亭子口水利樞紐汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制策略研究

荊 柱，朱 利 明，巴 歡 歡，凌 洪 政，李 肖 男，袁 玉 嬌

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010； 3.大唐四川發(fā)電有限公司，四川 成都 610083； 4.流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010； 5.嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 廣元 628408)

0 引 言

水庫汛期運(yùn)行水位的動態(tài)控制運(yùn)用技術(shù)是洪水資源化利用的重要手段。在樞紐工程的設(shè)計(jì)階段一般不考慮氣象水文預(yù)報(bào)條件，多采用基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的設(shè)計(jì)洪水成果，按照規(guī)劃設(shè)計(jì)要求確定汛限水位固定值或分期汛限水位[1]。該設(shè)計(jì)理念使水庫汛期運(yùn)行的靈活性受到一定程度的約束，常導(dǎo)致電站汛期出力受阻、棄水較多，造成洪水資源的浪費(fèi)，影響水庫的汛后蓄水，限制水庫綜合效益的發(fā)揮。而水庫汛期運(yùn)行水位作為協(xié)調(diào)水庫運(yùn)行管理過程中防洪與興利之間矛盾的關(guān)鍵指標(biāo)，優(yōu)化其運(yùn)用方式可有效提升實(shí)時(shí)調(diào)度中樞紐的綜合效益。因此，如何在保障防洪安全的前提下，通過優(yōu)化水庫防洪參數(shù)和規(guī)則等非工程措施，科學(xué)實(shí)施汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制運(yùn)用是水庫運(yùn)行管理中亟須解決的問題。

嘉陵江是長江上游左岸的主要支流，干流全長1 120 km，亭子口水利樞紐是嘉陵江干流唯一的控制性工程，已批復(fù)的《嘉陵江亭子口水利樞紐水庫調(diào)度規(guī)程》[2](以下簡稱《調(diào)度規(guī)程》)并未對亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制方式進(jìn)行規(guī)定。因此，在實(shí)際調(diào)度中為確保流域防洪安全，亭子口水庫主汛期運(yùn)行水位多維持在汛限水位及以下位置，在主汛期存在電站機(jī)組出力受阻、調(diào)峰能力受限、棄水較多且總體呈上升趨勢等問題。在長江水利委員會印發(fā)的《嘉陵江洪水調(diào)度方案》中，明確提出嘉陵江流域梯級水庫群“在確保防洪安全的前提下，根據(jù)防洪形勢、氣象水文預(yù)報(bào)，綜合考慮水資源、水環(huán)境等需求，合理利用洪水資源”，同時(shí)“水庫經(jīng)有調(diào)度權(quán)限的水行政主管部門批準(zhǔn)后，可適時(shí)開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制或汛末提前蓄水”。

近年來，隨著水文氣象預(yù)報(bào)理論的快速發(fā)展和現(xiàn)代監(jiān)測體系的不斷完善，降雨及洪水預(yù)報(bào)精度不斷提高，為水庫開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制創(chuàng)造了有利條件[3]。開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的核心是在確保樞紐自身、水庫庫區(qū)和下游防洪安全的前提下，基于降雨洪水短中期預(yù)報(bào)成果和洪水時(shí)空變化規(guī)律，科學(xué)制定汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制方案，在保證防洪安全的前提下提升汛期洪水資源化利用水平，充分發(fā)揮水庫的綜合效益[4-5]。

針對汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制，國內(nèi)專家學(xué)者開展了大量的研究，提出了實(shí)時(shí)預(yù)蓄預(yù)泄法、綜合信息推理模式法、補(bǔ)償調(diào)度法等多種方法，并成功運(yùn)用于水庫實(shí)際調(diào)度中[6-8]。劉攀等[9]以三峽水庫為例，基于預(yù)報(bào)預(yù)泄原理推求了三峽水庫汛期水位動態(tài)控制約束域。劉招等[10]提出了基于6 h預(yù)報(bào)徑流深的防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式，以安康水庫為例展開計(jì)算，結(jié)果表明該調(diào)度方式不僅較常規(guī)調(diào)度方式具有更好的調(diào)洪效果，也有利于洪水資源的利用。李志鵬等[11]采用預(yù)泄能力約束法，計(jì)算了碧口水庫汛期水位動態(tài)控制的上、下限，結(jié)果表明汛期水位動態(tài)控制可以有效緩解水庫興利與防洪的矛盾。部分學(xué)者對亭子口水庫汛期的調(diào)度方式展開了研究，探討了汛期運(yùn)行水位的浮動空間[12-13]。但在調(diào)度計(jì)算中對庫區(qū)及下游重要沿江城鎮(zhèn)，特別是閬中市的防洪約束考慮尚不全面，對汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的運(yùn)用方式、下游防洪控制站防洪影響以及發(fā)電效益增量也有待進(jìn)一步細(xì)化研究。

本文擬對亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制策略展開系統(tǒng)研究，統(tǒng)籌庫區(qū)及下游不同區(qū)域的防洪需求，計(jì)算不同來水量級下亭子口水庫安全上浮區(qū)間及運(yùn)用方式，分析動態(tài)控制運(yùn)用后的防洪影響和興利效益，旨在保證防洪安全的前提下提升亭子口水庫興利效益，助力“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。

1 研究對象

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，水庫正常蓄水位458.00 m，汛限水位447.00 m，設(shè)計(jì)洪水位461.30 m，總庫容40.67億m3。水庫預(yù)留防洪庫容10.60億m3(非常運(yùn)用時(shí)為14.40億m3)，電站裝機(jī)容量1 100 MW(4×275 MW)，機(jī)組額定流量1 730 m3/s。作為長江總體防洪體系的重要組成部分，亭子口水庫需要同時(shí)承擔(dān)嘉陵江干流防洪以及配合三峽水庫對長江中下游防洪的雙重任務(wù)[14](見圖1)。亭子口水庫的主要防護(hù)對象為下游的南充市，防洪控制斷面為南充市靖江樓水位站(以下簡稱“南充站”)。

圖1 嘉陵江流域水庫、水文站點(diǎn)概化示意Fig.1 Schematic diagram of reservoirs and hydrological stations in Jialing River Basin

亭子口水庫防洪調(diào)度采用“固定下泄法”和“補(bǔ)償調(diào)度”相結(jié)合的方式。概括如下：

(1) 汛期水庫來水小于等于10 000 m3/s時(shí)，庫水位原則上按防洪限制水位控制運(yùn)行。

(2) 當(dāng)水庫來水介于10 000～18 000 m3/s時(shí)，水庫按10 000 m3/s控制下泄。

(3) 當(dāng)水庫來水大于等于18 000 m3/s或南充站流量大于等于20 000 m3/s時(shí)，采用“補(bǔ)償調(diào)度”方式運(yùn)用，控制南充站流量不超過25 100 m3/s。

(4) 當(dāng)嘉陵江中下游未發(fā)生洪水而長江中下游發(fā)生洪水需亭子口水庫配合三峽水庫防洪時(shí)，亭子口水庫根據(jù)長江中下游水情的需要，攔蓄進(jìn)入三峽水庫的基流，配合三峽水庫完成長江中下游的防洪調(diào)度目標(biāo)。

(5) 當(dāng)長江和嘉陵江中下游發(fā)生特大洪水或有緊急需要時(shí)，可動用亭子口水庫預(yù)留的全部防洪庫容，控制庫水位不超過461.30 m。

2 汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制策略

亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的核心是在確保樞紐庫區(qū)及嘉陵江中下游防洪安全的前提下，盡可能提高洪水資源利用效率和樞紐的綜合效益。本文構(gòu)建了基于“預(yù)報(bào)預(yù)泄”方式的汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制模型，統(tǒng)籌嘉陵江中下游多區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)，對亭子口水庫汛期運(yùn)行水位的浮動空間展開研究。研究基本思路為：當(dāng)預(yù)報(bào)入庫來水較小、下游防洪控制點(diǎn)不需要亭子口水庫防洪時(shí)，在不增加庫區(qū)的防洪壓力的前提下(即庫區(qū)沿程水面線應(yīng)不超過庫區(qū)的土地征用線和移民遷移線)，庫水位在一定范圍內(nèi)向上浮動運(yùn)行；當(dāng)預(yù)報(bào)預(yù)見期內(nèi)入庫來水或中下游防洪控制點(diǎn)來水將達(dá)到一定量級，水庫及時(shí)預(yù)泄降低庫水位，并保證預(yù)泄后下游控制站點(diǎn)南充站、北碚站距警戒水位有一定的裕度，使水庫預(yù)泄后盡量不增加下游閬中、合川等防洪薄弱區(qū)域的壓力，同時(shí)不影響工程防洪作用的發(fā)揮。

2.1 動態(tài)控制洪水量級的識別

洪水特性分析是開展亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的重要基礎(chǔ)。挑選亭子口水庫1954～2020年超過3 000 m3/s的245場洪水進(jìn)行分析，結(jié)果表明：流量在3 000～10 000 m3/s之間的洪水場次共203場，占總場次的82.8%，其中又以3 000～6 000 m3/s之間的洪水場次為主，占57.5%，具體結(jié)果如圖2所示。從合理銜接現(xiàn)有調(diào)度方式和充分利用常遇洪水的角度出發(fā)，以亭子口水庫10 000 m3/s量級以內(nèi)的洪水開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制研究是合適的。

2.2 水文預(yù)報(bào)水平分析

水文預(yù)報(bào)是開展亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的重要依據(jù)。2009～2020年期間，亭子口水庫汛期24 h定時(shí)預(yù)報(bào)精度約為70%～90%，具體如圖3所示。水庫入庫流量超過3 000 m3/s的洪峰預(yù)報(bào)誤差平均值僅7.44%，最大誤差為19.05%?？傮w而言，亭子口水庫來水預(yù)報(bào)精度較高，能夠滿足基于入庫洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行調(diào)度的需求。

圖3 亭子口水庫2009～2020年汛期24 h定時(shí)預(yù)報(bào)精度Fig.3 Prediction accuracy of inflow in Tingzikou Reservoir within 24 hours in flood season from 2009 to 2020

為確保亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制不增加嘉陵江中下游防洪壓力，在汛期運(yùn)行水位向上浮動或下泄時(shí)，需要兼顧下游南充河段和重慶河段的防洪安全。對近年來預(yù)報(bào)水平進(jìn)行分析，南充河段武勝站24 h和48 h的定時(shí)流量預(yù)報(bào)精度均約為80%，重慶河段北碚站24 h定時(shí)流量預(yù)報(bào)精度全部高于90%，48 h預(yù)報(bào)精度約80%。同時(shí)，武勝站及北碚站2016～2020年90%以上場次洪水的洪峰預(yù)報(bào)誤差均小于1 000 m3/s，洪峰時(shí)間預(yù)報(bào)誤差一般小于6 h。由于亭子口水庫下泄流量傳播至武勝站和北碚站的時(shí)間分別約為32 h和40 h，因此在亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制時(shí)，中下游河段控制站點(diǎn)的預(yù)報(bào)精度可以滿足兼顧嘉陵江中下游防洪安全的需求。

2.3 汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制方式

采用“預(yù)報(bào)預(yù)泄”的方式對亭子口水利樞紐汛期運(yùn)行水位進(jìn)行動態(tài)控制，具體運(yùn)用方式為，當(dāng)預(yù)見期T內(nèi)預(yù)報(bào)入庫流量大于啟動預(yù)泄的預(yù)報(bào)入庫流量Qin時(shí)，水庫按照等泄量的方式均勻預(yù)泄Qout，在盡量不增加下游防洪壓力的前提下，使庫水位在預(yù)見期內(nèi)及時(shí)降至汛限水位。具體計(jì)算如下：

Vi=f(Zi)

(1)

(2)

Ve=Vi-Vc

(3)

Ze=f(Ve)

(4)

式中：Zi為水庫可上浮運(yùn)用的水位，m；Vi為水位Zi所對應(yīng)的庫容，億m3；f為水庫水位庫容曲線；Qin為水庫預(yù)報(bào)入庫流量，m3/s；Qout為水庫預(yù)泄流量，m3/s；T為提前預(yù)泄的時(shí)間；Vc為通過預(yù)泄騰空的庫容，億m3；Ve為水庫汛限水位所對應(yīng)的庫容，億m3；Ze為水庫汛限水位，m。

鑒于亭子口水利樞紐汛期24 h定時(shí)預(yù)報(bào)精度較高，本研究重點(diǎn)對預(yù)見期T為24 h進(jìn)行計(jì)算分析。基于預(yù)泄流量盡量不增加下游防洪壓力的原則，考慮嘉陵江中下游沿江城鎮(zhèn)特別是閬中市的防洪現(xiàn)狀[15]，本研究預(yù)泄期間出庫流量Qout按不超過7 000 m3/s控制。按照上述原則，依據(jù)亭子口水庫水位庫容曲線，通過式(1)和式(2) 計(jì)算汛期水庫上浮至不同水位后，在24 h預(yù)見期內(nèi)將庫水位預(yù)泄至汛限水位447.00 m所需的增泄流量，具體結(jié)果如表1所列。

表1 預(yù)見期內(nèi)亭子口水庫庫水位降至汛限水位的增泄流量Tab.1 The increased discharge when the water level of Tingzikou Reservoir drops to the flood-limited water level in the forecast period

由表1可知，為充分利用常遇洪水且保證上浮水位可在24 h內(nèi)安全預(yù)泄至汛限水位447.00 m，上浮水位不宜超452.00 m；當(dāng)水位上浮至453.00 m后，預(yù)泄至447.00 m所需增泄流量已超過6 000 m3/s，運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn)相對較高。因此，本研究重點(diǎn)對亭子口水庫上浮水位按不超452.00 m進(jìn)行討論。據(jù)此設(shè)置不同預(yù)報(bào)流量及上浮水位工況下的計(jì)算方案，如表2所列。

表2 不同預(yù)報(bào)流量及上浮水位工況下的計(jì)算方案Tab.2 Calculation schemes under different forecast flows and water level rising conditions

3 汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制影響分析

為深入分析亭子口水庫開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制對水庫運(yùn)用和嘉陵江中下游的影響，在對嘉陵江流域洪水特性及遭遇規(guī)律進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，選取1956，1973，1981，1989，2010，2018，2020年共7場不同地區(qū)組成的典型洪水，按照表2中的方案展開計(jì)算，分析在不同典型洪水條件下開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制對亭子口水庫庫區(qū)及下游重要控制站點(diǎn)南充站、北碚站的防洪影響。

3.1 亭子口水庫防洪影響分析

按照表2設(shè)置不同計(jì)算方案，采用上述典型洪水開展亭子口水庫預(yù)報(bào)預(yù)泄計(jì)算分析。結(jié)果表明：在不同上浮水位工況下，上浮的庫水位均可成功預(yù)泄至汛限水位，不影響后續(xù)防洪作用的發(fā)揮。以庫水位上浮至452.00 m時(shí)遭遇1981年典型洪水為例，在開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制后，水庫最高調(diào)洪水位并未抬高，在運(yùn)行過程中不加大庫區(qū)防洪風(fēng)險(xiǎn)，圖4為出庫流量及庫水位過程。

圖4 庫水位上浮至452.00 m時(shí)，遭遇1981年典型 洪水的出庫流量及庫水位Fig.4 The outflow and water level of encountering 1981 typical flood when water level of the reservoir rises to 452.00 m

進(jìn)一步從偏不利角度分析亭子口水庫實(shí)施汛期運(yùn)行水位上浮運(yùn)用后的庫區(qū)淹沒風(fēng)險(xiǎn)，即在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度中，當(dāng)汛期運(yùn)行水位上浮至452.00 m時(shí)，完全未預(yù)見后續(xù)發(fā)生的洪水過程，未及時(shí)采取措施騰庫預(yù)泄產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。由于亭子口水庫庫區(qū)的土地征用線按壩前458.50 m高程接5 a一遇設(shè)計(jì)洪水回水線確定，移民遷移線按壩前459.00 m高程接20 a一遇設(shè)計(jì)洪水回水線確定。采用工程初步設(shè)計(jì)階段的1956，1973年和1981年典型年的設(shè)計(jì)洪水過程，設(shè)置庫水位上浮運(yùn)用至452.00 m時(shí)遭遇南充站5 a(P=20%)或20 a一遇(P=5%)整體設(shè)計(jì)洪水的情景，在調(diào)洪計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析對庫區(qū)土地征用線及移民遷移線的影響。

在5 a一遇和20 a一遇洪水條件下，各典型年庫區(qū)水面線如圖5所示。結(jié)果表明：當(dāng)庫水位上浮運(yùn)用至452.00 m時(shí)，遭遇南充5 a一遇整體設(shè)計(jì)洪水后，仍可控制庫區(qū)水面線不超過土地征用線；遭遇南充站20 a一遇整體設(shè)計(jì)洪水后，仍可控制庫區(qū)水面線不超過移民遷移線。由此可見，亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制運(yùn)用基本不影響庫區(qū)防洪安全。

圖5 不同典型年水位上浮至452.00 m時(shí)遭遇南充站5 a或 20 a一遇設(shè)計(jì)洪水的庫區(qū)水面線Fig.5 The water surface line of Tingzikou Reservoir when the water level rises to 452.00 m in different typical years and encounters the 5-year or 20-year design flood of Nanchong Station

3.2 南充站防洪影響分析

南充站警戒水位為270.80 m，保證水位為272.30 m，河道安全泄量為25 100 m3/s。為不改變下游防汛態(tài)勢，亭子口水庫汛期水位向上浮動運(yùn)行及水庫預(yù)泄至汛限水位期間，應(yīng)確保下游防洪控制站點(diǎn)安全。因此，基于前述不同方案下預(yù)報(bào)預(yù)泄的計(jì)算結(jié)果，采用調(diào)度規(guī)程研究階段洪水演進(jìn)參數(shù)，結(jié)合不同典型年下游區(qū)間東河、西河的來水過程，分析不同計(jì)算方案對南充站流量、水位過程的影響。

亭子口水庫在不同典型年中開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制后，相較于未開展動態(tài)控制時(shí)，在448.00～452.00 m上浮水位工況下，通過及時(shí)預(yù)泄可控制南充站洪峰流量僅增大0～170 m3/s，最大洪峰流量為1981年洪峰24 220 m3/s，小于河道安全泄量25 100 m3/s，不影響下游防洪安全。同時(shí)，計(jì)算分析了不同方案下南充站流量最大增幅(見表3)。

表3 不同典型洪水中亭子口水庫預(yù)報(bào)預(yù)泄對南充站 流量最大增幅Tab.3 Maximum discharge increment to Nanchong Station due to the pre-discharge of Tingzikou Reservoir in different typical floods

結(jié)果表明：在不同上浮水位下，南充站流量最大增幅均發(fā)生在2010典型年，且隨著上浮水位的抬升，啟動預(yù)泄的預(yù)報(bào)流量逐漸降低，啟動預(yù)泄的時(shí)機(jī)相應(yīng)提前，預(yù)泄對下游南充站流量增幅也隨之變大。依據(jù)南充站水位流量關(guān)系，在該流量區(qū)間內(nèi)水位相應(yīng)抬升值最大為1.70 m。為不增加南充河段的防洪壓力，亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制應(yīng)考慮在南充站水位低于269.00 m時(shí)開展運(yùn)用。

3.3 北碚站防洪影響分析

亭子口水庫雖不承擔(dān)對重慶市的防洪任務(wù)，但考慮到重慶市處于嘉陵江干流下游，且河段存在明顯的薄弱區(qū)域。按照汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制運(yùn)用的原則，對北碚站的防洪影響進(jìn)行分析?；谇笆霾煌桨赶骂A(yù)報(bào)預(yù)泄的計(jì)算結(jié)果，采用調(diào)度規(guī)程研究階段的洪水演進(jìn)參數(shù)，結(jié)合不同典型年下游主要支流和區(qū)間的來水過程，分析不同計(jì)算方案對北碚站流量、水位過程的影響。相較于亭子口水庫未開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制，不同典型年在448.00～452.00 m上浮水位工況下，按照7 000.00 m3/s預(yù)泄后北碚站洪峰流量增大0～890.00 m3/s。最大增幅發(fā)生在1981年典型洪水中，占原洪峰流量41 460.00 m3/s比例僅2.2%，對北碚站洪峰流量影響較小。

對不同典型洪水中北碚站流量最大增幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表4)，結(jié)果表明對于同一典型年，隨著上浮水位的抬升，預(yù)泄后對下游北碚站流量增幅也隨之變大。對于同一上浮水位，預(yù)報(bào)預(yù)泄后北碚站最大增幅同樣發(fā)生在2010典型年，依據(jù)北碚站水位流量關(guān)系，水位相應(yīng)最大抬升2.50 m。鑒于嘉陵江重慶河段來水地區(qū)組成復(fù)雜、漲水較快，且河段內(nèi)合川城區(qū)現(xiàn)狀防洪能力較低，其警戒水位為204.93 m(東津沱站，黃海高程)，相應(yīng)流量約20 900.00 m3/s，該流量相應(yīng)的北碚站水位為191.00 m。為充分保障亭子口水庫預(yù)泄后重慶河段尤其是合川城區(qū)的防洪安全，亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制應(yīng)考慮在北碚站水位低于190.00 m時(shí)開展運(yùn)用。

表4 不同典型洪水中亭子口水庫預(yù)報(bào)預(yù)泄對北碚站流量 最大增幅Tab.4 Maximum discharge increment to Beibei Station due to the pre-discharge of Tingzikou Reservoir in different typical floods

4 汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制效益分析

根據(jù)亭子口水利樞紐年徑流頻率分析計(jì)算成果，選擇來水分別為豐、平、枯的不同水平年為代表，開展基于典型年日徑流的發(fā)電效益計(jì)算。以汛期5月1日～10月30日的徑流量進(jìn)行頻率分析計(jì)算，采用25%，50%和75%頻率所對應(yīng)的豐、平、枯典型年，每個(gè)頻率選擇2個(gè)代表年。其中，1963年和1989年為豐水代表年，1970年和1993年為平水代表年，1979年和1987年為枯水代表年。按照主汛期水位分級上浮的原則計(jì)算各豐、平、枯代表年在主汛期6月21日～8月31日的發(fā)電效益(見表5)。計(jì)算結(jié)果表明：亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制后，主汛期可增發(fā)電量0.64億～1.37億kW·h，平均增發(fā)電量約1.00億kW·h，平均改善出力受阻約11 d。此外，在不同典型年中，亭子口水庫主汛期開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制可增加下游航電梯級發(fā)電量0.04億～0.11億kW·h。以平水年1993年為例，亭子口水庫主汛期徑流調(diào)節(jié)過程及出力過程如圖6所示。

表5 基于典型年日徑流資料的主汛期效益計(jì)算Tab.5 Benefit calculation of the main flood season based on the typical annual daily runoff data

圖6 1993年主汛期開展汛期運(yùn)行水位動態(tài) 控制后的徑流與出力過程Fig.6 Runoff and power generation process after dynamic control of water level during the main flood period in 1993

5 討 論

5.1 預(yù)報(bào)誤差討論分析

先進(jìn)的氣象水文預(yù)報(bào)技術(shù)是提升水庫洪水資源化利用水平的先決條件，預(yù)報(bào)精度與預(yù)見期直接影響最終的調(diào)度成果。亭子口水庫預(yù)報(bào)來水具有不確定性，24 h定時(shí)預(yù)報(bào)精度約為70%～85%。為分析短期24 h預(yù)報(bào)誤差對汛期水位上浮運(yùn)用方式的影響，分別按照7個(gè)典型年入庫洪水預(yù)報(bào)誤差為10%，15%，20%，25%，30%考慮，試算不同上浮水位工況下安全預(yù)泄至汛限水位447.00 m的臨界預(yù)泄流量，計(jì)算結(jié)果如表6所列。結(jié)果表明：當(dāng)預(yù)報(bào)誤差大于20%后，上浮水位448.00 m時(shí)的部分方案預(yù)泄的臨界流量略大于7 000.00 m3/s，經(jīng)分析由于啟動預(yù)泄的預(yù)報(bào)流量較高，因而實(shí)時(shí)調(diào)度中可根據(jù)預(yù)報(bào)進(jìn)一步提前啟動預(yù)泄，且由于上浮水位448.00 m相對風(fēng)險(xiǎn)較低，若按預(yù)泄流量不超過7 000 m3/s控制，庫水位可預(yù)泄至447.20，略超汛限水位，對后續(xù)防洪調(diào)度影響較小?？傊?，考慮10%～30%的預(yù)報(bào)誤差，對于典型大洪水基本可在預(yù)泄流量7 000 m3/s以內(nèi)安全預(yù)泄至汛限水位。

表6 不同上浮水位方案下考慮10%～30%預(yù)報(bào) 誤差的臨界預(yù)泄流量Tab.6 Critical pre-discharge flow considering 10%～30% forecast error under different water level rising schemes

入庫洪水預(yù)報(bào)誤差不僅可能影響洪水量級的大小，還可能影響預(yù)泄時(shí)間的長短，尤其對實(shí)際峰現(xiàn)時(shí)間較預(yù)報(bào)峰現(xiàn)時(shí)間提前發(fā)生的情況，水庫可預(yù)泄騰庫的時(shí)段相應(yīng)縮短，增加了預(yù)泄不及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。為此，采用亭子口水庫運(yùn)行以來2013～2020年實(shí)測入庫洪水資料，按照預(yù)泄時(shí)間18,12,6 h考慮，在不同預(yù)報(bào)入庫流量下，計(jì)算按照7 000 m3/s進(jìn)行預(yù)泄的水庫安全上浮水位上限，計(jì)算結(jié)果如表7所列。

由表7可知，入庫洪水預(yù)報(bào)誤差尤其是預(yù)泄時(shí)間不足24 h對上浮運(yùn)行水位的影響較為明顯。為盡量規(guī)避預(yù)報(bào)誤差風(fēng)險(xiǎn)，在上浮水位達(dá)到449.00 m及以上時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)入庫洪水的滾動預(yù)報(bào)，及時(shí)修正預(yù)報(bào)誤差的影響。一旦預(yù)報(bào)流量觸發(fā)預(yù)泄條件或預(yù)報(bào)有大洪水發(fā)生時(shí)，及時(shí)將庫水位預(yù)泄至合理區(qū)間。此外，應(yīng)加強(qiáng)對氣象預(yù)報(bào)的研究及應(yīng)用，結(jié)合短中期預(yù)報(bào)，籍此延長有效預(yù)見期，既可保證上浮運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn)可控，又可及早騰庫避免棄水預(yù)泄。同時(shí)，在實(shí)時(shí)調(diào)度中，應(yīng)合理協(xié)調(diào)與上游碧口、寶珠寺水庫的蓄泄關(guān)系，避免因蓄泄不協(xié)調(diào)增大亭子口庫區(qū)河段的淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

表7 2013～2020年實(shí)測入庫洪水考慮不同預(yù)泄歷時(shí)的可安全 上浮水位上限Tab.7 The maximum allowable water level rising considering different pre-discharge durations based on the measured inflow flood from 2013 to 2020 m

5.2 對長江中下游防洪影響的討論分析

作為長江防洪體系的重要組成部分，亭子口水庫既承擔(dān)嘉陵江中下游防洪任務(wù)，同時(shí)也配合三峽水庫減輕長江中下游的防洪壓力。根據(jù)《調(diào)度規(guī)程》，亭子口水庫沒有為長江中下游預(yù)留專門的防洪庫容。因此，當(dāng)長江中下游發(fā)生洪水時(shí)，若嘉陵江流域同時(shí)發(fā)生洪水，亭子口水庫按照本流域防洪要求調(diào)度，減少三峽水庫入庫洪量；若嘉陵江流域洪水不大，在確保樞紐自身防洪安全和本流域防洪安全的前提下，亭子口水庫相機(jī)配合三峽水庫攔蓄洪水，盡量減少三峽入庫洪峰和洪量。

亭子口水庫開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制，攔蓄常遇洪水，其過程有利于減少三峽水庫入庫洪量，可進(jìn)一步減輕長江中下游的防洪壓力。而當(dāng)亭子口水庫因預(yù)報(bào)來水較大啟動預(yù)泄時(shí)，參考對北碚站的影響分析可知，北碚站洪峰流量增大值在1 000 m3/s以內(nèi)，從量級上而言，對三峽入庫洪峰和洪量影響較小。同時(shí)，由于當(dāng)前亭子口水庫配合三峽水庫對長江中下游的防洪調(diào)度方式尚未開展系統(tǒng)研究，為穩(wěn)妥起見，本研究建議將“長江中下游對亭子口水庫無防洪調(diào)度需求”作為亭子口水庫實(shí)施汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制條件之一，若根據(jù)氣象水文預(yù)報(bào)長江上游將發(fā)生洪水需要亭子口水庫配合三峽水庫攔洪運(yùn)用時(shí)，亭子口水庫應(yīng)及早將庫水位預(yù)泄至汛限水位，配合三峽水庫分擔(dān)對長江中下游的防洪任務(wù)。

6 結(jié) 論

本文基于預(yù)報(bào)預(yù)泄的原則，綜合考慮亭子口水庫庫區(qū)及下游的防洪安全，從動態(tài)控制洪水量級的識別、預(yù)泄方式和實(shí)施條件的判別、防洪影響及發(fā)電效益等多個(gè)方面出發(fā)，系統(tǒng)地對亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的策略展開研究，主要結(jié)論如下：

(1) 提出了亭子口水庫主汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制的策略：當(dāng)未來24 h預(yù)報(bào)亭子口水庫入庫流量為6 000，5 000，4 000，3 000，2 000 m3/s時(shí)，水庫汛期運(yùn)行水位可分別上浮至448.00，449.00，450.00，451.00，452.00 m，按照7 000 m3/s進(jìn)行預(yù)泄，可成功將上浮水位消落至汛限水位447.00 m。同時(shí)，為保障下游防洪安全，需在滿足預(yù)報(bào)24 h內(nèi)南充站水位不超過269.00 m，預(yù)報(bào)48 h內(nèi)北碚站水位不超過190.00 m，預(yù)報(bào)48 h內(nèi)亭子口水庫及以上區(qū)域無明顯降雨過程的條件下，開展汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制。

(2) 對汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制過程中的防洪影響和興利效益進(jìn)行了分析。在最不利情況下，當(dāng)庫水位上浮運(yùn)用至452.00 m時(shí)，遭遇南充站5 a一遇整體設(shè)計(jì)洪水后，仍可控制庫區(qū)水面線不超過土地征用線；遭遇南充站20 a一遇整體設(shè)計(jì)洪水后，仍可控制庫區(qū)水面線不超過移民遷移線，可充分確保庫區(qū)防洪安全。亭子口水庫汛期運(yùn)行水位動態(tài)控制后，在豐(25%)、平(50%)、枯(75%)典型年中，主汛期可增發(fā)電量0.64億～1.37億kW·h，平均增發(fā)電量約1.00億kW·h，汛末蓄滿率可提高6%左右。

(3) 在實(shí)際調(diào)度中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)嘉陵江流域水文氣象研究工作，結(jié)合降雨和洪水情勢開展?jié)L動預(yù)報(bào)，及時(shí)根據(jù)來水預(yù)報(bào)動態(tài)調(diào)整水庫下泄流量和庫水位。同時(shí)，應(yīng)合理協(xié)調(diào)與上游碧口、寶珠寺水庫的蓄泄關(guān)系，逐步推進(jìn)嘉陵江干支流梯級水庫群的聯(lián)合調(diào)度，確保嘉陵江流域防洪安全，提升水庫群綜合利用效益。