km2之間的山丘區(qū)中、小型水庫設(shè)計洪水[6]。只要知道某水庫流域特征值：流域面積F、流域平均寬度B、河道平均坡度J，在“84辦法”附圖中查出設(shè)計流域中心處的某設(shè)計頻率24、1 h暴雨點—面折扣系數(shù)和年最大24、1 h點雨量的變差系數(shù)，經(jīng)計算可得該設(shè)計頻率下的洪水過程線。具體計算方式詳見文獻[7]。

經(jīng)計算可得該水庫各頻率洪水過程線(見表1)。

表1 水庫各頻率設(shè)計洪水過程線

3 洪水常規(guī)調(diào)度

該水庫經(jīng)上級部門批復(fù)的防洪調(diào)度方式：①水位超過汛限水位29.00 m、低于30.15 m(即遭遇20年一遇洪水)時，新閘下泄流量控制為200 m3/s；②水位達到30.44m(即遭遇50年一遇洪水)時，新閘下泄流量控制為500 m3/s；③水位達30.53 m(即遭遇100年一遇洪水)時，新閘下泄流量為800 m3/s；④水位超過31.20 m(即遭遇千年一遇洪水)時，新閘全開，老閘按100 m3/s控制，啟用非常溢洪道泄。

依據(jù)批復(fù)的調(diào)度方式對該水庫各頻率洪水進行調(diào)洪計算，即

(1)

式中，Qt、Qt+1分別為時段Δt始末的入庫流量；qt、qt+1分別為時段Δt始末的出庫流量；Vt、Vt+1分別為時段Δt始末的水庫庫容；Δt為時段長。調(diào)洪結(jié)果如表2所示。

表2 各頻率洪水常規(guī)調(diào)度結(jié)果

由表2可知，在不考慮抽水蓄能電站影響的情況下，按批復(fù)的洪水調(diào)度方式進行調(diào)洪，當遭遇10年一遇以上洪水時皆有可能造成洪水漫過新閘閘頂?shù)膯栴}。為解決此問題，需研究適應(yīng)該水庫實際情況的洪水預(yù)泄調(diào)度方式。

4 洪水預(yù)泄調(diào)度

水庫的預(yù)泄調(diào)度是在洪水出現(xiàn)前提前下泄一部分水庫水量，使水庫水位消落到汛限水位之下，以利用這部分預(yù)先騰空的容積來提高水庫的防洪能力。就水庫預(yù)泄調(diào)度研究方法而言，有預(yù)報預(yù)泄方式和非預(yù)報預(yù)泄方式兩大類。前者，采用洪水預(yù)報作為預(yù)泄的判別條件；后者，根據(jù)已出現(xiàn)水情作為預(yù)泄的判別條件[8-12]。

該水庫建有水情遙測預(yù)報系統(tǒng)，可有效進行短期水情預(yù)報，其洪水預(yù)見期為24～48 h。該預(yù)報系統(tǒng)為洪水預(yù)泄調(diào)度提供了可靠保障。本文研究采用預(yù)報預(yù)泄方式進行水庫洪水預(yù)泄調(diào)度，且預(yù)見期T取24 h。

4.1 預(yù)泄調(diào)度約束條件

充分考慮該水庫特殊運行工況和批復(fù)的調(diào)度方式，在進行洪水預(yù)泄調(diào)度時需滿足以下約束條件：

(1)因水庫新閘閘頂高程為29.30 m，為保障水庫安全運行，洪水經(jīng)過時的最高庫水位不應(yīng)超過29.30 m。

(2)預(yù)泄調(diào)度方案應(yīng)以上級部門批復(fù)的洪水調(diào)度作為依據(jù)。

(3)抽水蓄能電站每日的抽放水量對庫水位影響較大，預(yù)泄調(diào)度應(yīng)充分考慮其影響。

(4)因水庫的主要功能是蓄水興利、為滁州市及抽水蓄能電站供水。調(diào)洪后的水庫水位應(yīng)能恢復(fù)到汛限水位29.00 m。

(5)為方便實際操作，預(yù)泄調(diào)度方案應(yīng)化繁為簡，具有可操作性、實用性和方便性。

4.2 預(yù)泄調(diào)度方式

抽水蓄能電站每日的抽放水量作業(yè)對庫水位產(chǎn)生較大變幅，大大增加了預(yù)泄調(diào)度的復(fù)雜性。為避免抽水蓄能電站對汛期水庫防洪產(chǎn)生的影響，基于實際情況和可操作性考慮，當水庫水情遙測預(yù)報系統(tǒng)提前預(yù)知水庫即將遭遇洪水時，抽水蓄能電站立即停止進行放水發(fā)電作業(yè)，待洪水過后再進行放水發(fā)電。

水庫預(yù)泄調(diào)度是在批復(fù)的常規(guī)調(diào)度基礎(chǔ)上，充分考慮水庫調(diào)度約束條件，在洪水到來前24 h(即洪水預(yù)見期T)，按一定預(yù)泄流量提前將水庫水位從汛限水位降至某個水位，增加防洪庫容；在洪水經(jīng)過時，再根據(jù)批復(fù)的洪水調(diào)度方式進行調(diào)度。根據(jù)以下公式求出遭遇各頻率洪水時，水庫提前預(yù)泄庫容后的庫容量。即

w預(yù)泄=w洪水-w閘頂

(2)

w降低=w汛限-w預(yù)泄

(3)

q預(yù)泄=w預(yù)泄/T

(4)

式中，w預(yù)泄為水庫遭遇各頻率洪水需提前預(yù)泄洪量；w洪水為常規(guī)調(diào)度方式下水庫遭遇各頻率洪水時最高庫水位對應(yīng)庫容量；w閘頂為閘頂高程29.30 m對應(yīng)的庫容量，w降低為水庫提前預(yù)泄洪量后的庫容量；w汛限為汛限水位對應(yīng)庫容量；q預(yù)泄為遭遇各頻率洪水時的預(yù)泄流量；T為洪水預(yù)見期。

求出w降低后，根據(jù)水位-庫容曲線得到對應(yīng)的水位值Z降低。Z降低即為遭遇各頻率洪水時，水庫水位應(yīng)從汛限水位降低至的水位值。計算結(jié)果如表3所示。

表3 Z降低計算結(jié)果

綜上所述，可得到該水庫的預(yù)泄調(diào)度方案：預(yù)報得知庫區(qū)即將遭遇某頻率洪水時，水庫提前24 h(洪水預(yù)見期T)根據(jù)相應(yīng)的預(yù)泄流量q預(yù)泄將庫水位從汛限水位29.00 m降至相應(yīng)的水位Z降低；當洪水開始入庫時，根據(jù)批復(fù)的洪水調(diào)度方式進行調(diào)度。

4.3 預(yù)泄調(diào)度結(jié)果

根據(jù)制訂的預(yù)泄調(diào)度方案對各頻率洪水進行調(diào)洪，調(diào)洪過程如圖1～4所示。

圖1 10年一遇洪水常規(guī)、預(yù)泄調(diào)度過程

圖2 20年一遇洪水常規(guī)、預(yù)泄調(diào)度過程

圖3 50年一遇洪水常規(guī)、預(yù)泄調(diào)度過程

圖4 100年一遇洪水常規(guī)、預(yù)泄調(diào)度過程

由圖1～4可知，與批復(fù)的常規(guī)洪水調(diào)度方案相比，預(yù)泄調(diào)度方案可確保水庫遭遇各頻率洪水時最高洪水位均不超過閘頂高程29.30 m，提高了該水庫的實際防洪能力，更有效地確保水庫安全泄洪。

5 結(jié) 語

因水庫實際情況的特殊性，批復(fù)的防洪調(diào)度方案無法確保水庫安全運行。本文充分考慮該水庫特殊運行條件，并結(jié)合水庫實際狀況，提出具有可操作性和實用性的預(yù)泄調(diào)度方案。預(yù)泄調(diào)度結(jié)果表明，該方案能解決水庫實際防洪能力不足的問題，可確保汛期水庫安全泄洪。因該預(yù)泄調(diào)度方案的可靠性與洪水預(yù)見期T的準確性密切相關(guān)，后期應(yīng)進一步研究T的準確性對預(yù)泄調(diào)度結(jié)果產(chǎn)生的影響。