基于實(shí)時水情信息確定防洪庫容的方法在水庫設(shè)計中的應(yīng)用

安莉娜，郭太英

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

由于水庫在設(shè)計階段無法對運(yùn)行管理階段的管理水平及洪水預(yù)報成果進(jìn)行有效預(yù)測，因而防洪水庫工程在運(yùn)行階段的防洪調(diào)度方式往往與設(shè)計階段的防洪調(diào)度方式差別較大。在設(shè)計階段，由于區(qū)間洪水過程的不確定性，防洪庫容一般采用固泄方式確定，導(dǎo)致防洪庫容偏大，水庫淹沒投資和樞紐工程的投資也隨之偏大。水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度是水庫防洪調(diào)度的主要方式之一，它依據(jù)水庫下游區(qū)間未來洪水信息，在區(qū)間洪峰來臨前及時減少水庫泄量，區(qū)間洪峰過后適時加大水庫下泄流量，使水庫泄量與區(qū)間洪水的流量組合不超過下游控制斷面的安全泄量。與不考慮區(qū)間未來信息的固定泄流方式相比，水庫需要的防洪庫容較小；但是受區(qū)間洪水未來信息等不確定因素的影響，可能會增加下游的防洪風(fēng)險。水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度在設(shè)計階段，由于區(qū)間洪水未來信息等不確定因素的影響，在區(qū)間面積不大的情況下較少采用。因此，識別及量化水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度中的不確定因子和評估防洪補(bǔ)償調(diào)度的風(fēng)險，對合理確定防洪庫容，提高設(shè)計精度具有重要意義。

為此，本文擬從制定水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度規(guī)則出發(fā)，在設(shè)計洪水地區(qū)組成分析成果合理情況下，僅依托防洪控制斷面實(shí)時水情信息和設(shè)計頻率洪水，對區(qū)間洪水過程進(jìn)行量化，提出設(shè)計階段簡單易行的優(yōu)化調(diào)度分析防洪庫容的方法，并應(yīng)用于舞陽河流域的山區(qū)性河流的某防洪水庫，為其他類似防洪水庫工程的設(shè)計提供借鑒。

1 水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度規(guī)則的擬定

以防洪標(biāo)準(zhǔn)頻率的區(qū)間設(shè)計洪水過程作為依據(jù)，制定水庫防洪調(diào)度規(guī)則。需要確定的參數(shù)有：壩址洪水、防洪控制斷面洪水和區(qū)間洪水及峰現(xiàn)時間。判斷指標(biāo)為區(qū)間洪水流量和水庫泄量以及下游防洪控制斷面安全泄量。

水庫泄量與區(qū)間洪水組合后到達(dá)下游防洪控制斷面的流量不得大于防洪控制斷面的安全泄量。防洪調(diào)度的主要風(fēng)險是由于對區(qū)間洪水過程補(bǔ)償調(diào)度不成功導(dǎo)致的防洪控制斷面流量超過安全泄量。

圖1 錯峰歷時TL、錯峰流量Qc、汛限水位Zx與錯峰調(diào)度風(fēng)險率Pf的關(guān)系

2 不確定因子的識別

影響水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度風(fēng)險的不確定因子主要有：區(qū)間未來洪水過程、洪水傳播時間和調(diào)度滯時。隨機(jī)性是導(dǎo)致補(bǔ)償調(diào)度不成功時間的因子。對于山區(qū)性小流域而言，河道的槽蓄作用不明顯，洪水傳播時間規(guī)律性較強(qiáng)，容易通過分析確定洪水傳播時間；隨著水利信息自動化的普及和汛前防汛檢查，水庫調(diào)度中閘門的靈活性較好，可靈活調(diào)度，基本可解決調(diào)度滯時因子的不確定性。故，對山區(qū)性流域而言，區(qū)間洪水是未來水庫防洪調(diào)度的主要的不確定因子。

在不確定性因子隨機(jī)特征無法改變的前提下，通過延長錯峰歷時、減小錯峰流量能降低不確定性因子帶來的影響，從而減小錯峰調(diào)度的風(fēng)險；但會占用水庫較多的防洪庫容，相比固定泄流方式抬高的汛限水位也相應(yīng)降低。錯峰歷時TL、錯峰流量Qc、汛限水位Zx與錯峰調(diào)度風(fēng)險率Pf的關(guān)系如圖1所示。圖1中，TL0、Qc0、Zx0分別為初始方案(沒有提供安全余量)的錯峰歷時、錯峰流量以及固定泄流調(diào)度方案的汛限水位。

3 不確定因子的量化

在防洪補(bǔ)償調(diào)度中，如果沒有提供安全余量，一般而言會具有較大風(fēng)險，因此不確定因子的量化必須考慮足夠的安全余量。為了保證考慮的安全余量達(dá)到可投入使用的程度，洪水傳播時間可直接采用分析成果，調(diào)度滯時可根據(jù)情況取安全值；本文主要就區(qū)間洪水量化進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(1)當(dāng)前時刻區(qū)間洪水量化。根據(jù)防洪控制斷面水位信息和水位流量關(guān)系推算控制斷面當(dāng)前時刻的流量，結(jié)合分析的傳播時間和水庫實(shí)際下泄流量，反推區(qū)間當(dāng)前時刻流量即為實(shí)際流量。

(2)未來時刻區(qū)間洪水量化。區(qū)間洪水漲水段時，區(qū)間下一時刻洪水量值為當(dāng)前時刻區(qū)間洪水量值加上頻率洪水漲幅乘以安全系數(shù)，且不大于區(qū)間設(shè)計頻率洪峰；區(qū)間洪水退水段時，下一時刻的流量取值為區(qū)間洪水當(dāng)前時刻實(shí)際出現(xiàn)的流量。計算公式為漲水時刻Q區(qū)間i+T=min(Q區(qū)間i+Q區(qū)間設(shè)max(P)×

T×K，Q區(qū)間設(shè)max(P))

(1)

退水時刻Q區(qū)間i+T=min(Q區(qū)間i，Q區(qū)間設(shè)max(P))

(2)

式中，Q區(qū)間i+T和Q區(qū)間i為區(qū)間T小時和當(dāng)前時刻i的流量；Q區(qū)間設(shè)max(P)為區(qū)間設(shè)計頻率洪水峰值；T為壩址至控制斷面?zhèn)鞑r間，h；K為安全系數(shù)，一般取值1.0～1.2考慮。

4 實(shí)例應(yīng)用

A水庫位于貴州省舞陽河的一級支流抬拉河上，工程任務(wù)是防洪、供水和灌溉，壩址以上集水面積366 km2，水庫防洪對象為B縣城(防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇)，防洪控制斷面位于抬拉河河口，安全泄量639 m3/s。壩址至防洪控制斷面區(qū)間(以下簡稱“區(qū)間”)面積49 km2，防洪控制斷面流域面積415 km2，壩址且距防洪控制斷面8 km。

根據(jù)水文地區(qū)洪水組成分析，區(qū)間頻率洪水峰現(xiàn)時間約3.5 h、壩址頻率洪水峰現(xiàn)時間約5.5 h、防洪控制斷面洪水峰現(xiàn)時間約6.5 h，壩址至防洪控制斷面洪水傳播時間約1 h，區(qū)間洪水出口斷面距離防洪控制斷面較近，不考慮傳播時間；當(dāng)壩址或防洪控制斷面洪峰到達(dá)及退水時，區(qū)間已于2.5 h前便處于退水狀態(tài)。

表1 A水庫至防洪控制斷面地區(qū)洪水組成洪水成果

4.1 不確定因子量化

(1)洪水傳播時間。依分析，壩址至防洪控制斷面洪水傳播時間約1 h，區(qū)間洪水出口斷面距離防洪控制斷面較近，不考慮傳播時間。

(2)調(diào)度滯時。A水庫為弧形閘門，可以靈活開度泄洪，為安全計，考慮調(diào)度滯時0.5 h。

(3)區(qū)間未來洪水估值。①區(qū)間洪水當(dāng)前值，防洪控制斷面流量Q防i依該斷面水位H防i和H～Q關(guān)系查得Q防i，Q區(qū)i=Q防i-Q泄i-1(水庫前1 h實(shí)際下泄量)。②區(qū)間未來洪水估值，區(qū)間50年一遇設(shè)計洪峰流量243 m3/s，峰現(xiàn)時間3.5 h，則平均漲率為69 m3/s，考慮1.2的安全系數(shù)后，平均漲率為83 m3/s。區(qū)間未來時刻的流量的估值依據(jù)區(qū)間洪水漲退水，按式(1)、式(2)計算。

4.2 優(yōu)化洪水調(diào)節(jié)方式

(1)入庫洪水漲水段。①區(qū)間洪水的控制運(yùn)用。區(qū)間洪水漲水段時，采用漲率法對區(qū)間50年一遇及其以下洪水控制運(yùn)用。區(qū)間洪水退水段時，區(qū)間洪水的峰現(xiàn)時間僅3.5 h，較壩址洪水峰現(xiàn)時間提前2 h，較防洪控制斷面峰現(xiàn)時間提前3 h，當(dāng)判斷區(qū)間洪水明顯處于退水段時，為安全計，區(qū)間洪水下一時刻的流量取值為區(qū)間洪水當(dāng)前時刻實(shí)際出現(xiàn)的流量。②下泄流量控制運(yùn)用。當(dāng)入庫流量不大于10年一遇洪峰流量時，此時，控制水庫閘門開度，使下泄流量與來流量一致，維持水位不上漲；當(dāng)入庫流量繼續(xù)上漲，入庫流量介于10年一遇～50年一遇的洪峰流量時，根據(jù)控制斷面安全泄量和區(qū)間洪水與壩址洪水在控制遭遇，確定大壩泄洪；當(dāng)入庫流量大于50年一遇洪峰流量時，按大壩安全泄洪，且不造人為洪水，直至溢洪道閘門全開。

(2)入庫洪水退水段。當(dāng)入庫達(dá)到洪峰后流量開始減小時，區(qū)間洪水已基本在此前2 h開始退水，結(jié)合入庫、防洪控制斷面的當(dāng)前流量(根據(jù)防洪控制斷面的水位觀測值和水位流量關(guān)系推算控制斷面的流量)和傳播時間，按照防洪控制斷面安全泄量要求，確定大壩泄量直至水庫達(dá)到最高水位。此后繼續(xù)按照控制斷面和區(qū)間洪水控制下泄流量使水位回落至起調(diào)水位，一次洪水過程結(jié)束。

4.3 防洪庫容

采用上述優(yōu)化洪水調(diào)節(jié)方式后，經(jīng)兩種地區(qū)洪水組合計算后，滿足下游B縣城50年一遇防洪要求所需防洪庫容為661萬m3(見表2)；若按固泄洪水調(diào)節(jié)方式，當(dāng)入庫流量大于603 m3/s時，根據(jù)兩種地區(qū)洪水組合的區(qū)間洪水，按固泄流量396 m3/s泄洪，則滿足B縣城50年一遇防洪要求所需防洪庫容為853萬m3，較優(yōu)化后庫容偏大30%，見圖2。

圖2 A水庫洪水調(diào)節(jié)優(yōu)化前后成果對比(P=2%)

5 結(jié) 語

水庫優(yōu)化后的調(diào)度方式利用了水庫下游防洪控制斷面的實(shí)時水情信息對區(qū)間洪水進(jìn)行估值，能有效減小水庫防洪庫容，降低水庫工程投資；但受區(qū)間洪水、水庫下泄洪水傳播時間、調(diào)度滯時等不確定性因素的影響，有可能會增加水庫下游的防洪風(fēng)險。因此，識別優(yōu)化調(diào)度過程中可能存在的風(fēng)險因子，定量估計防洪錯峰調(diào)度帶來的風(fēng)險，是水庫防洪優(yōu)化調(diào)度方案能否應(yīng)用于實(shí)際調(diào)度的關(guān)鍵。本文綜合考慮了區(qū)間洪水過程、洪水傳播時間、調(diào)度滯時共3個風(fēng)險因子，提出了水庫防洪優(yōu)化調(diào)度方法，并應(yīng)用于山區(qū)性河流的A水庫。主要結(jié)論有:

表2 A水庫工程洪水調(diào)節(jié)計算(P=2%)

(1)對于山區(qū)性河流區(qū)間洪水陡漲陡落的特點(diǎn)，防洪控制斷面布置水位監(jiān)測設(shè)備是水庫采用優(yōu)化調(diào)度方式的基本條件。

(2)水庫防洪優(yōu)化調(diào)度的風(fēng)險主要是水庫下游防洪風(fēng)險，可定義為由于水庫泄水與區(qū)間洪水錯峰不成功而導(dǎo)致的防洪控制斷面流量超過安全泄量的風(fēng)險。

(3)將提出的水庫防洪優(yōu)化調(diào)度分析方法應(yīng)用山區(qū)性河流的A水庫，可比采用固泄流量調(diào)度方式減小30%防洪庫容，降低工程投資。

(4)在不確定性因子隨機(jī)特征無法改變的條件下，通過延長傳播時間、增加調(diào)度滯時能降低不確定性因子帶來的影響，從而減小調(diào)度風(fēng)險；但同時會占用水庫更多的防洪庫容，即便如此，也依然小于固定泄流方式確定的防洪庫容。

(5)本文制定防洪優(yōu)化調(diào)度方案的主要依據(jù)是設(shè)計洪水過程。即，通過對防洪控制斷面水位信息和水位流量關(guān)系得到防洪控制斷面流量，考慮錯峰時間后推算區(qū)間洪水量值，在考慮足夠的安全余度后可對區(qū)間洪水未來量值的不確定性進(jìn)行量化。這可用于山區(qū)性河流區(qū)間為小流域地區(qū)。

(6)水庫防洪庫容的確定除了與下游防洪目標(biāo)和防洪效果緊密相關(guān)外，還與工程投資有關(guān)。在達(dá)到預(yù)期防洪效果的基礎(chǔ)上，防洪庫容一般應(yīng)盡可能小，以節(jié)省工程自身投資。因此，設(shè)計階段防洪庫容除按上述方法推薦外，還需從工程整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較來確定。

(7)隨著對小流域洪水預(yù)報研究的深入，對小流域洪水預(yù)報進(jìn)行實(shí)時修正技術(shù)取得較大進(jìn)展，小流域洪水預(yù)報的誤差可達(dá)到滿意的精度，為水庫建成后預(yù)報調(diào)度提供有利支撐。