汛限水位動(dòng)態(tài)控制的條件及最適應(yīng)時(shí)間分析

王金河

(黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局水務(wù)局，黑龍江建三江156300)

1 引言

各水庫(kù)由于調(diào)節(jié)性能、洪水特性不同，需分析出各自不同的汛限水位動(dòng)態(tài)控制條件及最適宜時(shí)間。通過(guò)許多調(diào)節(jié)性能較高的大型水庫(kù)實(shí)踐，通常”洪水總量”是汛限水位動(dòng)態(tài)控制的必要條件，簡(jiǎn)稱“洪水總量控制”條件。當(dāng)序水位處于汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)，泄流開始大于入流且閘門具有控制能力，使具有汛限水位動(dòng)態(tài)控制的充分必要條件。從防洪安全角度，基于汛限水位是水庫(kù)迢迢設(shè)計(jì)洪水的起調(diào)水位及其調(diào)洪過(guò)程中水位變化特性，實(shí)施“汛限水位動(dòng)控制”的時(shí)間，不應(yīng)該“一邊降雨一邊漲洪”的庫(kù)水位上升時(shí)期，基于大量調(diào)洪計(jì)算的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，水庫(kù)最高水位出現(xiàn)在峰后的某一時(shí)段，所以汛限水位動(dòng)態(tài)控制的充分必要條件發(fā)生的最適宜時(shí)間一般在本次洪水的退水階段，即本次洪水的庫(kù)水位開始下降到下次暴雨洪水起漲前的時(shí)期，這一時(shí)期越長(zhǎng)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的效益越大。

汛限水位動(dòng)態(tài)控制的條件從最適宜時(shí)間分析目的之一，是抓住汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)機(jī)，便于集中研究與此時(shí)期的汛限水位動(dòng)態(tài)控制有關(guān)的安全與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，如降雨預(yù)報(bào)信息可利用的有效時(shí)間、預(yù)泄能力、預(yù)報(bào)失誤的彌補(bǔ)措施與風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題;另一方面為選擇洪水預(yù)報(bào)方案可利用標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。如水沖調(diào)節(jié)性能較高，設(shè)計(jì)的防洪指標(biāo)受洪水總量或3～7 d或更長(zhǎng)時(shí)間洪量控制，則實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制所選擇的洪水預(yù)報(bào)(或退水預(yù)報(bào))方案可利用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是總量預(yù)報(bào)誤差最小，或洪量預(yù)報(bào)合格率最高(達(dá)到甲級(jí)水平)。若能依據(jù)較多的預(yù)報(bào)樣本分析出總量預(yù)報(bào)誤差分布，也可用小概率誤差對(duì)防洪安全影響程度來(lái)衡量預(yù)報(bào)方案的可利用性。如水庫(kù)調(diào)節(jié)性能較低，設(shè)計(jì)的防洪指標(biāo)受洪峰控制，則所選擇的洪水預(yù)報(bào)方案可利用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是峰或峰現(xiàn)時(shí)間誤差最小，不過(guò)這類水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)慎重從事。

2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制的必要與充分條件的描述

若依據(jù)面臨時(shí)刻t0的實(shí)際水位Z0、未來(lái)預(yù)報(bào)的入、出庫(kù)水量信息，判別決策t時(shí)刻是否具備“汛限水位動(dòng)態(tài)控制”的必要與充分條件，則只要“面臨時(shí)刻水位的庫(kù)容量”與“未來(lái)預(yù)報(bào)的入庫(kù)水量扣除正常消耗量的余量”之和將達(dá)到“汛限水位動(dòng)態(tài)控制域”內(nèi)泄流大于入流且水庫(kù)閘門具有控制能力，便具備汛限水位動(dòng)態(tài)控制的充分必要條件。可用推理式描述:

式中:Z0為面臨時(shí)刻Z0水位;Win為未來(lái)預(yù)報(bào)的t0－t期間入庫(kù)水量;Wout為未來(lái)的正常消耗水量;Zd－、Zd+分別為汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的下限與上限水位;Zt為處于汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)。時(shí)刻水位，V為序容;Q(t)為水位開始下降的t時(shí)入庫(kù)流量;q(t)為t時(shí)刻的泄流量;q(Zt)為對(duì)應(yīng)Zt的泄流能力;ok為具備汛限水位動(dòng)態(tài)控制的充分必要條件。上述的判別準(zhǔn)則適用于本次暴雨落地且洪水起漲時(shí)。

若不考慮洪水預(yù)報(bào)信息，僅以面臨時(shí)刻t0的實(shí)際水位Z0、入流Q(t0)、出流能力q(Z0)信息為判別依據(jù)，則“汛限水位動(dòng)態(tài)控制”必要與充分條件，是指面臨時(shí)刻t0的實(shí)際水位已進(jìn)入“汛限水位動(dòng)態(tài)控制域”內(nèi)，泄流開始大于入流且水庫(kù)閘門具有控制能力，便具備汛限水位動(dòng)態(tài)控制的充分必要條件。

不難看出，當(dāng)本次洪水按照防洪調(diào)度規(guī)則調(diào)度的最高庫(kù)水位將處于“汛限水位動(dòng)態(tài)控制域”之外，即庫(kù)水位低于汛限水位功態(tài)控制的下限或高于汛限水位動(dòng)態(tài)控制的上限時(shí)，便不具備實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的必要條件。前者只有等下次洪水抬高庫(kù)水位(多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的供水期未，若庫(kù)水位消落較低時(shí)發(fā)生洪水，則常常如此)，后者需按照調(diào)度規(guī)則調(diào)度，等待庫(kù)水位降落到“汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)”、泄流大于入流且水庫(kù)閘門具有控制能力的條件形成。

3 汛限水位動(dòng)態(tài)控制的條件及最適應(yīng)時(shí)間分析

3.1 “洪水總量起控制作用”的分析方法

洪水總量起控制作用的分析，常是依據(jù)設(shè)計(jì)洪水及調(diào)洪成果資料，計(jì)算峰及量所占調(diào)洪庫(kù)容的比值進(jìn)行的。

1)摘錄水庫(kù)不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果，即1～6 h洪峰量與1～7 d或更長(zhǎng)到15 d、30 d洪量，設(shè)計(jì)頻率洪水P%的調(diào)洪最高水位Z設(shè)計(jì)及其相應(yīng)的庫(kù)容量，汛限水位Zd及其相應(yīng)的庫(kù)容量。

2)據(jù)式(2)計(jì)算各設(shè)計(jì)頻率洪水的調(diào)洪庫(kù)容量

式中:VP%調(diào)洪為設(shè)計(jì)頻率洪水 P%的調(diào)洪庫(kù)容量;P%為0.01%、0.2%、1%;V(ZP%)為設(shè)計(jì)頻率洪水P%的調(diào)洪最高水位ZP%所相應(yīng)的庫(kù)容量，查水位庫(kù)容關(guān)系求得;V(Zd)為汛限水位Zd所相應(yīng)的庫(kù)容量，亦查水位庫(kù)容關(guān)系求得。

3.2 “汛限水位動(dòng)態(tài)控制的最適宜時(shí)間”分析方法

當(dāng)庫(kù)水位進(jìn)入汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)且開始下降，若下降過(guò)程的某時(shí)刻庫(kù)容量加退水余量(已扣除正常用水)可充填興利庫(kù)容，則該時(shí)刻為汛限水位動(dòng)態(tài)控制最適宜的起始時(shí)間。

實(shí)際上，由于各水庫(kù)洪水特性、調(diào)節(jié)性能及重疊庫(kù)容大小差異，防洪調(diào)度方式及其規(guī)則不同，暴雨發(fā)生的連續(xù)規(guī)律不同，所以“汛限水位動(dòng)態(tài)控制最適應(yīng)的起始時(shí)間”分析結(jié)果亦不同。就某一水庫(kù)而言，每場(chǎng)洪水退水不同則分析的結(jié)果也不同，但受上述的主要特性約束，差異不大，分析中一個(gè)平均的最適宜的起始時(shí)間對(duì)決策者只有重要參考價(jià)值。

最適宜的起始時(shí)間分析方法基本有兩種，即順時(shí)序分析法與逆時(shí)序分析法，前者是從適宜的起始時(shí)間計(jì)算至退水末，判斷能否將興利庫(kù)容充滿;后者是假定退水末興利庫(kù)容可充滿，反求適宜的起始時(shí)間。

3.3 實(shí)例

勤得利水庫(kù)應(yīng)用建庫(kù)后5次調(diào)洪最高水位進(jìn)入汛限水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)且有棄水的實(shí)際洪水調(diào)度過(guò)程，按照上述方法步驟分析了汛限水位動(dòng)態(tài)控制最適宜的起始時(shí)間。如表1。

表1 勤得利水庫(kù)發(fā)生棄水的洪水調(diào)度分析表

表1中的數(shù)值基本是實(shí)際暴雨、水位值及由水位庫(kù)容關(guān)系查求的庫(kù)容量、洪水過(guò)程推求的時(shí)段峰、洪水總量或退水量、漲水時(shí)段及最高水位的滯峰時(shí)段。根據(jù)水庫(kù)洪峰與最高水位發(fā)生的時(shí)間關(guān)系，選6 h、24 h兩個(gè)汛限水位動(dòng)態(tài)控制起始時(shí)間方案。

綜合分析各場(chǎng)洪水的tk時(shí)間，最后從防洪安全計(jì)，按照起始時(shí)間盡量晚的原則選擇勤得利水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制最適宜起始時(shí)間(tk)為峰后第24 h。從分析比較過(guò)程看，用洪水資源利用量最大原則選定tk也是可以的。

[1]曹永強(qiáng).汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究及其風(fēng)險(xiǎn)分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(4).

[2]周惠成，李偉，張弛.水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案優(yōu)選研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009(8).

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