關于潘家口水庫汛限水位動態控制的分析

仇新征， 徐 亮

(水利部海委引灤工程管理局，河北唐山 064309)

潘家口水庫是以供水為主結合發電的綜合利用大型水利工程，主汛期實行汛限水位動態控制可以減少汛期棄水，增加主汛期蓄水量和水庫調節水量，用于枯水期或枯水年供水，實現洪水資源化利用，從而在一定程度上改善下游的用水緊張狀況。因此，有必要挖掘現有引灤樞紐工程的潛力，對潘家口水庫主汛期汛限水位進行動態控制，增加水庫汛期蓄水量，充分發揮潘家口水庫多年調節庫容的作用，以提高天津市和河北省供水保證率，更好的發揮潘家口水庫的綜合效益。

1 工程概況

潘家口水庫是大Ι型砼重力壩，控制灤河流域面積75%，壩長1 039米，最大壩高107米。設計標準為千年一遇，校核標準為五千年一遇。死水位180.00米，汛限水位216.00米，最高蓄水位224.70米，其主要作用是攔蓄灤河徑流，實現跨流域供水，同時兼顧防洪、航運、養殖等。潘家口水庫多年平均徑流量24.5億立方米，在75%的設計保證率下，向天津市供水10.0億立方米，向河北省供水9.5億立方米，為一不完全多年調節的水庫。

2 必要性分析

目前，我國北方地區水資源短缺不斷加劇，如何利用現有水利工程增加蓄水量已顯日趨重要。

灤河水量年際及年內變化差異大，根據潘家口水文站1929年以來的水文資料年際最大來水量71億立方米，最小來水量僅為3.6億立方米，相差近20倍，而年內潘家口水庫70%以上的來水量集中在汛期6～9月份。其中1999～2007年為連續枯水年份，年均來水量為7.59億立方米。天津市自1999年以來連續8年供水水源不足，1999～2007年潘家口水庫向天津市平均年供水量為5.28億立方米，遠低于原設計供水保證率P=75%時向天津供水10億立方米的要求。天津市于2000年、2002年、2003年和2004年4次實施了引黃濟津應急調水，累計調引黃河水量33.76億立方米，年均引水量為8.44億立方米。河北省同樣面臨供水嚴重不足的情況，通過節水和調用其它水源等措施來緩解用水緊張的問題。可以看出，作為天津市和河北省的水源水庫，潘家口水庫的可供水量已不能滿足兩地區的用水需求。

潘家口水庫汛限水位216.00米，最高蓄水位224.70米，防洪與興利重復庫容為5.40億立方米(原始庫容)，約占興利庫容的近30%。由于潘家口水庫的汛限水位相對較低，汛期防洪與供水的矛盾比較突出。根據潘家口水庫調度運用歷史資料分析，由于受汛限水位的限制，1997年和1999年這兩個大旱年的前一年，潘家口水庫主汛期(7月1日～8月15日)均有大量棄水，1996年和1998年主汛期棄水分別為7.35億立方米和4.05億立方米，灤河水資源浪費較大。

3 可行性分析

為加強洪水管理，充分利用洪水資源，規范水庫汛限水位動態控制試點工作，國家防總特印發了《水庫汛限水位動態控制試點工作意見》，作為全國各地開展水庫汛限水位動態控制試點工作的指導性文件。

天津設計院于1997年完成了《設計洪水和大壩防洪安全復核報告》，1998年6月完成了《潘家口水庫大壩首次安全鑒定綜合報告》，潘家口水庫被定為一類壩，并于2008年11月完成第二次大壩安全鑒定，滿足汛限水位動態控制工程要求。

潘家口水庫運行26年來，先后建設了氣象信息采集和預報系統、中長期預報系統，編制和應用了洪水預報方案，在氣象預報、中長期水文預報、短期洪水預報、水庫調度等方面積累了豐富的經驗。

4 汛限水位動態控制分析

根據《水庫汛限水位動態控制試點工作意見》要求，水庫汛限水位動態控制主要建立在防洪非工程措施上，采用“五不變”原則:(1)不改變水庫原有各種功能;(2)不降低水庫及下游防洪標準;(3)不新建其他防洪工程;(4)不改變設計洪水;(5)不增加淹沒損失。

根據潘家口水庫短期洪水預報的精度，預見期一般采用9個小時，根據天氣預報的精度，洪水預見期一般采用1～2天。在不增加下游洪澇損失和不增加上游淹沒損失的前提下，根據水文預報預見期和天氣預報預見期對潘家口水庫設計洪水進行調洪演算。

5 計算成果

根據洪水預報的預見期，50年一遇洪水，潘家口水庫汛限水位可抬至218.70米，500年一遇洪水，潘家口水庫汛限水位可抬至219.50米。

通過調洪演算，當灤河流域發生50年一遇洪水時，汛期水位可抬至219.60米，當發生500年一遇洪水時可抬至219.55米。

根據上述計算結果并考慮到洪水預報的誤差，汛期潘家口水庫汛限水位可控制至218.00米，當年可多增加蓄水量1.2億立方米，多年平均增加供水量0.4億立方米(75%設計保證率)。

6 風險分析及補救措施

汛限水位動態控制風險主要分為水庫本身防洪風險、預報操作誤差風險、下游防洪風險以及庫區泥沙淤積等四個主要方面。

6.1 水庫本身防洪風險性分析

水庫主汛期汛限水位在216～218米之間動態運行，雖然汛期在沒有來洪水時水庫維持較高的運行水位218米，但根據洪水預報，可以在洪水入庫前提前預泄，并在漲水初期加大流量預泄，能在一天內將庫水位從主汛期最高控制水位218米降至216米，保證50年一遇及以上的洪水調洪水位不超過原設計洪水位。因此，對于大洪水而言，主汛期汛限水位動態控制對水庫本身的防洪安全沒有影響。

根據滾動的洪水預報成果，實時控制預泄，對于50年一遇以下的中、小洪水，主汛期庫水位不必預降到最低216米，因其最高調洪水位相對較低，對水庫安全不會構成威脅。

根據灤河流域洪水的特點，每年至多入庫1～2場洪水，當主汛期第一場洪水的調洪水位超過218米，退水階段逐步回落到218米，當預報再有洪水來時，水庫應繼續預降水位;當調洪水位低于218米時，在退水階段應逐步回蓄到218米。

6.2 預報操作誤差風險分析及補救措施

主汛期汛限水位動態控制研究采用的預報洪水過程是用設計洪水過程代替，并假定已對預報的洪水流量放大了20%，與實際預報的洪水過程有一定的誤差;另外，各種洪水預報方案的預報精度受自然、環境、技術手段、測量設備和人為因素等各方面的影響，與實際發生洪水也存在誤差。

減少洪水預報誤差的措施可以采用:利用遙測系統各自然河系出口斷面的流量控制站的遙測流量數據和洪水預報模型，直接演算至潘家口水庫，這樣可以濾去各自然河系產流計算時的誤差，提高預報精度;利用潘家口水庫入庫控制站烏龍磯站的起漲段實測洪水，實時校正洪水預報成果;利用潘家口水庫壩前反推的入庫洪水修正洪水預報結果;同時利用不同的預報方案對預報洪水進行比較，并對洪水預報結果進行會商，根據水情形勢的發展和對實際入庫洪水的測量與驗證結果，及時調整對后續洪水的預報結果。

6.3 下游防洪風險性分析及補救措施

實行洪水預報預泄調度方式，將使水庫下游地區提前承擔防洪壓力。如果預報失誤，實際入庫洪水量級小于預報洪水量級，預泄流量過大，則下游地區可能存在較大的防洪壓力;反之，實際入庫洪水量級大于預報洪水量級，預泄流量過小，則庫水位下降較慢，對于大洪水，為使庫水位在大流量入庫前降到216米，后時段需要加大下泄流量，也可能增加下游防洪負擔。

下游河道防洪以灤縣水文站作為控制站，潘灤區間洪水較大，潘灤區間實際發生洪水與設計洪水過程存在誤差，因此，潘家口出庫流量與區間洪水組合成灤縣站洪水過程與設計情況也有偏差。

水庫在按預報調度方案預泄流量時，在不影響大壩本身防洪安全的前提下，考慮了下游河道不同防護對象的防洪要求。灤河下游防洪小埝、防洪大堤和白龍山電站雖然不是原設計確定的防護目標，但考慮到地方的要求和當地的實際情況，結合潘灤區間各種頻率洪水過程制定了相應的各級預泄流量。對于中、小洪水預報調度時控制下泄流量，起到削峰滯洪作用，可以滿足下游各防護對象的防洪要求。發生大洪水(50年一遇及以上洪水)時，則在預泄階段控制預泄流量，按各級防護流量維持一定的時間，給下游地區留出必要的防洪準備時間。因此，水庫主汛期采用預報調度對汛限水位進行動態控制，如果洪水預報精度符合要求，可使中、小洪水情況下的下游防洪安全性有所提高，而對大洪水情況下的下游河道防洪影響不大。

補救措施可以采用:提高入庫洪水預報精度，減少因預報誤差產生誤泄幾率;為提高下游防洪安全性，需加強潘灤區間降雨預報和洪水預報工作，為水庫預報調度提供依據;當洪水預報誤差較大，水庫發生超泄時，應及時與下游防汛部門聯系，對下游防洪工程做好搶護準備，如果下泄洪水量級對下游生命和財產會構成威脅時，應及時做好安全轉移工作。

6.4 庫區泥沙淤積分析及補救措施

根據海委引灤局編制的《潘家口水庫泥沙淤積資料匯編》(1989年～1996年)結論，潘家口水庫的淤積縱剖面呈三角洲形態，三角洲的頂點逐年向壩前推進，各段比降趨于穩定，推測今后淤積體的位置只是隨著汛期水位的高低而有上下的錯動，不會再有明顯的形態變化和比降的調整。

1996年水庫庫區泥沙淤積最嚴重的部位在距壩40千米的王寶石至清河塘(三角洲頂坡段)一帶，最大淤積厚度17米;測驗資料表明，位于尾部段的小芒牛哨斷面，主河槽十分穩定，無左右擺動和大沖大淤現象;距壩62.4千米車河口斷面，呈不沖不淤狀態。壩前淤積高程超過設計值7米，河底高程達到154米，已接近泄洪底孔進口高程。

根據庫區淤積特點，水庫汛限水位越高，庫區泥沙淤積體上延越快，庫尾淤積越嚴重。主汛期實行汛限水位動態控制，庫水位在216～218米之間運行，三角洲淤積體可能會逐漸向庫尾段延伸，增加庫尾的泥沙淤積，從而可能會抬高庫尾回水水位，增加淹沒范圍。

其補救措施主要是加強庫區泥沙淤積量和淤積形態的監測，當淤積較為嚴重時，應及時調整運行方式，采取相應的調水調沙措施，恢復水庫有效庫容和防洪庫容。

7 效益分析

潘家口水庫主汛期汛限水位在216～218米之間動態運行，可增加水庫的供水和發電等興利效益。由于潘家口電站不僅常規機利用天然水流發電，當汛期出庫流量較大時，三臺抽水蓄能機組也利用剩余的水庫棄水發電，發電效益難以準確計算。因此，興利計算主要考慮水位變化對水庫供水的影響，對發電效益僅計算多年平均水流電量指標。

通過計算可以得出以下結論:當主汛期汛限水位在216～218米之間動態運行，供水保證率P=75%時可使水庫增加0.4億立方米供水量，水流電量增加0.03億千瓦時。