太平水库汛限水位动态控制风险研究

李 卓

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

太平水库位于辽宁丹东东港市马家店镇太平村，属于东港市友谊灌区下属的一座以防洪和灌溉为主，兼顾养殖和旅游等多种功能的综合性中型水库[1]。水库正常水位11.45m，库容1126万m3。水库始建于20世纪50年代，由于多年运行，病险情况比较严重，因此在2012年开始进行除险加固施工。加固后的水库大坝仍为均质土坝，坝长945.00m，最大坝高8.20m，坝顶宽由2.5m增加到6.0m，大坝的迎水面由干砌石护坡改建为C25砼护坡，在坝基液化段增加重黏土平台；拆除溢洪道导流浆砌石翼墙和混凝土底板，并重新使用混凝土浇筑。在除险加固工程竣工后，水库的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水为300年一遇，水库的防洪和兴利功能得到明显加强。

太平水库属于一座中型年调节水库，具有较高的调节性能。在除险加固施工结束后，水库大坝的质量得到明显提升，被重新鉴定为一类坝，同时溢洪道经过加固之后具有较大的泄洪潜力，且调度人员的管理和技术水平较高，所以太平水库完全具备实行汛限水位动态控制条件。但是，太平水库除险加固前一直将正常蓄水位作为防洪限制水位，防洪与兴利矛盾比较突出。根据多年的来水分析，水库在丰水年弃水较多，而在枯水年则处于低水位运行，不利于兴利目标的实现。因此，太平水库管理部门在除险加固工程完工后，实行了汛限水位动态控制，控制范围为：8.45～12.06m。相对于原汛限水位，控制上限提高0.61m，可以增加库容263万m3，控制下限降低3m，可以腾出342万m3的库容。汛限水位动态控制起到了缓解水库防洪压力，而提高上限增加的库容也可以发挥出更大的兴利作用。

2 太平水库极限风险率计算

太平水库在实行汛限水位动态控制以来，其库容虽然变化不大，但是水位变化十分明显。如果在主汛期水库位于汛限水位上限值运行时，如果上游降雨和来水信息一旦发生漏报或误报，将会对水库的安全调度产生严重影响，因此有必要对其进行风险分析[2]。

2.1 太平水库的极限风险率

根据相关研究成果[3]，水库在防洪调度控制泄流量24h后恰好面临一场洪水，而水库的调蓄水位低于不受破坏的临界水位，则面临洪水的概率就是水库的极限风险率。由于太平水库属于汛限水位动态管理，因此在确保水库和下游防洪需求的前提下，在汛限水位范围内对不同频率的洪水进行起调，若调度过程中的最高水位等于极限风险指标，则该频率就是太平水库在极限风险指标下的极限风险率。

2.2 计算方法

对于进行汛限水位动态控制的水库，其风险分析一般采取定性分析和定量结合的方法[4]。其中定性分析主要包括矩阵法和调查法，一般用于风险可测度较小的情况；定量分析则需要通过模糊数学法、概率与数理统计以及随机模拟法等数学工具计算和推求水库运行风险的数量特征和变化规律。

由于概率论和数理统计法不仅考虑客观事物的随机性，还考虑了认识的局限性和资料的不足，因此选用该方法进行太平水库极限风险率计算。对概率论和数理统计法又包括连续型和离散型随机变量概率分布等多种方法。鉴于水库风险率计算要涉及复杂的水文现象，本次研究选取P-Ⅲ型曲线对汛限水位动态控制风险进行计算和分析[5]。

太平水库在2005年安装水情自动测报系统，至今已经历过多次洪水过程的考验。表1列出的是该系统对流域洪水预报精度的统计结果。由表格中的数据可知，虽然该系统的预报精度较高，但是也不可忽视个别场次洪水预报存在较大误差，因此有必要对预报误差给水库造成的风险进行分析。

表1 水情自动测报精度统计结果

2.3 极限风险率的推求

P-Ⅲ型曲线的概率密度函数为[6]：

(1)

式中，Γ(a)—a的伽马函数；α、β—形状尺度；α0—分布的未知参数。根据辽宁水文手册得出的太平水库上游太平水文站的流量离散系数、偏态系数和预报平均精度，计算得出α、β和α0的值分别为0.915、3.34和0.418。

由相关文献结论[7]，水库的汛限水位动态控制极限风险率指标和相对隶属度有关，依据太平水库的实际情况，将水库大于汛限水位上限的幅度作为相对隶属度。根据太平水库的水文资料，2013年7月26日的洪水，其水位值达到13.17m，则该次洪水过程引起灾害的相对隶属度为：

在获得太平水库汛限水位动态控制极限风险率计算的各个参数之后，在利用公式(2)计算出太平水库极限风险率。

(2)

式中，xmin—洪水预报误差最小值，为0.7%，将前文获得的参数一并代入，最后计算得出风险率为0.101，小于规定值0.2，因此在不增加其他风险的条件下，根据预报信息抬高汛限水位是符合标准的[8]。

2.4 上限值风险分析

为从效益最大化的视角进一步研究动态控制的上限值，本节通过给定控制上限的若干预案，并对其进行风险分析，从而获得最佳方案。研究中仍以2013年7月26日的洪水为例，在水库汛限水位动态控制范围8.45～12.06m内等距取值，进而推算出不同方案、不同频率洪水下的调洪最高水位，结果见表2。

表2 不同起调水位的调洪最高水位

以太平水库的千年一遇洪水位为参考可以看出，在汛限水位动态控制最低值8.45m时，遭遇千年一遇洪水时最高洪水位为13.24m，即可认为采取此水位进行调度的风险率为0.1%，而其余起调水位下的调洪频率则可以通过内插获得，并据此确定不同起调水位的防洪风险和效益，结果见表3。

表3 不同起调水位下的防洪风险和效益

选取千年一遇洪水为调度标准，不同的起调水位为对比方案，根据相关的经验，选取(0.3，0.7)为效益和风险指标的权重向量，利用优选模型进行方案优选，最终获得不同方案的相对优属度为：(0.5803，04807，0.5424，0.4082)。如果按照优属度最大的原则，应将方案1作为最优方案，但是其水位比较接近最低汛限水位，方案4的相对优属度最小，效益最低，因此，上述2种方案作为上限意义不大。所以，为了综合考虑水库本身和下游的防洪安全，推荐选用方案3，也就是汛限水位的上限值取11.15m，下限水位仍取8.45m。

3 结论

本文主要就太平水库汛限水位的动态控制风险以及合理优选控制上限进行了研究分析。通过对太平水库水情自动预报系统的预报结果进行分析，计算出系统漏报或误报情况下的动态控制极限风险率为0.101，根据风险划分标准，认为在不增加水库分先条件下，利用现有的预报成果抬高汛限水位是合理的。然后，文章利用频率分析和内插法相结合的方法，结合(0.3，0.7)的效益和风险的权重经验值进行方案优选，计算不同起调水位方案下的相对优属度，最终确定太平水库的最佳汛限水位动态控制的上限值取11.15m。