考慮洪水預報情況下劉家峽水庫汛限水位研究

李永清，楊敏慧，姬生才，王進學，曾需要

(1.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅永靖 731600；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

汛限水位是協調水庫防洪與興利效益矛盾的關鍵[1]，因此水庫汛限水位控制是汛期提高洪水資源利用率的重要途徑[2]。經多年的研究和實踐，水庫汛限水位研究已有較大的發展，已由單一固定汛限水位控制、分期固定水位控制到汛限水位動態控制階段[3]。目前，國內學者已對汛期超汛限水位運行進行了大量研究[4-7]，且對洪水預報情況下汛限水位進行了研究[8-11]，但研究對象多為單個水庫，對2個或多個水庫聯合調度的研究相對較少。

黃河龍羊峽水庫具有多年調節性能，劉家峽水庫具有年調節性能。目前，黃河上游梯級水電站的運行是在龍～劉兩庫聯合調度運行的格局下進行的，特別是梯級洪水調度。龍羊峽～劉家峽水庫的原洪水聯合調度方案是在未考慮洪水預報條件下，在龍羊峽水庫設計汛期限制水位2 594.00 m、劉家峽水庫設計汛期限制水位1 726.00 m的基礎上，并將汛期限制水位作為洪水調節的起調水位，進行洪水調節計算確定各水庫的洪水位與相應的防洪標準。龍羊峽水庫防洪庫容大，而且實際運行中龍羊峽水庫并非每年汛前都達到汛期限制水位，汛前水位低于黃河水利委員會(簡稱：黃委會)允許的汛期限制水位2 588.00 m，也就是說運行水位至汛期限制水位之間有一定的空閑庫容，可幫助劉家峽水庫存蓄上游洪水而減小其入庫洪量，為劉家峽水庫汛期超汛期限制水位提供可能。此外，如果考慮洪水預報，合理安排龍羊峽～劉家峽水庫洪水聯合調度方案，可進一步提高劉家峽水庫汛期限制水位，增加汛期發電效益。因此，本文將在考慮洪水預報條件下，研究劉家峽汛期最高可運行水位，以期增加汛期發電效益。

1 基本資料

1.1 洪水典型與地區組成

為了提高下游劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽等梯級水電站的防洪標準，在興建龍羊峽水電站的任務中承擔了協助下游已建水電站提高度汛標準。在設計中對黃河上游洪水采用了1964、1967年2種典型，洪水地區組成采用1964、1967年典型比例分配放大和按照上、下游同頻、區間相應2種地區組成，黃河上游典型洪水和地區洪水共組成4種洪水過程。

1.2 庫容曲線

(1) 龍羊峽水庫庫容曲線

龍羊峽水庫采用原設計天然庫容曲線，見圖1。

圖1 龍羊峽水庫水位庫容曲線圖

(2) 劉家峽水庫庫容曲線

劉家峽水庫庫容曲線采用2004年實測庫容曲線，見圖2。

圖2 劉家峽水庫水位庫容曲線圖

1.3 泄水建筑物泄流能力曲線

(1) 龍羊峽水電站

龍羊峽水電站泄水建筑物水位～流量關系見圖3。

圖3 龍羊峽水電站泄水建筑物水位～流量關系圖

(2) 劉家峽水電站

劉家峽水電站泄水建筑物水位～流量關系見圖4。

圖4 劉家峽水電站泄水建筑物水位～流量關系圖

2 洪水預報初步方案

2.1 黃河上游洪水特性

黃河上游大洪水主要由大范圍降雨形成，黃河上游暴雨中心多集中在吉邁～瑪曲區間、瑪曲～唐乃亥區間的南段一帶，次中心在洮河或湟水流域。唐乃亥以上降雨量較豐，植被較好，多沼澤和草原，滯洪作用明顯，為黃河上游的主要產洪區；唐乃亥～循化區間為相對干旱區，匯入水量很少；循化～上詮區間的洮河、大夏河流域為黃河上游第二個暴雨區，加入水量較多[11]。

黃河上游洪水漲落緩慢，歷時較長，一般一次洪水過程約40 d左右，峰量關系對應較好。大水年份汛期早，洪次相對較多。汛期為6-9月，洪水大多出現在7-9月，通常7月份洪水峰型相對較尖瘦，9月份洪水峰型較肥胖。

2.2 洪水預報初步方案

根據黃河上游洪水特性，唐乃亥以上地區是黃河上游主要產洪區，龍羊峽水庫防洪庫容大，可有效削減唐乃亥以上洪水洪峰流量；循化～上詮區間為黃河上游第二暴雨區，加入水量較多，而循化～上詮區間洪水則需要劉家峽水庫進行調蓄，削減洪峰以滿足劉家峽下游防洪對象防洪要求。

基于黃河上游洪水特性，本次洪水預報初步方案主要對龍劉區間洪水提出預報思路。若采用實時短期洪水預報，需收集整理龍劉區間的氣候、洪水、地貌、人類活動等流域基本特征，確定龍劉區間洪水預見期，選擇合適的產匯流模型，再根據歷史水文資料率定洪水預報模型參數，結合模擬計算結果與實測流量誤差，對洪水預報模型進行修正，進而可以依據觀測降雨等資料進行實時短期洪水預報。若采用中長期洪水預報，可采用成因分析法，首先對預報因子(大氣環流、下墊面等因素)與預報對象(龍劉區間洪水)之間的物理聯系分析，從中挑出具有一定物理意義的預報因子，再挑選出預報因子與預報對象之間的相關性好、且各因子之間相互獨立的預報因子，最后基于挑選的預報因子，選擇中長期預報模型(可采用基于時間序列分析的中長期預報模型或者現代新發展的中長期預報模型，如人工神經網絡、灰色系統分析)進行預報。

上述洪水預報初步方案是針對龍劉區間洪水預報提出的設想，考慮到龍劉區間尚未建立系統的水情自動測報系統，所以本次劉家峽水庫超汛限水位的運行水位計算是在假定洪水預報預見期1 d和3 d下進行研究的。

3 洪水預報下龍羊峽～劉家峽水庫的洪水聯合運行設計

隨著黃河上游龍～青河段水電規劃的24級水電站陸續建成，龍～劉兩庫聯合防洪調度的任務：確保龍羊峽、劉家峽水庫大壩自身安全，保證已建水電站和蘭州市在各自防洪標準內度汛安全，在保證防洪安全前提下，最大限度地實現洪水資源化。

3.1 控制泄量

目前劉家峽水庫仍承擔下游鹽鍋峽、八盤峽及蘭州市3個防護對象的防洪任務。劉家峽水庫在滿足自身防洪安全條件下，為保證上述下游各防護對象達到預定的防洪標準，即使在考慮洪水預報條件下，宜采用固定控制下泄流量的方式進行調洪，其各級泄量控制如表1。

表1 劉家峽水庫各級控制流量表

根據1983年開展的黃河上游河段防洪規劃，龍羊峽水庫按照二級控泄：1 000年一遇及以下洪水時，控制最大下泄流量不超過4 000 m3/s；超過1 000年一遇洪水直至可能最大洪水，均控制最大下泄流量不超過6 000 m3/s。

3.2 初擬洪水預報下龍、劉兩庫聯合防洪調度規則

在考慮龍劉區間洪水預報預見期1 d和3 d條件下，研究龍～劉兩水庫聯合調洪規則，即如何確定在調洪中各時段龍、劉兩水庫的下泄流量。

(1) 劉家峽水庫下泄流量

劉家峽水庫位于龍羊峽水庫的下游，各防護對象的防洪要求是通過劉家峽水庫控制下泄流量來實現的，即蘭州市、八盤峽水電站、鹽鍋峽水電站3個防護對象的防洪標準分別為100年一遇、1 000年一遇、2 000年一遇。研究確定劉庫控制下泄流量分別為4 290 、4 510、7 260 m3/s，是根據各防洪對象的安全泄量與區間相應頻率洪水的洪峰流量之間關系而定的(見表2)。

表2 龍劉區間不同頻率洪水洪峰流量表

若以QB表示劉家峽水庫的入庫洪水流量，以qB表示劉家峽水庫下泄流量，則在考慮龍劉區間洪水預報情況下，劉家峽水庫t時段的泄量初步按以下規則確定：

1)在龍劉區間洪水未達到洪峰流量前

① 當QB,t<4 290 m3/s時，按入庫洪水流量下泄，即qB,t=QB,t；

② 當4 290 m3/s≤QB,t<4 510 m3/s時，控泄4 290 m3/s，即qB,t=4 290 m3/s；

③ 當4 510 m3/s≤QB,t<7 260 m3/s時，控泄4 510 m3/s，qB,t=4 510 m3/s；

④ 當7 260 m3/s≤QB,t時，控泄4 510 m3/s，即qB,t=7 260 m3/s。

2) 龍劉區間洪水達到洪峰流量

按不同洪水等級控制最大泄量和泄水建筑物泄流能力中較小者泄量進行下泄，若泄水建筑物泄流能力泄量大于洪水等級控制最大泄量，則按洪水等級控制最大泄量下泄流量；若泄水建筑物泄流能力小于洪水等級最大泄量，則按泄水建筑物泄流能力下泄流量。

(2) 龍羊峽水庫下泄流量

龍羊峽水庫下泄流量采用原設計成果。

4 考慮洪水預報下劉家峽水庫超汛限水位計算與分析

(1) 計算條件

1) 起始水位龍羊峽水庫：2 588.00 m(汛期限制水位)。

劉家峽水庫：1 729.00、1 730.00、1 731.00、1 732.00 m。

2) 汛期限制水位龍羊峽：2 588.00 m；

劉家峽：根據計算條件推求。

表3 考慮洪水預報條件下劉家峽水庫汛期超汛限運行水位成果表

3) 在滿足已建水電站及蘭州市防洪要求前提下，考慮龍劉區間洪水預報預見期1 d和3 d兩種情況，即預見期為1 d時，以當天入庫流量與預報未來1 d的入庫流量中較大的流量，按照考慮洪水預報條件下龍劉聯合防洪調度規則進行下泄洪水流量。預見期為3 d時，根據預報未來3 d的入庫流量，若3 d中存在2 d入庫流量超過一定洪水等級，則以當天入庫流量與預報未來3 d中2 d入庫流量超過的流量中較大的流量，按照考慮洪水預報條件下龍劉聯合防洪調度規則進行下泄洪水流量，若3 d中僅有1 d入庫流量超過一定洪水等級泄量，則按照當天入庫流量進行判斷下泄流量。

(2) 計算結果與分析

在考慮龍劉區間洪水預報條件下，龍羊峽水庫在起調水位2 588.00 m正常運行情況下，劉家峽水庫汛期超汛限運行各調洪成果見表3。

由表3可得：

在未考慮洪水預報條件下，龍羊峽水庫按照黃委會允許的汛期限制水位2 588.00 m，劉家峽水庫可抬高汛限的運行水位最高為1 730.00 m；在考慮洪水預報預見期1 d條件下，劉家峽水庫可抬高汛限的運行水位最高為1 731.00 m；在考慮洪水預報預見期3 d條件下，劉家峽水庫可抬高汛限的運行水位最高為1 732.00 m，進而說明在考慮洪水預報條件下，可進一步抬高劉家峽水庫汛期運行水位。

在龍劉水庫聯合調度基礎上，考慮洪水預報、龍羊峽水庫起調水位2 588.00 m及劉家峽起調水位在1 729.00～1 731.00 m時，龍羊峽調洪計算得出最高水位基本相同，但劉家峽水庫汛期可提高水位最高為1 731.00 m，也進一步說明即使在考慮洪水預報條件下，龍羊峽防洪庫容再大，也無法控制龍劉區間洪水，劉家峽水庫為調節龍羊峽～劉家峽的區間洪水，必須留有一定的防洪庫容。

(3) 洪水調節過程

根據考慮洪水預報條件下劉家峽水庫汛期超汛限運行水位計算最高洪水位對應的洪水過程，入庫洪峰在第18天出現，所以，本次以劉家峽水庫汛期起調水位1 731.00 m為例繪制洪水過程前20 d在未考慮洪水預報、考慮洪水預報預見期1 d和3 d三種情況下洪水調節后水位變化，見圖5～9。可以看出，在龍羊峽水庫按照黃委會允許的汛期限制水位2 588.00 m，考慮洪水預報情況及劉家峽起調水位1 731.00 m條件下，經龍劉聯合防洪調度，計算得到劉家峽水庫最高洪水位相比預報前降低，進而說明在考慮洪水預報條件下，可進一步抬高劉家峽水庫汛期運行水位。

圖5 劉家峽水庫起調水位1 731.00 m下洪水調節后水位變化(P=1%)圖

圖6 劉家峽水庫起調水位1 731.00 m下洪水調節后水位變化(P=0.1%)圖

圖7 劉家峽水庫起調水位1 731.00 m下洪水調節后水位變化(P=0.05%)圖

5 劉家峽水電站汛期超汛限水位運行的效益分析

根據黃河龍羊峽～青銅峽河段梯級水電調節計算原則與方法，考慮供水、灌溉、防洪、防凌等綜合利用要求，分別按照劉家峽水庫汛期不同運行水位1 727.00、1 728.00、1 729.00、1 730.00、1 731.00 m進行長系列梯級徑流補償調節計算，進而得出劉家峽水庫在不同汛期限制水位的年發電量。劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發電量見圖10。

圖8 劉家峽水庫起調水位1 731.00 m下洪水調節后水位變化(P=0.01%)圖

圖9 劉家峽水庫起調水位1 731.00 m下洪水調節后水位變化(PMF)圖

圖10 劉家峽水庫汛期不同超汛限水位年發電量圖

由圖10可得，劉家峽水庫汛期運行水位為在1 727.00～1 731.00 m時，每抬高1 m水頭可分別增加發電量0.173億kWh、0.173億kWh、0.125億kWh、0.091億kWh。若按劉家峽水電站目前上網電價0.15元/kWh計算，劉家峽水電站主汛期運行水位抬高1、2、3、4 m時，分別增加年收入達260萬元、519萬元、707萬元、843萬元。

6 結 語

在確保黃河上游梯級安全度汛及滿足劉家峽下游鹽鍋峽水電站、八盤峽水電站、蘭州市防洪標準的前提下，龍羊峽水庫汛期限制水位2 588.00 m，經龍～劉兩庫聯合防洪調度，在實施調度中劉家峽水庫汛期有可超汛期限制水位運行的條件，但劉家峽水庫必須留有一定的防洪庫容以調節龍劉區間洪水。

根據龍～劉兩庫聯合調洪計算結果：在滿足已建水電站及蘭州市防洪要求前提下，龍羊峽水庫按照黃委會目前允許的汛期限制水位2 588.00 m，在不考慮洪水預報條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 730.00 m；在考慮洪水預報預見期1 d條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 731.00 m；在考慮洪水預報預見期 3 d條件下，劉家峽水庫汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 732.00 m，而且劉家峽水庫汛期運行水位在1727.00～1731.00 m時，每抬高1 m水頭均可增加發電量，按劉家峽水電站目前上網電價計算，劉家峽水電站主汛期年收入均可增加，具有一定的經濟效益。