淺談水庫汛限水位的調(diào)整

摘 要:中國是世界上嚴(yán)重缺水的國家之一，水資源短缺矛盾突，這己成為制約國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。而依賴科技進(jìn)步，充分發(fā)揮現(xiàn)有水庫的調(diào)蓄作用，挖掘調(diào)蓄潛力，在不增加防洪風(fēng)險的前提下適時適度地提高水庫的汛限水位，將部分洪水轉(zhuǎn)化為可利用的水資源，對緩解流域水資源危機(jī)、改善流域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞:缺水水資源汛限水位新技術(shù)

中圖分類號:TV697.13文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0129-01

我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，人均水資源占有量2200m3，僅為世界平均水平的1/4，是世界上13個最貧水國之一。20世紀(jì)80年代以來，水資源短缺問題由局部逐漸蔓延至全國大部分地區(qū)。目前，全國660座城市中有400座供水不足，110座嚴(yán)重缺水。同時，隨著人口增長和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污水排放量也在不斷增加，水質(zhì)惡化加劇了水資源短缺矛盾，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，水資源問題己成為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。

洪水資源利用是實現(xiàn)流域水資源可持續(xù)利用戰(zhàn)略的重要措施和現(xiàn)實選擇，依托科技進(jìn)步，充分挖掘和發(fā)揮流域現(xiàn)有水利工程的調(diào)蓄潛力，將部分洪水轉(zhuǎn)化為可資利用的水資源，適時適地提供維持流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)所需的水量，對緩解流域水資源短缺矛盾具有非常重要的現(xiàn)實意義利用水庫調(diào)控洪水資源，是流域洪水資源利用研究的一個重要課題。一方面，我國大多數(shù)流域河川徑流受季風(fēng)影響，在年內(nèi)和年際間分配極不均勻，需要經(jīng)過水庫調(diào)蓄才能充分利用。流域暴雨洪水具有明顯的季節(jié)性規(guī)律，因此在掌握其季節(jié)性變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用分期汛限水位能有效調(diào)控不同季節(jié)的洪水，使水庫調(diào)度運(yùn)行更符合流域洪水特性，在不增加防洪風(fēng)險的前提下適時增加蓄水，是實現(xiàn)洪水資源利用、緩解水資源短缺矛盾的有效途徑;另一方面，洪水資源化是對傳統(tǒng)防洪觀念的挑戰(zhàn)，即從防御洪水向

洪水管理轉(zhuǎn)變。在承受適度風(fēng)險的前提下，制定合理可行的調(diào)度方案，變害為利，是優(yōu)化水庫運(yùn)行管理機(jī)制、提高水資源利用效率的重要措施。

利用水庫增加蓄水需要解決防洪與興利的結(jié)合問題，而這個問題的焦點主要體現(xiàn)在汛期限制水位的確定上，即改變目前水庫汛前和汛期大量棄水，而汛后又無水可蓄的矛盾局面。制定分期汛限水位的一個重要前提環(huán)節(jié)就是對水庫汛期進(jìn)行合理地分期。由于暴雨洪水的物理成因背景復(fù)雜，影響因子眾多，因此分期應(yīng)從汛期成因入手，結(jié)合流域暴雨洪水特性的統(tǒng)計分析，輔以科學(xué)的定量劃分方法來綜合分析，使分期結(jié)果符合客觀規(guī)律。水庫增加蓄水的同時將臨時占用部分防洪庫容，而受現(xiàn)有洪水預(yù)報、防洪調(diào)度手段水平的限制，汛限水位的上浮調(diào)整會在一定程度上加大發(fā)生洪災(zāi)的風(fēng)險。因此，應(yīng)從洪水風(fēng)險管理的角度出發(fā)，基于風(fēng)險分析理論，分析汛限水位調(diào)整對水庫防洪風(fēng)險的影響，并綜合水庫長期運(yùn)行的效益評價，為水庫汛限水位的合理調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。研究成果可為水庫開展洪水資源利用相關(guān)研究工作提供一定技術(shù)支撐和借鑒作用。

傳統(tǒng)的汛限水位確定方法是通過設(shè)計洪水調(diào)洪演算途徑得出的。即在確定水庫某一防洪標(biāo)準(zhǔn)下，通過計算各種頻率的設(shè)計洪水過程，經(jīng)水庫調(diào)洪演算反推得出。近幾十年來，為挖掘水庫潛力，緩解水資源供需矛盾，國內(nèi)外針對傳統(tǒng)汛限水位控制方式的不足，從汛限水位的確定與調(diào)整、汛限水位的動態(tài)控制等方面展開積極有益的探索，為提高水庫綜合利用效益，我國學(xué)者曾對如何利用暴雨洪水的季節(jié)性變化特征來緩解水庫防洪與興利的矛盾進(jìn)行了有益的探索。最初是從形成暴雨的天氣系統(tǒng)及暴雨、洪水本身的季節(jié)性變化特性入手，定性地尋找分期規(guī)律。在可控范圍內(nèi)，利用洪水尾水超蓄部分水量，在下次洪水起漲前保證庫水位回落到原設(shè)計汛限水位的一種方法。很顯然，對于年內(nèi)發(fā)生一次洪水的水庫，在保證預(yù)報精度等條件下，該方法能保證水庫原防洪標(biāo)準(zhǔn)不變，增加興利效益。隨著新理論和新技術(shù)的引入，可利用信息的增加，水文與氣象預(yù)報精度的提高，有些水庫逐漸利用中短期降雨預(yù)報和天氣形勢演變趨勢等信息，實時控制汛限水位，更進(jìn)一步提高了防洪興利效益。長期實踐證明，利用降雨預(yù)報信息實時控制汛限水位是未來的發(fā)展趨勢。即制定考慮降雨徑流預(yù)報的調(diào)洪規(guī)則，使水庫能在安全調(diào)節(jié)原設(shè)計的各種頻率洪水，滿足水庫工程及上下游設(shè)計防洪要求的前提下，適當(dāng)上浮調(diào)整汛限水位。

汛限水位調(diào)整方案下水庫的防洪風(fēng)險分析是一個重點研究內(nèi)容，基于對關(guān)鍵影響因子的不確定性分析，從水文，水文與水力相結(jié)合兩個角度綜合分析了汛限水位調(diào)整對水庫防洪風(fēng)險的影響。一方面，考慮入庫洪水的隨機(jī)性，從設(shè)計洪水和隨機(jī)生成入庫洪水兩個途徑來分析計算汛限水位調(diào)整后水庫超校核洪水位的極限風(fēng)險率;另一方面，綜合考慮入庫洪水、庫容、泄流能力以及風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高等因素的不確定性及其相關(guān)關(guān)系，采用一次二階矩法分析計算水庫超壩頂高程的漫壩風(fēng)險率。綜合分析分期汛限水位調(diào)整對水庫防洪風(fēng)險的影響，分析結(jié)果可為合理調(diào)整分期汛限水位提供依據(jù)。

壩前庫水位隨機(jī)特性及對應(yīng)的防洪風(fēng)險率是與水庫的整個調(diào)洪過程聯(lián)系起來的。在水庫調(diào)洪過程中，存在著許多人們難以預(yù)料和控制的不確定性因素，其中包括洪水、庫容(庫面積)以及泄洪能力的不確定性等。另外，由風(fēng)作用引起的風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高的不確定性，與調(diào)洪過程中的各種不確定性一起，導(dǎo)致了壩前庫水位變化過程的隨機(jī)性，也最終導(dǎo)致了與水庫防洪風(fēng)險相關(guān)的水庫年最高(或分期最高)壩前水位的隨機(jī)性。

1 洪水不確定性

洪水一般用洪水過程線來描述，洪水過程線涉及四個特征量:洪峰、時段洪量、峰現(xiàn)時間及行洪歷時。在上述四個特征量中，假設(shè)其它三個量不變時，一般規(guī)律有:洪峰越大，風(fēng)險越大;時段洪量越大，風(fēng)險越大;峰現(xiàn)時間越滯后，風(fēng)險越大;歷時越長，風(fēng)險越小。大量實踐表明，上述四個量均為隨機(jī)變量，因此構(gòu)成了洪水的不確定性。

2 庫面積和庫容不確定性

傳統(tǒng)的分析方法都把庫容和庫面積認(rèn)為是確定量，而事實上它們都是隨機(jī)量。對同一座水庫，由不同的測量員繪制出的庫盆等高線圖是不同的;在同樣的等高線條件下，由于計算原理和使用設(shè)備的不同，計算出的庫面積和庫容也是不同的;洪水期間和洪水過后產(chǎn)生的沖淤，也將改變水下地形從而改變庫面積和庫容?？傊?，人們的測量誤差、計算簡化誤差與水庫的沖淤，導(dǎo)致了庫面積與庫容的不確定性。

3 泄流能力不確定性

由于真實的三維水流采用一維水流簡化模型，存在著模型的不確定性;在模型中的某些系數(shù)是憑經(jīng)驗選定的，與真實值可能不盡一致，水流的影響因素又錯綜復(fù)雜，利用實測資料反推的系數(shù)不但包含有簡化模型因素，而且也包含該特定流動狀態(tài)下的流動因素。這些都導(dǎo)致了泄流能力的不確定性。

4 風(fēng)荷載的不確定性

風(fēng)的不確定性包括風(fēng)速和風(fēng)向的不確定性。一般水庫只有風(fēng)級資料，水庫遭遇的風(fēng)級是不確定的，而同一風(fēng)級的風(fēng)速也是在一定的范圍內(nèi)變化的。一年之中的風(fēng)向也是變化的，而且研究表明，只有吹向壩體的風(fēng)才有可能配合洪水對水庫防洪安全構(gòu)成威脅。這些不確定性直接導(dǎo)致了風(fēng)荷載引起的水庫風(fēng)奎高和風(fēng)浪爬高的不確定性。

隨著新理論和新技術(shù)的引入，可利用信息的增加，水文與氣象預(yù)報精度的提高，有些水庫逐漸利用中短期降雨預(yù)報和天氣形勢演變趨勢等信息，實時控制汛限水位，更進(jìn)一步提高了防洪興利效益。長期實踐證明，利用降雨預(yù)報信息實時控制汛限水位是未來的發(fā)展趨勢。