對(duì)穆棱市團(tuán)結(jié)水庫(kù)汛期分段用不同汛限水位控制的研究

李志勝

(黑龍江省穆棱市團(tuán)結(jié)水庫(kù)管護(hù)中心，黑龍江 穆棱 157500)

1 流域基本情況

穆棱市團(tuán)結(jié)水庫(kù)地處穆棱河干流最上游的森林腹地，植被覆蓋良好,集雨面積445km2，流域內(nèi)植被覆蓋良好,森林覆蓋率達(dá)80%以上，距下游共和鄉(xiāng)4km，距穆棱鎮(zhèn)85km，海拔高程在480～520m之間，河川平均坡降1/300～1/400，庫(kù)區(qū)寬度1～3km,屬山區(qū)水庫(kù)。

2 工程基本情況

團(tuán)結(jié)水庫(kù)是一座具有防洪、灌溉、養(yǎng)魚(yú)、發(fā)電等綜合效益的大型多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)近期設(shè)計(jì)灌溉面積0.37×104hm2，遠(yuǎn)景灌溉面積0.27×104hm2，為下游城鎮(zhèn)生活用水年供水量1632萬(wàn)m3，多年平均發(fā)電量260萬(wàn)kW·h。

水庫(kù)為100a一遇洪水設(shè)計(jì)，2000a一遇洪水校核，校核洪水位為513.01m，總庫(kù)容1.191億m3，興利水位503.00m，相應(yīng)庫(kù)容5400萬(wàn)m3，汛限水位502.00m，相應(yīng)庫(kù)容4900萬(wàn)m3，死水位490m，死庫(kù)容850萬(wàn)m3。

水庫(kù)大壩為黏土心墻土石混合壩，壩頂高程為514.50m。

輸水洞(泄洪洞)位于大壩右側(cè)，承擔(dān)著輸水與泄洪雙重任務(wù)，最大泄量146m3/s。

溢洪道為無(wú)閘控制開(kāi)敞式，堰頂高程為505.70m,最大泄量為622m3/s。

電站總裝機(jī)容量750kw，利用灌溉、城鎮(zhèn)用水和余水發(fā)電，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量260萬(wàn)kW·h[1]。

3 流域水文氣象

團(tuán)結(jié)水庫(kù)地處寒溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬大陸性氣候。由于受太平洋季風(fēng)及西泊利亞高壓的影響，夏季溫?zé)岫嘤甓靖稍飮?yán)寒，冬夏溫差很大。降水量主要集中在6～9月，占年降水量的70%以上。夏季受東南風(fēng)的影響，常形成低溫形勢(shì)下的氣旋鋒雨，7、8月份臺(tái)風(fēng)、靜止鋒最活躍時(shí)期也正是該流域降雨多的時(shí)期，并易形成洪水，歷史上的幾次大洪水以及運(yùn)行后發(fā)生的幾次洪水也都是發(fā)生在7、8月份。據(jù)團(tuán)結(jié)水庫(kù)站1979～2020年降雨、蒸發(fā)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均降水量551mm，年最大降水量760.4mm(2018年)，年最小降水量335.9mm(1984年)。20cm蒸發(fā)皿觀測(cè)多年平均蒸發(fā)量為943.3mm。

4 水庫(kù)運(yùn)行情況

在防洪效益方面：特別是經(jīng)過(guò)了2019年汛期超過(guò)5a一遇洪水檢驗(yàn)，最大洪峰流量130m3/s。同時(shí)還經(jīng)過(guò)了2017年7月25日建庫(kù)以來(lái)水庫(kù)第二高水位505.17m的高水位檢驗(yàn)，工程不僅經(jīng)受住了考驗(yàn)，而且還為下游削減洪峰90%以上，減輕了下游的防洪壓力，為下游的防洪安全提供了有力保障。在興利效益方面：累計(jì)為下游灌溉及城鎮(zhèn)供水10.8億m3，累計(jì)發(fā)電萬(wàn)3500萬(wàn)°。

5 汛期分段的必要性

5.1 汛期的確定

目前團(tuán)結(jié)水庫(kù)汛期的確定與黑龍江省的汛期劃分一致，即：每年的6月15日～9月20日。

5.2 目前汛期的汛限水位控制原則

目前團(tuán)結(jié)水庫(kù)在整個(gè)汛期控制汛期限制水位的原則只有一個(gè)：“就是在6月15日進(jìn)入汛期后，整個(gè)汛期把水位牢牢地把水庫(kù)水位控制在汛限水位或以下，直至9月20日汛期結(jié)束。水庫(kù)調(diào)度中不論發(fā)生什么標(biāo)準(zhǔn)的洪水,發(fā)生在什么時(shí)間,天氣形勢(shì)如何變化，當(dāng)洪水過(guò)后庫(kù)水位仍降到設(shè)計(jì)汛限水位502.00m,不敢根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體天氣和水文條件靈活地控制水位[2]。

5.3 問(wèn)題的提出

整個(gè)汛期按一個(gè)汛限水位調(diào)度，主要有以下弊端：是整個(gè)汛期水位必須控制在汛限水位或以下不可蓄水。往往一場(chǎng)洪水后因擔(dān)心后期還有洪水而不敢攔蓄洪水余量，仍把水位降至汛限以下，然而若此后不來(lái)洪水就造成空庫(kù)，統(tǒng)計(jì)團(tuán)結(jié)水庫(kù)建庫(kù)后41年(1980～2020年)的實(shí)測(cè)資料可知,枯水年除外，每年汛期過(guò)后(9月21日)靠徑流蓄滿庫(kù)容的概率只占50%，見(jiàn)表1。

表1 歷年汛后(9月21日)水庫(kù)蓄水情況

特別是2017年汛期，在7月下旬發(fā)生一次洪水(Qmax=93.1m3/s)后，沒(méi)有按實(shí)際天氣和來(lái)水情況來(lái)調(diào)度，仍遵循把水位降至汛限以下的原則，結(jié)果后期天氣干旱而造成空庫(kù)運(yùn)行，9月21日蓄水時(shí)水位僅為499.84m，低于興利水位2.16m，發(fā)電損失30余萬(wàn)元，并影響了第二年的興利供水。

5.3 問(wèn)題的解決途徑

5.3.1 汛限水位的控制方法

水庫(kù)汛限水位的控制方法一般分為兩種，即，靜態(tài)控制法和動(dòng)態(tài)個(gè)控制法。

靜態(tài)控制法就是固定汛限水位法，即在整個(gè)汛期固定一個(gè)水位的方法，該方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，方便管理操作。因雨季的不確定性，不能掌握其規(guī)律，所以汛期結(jié)束前，不能及時(shí)攔蓄洪水余量，造成水資源浪費(fèi)，影響了水庫(kù)興利效益的充分發(fā)揮。

動(dòng)態(tài)控制法就是利用當(dāng)?shù)匮雌诘臍庀髼l件，根據(jù)當(dāng)時(shí)降水情況，氣象預(yù)報(bào)資料，在不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保水庫(kù)下游安全的前提下，對(duì)汛限水位進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)合理地控制。但因其調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)較大，要求條件較高，所以此法應(yīng)用較少。

5.3.2 問(wèn)題的解決途徑

因動(dòng)態(tài)控制法的影響因素多，技術(shù)條件要求高等原因，團(tuán)結(jié)水庫(kù)汛限水位仍采用靜態(tài)控制法。汛期分段汛限水位控制方法，是當(dāng)前團(tuán)結(jié)水庫(kù)較好的解決防洪和興利矛盾的最好選擇，可以根據(jù)汛期不同時(shí)段的來(lái)水情況和氣象規(guī)律，采取用不同的汛限水位。

6 汛期時(shí)段劃分及各段汛限水位的確定

6.1 汛期時(shí)段劃分

團(tuán)結(jié)水庫(kù)所在穆棱河流域洪水按成因可分為春汛和夏汛，春汛洪水由融冰融雪形成，一般情況占年量不大，過(guò)程較短。夏汛洪水主要是由暴雨形成。

根據(jù)調(diào)查和實(shí)測(cè)資料記載，造成穆棱河流域大洪水的天氣環(huán)流形式有三種：①北上臺(tái)風(fēng)；②靜止鋒倒槽；③臺(tái)風(fēng)和低壓合并。而北上臺(tái)風(fēng)又是形成穆棱河流域洪水的主要天氣，臺(tái)風(fēng)過(guò)境易形成大的洪水，如：1956年、1957年、1960年、1964年、1965年的較大洪水就是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境造成，這四次洪水中有三次洪水的標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)了10a一遇，其中1965年的洪水達(dá)到了50a一遇(Qmax=730m3/s)。受臺(tái)風(fēng)外圍影響也可形成洪水，但一般不會(huì)行成大的洪水過(guò)程。如建庫(kù)后的1994年、2000、2020年就是臺(tái)風(fēng)的外圍影響而形成的洪水，但都在5a一遇以下。當(dāng)臺(tái)風(fēng)過(guò)后，也就意味著大的降水過(guò)程也就結(jié)束，水庫(kù)的主汛已結(jié)束。

水庫(kù)流域內(nèi)的洪水與暴雨相應(yīng)，主要發(fā)生在7月旬～8月中旬，以8月份最多，其次是7月份。峰形多為單峰形，起漲時(shí)間短，一般在12h，落水時(shí)間長(zhǎng)，一般為3～5d，洪水全過(guò)程約3～7d，一次洪水總量約集中在1～3d。

根據(jù)水庫(kù)1980～2020年41年的實(shí)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)歷年最大洪水出現(xiàn)時(shí)間，洪水按大小排位，分析不同量級(jí)洪水的起始時(shí)間和出現(xiàn)年數(shù)，見(jiàn)表2～3，圖1。

表2 歷年水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量統(tǒng)計(jì)

續(xù)表2 歷年水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量統(tǒng)計(jì)

表3 年最大洪峰出現(xiàn)時(shí)間與頻率統(tǒng)計(jì)表

按本次水文分析統(tǒng)計(jì)的洪水出現(xiàn)頻次及時(shí)間，團(tuán)結(jié)水庫(kù)最大洪峰前10位分別有6次出現(xiàn)在7月21日～8月25日(穆棱河歷史上最大洪峰發(fā)生在1965年的8月7日)，1次發(fā)生在5月末，另有3次發(fā)生在9月中上旬。前20位中均有9次發(fā)生在7月15日～8月25日，3次出現(xiàn)在5月下旬，3次出現(xiàn)在6月15日以后，3次出現(xiàn)在9月20日前，1次出現(xiàn)在10月初。

41年系列中，洪水發(fā)生在6月份的僅有8次，占41年系列的20%，其最高排位為第15位，屬小水，發(fā)生在6月15日之前的有8次，均為春季桃花水與降雨疊加形成的中小水；洪水發(fā)生在9月份以后的僅有2次，其最高排位在第12位。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析，本著確保工程安全和最大程度地解決防洪與興利的矛盾的前提下，把汛期劃分為3個(gè)階段：前汛期、主汛期、末汛期，前汛期為6月15日～7月15日，主汛期為7月16日～8月25日，末汛期為8月26日～9月15日，并根據(jù)不同階段的洪水特點(diǎn)采用不同的汛限水位。

6.2 各時(shí)段汛限水位的確定

6.2.1 前汛期、主汛期汛限水位確定

從防洪防洪安全來(lái)看，主汛期仍采用水庫(kù)除險(xiǎn)加固報(bào)告中汛限水位成果。前汛期雖都是小洪水，但出現(xiàn)頻率較高，因此汛限水位采用與主汛期相同的汛限水位502.00m。

6.2.2 后汛期汛限水位確定

6.2.2.1 水庫(kù)流域降雨規(guī)律分析

團(tuán)結(jié)水庫(kù)流域內(nèi)降雨量達(dá)暴雨程度的，一年發(fā)生二次的概率很小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，在水庫(kù)及上游雨量站有降雨資料(水庫(kù)56年、和平46年、雙寧44年)年份的統(tǒng)計(jì)：24小時(shí)降雨量≤50mm以上降雨過(guò)程發(fā)生2次的年份水庫(kù)站只有3年，占總年份的5.4%；雙寧雨量站只有1年，占總年份的2.3%；和平雨量站只有5a，出現(xiàn)概率也僅為10.8%，見(jiàn)表4。

表4 歷年各站降雨量中雨以上次數(shù)統(tǒng)計(jì)

據(jù)以上水庫(kù)流域內(nèi)的各站降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，流域內(nèi)大的降雨過(guò)程一年出現(xiàn)兩次概率極低規(guī)律，與穆棱河流域內(nèi)的水文氣象規(guī)律相吻合。因此，為充分發(fā)揮水庫(kù)興利效益，后汛期的汛限水位應(yīng)適當(dāng)調(diào)高。

6.2.2.2 后汛期汛限水位確定

從工程安全和下游防洪要求出發(fā)，根據(jù)水庫(kù)流域內(nèi)的氣象、水文規(guī)律、后汛期發(fā)生大洪水概率極低的特點(diǎn)，考慮團(tuán)結(jié)水庫(kù)實(shí)際情況，在遇中小洪水時(shí)盡可能為下游削減洪峰，減輕下游的防洪負(fù)擔(dān)，為此而擬定以下調(diào)洪原則：

1)水庫(kù)在遭遇5a一遇以下洪水時(shí)，應(yīng)盡量保證距水庫(kù)4km的共和鄉(xiāng)不受淹。

2)遭遇10a一遇以下洪水時(shí)，應(yīng)盡量減輕洪水對(duì)下游的威脅。

3)遭遇20a一遇以下洪水時(shí)，應(yīng)保證上游和平橋(高程505.80m)不被淹沒(méi)。

據(jù)此設(shè)定汛限水位502m的502.30、502.50、502.70、503.0m為起調(diào)水位，按以上原則對(duì)20a一遇以下洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，演算成果見(jiàn)表5。

表5 調(diào)洪演算成果表

通過(guò)調(diào)洪結(jié)果可知，按503.00m作為起調(diào)水位，在遭遇≤20a一遇洪水時(shí)，水庫(kù)為下游削峰58%以上。20a一遇洪水位為505.63m，低于溢洪道堰頂0.07m。低于上游和平橋0.17m(橋面頂高程為505.80m)。因此在防洪方面后汛期選定汛限水位為503.00m時(shí)合理的。

在興利方面，汛期限制水位設(shè)定為與興利水位503.00m一致，既能增加水庫(kù)蓄滿的概率，又能夠滿足現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)興利規(guī)模的要求，見(jiàn)表6。

表6 團(tuán)結(jié)水庫(kù)興利調(diào)節(jié)成果表

7 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，從發(fā)電效益和防洪安全等方面綜合考慮，確定團(tuán)結(jié)水庫(kù)前汛期6月15日～7月15日，主汛期7月16日～8月25日，后汛期8月26日～9月15日，前汛期與主汛期汛限水位都為502.00m，后汛期汛限水位503.00m，洪水調(diào)度方案原則不變，仍按團(tuán)結(jié)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中確定的自由泄流的調(diào)度方案。