黃河龍羊峽和劉家峽水庫凌汛關(guān)鍵期優(yōu)化調(diào)度研究

胡一棟 劉吉峰 張毅 康耀輝 陳冬伶

關(guān)鍵詞：封河流量；凌汛災(zāi)害；水庫調(diào)度；寧蒙河段；黃河

黃河寧蒙河段位于黃河流域最北端，全長１２１７ｋｍ。受大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季寒冷干燥，日平均氣溫在０℃以下的時間可持續(xù)４～５個月，最低氣溫可達(dá)－３５℃。黃河寧蒙河段一般從１１月下旬開始流凌，１２月上旬封凍，翌年３月中下旬解凍開河，封凍時間１２０ｄ左右，封河長度可達(dá)１０００ｋｍ。寧蒙河段特殊的河道走向?qū)е路鈨鰰r冰蓋自下游向上游發(fā)展，容易卡冰阻水，壅高水位；解凍時自上而下，冰凌洪水沿程增大，極易形成冰凌災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在１９５０—２０２０年的７１ａ中有１４ａ凌汛期發(fā)生堤防決口［１］。

黃河寧蒙河段上游劉家峽水庫和龍羊峽水庫分別于１９６８年和１９８６年蓄水運(yùn)用，對寧蒙河段冰凌有重要調(diào)節(jié)作用［２］。兩庫聯(lián)合運(yùn)用以來，防凌調(diào)度遵守“發(fā)電、供水服從防凌，防凌調(diào)度兼顧供水和發(fā)電，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和合理利用”的原則，減少了凌情災(zāi)害。２０００年以來黃河上游來水形勢、寧蒙河段河道狀況和凌情均發(fā)生了較大變化［３］，主要表現(xiàn)在：上游來水較２０世紀(jì)９０年代明顯增大，２０００—２０２０年唐乃亥站６—１０月來水均值較１９９０—１９９９年偏多１６％，龍羊峽水庫自２００５年以來開始蓄滿運(yùn)用；寧蒙河段河道淤積情況有所改善，２０１２年汛期出現(xiàn)大洪水以來，黃河上游于２０１８—２０２０年連續(xù)３ａ出現(xiàn)３０００ｍ３／ｓ以上洪水過程，河段平灘流量恢復(fù)至２０００ｍ３／ｓ；冬季氣溫總體偏高，年內(nèi)氣溫波動大，極端冷暖事件頻繁發(fā)生；河段槽蓄水增量呈減小趨勢，但凌汛災(zāi)害潛在風(fēng)險仍然存在。

青海省電力結(jié)構(gòu)以水力發(fā)電為主，凌汛期正值用電高峰，水力發(fā)電所需水量大。凌汛期劉家峽水庫出庫流量減小，梯級電站發(fā)電量大幅減小，導(dǎo)致冬春季青海省缺電嚴(yán)重，同時龍羊峽水庫翌年汛前大量棄水，浪費(fèi)寶貴的水資源。為了科學(xué)調(diào)度黃河上游干流水庫，確保黃河防凌安全，兼顧防凌、用水、發(fā)電等各方利益，迫切需要開展凌汛期龍羊峽、劉家峽水庫優(yōu)化調(diào)度研究。

１防凌調(diào)度優(yōu)化空間

按照《黃河水量調(diào)度條例》《黃河劉家峽水庫凌期水量調(diào)度暫行辦法》有關(guān)規(guī)定，劉家峽水庫下泄水量采用“月計(jì)劃、旬安排”的調(diào)度方式。水庫下泄水量按旬平均流量嚴(yán)格控制，日出庫流量避免忽大忽小，日平均流量變幅不能超過旬平均流量的１０％［４］。在上述原則基礎(chǔ)上，黃河防總經(jīng)過２０多ａ的調(diào)度實(shí)踐，經(jīng)歷了研究、應(yīng)用、總結(jié)和再實(shí)踐等過程，初步形成了較為完整的黃河上游水庫防凌調(diào)度方法：流凌封河發(fā)展期塑造符合河道實(shí)際情況的適宜封河流量；封凍期適當(dāng)減小水庫下泄流量，抑制槽蓄水增量的過快增長；開河期適度壓減上游水庫下泄流量，開河形勢從“武開河”轉(zhuǎn)向“文開河”；增強(qiáng)冰下過流能力，減小封開河關(guān)鍵期冰塞、冰壩致災(zāi)概率，提高黃河上游梯級水庫凌汛期綜合效益。

基于２０００年以來凌情新特點(diǎn)和上游水庫防凌調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，考慮黃河上游來水形勢年際變化，黃河龍羊峽、劉家峽水庫防凌調(diào)度仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。具體包括：基于河道條件、上游來水和用水需求確定適宜的封河流量，減小封河發(fā)展期冰塞出現(xiàn)概率和規(guī)模；根據(jù)凌情形勢和氣溫變化趨勢，優(yōu)化開河期壓減水庫下泄流量的時機(jī)和力度，塑造“文開河”為主的開河形勢；充分利用上游區(qū)間來水和水庫蓄水的豐平枯變化，提高下游梯級電站的綜合效益；把握好防凌調(diào)度時機(jī)，提高精細(xì)調(diào)度能力，更加充分利用凌汛期寶貴的水資源。

２優(yōu)化調(diào)度方式研究

２．１封河發(fā)展期

封河流量直接關(guān)系后期凌情發(fā)展形勢、防凌安全與整個凌汛期上游梯級水庫泄水總量及泄水過程，因此適宜的封河流量是確保凌汛期防凌安全的重要前提。

１）歷史封河流量。封河流量指封河前期的河道流量，一般以首封河段最近的水文站封河前３ｄ的平均流量表示［５］。龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合運(yùn)用的１９８９—２０２０年內(nèi)蒙古河段封河流量均值為６６１ｍ３／ｓ，最大為９５３ｍ３／ｓ（１９９０—１９９１年度），最小為２７３ｍ３／ｓ（２０００—２００１年度）。其中：封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ，占１９％；５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ，占５３％；在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ，占２８％。

２）封河流量與凌汛期水位。受河道淤積影響，１９８６年以來黃河內(nèi)蒙古三湖河口水文斷面凌汛期水位持續(xù)偏高［６］。利用內(nèi)蒙古河段１９６８—２０２０年封河流量和三湖河口水文斷面封河水位、最大水位壅高、凌汛期最高水位等資料，研究封河流量與凌汛期水位的關(guān)系，見圖１。可以看出，封河流量與封河水位正相關(guān)，與最大水位壅高負(fù)相關(guān)，與凌汛期最高水位無明顯相關(guān)性。因此，封河流量越大，封河水位越高，凌汛期水位壅高越不明顯。

３）封河流量與槽蓄水增量。在內(nèi)蒙古河段，封凍初期一部分水轉(zhuǎn)化為冰，還有一部分水受冰蓋阻水影響，轉(zhuǎn)化為槽蓄水增量。最大槽蓄水增量受河道條件和上游來水影響顯著［７］，為分析封河流量對最大槽蓄水增量的影響，選?。保梗梗丁玻埃保衬炅柩雌谏嫌蝸硭繛椋矗皟|ｍ３左右的年份，點(diǎn)繪封河流量與最大槽蓄水增量的關(guān)系，見圖２。從圖２可以看出，在河道條件相似、上游來水大致相同的情況下，封河流量與最大槽蓄水增量負(fù)相關(guān)，表明封河流量越大，最大槽蓄水增量越小。

４）封河流量與凌災(zāi)。在１９８９—２０２０年的３２ａ中，寧蒙河段有１６ａ發(fā)生較嚴(yán)重凌汛災(zāi)害，其中封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ中有４ａ發(fā)生凌汛災(zāi)害，發(fā)生概率為６７％；封河流量為５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ中有９ａ發(fā)生凌汛災(zāi)害，發(fā)生概率為５３％；封河流量在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ中有３ａ發(fā)生凌汛災(zāi)害，發(fā)生概率為３３％?？梢姡夂恿髁吭叫?，發(fā)生凌汛災(zāi)害的概率越大。主要原因是，封河流量小，冰下過流能力弱，容易導(dǎo)致封凍河段上游壅水，引發(fā)冰塞，同時封河流量過小會產(chǎn)生較大的槽蓄水增量，若后期上游來水流量較大，超過冰下過流能力，則會壅高水位，水鼓冰開。

１９６８—２０２０年寧蒙河段不同河道過流能力對應(yīng)的封河流量見表１。從表１可以看出，盡管兩庫聯(lián)合運(yùn)用以后河道平灘流量明顯減小，主槽過流能力減弱，但水庫調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，調(diào)度經(jīng)驗(yàn)不斷積累，封河流量總體呈增大趨勢?？梢哉J(rèn)為，平灘流量約為１５００ｍ３／ｓ時，封河流量為７００ｍ３／ｓ左右不易發(fā)生險情；平灘流量約為２０００ｍ３／ｓ時，封河流量約為８００ｍ３／ｓ時不易發(fā)生險情。１９９０—１９９１年度寧蒙河段最小平灘流量約３０００ｍ３／ｓ，封河流量９５３ｍ３／ｓ，開河期氣溫回升晚、幅度大，同時由于缺乏水庫控制，因此開河關(guān)鍵期上游來水較大，開河速度快，大量冰塊隨流而下，致使三湖河口水文斷面以下發(fā)生卡冰結(jié)壩１０多處，水位壅高，民堤決口，造成凌災(zāi)?？梢哉f１９９０—１９９１年度的凌災(zāi)主要是開河期氣溫回升快以及上游來水大造成的，不是大流量封河導(dǎo)致的。２０１２—２０１３年度寧蒙河段最小平灘流量約２０００ｍ３／ｓ，封河流量９００ｍ３／ｓ，凌汛期因水庫調(diào)度合理而未發(fā)生凌汛險情。寧蒙河段平灘流量越大，冰下過流能力越強(qiáng)，允許的封河流量越大［５］?？梢哉J(rèn)為，在水庫合理調(diào)度的前提下，平灘流量在３０００ｍ３／ｓ以上，封河流量不超過９５０ｍ３／ｓ，寧蒙河段不易發(fā)生凌汛險情。

２．２開河關(guān)鍵期

寧蒙河段開河關(guān)鍵期指開河發(fā)展至三盛公水利樞紐之日起，至全部封凍河段主流開通之日止。合理確定開河關(guān)鍵期劉家峽水庫壓減流量時機(jī)和壓減量級，可以確保開河關(guān)鍵期防凌安全，同時最大限度提高水庫發(fā)電效益。

１）開河關(guān)鍵期氣溫類型。根據(jù)內(nèi)蒙古河段開河關(guān)鍵期氣溫回升時間早晚及回升幅度，將開河關(guān)鍵期氣溫變化過程分為急劇回升偏早型、中期急劇回升型、急劇回升偏晚型、緩慢回升型４種類型，見表２。開河關(guān)鍵期氣溫回升越早，槽蓄水增量集中釋放的可能性越大。因此，氣溫回升越早，允許的最大槽蓄水增量越小。

２）槽蓄水增量閾值。當(dāng)槽蓄水增量達(dá)到閾值時，會在開河關(guān)鍵期產(chǎn)生水位過度壅高的風(fēng)險，從而威脅堤防安全。２０００年以來三湖河口至包頭段水位壅高最明顯，因此將三湖河口水文斷面防凌臨界水位對應(yīng)槽蓄水增量作為內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量閾值。三湖河口左右岸堤頂高程分別為１０２３．７０、１０２１．６１ｍ，不決口時最高水位距堤頂１．０ｍ左右［８］，防凌臨界水位為１０２０．６１ｍ。根據(jù)三湖河口水文斷面凌汛期最高水位與最大槽蓄水增量關(guān)系式，當(dāng)三湖河口水文斷面達(dá)到防凌臨界水位時，內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量約為１６億ｍ３。

綜合開河關(guān)鍵期氣溫條件對槽蓄水增量釋放過程的影響，確定內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量閾值為１４億～１６億ｍ３。開河關(guān)鍵期氣溫急劇回升偏早年份、中期急劇回升年份、急劇回升偏晚年份、緩慢回升年份，允許最大槽蓄水增量應(yīng)分別控制在１４億、１５億、１６億、１６億ｍ３以內(nèi)。

３）開河關(guān)鍵期壓減流量指標(biāo)。根據(jù)開河關(guān)鍵期氣溫類型，結(jié)合槽蓄水增量及分布形勢確定壓減流量時機(jī)。同時根據(jù)１月底槽蓄水增量和增長趨勢以及前期凌情確定流量壓減力度，并依據(jù)開河關(guān)鍵期氣溫類型適當(dāng)調(diào)整。在３００～５００ｍ３／ｓ流量級，劉家峽至頭道拐河段封凍期水流傳播時間約２０ｄ，因此水庫壓減下泄流量的時間應(yīng)提前兩旬，見表３。

開河關(guān)鍵期水庫調(diào)度預(yù)案一般要求１月底制作完成，因此根據(jù)１月末槽蓄水增量確定壓減流量大小。綜合考慮氣溫類型對槽蓄水增量閾值的要求，以及在壓減流量發(fā)揮作用前槽蓄水增量的增長空間，將１１．５億、１２．５億ｍ３作為劃分槽蓄水增量開河關(guān)鍵期壓減流量力度的指標(biāo)。若１月末槽蓄水增量偏小（小于１１．５億ｍ３），則可晚壓減流量或少壓減流量；若槽蓄水增量偏大（大于１２．５億ｍ３），則必須加大壓減流量力度；槽蓄水增量為１１．５億～１２．５億ｍ３時，則適當(dāng)壓減流量。

３優(yōu)化調(diào)度建議

３．１適宜封河流量

封河流量過小會導(dǎo)致冰下過流能力減弱，封河河段上游壅水嚴(yán)重，造成冰塞險情，同時產(chǎn)生較大的槽蓄水增量。當(dāng)封河流量小于５００ｍ３／ｓ時，頭道拐水文斷面冰下過流能力將小于３５０ｍ３／ｓ，給防凌帶來巨大壓力。在河道過流能力允許的條件下，大流量封河既可以保證防凌安全，又可以緩解防凌與發(fā)電之間的矛盾。隨著凌汛期水庫調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的積累以及調(diào)度機(jī)制的完善，平灘流量在３０００ｍ３／ｓ以上時，封河流量只要不超過９５０ｍ３／ｓ，寧蒙河段就不易發(fā)生冰塞險情。根據(jù)寧蒙河段河道情況，考慮防凌安全，建議寧蒙河段封河流量控制在５００～９５０ｍ３／ｓ。具體封河流量根據(jù)河道過流能力、上游來水情況和水庫綜合效益確定。目前，寧蒙河段過流能力約為２５００ｍ３／ｓ，建議封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，其中豐水年控制在８５０ｍ３／ｓ左右、平水年控制在７００ｍ３／ｓ左右、枯水年控制在６００ｍ３／ｓ左右。

３．２開河關(guān)鍵期壓減流量

開河關(guān)鍵期壓減流量指標(biāo)包括壓減流量的時機(jī)和力度。根據(jù)開河關(guān)鍵期氣溫類型及１月末槽蓄水增量，選擇壓減流量時機(jī)和力度。對于前期槽蓄水增量異常偏大的年份，結(jié)合槽蓄水增量增長趨勢及前期凌情特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整壓減水庫出庫流量的時機(jī)，防止槽蓄水增量過大、過快增長造成凌汛災(zāi)害。壓減流量力度分５個等級，即３５０、３８０、４００、４３０、４５０ｍ３／ｓ（以蘭州水文站為控制站）?？紤]水流傳播時間，劉家峽水庫壓減下泄流量的時間必須提前兩旬進(jìn)行，具體壓減方案見表４。

４優(yōu)化調(diào)度方案與實(shí)踐

４．１調(diào)度情景分析

根據(jù)目前的河道條件，歷史來水與用水特征、龍羊峽水庫２００５年以來的蓄水情況和最近十幾年的凌情特點(diǎn)，設(shè)定龍羊峽和劉家峽水庫凌汛期調(diào)度情景，在此基礎(chǔ)上討論各種情景的適用條件和防凌調(diào)度效果。劉家峽水庫凌汛期調(diào)度方案見表５（其中壓減時機(jī)為２月）。其中，平水年采用龍羊峽水庫２００５年正常運(yùn)用以來唐乃亥水文站汛期（６—１０月）來水均值（１５７億ｍ３），距平５％～１５％對應(yīng)豐水年，距平－１５％～－５％對應(yīng)枯水年。

４．２實(shí)施調(diào)度方案的效益

劉家峽水庫凌汛期泄水量與多年均值對比見圖３?？梢钥闯觯瑹o論是平水年還是豐水年，封河流量為７００、８００ｍ３／ｓ時凌汛期泄水量均大于多年均值，發(fā)電效益十分明顯。封河流量為６００ｍ３／ｓ時，凌汛期泄水量小于１９８９—２０１０年均值，凌汛期泄水量在２０００—２０１０年均值附近。根據(jù)圖３，若采?。叮担埃恚常蟮姆夂恿髁浚瑒t凌汛期泄水量將大于２０００—２０１０年均值。因此，從凌汛期泄水量看，只要封河流量大于６５０ｍ３／ｓ，黃河上游梯級水庫就會產(chǎn)生較大的發(fā)電效益。

４．３優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐

２０１９年汛期黃河上游唐乃亥水文站來水偏多４３％，來水偏豐形勢下，黃河防總基于全河水資源調(diào)度以及防凌、抗旱工作需求，結(jié)合龍羊峽、劉家峽水庫調(diào)度建議，編制了２０１９—２０２０年度黃河防凌調(diào)度預(yù)案，推薦寧蒙河段適宜封河流量為８００ｍ３／ｓ。凌汛期水庫調(diào)度科學(xué)合理，雖然封河流量較大，但巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量僅９．４億ｍ３，較１９７０—２０２０年均值偏少０．７億ｍ３；開河關(guān)鍵期氣溫屬于急劇回升偏晚型，按照開河關(guān)鍵期調(diào)度方案，劉家峽水庫從２月下旬開始壓減出庫流量至４５０ｍ３／ｓ左右，３月上旬壓減出庫流量至３８０ｍ３／ｓ。該年劉家峽水庫凌汛期實(shí)際下泄水量為８６．８２億ｍ３，比調(diào)度預(yù)案多泄４．８３億ｍ３，較１９８９—２０２０年均值多泄１６．０４億ｍ３。凌汛期下泄水量明顯偏多，發(fā)電效益增大。雖然凌汛期水位整體偏高，但未出現(xiàn)凌汛險情。

２０２２年汛期唐乃亥水文站來水偏少３１％，來水偏枯形勢下，２０２２—２０２３年度黃河防凌調(diào)度預(yù)案推薦寧蒙河段的適宜封河流量為６００ｍ３／ｓ。開河關(guān)鍵期寧蒙河段氣溫從２月上旬開始持續(xù)偏高，屬于急劇回升偏早型，考慮槽蓄水增量非常小，巴彥高勒至頭道拐河段最大槽蓄水增量僅６．２億ｍ３，開河期劉家峽水庫壓減出庫流量的時間適當(dāng)推遲，開河關(guān)鍵期劉家峽水庫從２月上旬開始壓減出庫流量至４５０ｍ３／ｓ左右，２月中旬壓減出庫流量至３８０ｍ３／ｓ左右。該年劉家峽水庫實(shí)際下泄水量為６８．５３億ｍ３，比調(diào)度預(yù)案少泄０．２２億ｍ３，較１９８９—２０２０年均值少泄２．２５億ｍ３，偏少３％。在前期來水明顯偏少且開河關(guān)鍵期氣溫對開河形勢明顯不利的情況下，凌汛期下泄水量接近常年，保證了發(fā)電效益。同時整個凌汛期凌情平穩(wěn)，凌汛期水位整體偏低，未出現(xiàn)凌汛險情。

５結(jié)論

在寧蒙河段河道條件較好的情況下，封河流量越大，冰下過流能力越強(qiáng)，槽蓄水增量越小，凌災(zāi)發(fā)生概率越小。根據(jù)內(nèi)蒙古河段目前河道狀況，寧蒙河段封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，既可以保證防凌安全，又可以提高水庫發(fā)電效益。

槽蓄水增量集中釋放是造成開河關(guān)鍵期凌災(zāi)發(fā)生的最主要原因。采用防凌臨界水位確定最大槽蓄水增量閾值為１４億～１６億ｍ３，開河關(guān)鍵期氣溫回升越早允許的最大槽蓄水增量越小。根據(jù)開河關(guān)鍵期氣溫類型及１月末槽蓄水增量，選擇水庫開河關(guān)鍵期壓減流量時機(jī)和力度。對于開河關(guān)鍵期氣溫屬于緩慢回升型且內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量偏小的年份，２月下旬開始壓減劉家峽水庫出庫流量至４５０ｍ３／ｓ，３月上旬壓減至４００ｍ３／ｓ，既可以保證防凌安全，又不影響發(fā)電效益。

根據(jù)目前的河道條件、歷史來水與用水特征、龍羊峽水庫蓄水情況和最近十幾年的凌情特點(diǎn)，設(shè)定了龍羊峽、劉家峽水庫凌汛期調(diào)度情景，提出的不同情境下龍羊峽、劉家峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案，可為凌汛期水庫調(diào)度預(yù)案和實(shí)時方案制作提供參考。２０１９—２０２０年度、２０２２—２０２３年度在汛期來水分別偏多、偏少情況下，采用提出的具體防凌優(yōu)化調(diào)度方案，充分保證了防凌安全，明顯提高了黃河上游梯級水庫群發(fā)電效益。