针对降雨量级预报的串联水库汛限水位动态控制研究

盛海峰，张真奇，陈竽舟

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

0 引 言

水库传统的汛期水位控制方法是按照设计水位控制，不考虑任何预报信息以既定的汛限水位来时刻防御小概率的设计与校核洪水的发生，这种“一刀切”的控制方式利于水库的运行管理但却导致了水库汛期不敢蓄水汛后无水可蓄，造成洪水资源的浪费，限制了水库综合效益的发挥。随着经济社会发展、科学技术进步，气象预报和水文预报的精度大大提高，社会对水资源的需求不断增加，对洪水的认识发生了转变，为水库汛限水位动态控制研究提供了社会基础和技术保障，国家防汛抗旱总指挥办公室也印发了水库汛限水位动态控制研究试点工作意见。

我国汛限水位动态控制的定义于90年代后被首次提出，在2000年以后逐步形成了较为完善的理论与方法[1]。王本德、周惠成、邱瑞田等提出了汛限水位动态控制的基本理论及计算方法[2,3]，应用后均取得了较大效益。但是影响汛限水位动态控制的因素较多，理论体系、控制方法结合科技发展和实际应用尚在不断地完善中[4-7]，目前针对串联水库汛限水位动态控制的约束条件、结合实际防汛调度便于基层防汛人员操作的水库汛限水位动态控制方案研究较少。

本文以浙江省分水江水库为例，分析串联水库汛限水位动态控制域的约束条件、研究结合水库实际、便于调度操作的汛限水位动态控制方案。

1 研究方法

1.1 实时预蓄预泄法

实时预蓄预泄法是基于水库泄流能力，考虑洪水或降雨预报信息的控制方法，基本思想是在洪水预见期内有多大泄流能力就将汛限水位上浮多少。该方法理论基础完善，计算简单，适用于水文预报信息可靠性较高、预泄能力较大的水库[2]。

1.2 汛限水位动态控制域

1.2.1 有效预泄时间

有效预泄时间是指水库在预泄过程中的实际下泄时间，需要综合气象预报时间、洪水预报时间、调度决策和闸门操作时间确定。

Ty=Tx+Tr-Tcu

(1)

式中：Ty为考虑洪水与降雨预报信息的有效预泄时间；Tx为考虑洪水预报的极限预泄时间；Tr为考虑短期降雨预报的极限预泄时间；Tcu为信息传递、决策、闸门操作时间之和。

1.2.2 串联水库汛限水位动态控制域约束指标体系

串联水库的汛限水位动态控制域约束条件包括防洪安全和效益最优，其中防洪安全包括下游防洪保护对象安全、水库运行安全、库区防洪安全、上游水库调度安全等；效益最优包括洪水资源化、防洪能力提升，为发挥水库综合效益最大化，预泄过程尽量采用发电满发流量下泄，避免预蓄水量成弃水(图1)。

下游河道的安全流量和水库实际的下泄流量直接影响下游保护对象的安全，因此以下游河道允许泄量和水库泄流能力作为考虑下游保护对象安全的代表因子；汛限水位动态控制引起的水库校核水位变化，可能造成水库自身安全风险，因此以水库坝顶高程作为考虑水库运行安全的代表因子；征地和移民是影响库区安全和社会稳定的主要因素，因此以水库的征地和移民水位作为考虑库区安全的代表因子；汛限水位动态控制引起的库区回水可能影响上游水库的下泄从而影响上游水库调度安全，因此以上游水库的允许下泄流量作为考虑上游水库调度安全的代表因子。以上各代表因子作为防洪安全的约束因子，在水库汛限水位动态控制研究中必须考虑。

图1 串联水库汛限水位动态控制域约束指标体系

1.3 汛限水位动态控制风险控制

降雨漏报是水库汛限水位动态控制运行的主要风险点，一旦发生将放大水库调度的风险及损失。据相关文献统计[9,10]，我国气象预报的晴雨预报准确率在80%以上，接近发达国家水平；小雨量级、中雨量级和大雨量级预报的漏报率已经分别降至9.5%、20.4%和12.5%。虽然气象预报的空间尺度和短期降雨预报精度显著提高，但降雨漏报仍有可能发生。随着计算机技术的发展，水库预报技术同样有了较大发展，水库预报的预见期为防汛人员争取了补偿调度时间，在满足水库安全、下游河道防洪安全的前提下，采用紧急泄洪的方式使水库汛限水位从动态控制域的上限调整至下限，减小甚至避免因降雨漏报而产生的汛限水位动态控制风险。

2 实例应用

2.1 研究区概况

分水江是浙江省钱塘江流域下游左岸的最大支流，主流上游昌化江，与支流天目溪汇合后称分水江，全长167 km，河道平均坡降0.23%，流域面积3 443 km2。对流域洪水能起到一定拦洪削峰的水库共有4座，即英公水库、华光潭一级水库、青山殿水库和分水江水库，分水江流域水系及工程示意如图2。本研究考虑青山殿水库对分水江水库汛限水位动态控制的影响。

图2 分水江流域水系及工程示意图

青山殿水库位于分水江上游昌化溪，坝址以上集水面积1 429 km2，发电流量160 m3/s。分水江水库位于分水江干流中游段，坝址以上集水面积2 630 km2，水库按100 年一遇洪水设计，1 000 年一遇洪水校核，正常蓄水位45.0 m，主汛期6月1日-7月15日限制水位40.0 m，水库发电流量231 m3/s，水库发电死水位39.0 m。

2.2 汛限水位动态控制域

分水江水库汛限水位动态控制的约束条件为：

下游保护对象安全：分水江水库下游河道的安全泄量为3 000 m3/s，因此水库汛限水位动态控制过程中的下泄流量不能大于3 000 m3/s；

库区防洪安全：分水江水库的征地水位为45.5 m、移民水位为48.6 m，针对量级暴雨洪水的调洪成果不能突破征地水位和移民水位造成社会和经济影响；

上游水库调度安全：上游青山殿水库洪水调度的重点为实施与天目溪洪水错峰调度，使汇流后流量不超过3 000 m3/s。根据汇流后河道断面水位流量关系，分水江水库汛限水位动态控制后的回水不能影响青山殿水库的下泄调度。

效益最优：分水江水库发电流量为231 m3/s，预泄过程尽量以发电流量下泄，使预蓄水量效益最大化。

综合分水江水库预泄时间和约束条件，汛限水位动态控制域为[39,43]。

2.3 针对降雨量级的汛限水位控制方案

2.3.1 暴雨典型及量级

建立分水江流域实际暴雨洪水样本库，选择暴雨分布和洪水过程差异的暴雨典型，分别为1985年型、1994年型和1995年型。根据分水江流域面积及水库各频率设计洪量确定暴雨量级分别为100、150、200和250 mm。

表1 分水江水库不同量级暴雨与坝址洪量对应表

2.3.2 汛限水位动态控制方案

分水江水库不同量级不同典型暴雨的调洪成果如表2～表5。

表2 250 mm量级暴雨洪水调洪成果

表3 200 mm量级暴雨洪水调洪成果

表4 150 mm量级暴雨洪水调洪成果

表5 100 mm量级暴雨洪水调洪成果

由表2～表5，根据约束条件确定当预报未来3 d分水江流域遭遇150 mm量级以上的暴雨时，水库应将水库水位控制在40.0 m；当预报未来3 d流域遭遇100～150 mm量级的暴雨时，水库应将水位控制在42.0 m及以下；当预报未来3 d流域无雨时，水库可将水位控制在43.0 m。

2.4 利用水库预报调度的风险控制

2.4.1 风险控制方法

水库预报的预见期可以为防汛人员争取补偿调度时间，采用紧急泄洪的方式使水库汛限水位从动态控制域的上限调整至下限，减小甚至避免汛限水位动态控制的风险。分水江水库预报的预见期一般为5～6 h，水库下游河道的安全泄量为3 000 m3/s，考虑上游水库发电下泄和区间入流，采用不同的紧急下泄流量使水库水位从42.0 m回落至40.0 m所需的时间如表6。可知，当紧急下泄流量不小于1 000 m3/s，分水江水库就能在洪水到达水库前将水库汛限水位控制在40.0 m，避免因汛限水位动态控制产生的风险。

表6 分水江水库紧急泄洪成果表

2.4.2 风险控制效果

分水江水库遭遇1969年型150 mm量级的暴雨洪水时，假定出现漏报时汛限水位处于42.0 m，则水库调洪最高水位达到46.92 m，超过征地水位，最大下泄流量3 472 m3/s，超过下游河道安全泄流。利用水库预报系统5～6 h预见期，通过紧急泄洪方式将汛限水位回落至40.0 m，则调洪最高水位46.17 m，最大下泄流量控制在下游河道安全泄量3 000 m3/s，大大减小了库区的损失并避免了水库下游保护对象的防洪风险。预报调度前后的调洪成果如表7，调度线如图3。

表7 分水江水库1969年150 mm量级洪水不同调度方式成果表

图3 1969年型150 mm暴雨量级优化调度前后的过程线

3 结 语

水库汛限水位动态控制方法在我国北方缺水地区有一定的应用，但是科学技术在不断地发展、每个水库的基本情况也不尽相同，本文采用实施预蓄预泄法，分析了串联水库汛限水位动态控制域的约束条件和针对量级暴雨预报的控制方案，对串联水库汛限水位动态控制具有借鉴作用。

□

参考文献：

[1] 王本德,周惠成,张改红.水库汛限水位动态控制方法研究发展现状[J].南水北调与水利科技,2007,5(3)：43-46.

[2] 王本德,周惠成.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应用[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[3] 邱瑞田,王本德,周惠成.水库汛期限制水位控制理论与观念的更新探讨[J].水科学进展，2004,15(1)：68-72.

[4] 周惠成,董四辉,王本德,等.水库群联合防洪预报调度方式及汛限水位研究[J].大连理工大学学报,2006,46(3)：401-406.

[5] 张丽娟,许海军,方文莉,等.水库汛限水位动态控制综合信息模糊推理模式法及其应用[J].东北水利水电,2005，23(9)：34-35,54.

[6] 吴泽宁,胡彩虹,王宝玉,等.黄河中下游水库汛限水位与防洪体系风险分析[J].水利学报,2006，37(6)：641-648.

[7] 李 玮,郭生练,刘 攀,等.基于预报及库容补偿的水库汛限水位动态控制研究[J].水文,2006,26(6)：11-16.

[8] 王本德,周惠成,程春田,等.水库预蓄效益与风险控制模型[J].水文,2000,20(1)：14-18.

[9] 王本德,周惠成,程春田,等.可利用丰满气象台短期降雨预报时效分析[J].水利管理技术,1994(2)：41-46.

[10] 程春田,王本德.短期气象降雨预报在水库防洪调度中的可行性分析[J].大自然探索,1994，13(4)：86-92.