龍灘水庫分類洪水防洪調(diào)度規(guī)則研究

馬志鵬，王 森，李善綜，鄒華志

(1. 珠江水利科學研究院，廣州 510611；2. 水利部珠江河口動力學及伴生過程調(diào)控重點實驗室，廣州 510611； 3. 水利部珠江水利委員會技術咨詢中心，廣州 510611)

珠江按年徑流量為我國第2大河流，流域受大氣環(huán)流、地形、臺風等影響，汛期降雨量多、持續(xù)時間長，且眾多的支流呈扇狀分布，洪水易同時匯集到干流形成大洪水，導致區(qū)域洪澇災害頻發(fā)，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來，隨著流域梯級水利樞紐以及沿岸堤防工程的大規(guī)模開發(fā)與建設，逐步形成了“堤庫結合、以泄為主、泄蓄兼施”的防洪工程體系[2]，在抵御特大洪水、降低洪災方面發(fā)揮了重要作用。但是，隨著流域社會經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域極端氣候頻發(fā)等形勢變化[3]，區(qū)域防洪安全保障仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：①流域洪水復雜多變，西江主要支流有北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江等，干支流洪水遭遇組成復雜，洪水類型多(按時間可分為主汛期和后汛期，按空間可分為中上游型、中下游型、全流域型)且存在互相轉變的可能；②流域控制性工程防洪能力有限且空間分布不均勻，現(xiàn)狀干流防洪工程庫容僅占規(guī)劃的55%，而且已建的防洪控制性水庫龍灘位于上游，中下游無控制性工程進行調(diào)控；③骨干水庫龍灘原調(diào)度規(guī)則為20世紀80年代設計，調(diào)度規(guī)則中未考慮洪水預報因素，同時近年來流域水文情勢發(fā)生較大變化[4-6]，原調(diào)度規(guī)則適應性還有待強化。因此，如何科學、合理地利用優(yōu)化技術手段提高流域防洪能力，是亟待研究和解決的關鍵科學問題。

針對上述流域防洪調(diào)度存在的問題，考慮到流域防洪控制性工程龍灘水庫調(diào)度規(guī)則精細化程度不足的缺點，從調(diào)度可操作性和實用性出發(fā)，本文將不同量級的龍灘及控制斷面梧州的預報流量信息納入調(diào)度規(guī)則中作為判別條件，構建自識別控泄方式，擬定了包含預報變量和控泄變量的分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式；以梧州斷面場次洪水集加權平均削峰最大為優(yōu)化目標，將預報變量和控泄變量進行離散組合，通過不同類型場次洪水集模擬調(diào)度，選取最優(yōu)變量組合，形成分類洪水調(diào)度規(guī)則。實例研究表明，優(yōu)化的分類洪水防洪調(diào)度規(guī)則能有效適應不同類型洪水，調(diào)洪效果顯著。

1 分類洪水調(diào)度規(guī)則

1.1 調(diào)度規(guī)則一般形式

考慮到流域洪水類型按時空分布特點可分為主汛期中上游型、主汛期中下游型、主汛期全流域型、后汛期中上游型、后汛期中下游型以及后汛期全流域型6類，在流域防洪控制性工程龍灘水庫原調(diào)度規(guī)則的基礎上，納入不同量級的預報流量和控泄流量提高調(diào)度規(guī)則的精細程度，并針對每類型洪水擬定表現(xiàn)形式相同的調(diào)度規(guī)則。

(1)龍灘原調(diào)度規(guī)則。龍灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則主要以梧州斷面實測流量作為控泄的判別條件，在7月15日前保持50 億m3的防洪庫容，7月15日以后可以回蓄，但在8月仍預留30 億m3的防洪庫容；當龍灘水庫蓄滿庫容時，龍灘水庫按入庫流量泄水。現(xiàn)狀防洪調(diào)度規(guī)則見表1。

表1 龍灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則 m3/s

(2)分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式。根據(jù)現(xiàn)有預報技術的精度和預見期，結合人工實踐經(jīng)驗，調(diào)度規(guī)則的優(yōu)化考慮3 d內(nèi)的梧州和龍灘的洪水預報，并重點對漲水期進行識別調(diào)度。擬定的分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式見表2。

1.2 自識別防洪調(diào)度模型

針對擬定的分類洪水調(diào)度規(guī)則的一般形式，將調(diào)度規(guī)則中作為判別條件的預報信息以及控泄信息構造為約束條件，構建自識別防洪調(diào)度模型，并以梧州斷面場次洪水集模擬調(diào)度的加權平均削峰最大為優(yōu)化目標。

表2 龍灘水庫分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式 m3/s

1.2.1 優(yōu)化目標

(1)

1.2.2 約束條件

水量平衡：

(2)

水位約束：

(3)

自識別控泄約束：

(4)

馬斯京根演進約束：

(5)

非負條件約束：上述所有變量均為非負變量(≥0)。

1.3 優(yōu)化流程

(2)初設α=1；其中α∈(1,2,…,6)；β=1，其中β∈(1,2,…,6γ)。

(4)若β=6γ，則進入步驟(5)，否則，設置β=β+1，返回步驟(3)。

(6)若α=6，則計算結束，否則，設置α=α+1、β=1，返回步驟(3)。

優(yōu)化流程見圖1。

圖1 分類洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化流程Fig.1 The flow chart of the optimal process of the classified flood control rules

2 成果檢驗

2.1 優(yōu)化成果

表3 分類洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化參數(shù) m3/s

2.2 調(diào)洪計算

采用流域“49.7”、“88.9”、“94.6”、“98.6”、“05.6”等典型大洪水對龍灘分類洪水調(diào)度規(guī)則進行檢驗。典型洪水調(diào)洪效果見表4，調(diào)度過程見圖2～圖6。

表4 典型洪水調(diào)洪效果 m3/s

圖2 “49.7”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.2 The operation process of “49.7” flood (frequency:0.5%)

圖3 “88.9”典型洪水調(diào)度過程Fig.3 The operation process of “88.9” typical flood

圖4 “94.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.4 The operation process of “94.6” flood (frequency:0.5%)

圖5 “98.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.5 The operation process of “98.6” flood (frequency:0.5%)

圖6 “05.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.6 The operation process of “05.6” flood (frequency:0.5%)

2.3 結果分析

根據(jù)表4計算結果統(tǒng)計，與原調(diào)度規(guī)則相比：對中上游型洪水的削峰值的影響范圍為-300～800 m3/s，對全流域洪水削峰值增加約400 m3/s，對中下游型洪水削峰增加約1 200 m3/s。因此，分類洪水調(diào)度規(guī)則對全流域型洪水、中下游型洪水普遍改善，而對于中上游型以改善為主，但也存在削峰降低的可能，主要受限于龍灘的防洪庫容，存在提前用完庫容的可能。

從圖2～圖6中可以看到，調(diào)度過程中根據(jù)自識別策略逐時段調(diào)整洪水控泄方式，實現(xiàn)調(diào)度決策的動態(tài)自識別。對于“49.7”200年一遇洪水，自識別策略準確判斷出中上游型洪水，與原方案基本保持一致，但由于龍灘防洪庫容有限，在龍灘斷面洪水尚未完全退去的情況下提前用完防洪庫容，梧州斷面削峰4 700 m3/s。而對于“88.9”典型洪水，與原方案相比，自識別策略將防洪庫容主要用于攔蓄洪峰洪量，削峰改善明顯，但隨著洪水量級增大，從第1入庫洪峰開始攔蓄洪水，提前動用了有限的防洪庫容。因此，對中上游型洪水的調(diào)洪效果受制于防洪庫容的大小。對于“94.6”200 a一遇洪水，自識別策略下梧州斷面削峰4 100 m3/s，比原規(guī)則增加了削峰400 m3/s，同時，由于自識別策略還考慮了龍灘斷面的入庫流量，對雙峰型洪水(見圖4中虛線圈所示)也進行了控泄，充分利用了龍灘防洪庫容。對于“98.6”200 a一遇洪水，原調(diào)度方案梧州斷面只削峰200 m3/s，通過分類洪水規(guī)則，龍灘控泄2 000 m3/s，梧州斷面削峰1 400 m3/s，大幅提高了削峰量，而對于“05.6”200 a一遇洪水，調(diào)洪效果同樣非常顯著。

3 結 語

隨著流域防洪安全需求越來越強烈，在流域防洪能力有限的情況下，如何挖掘防洪潛力以實現(xiàn)防洪保安，一直是雨洪資源化利用領域的熱點問題。本次研究針對流域洪水類型復雜、現(xiàn)狀防洪能力有限等調(diào)度難點，以提高流域防洪能力為目標，建立了自識別防洪調(diào)度模型，優(yōu)化了骨干水庫分類洪水防洪調(diào)度規(guī)則。實例研究表明，該調(diào)度規(guī)則對中上游型洪水以改善為主，不同程度地改善了全流域型、中下游型洪水的調(diào)洪效果，具有較強的實用性強和可操作性。

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