基于水庫分期汛限水位的研究設(shè)計(jì)分析

肇 磊

(遼寧省葠窩水庫管理局，遼寧 遼陽111000)

0 前 言

從分期頻率與年頻率之間的關(guān)系看，當(dāng)前分期汛限水位法未能達(dá)到指定防洪標(biāo)準(zhǔn)，而通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的條件下，依據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化分期汛限水位的模型和算法，發(fā)現(xiàn)這種模型通過略降低主汛期汛限水位，能夠取得可觀的防洪效益，且大幅度抬高了訊末期的汛限水位，進(jìn)而提升了水庫汛期的興利性，可最大限度利用洪水資源［1］。下面本文以本溪桓仁桓龍湖水庫為例闡述這一情況。

1 水庫概況

本溪桓仁桓龍湖是遼寧省最大的水庫，距桓仁縣城6 km，水庫沿線長81 km，水域面積3 200 hm2，庫容量34.6 億m3。該水庫涉及到的各項(xiàng)防洪參數(shù)如下表1. 倘若汛限水位達(dá)到99 m，則水庫容量可達(dá)到15.6 m3，并且洪水庫容的預(yù)留時(shí)期在每一年的6—8月。

本溪范圍內(nèi)的降水量時(shí)空分布不均衡，且每年的旱澇災(zāi)害接連不斷，加之當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷情況不良，桓仁桓龍湖水庫作為遼寧省最大水力發(fā)電廠，不可避免地產(chǎn)生防治洪水與有效發(fā)電的矛盾。當(dāng)防洪水庫較安全時(shí)，用分期汛限水位法管理水庫汛期的運(yùn)行，可借助洪水資源調(diào)節(jié)防洪與發(fā)電之間的矛盾，有重要作用［2］。本溪桓仁桓龍湖特征參數(shù)見表1。

表1 本溪桓仁桓龍湖特征參數(shù)

本文重點(diǎn)研究分析水庫6—9月的調(diào)度，現(xiàn)將其分成6月、7月1日—7月20日、7月21日—8月31日、9月4個(gè)時(shí)間段，計(jì)算出各段時(shí)間內(nèi)的洪水。通過認(rèn)真分析可知水庫汛限水位在94 ～106 m適宜。水庫的主要作用是發(fā)電，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中重視這一點(diǎn)。在每年汛期，該水庫初始水位一樣，預(yù)定好不同分期的汛限水位，利用模型測算出入庫流量帶來的發(fā)電效益。具體指的是①分期期限內(nèi)一年平均發(fā)電量;②總獲水量，因?yàn)樗畮炱骄^約為40 m，根據(jù)9 m3/kW·h公式將消耗的水資源轉(zhuǎn)化成電能，進(jìn)一步推算出汛限水位不同時(shí)獲得的發(fā)電效益。

但必須注意需要將6月初、9月末的總水量差轉(zhuǎn)化成電能后再計(jì)算，若片面考慮總水量忽視水頭不同，故在計(jì)算發(fā)電效益時(shí)不包括汛末水位導(dǎo)致的水能變化。依照調(diào)洪演算具體要求，9月份汛限水位宜＜102 m。鑒于優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中牽涉的4個(gè)變量目標(biāo)復(fù)雜，必須用Powell 算法得出一定范圍內(nèi)的最優(yōu)解，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)圖如圖1。

圖1 分期汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

2 分期汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

汛期水位不但是調(diào)節(jié)防洪與水利關(guān)系的重點(diǎn)，還對庫內(nèi)引水位抬高、泥沙淤積、水庫淹沒指標(biāo)等密切相關(guān)，故需要參考各種方案的計(jì)算結(jié)果具體的工程開發(fā)條件進(jìn)行全方位比較分析以后選擇。防洪目標(biāo)以不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以興利效益最大化為目標(biāo)，得出分期汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)即:

其中:fk(X)k =1.2.3 表示不同目標(biāo)數(shù)值，X 表示分期汛限水位方案，n 表示目標(biāo)值個(gè)數(shù)。

2.1 約束條件

運(yùn)用水庫汛限水位設(shè)計(jì)，以不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，加入約束條件通過分期頻率計(jì)算出年頻率，確保不降低年防洪標(biāo)準(zhǔn)。按照不同防洪要求，設(shè)計(jì)出的防洪標(biāo)準(zhǔn)分為一級或者設(shè)計(jì)與校核兩級。其中防洪保護(hù)對象可以分成:①自身防洪能力差;②確保防洪對象安全的各相關(guān)方;③受到嚴(yán)重的洪水威脅需自保。

在防洪過程中，必須考慮都的防洪標(biāo)準(zhǔn)為:①庫區(qū)淹沒;②下游河道安全的洪流量，分成幾級控制;③確定是永久性水工洪水，用原來設(shè)計(jì)汛限水位計(jì)算出年最大設(shè)計(jì)洪水量，實(shí)施定量估計(jì)。將分期汛限水位優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件表示為:

式中:Rk(X)表示防洪標(biāo)準(zhǔn)，用風(fēng)險(xiǎn)率%表示，它的估計(jì)率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值用獨(dú)立組合式表示;R0為事先預(yù)定的防洪標(biāo)準(zhǔn);X0表示原防洪風(fēng)險(xiǎn)概率。

2.2 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)率

如果將汛限水位當(dāng)成調(diào)節(jié)水位，設(shè)計(jì)出在某一頻率條件的調(diào)洪力度，調(diào)洪所需的出庫流量最大數(shù)值。水位，若將與汛限水位相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)概率設(shè)定為數(shù)值P。給出在不同頻率段的洪水流程變化曲線，其和臨界流量保持一致，采用試計(jì)算方法估計(jì)汛限水位在各種防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下的防洪風(fēng)險(xiǎn)概率，在明確某一汛限水位以后，利用各汛限水位防洪風(fēng)險(xiǎn)概率插值計(jì)算出防洪風(fēng)險(xiǎn)概率。

3 結(jié)果分析

1)優(yōu)化設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，在給年防洪標(biāo)準(zhǔn)的情況下進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，分析不同組合條件下的分期汛限水位設(shè)計(jì)結(jié)果可知:不管采用哪一種組合方式，得到的汛限期間水位都有以下幾點(diǎn)表現(xiàn):洪水每年頻繁出現(xiàn)，其中洪水量最大主要集中在7月21日—8月31日時(shí)間分期內(nèi)，這段時(shí)期汛限水位最低，6月的汛限水位最高。

2)比較分析獨(dú)立組合與保守組合可知，在7月21日—8月31日時(shí)間分期內(nèi)，保守組合與獨(dú)立組合相比，汛限水位約降低0.1 m，發(fā)電效益降低500 000 kW·h。進(jìn)一步推理可知保守組合可能會(huì)降低水庫效益，有一定的保守性，能夠保證水庫達(dá)到預(yù)定防洪標(biāo)準(zhǔn)，但是獨(dú)立組合則不然。

3)將報(bào)告設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照報(bào)告中分期汛限水位設(shè)計(jì)方案，用獨(dú)立組合預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)概率，并將其當(dāng)作約束條件不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出結(jié)果。①在各個(gè)分期中，7月21日—8月31日期間的設(shè)計(jì)洪水?dāng)?shù)值最大，優(yōu)化設(shè)計(jì)得出的分期汛限水位方案在7月21日—8月31日期間內(nèi)水位運(yùn)行降低2.0 m的條件下，能夠取得防洪效益。而在未降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的情況下，6月份與7月1日—7月20日的汛限水位分別提升3.2 ～2.2 m。比較各個(gè)不同分期獲得防洪水利效益，降低汛限水位主要在主汛期，在一定程度上可提升分期汛限水位高度。②在7月21日—8月31日期間可能損失部分電能，此時(shí)在6月，7月1日—7月20日會(huì)得到最大限度補(bǔ)償，優(yōu)化設(shè)計(jì)后在6—9月的發(fā)電量和原來設(shè)計(jì)相比增加幅度達(dá)到1.54%，符合水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高了水庫經(jīng)濟(jì)效益。

［1］鄧輝. 萬家寨水庫汛期防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析［J］. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008，19(05):61－64.

［2］何曉燕，黃金池. 對水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析的認(rèn)識［J］. 大壩與安全，2010(06):27－30.