河口村水庫動(dòng)態(tài)洪水控制研究成果分析

張亞銘

（河南省河口村水庫管理局，河南 濟(jì)源 454650）

1 工程概況

河口村水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐，工程等別Ⅱ等，由大壩、泄洪洞、溢洪道及引水電站組成，其中大壩為1級建筑物，泄洪洞、溢洪道為2級建筑物，發(fā)電洞、電站廠房等為3級建筑物，導(dǎo)流建筑物級別為4級。水庫總庫容3.17億m3，電站裝機(jī)容量11.60 MW。水庫是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。水庫與三門峽、小浪底、故縣、陸渾4座水庫聯(lián)合調(diào)度，可減輕下游堤防的防洪壓力，進(jìn)一步完善黃河下游防洪工程體系。水庫可為當(dāng)?shù)靥峁┏鞘猩詈凸I(yè)用水1.28億m3、灌溉用水10 304萬m3，并為電網(wǎng)提供0.33億kW·h的清潔能源，還可改善沁河下游生態(tài)環(huán)境，保證沁河下游五龍口斷面5 m3/s流量。水庫2014年9月正式下閘蓄水，2016年12月工程全部完工，2017年10月完成竣工驗(yàn)收。

2 研究背景和過程

2.1 需求及可行性

根據(jù)國汛〔2015〕19號“關(guān)于黃河洪水調(diào)度方案的批復(fù)”和初步設(shè)計(jì)方案，河口村水庫防汛調(diào)度運(yùn)用方式為：水庫汛期從7月1日至10月31日，其中前汛期為7月1日至8月31日，汛限水位為238 m，相應(yīng)庫容為0.86億m3；后汛期為9月1日至10月31日，汛限水位為275 m（正常蓄水位）。8月21日起水庫水位可向后汛期汛限水位過渡。水庫采用1#泄洪洞、2#泄洪洞和溢洪道聯(lián)合泄洪，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，500年一遇設(shè)計(jì)洪水位和2000年一遇校核洪水位均為285.43 m，最大出庫流量分別為7 600 m3/s、10 800 m3/s，泄洪設(shè)施的泄流能力不僅滿足水庫安全泄洪要求，而且具有一定的超泄能力。

河口村水庫壩址設(shè)計(jì)洪水采用五龍口水文站歷史調(diào)查洪水加入實(shí)測洪水系列計(jì)算并考慮上游張峰水庫的影響后得到，采用洪水系列為1953-2006年，自2006年至今已十余年，隨著洪水資料系列的積累，有必要將洪水系列延伸至最近年份，對原設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行復(fù)核。

河口村水庫前汛期限制水位238 m（庫容8 560 m3）較正常高水位275 m（庫容2.50億m3）低37 m，庫容更是相差1.65億m3。水資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，對于水資源相對緊張的黃河流域其供需矛盾更為尖銳。因此，在確保河口村水庫安全前提下，開展汛期水位動(dòng)態(tài)控制研究，確定合理的水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案，通過科學(xué)調(diào)度攔蓄寶貴洪水資源，合理調(diào)節(jié)水庫防洪與興利庫容，以提高水庫雨洪利用率和地區(qū)水資源承載能力，更好地為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可 持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，更好地為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要意義。

2.2 技術(shù)路線及方法

進(jìn)行河口村水庫洪水動(dòng)態(tài)水位風(fēng)險(xiǎn)控制研究首先需進(jìn)行水文序列延長后的洪水計(jì)算，確定主汛期汛限水位。進(jìn)一步地利用降雨洪水預(yù)報(bào)信息對主汛期控制水位進(jìn)行研究。通過降雨預(yù)報(bào)信息的可用性分析，制定預(yù)蓄預(yù)泄方案。對比單獨(dú)利用預(yù)蓄預(yù)泄與單獨(dú)利用實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)計(jì)算的水位值來確定汛期水位動(dòng)態(tài)控制上限值?；谑Ｓ嗨颗c水庫回蓄庫容的平衡關(guān)系，確定水庫洪水動(dòng)態(tài)水位風(fēng)險(xiǎn)控制實(shí)施時(shí)機(jī)。通過風(fēng)險(xiǎn)辨識，確定對水庫洪水動(dòng)態(tài)水位控制產(chǎn)生重要影響的風(fēng)險(xiǎn)因子，從而實(shí)現(xiàn)控制洪水動(dòng)態(tài)水位控制產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 國內(nèi)外同類技術(shù)比較

目前，水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制研究主要集中于動(dòng)態(tài)控制閾的計(jì)算方法，代表性的方法有預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)劃法、預(yù)泄能力約束法、庫容補(bǔ)償法、預(yù)蓄預(yù)泄法和綜合信息模糊推理 法等，研究構(gòu)建了表征洪水退水規(guī)律的指標(biāo)體系，建立動(dòng)態(tài)剩余水量多元線性回歸模型，提出基于動(dòng)態(tài)剩余水量確定水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制回蓄時(shí)機(jī)的方法。

目前，普遍認(rèn)為降水預(yù)報(bào)不確定性、洪水預(yù)報(bào)不確定性、入庫洪水不確定性、泄流能力不確定性和水庫調(diào)度不確定性等為主要風(fēng)險(xiǎn)因素。研究經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)辨識，篩選出洪量、預(yù)報(bào)誤差、洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期及連續(xù)無雨天數(shù)等3個(gè)因子作為對水庫洪水動(dòng)態(tài)水位控制產(chǎn)生重要影響的風(fēng)險(xiǎn)因子。

3 研究的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境及其他效益

3.1 直接效益

3.1.1 增加發(fā)電效益

原汛限水位、汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的多年平均發(fā)電效益為1 149萬元、1 450萬元。相比于原汛限水位，汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的發(fā)電效益增加了301萬元，增長率為26.20%。

3.1.2 增加供水效益

原汛限水位的供水效益為22 542萬元，汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的供水效益為25 699萬元。相比于原汛限水位，汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的供水效益增加了3 157萬元，增長率為14%。

3.1.3 總效益

原汛限水位、汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的總效益分別為23 691、27 149萬元。與原汛限水位相比較，汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的總效益增加了3 458萬元，增長率為15%。

3.2 間接效益

3.2.1 生態(tài)環(huán)境

河口村水庫在施工期通過加強(qiáng)施工管理、結(jié)合水土保持設(shè)計(jì)中的生態(tài)恢復(fù)工程保護(hù)生態(tài)環(huán)境。運(yùn)行期增加保護(hù)區(qū)管護(hù)站、投喂點(diǎn)和建設(shè)猗猴生態(tài)通道，增加巡護(hù)船的形式，對猗猴進(jìn)行有效保護(hù)；通過確保合理下泄生態(tài)流量、分層取水緩解低溫水影響和人工增殖放流等措施保護(hù)水生生態(tài)。自水庫蓄水以來，河口村水庫在加強(qiáng)沁河水資源管理調(diào)度情況下，保證了沁河下游五龍口斷面5 m3/s的生態(tài)流量，改變沁河下游頻繁的斷流局面。采用水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案后，河道基流補(bǔ)水供水保證率仍維持在100%。通過河口村水庫有效的徑流調(diào)節(jié)，能夠更好地減輕洪水和干旱災(zāi)害，更有效地利用水資源，發(fā)揮河流水資源在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重大作用。

河口村水庫針對施工期的砂石料廢水、混凝土拌和沖洗廢水、基坑廢水、車輛維修沖洗廢水、生活污水的排放情況分別進(jìn)行了沉淀、隔油和生物處理等措施，對施工期的廢污水進(jìn)行處理和回用；運(yùn)行期通過劃分水源保護(hù)區(qū)，控制流域污染源，保護(hù)水庫水質(zhì)，進(jìn)行庫底清理，加強(qiáng)庫區(qū)管理，保護(hù)水庫水質(zhì)，達(dá)到水環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。通過一系列的噪聲控制措施、灑水降塵等空氣污染防治措施、固體廢棄物處理處置措施對施工期及運(yùn)行期的噪聲污染、空氣污染和固體廢棄物污染進(jìn)行防治。同時(shí)，制定詳細(xì)環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)理和環(huán)境監(jiān)測計(jì)劃，確保了環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 社會(huì)效益

20世紀(jì)80年代以來沁河來水持續(xù)偏枯，沁河下游的焦作和濟(jì)源市，是河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展較迅速的地區(qū)，沁河是兩市的主要水源，但徑流年內(nèi)分配極不均勻，當(dāng)前在灌溉季節(jié)缺水嚴(yán)重。隨著沁北火電基地的興建和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，沁河下游水資源供需矛盾將越來越突出，河口村水庫是沁河下游兩岸及豫北平原的國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的重要保證。河口村水庫與小浪底、三門峽、陸渾、故縣水庫五庫聯(lián)合調(diào)度，是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。

河口村水庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)水位風(fēng)險(xiǎn)控制后，能進(jìn)一步完善黃河下游防洪工程體系，充分調(diào)節(jié)和利用沁河水資源，可使城市生活和工業(yè)供水保證率由原來的95%提高到100%，為地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供重要的水資源保障。

4 成果分析

研究在延長水文資料序列洪水復(fù)核的基礎(chǔ)上，利用降雨洪水預(yù)報(bào)信息對主汛期控制水位進(jìn)行了研究，提出了主汛期水位可根據(jù)預(yù)蓄預(yù)泄、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的方法。

該技術(shù)方法曾應(yīng)用到河南省燕山水庫汛期水位動(dòng)態(tài)控制，多年平均供水量可增加約600萬m3，增加供水?dāng)?shù)量可觀，由此產(chǎn)生的供水、灌溉和發(fā)電等直接經(jīng)濟(jì)效益約為370萬元。除此之外，燕山水庫通過汛期增加蓄水，可有效保障河道環(huán)境流量0.93 m3/s的要求，對生態(tài)環(huán)境的保持與恢復(fù)作用明顯；根據(jù)南水北調(diào)中線一期工程河南省城市供水配套工程規(guī)劃，南水北調(diào)中線工程經(jīng)燕山水庫調(diào)節(jié)后給潔河等市縣供水，水庫增加蓄水對供水調(diào)度意義重大。間接效益估算≥500萬元。

5 結(jié)語

水資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，對于水資源相對緊張的黃河流域其供需矛盾更是日益尖銳。因此，在確保水庫安全的前提下，開展水庫洪水動(dòng)態(tài)調(diào)度研究，合理調(diào)節(jié)水庫防洪與興利庫容，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作用重大。在新的防洪形勢和水文條件下，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，針對水庫在防洪與興利中存在的矛盾和安全余度，在保障水庫工程安全前提下，研究確定合理的水庫汛期動(dòng)態(tài)水位，通過科學(xué)調(diào)度攔蓄寶貴洪水資源，以提高水庫蓄水能力、雨洪利用率和地區(qū)水資源承載能力，更好地為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。該研究成果在黃河流域水庫中具有較好推廣的前景，對服務(wù)黃河高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護(hù)也具有重要意義。