碧口水庫主汛期水位動態(tài)控制效益分析

李志鵬　田淳　何曉燕　王海軍　任明磊

摘要：通過計算碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域的上、下限，分析碧口水庫實施汛期水位動態(tài)控制和原設(shè)計汛限水位控制相比增加的防洪和興利效益。興利方面，碧口水庫主汛期年平均可增加0.08億kW.h發(fā)電量、147萬元的售電收入;防洪方面，增加了碧口水庫的調(diào)節(jié)能力，提高了水庫自身和下游的防洪標準，發(fā)生致災(zāi)洪水時減輕下游洪災(zāi)損失。汛期水位動態(tài)控制作為一種非工程措施，一方面可以提高水庫洪水資源利用率，另一方面可以提高水庫的防洪能力，有效緩解水庫興利與防洪的矛盾。

關(guān)鍵詞：汛期水位動態(tài)控制;動態(tài)控制域：防洪效益;興利效益：碧口水庫

中圖分類號：TV697.1+l

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.006

汛限水位是汛期防洪運用的限制水位，是直接影響水庫防洪和興利效益發(fā)揮的關(guān)鍵性特征水位。汛限水位控制運用的研究和實踐主要經(jīng)歷了以下三個階段：第一階段利用設(shè)計洪水成果確定固定的汛限水位：第二階段分析暴雨和洪水發(fā)生的季節(jié)性變化規(guī)律而設(shè)定分期汛限水位：第三階段基于可利用的降雨預報和洪水預報信息，進行汛期水位動態(tài)控制[1]。動態(tài)控制域的確定是水庫實施動態(tài)控制的一項重要內(nèi)容，是進行汛期水位動態(tài)控制效益分析的基礎(chǔ)。本文通過計算碧口水庫主汛期動態(tài)控制域上、下限，分析碧口水庫主汛期實施水位動態(tài)控制的防洪和興利效益。碧口水庫實施汛期水位動態(tài)控制可以有效利用洪水資源，同時可以提高水庫防洪能力，有效緩解汛期防洪與興利的矛盾[2]。

1 碧口水庫概況

碧口水庫位于甘肅省文縣碧口鎮(zhèn)上游3 km的白龍江干流上，為大（Ⅱ）型水利樞紐工程，以發(fā)電為主，兼有防洪、航運、養(yǎng)殖和灌溉等綜合效益，屬季調(diào)節(jié)水庫。水庫總庫容5.21億m，調(diào)洪庫容2.21億m，死庫容2.19億m，庫容系數(shù)為2.6%。水電站設(shè)計標準為500 a-遇洪水，校核標準為5 000 a-遇洪水，保壩標準為10 000 a 一遇洪水。防洪控制點在下游3 km的碧口鎮(zhèn)，其間河槽調(diào)蓄量很小，也無支流加入，洪水來源主要是碧口水庫下泄。下游河道設(shè)計防洪標準為20 a一遇洪水，相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫汛期實施分期汛限水位控制，汛期為5月1日至9月30日，其中：5月1日至6月14日為前汛期，汛限水位697.00 m;6月15日至9月30日為主汛期，汛限水位695.00 m。正常蓄水位704.00 m。碧口水庫上游的漢坪嘴和苗家壩水庫均為日調(diào)節(jié)水庫，不會影響碧口水庫天然來水。

碧口水庫現(xiàn)行的洪水調(diào)度方式屬于不計預報、以實際入庫流量或水位作為水庫泄流判據(jù)的常規(guī)調(diào)度方式。主汛期當來水流量小于4 310 m/s時，保持出、入庫流量平衡，庫水位保持在汛限水位，水庫最大下泄流量不得超過下游安全泄量4 310 m/s;當來水流量超過4 310 m/s時，水庫閘門全開，開始自然調(diào)洪。現(xiàn)行調(diào)度方式是每年主汛期按照設(shè)計汛限水位進行防洪控制，時刻防御設(shè)計標準洪水的發(fā)生，從而導致主汛期棄水較多，洪水資源利用率較低。

2 預泄能力約束法計算動態(tài)控制域

動態(tài)控制域需要確定一個上限值和一個下限值。目前關(guān)于動態(tài)控制域的研究重點都放在上限，下限通常采取原設(shè)計的汛限水位值[3-5]。本文采用預泄能力約束法[6-7]計算動態(tài)控制域上限和下限，其基本思想：留有一定余地的情況下，利用降雨預報或者洪水預報信息，在有效預見期內(nèi)有多大泄流能力，就將汛期水位向上或向下浮動多少，浮動后的水位就是汛期水位動態(tài)控制域的上限和下限。

2.1 碧口水庫動態(tài)控制域上限計算

經(jīng)論證，中央氣象臺未來24 h和未來48 h無雨、小雨預報在碧口水庫汛期水位動態(tài)控制中是可以應(yīng)用的[8].因此在計算控制域上限時采用碧口水庫短期降 雨預報信息[9]。

（1）計算有效預見期。采用未來48 h降雨預報信息作為確定動態(tài)控制域的主要依據(jù)，假定實際降雨發(fā)生在最不利時刻，即未來48 h降雨預報的第24 h，同時考慮預報信息傳遞時間、預泄決策調(diào)度傳播時間以及閘門啟閉操作時間，則降雨預報可利用的預見期為24 h。因此，取降雨預報信息有效預見期為24 h。

（2）計算有效預見期內(nèi)最大入庫流量。通過分析碧口水庫2008-2013年的發(fā)布未來48 h降雨預報信息后有效預見期內(nèi)對應(yīng)的實際入庫洪水過程，偏安全考慮，選取最大實際發(fā)生洪水即2013年8月7日入庫洪水過程，發(fā)布降雨預報信息后有效預見期內(nèi)的最大入庫流量為2 200 m/S。

（3）確定碧口水庫最大預泄流量。碧口鎮(zhèn)是碧口水庫下游3 km的一個山區(qū)小鎮(zhèn)，原設(shè)計的河道防洪堤能夠防御20 a一遇洪水，相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫自1976年建成蓄水以來，發(fā)生的較大洪水有7次，水庫下泄流量超過2 500 m/s的洪水有3次，分別是1990年“9-7”洪水、1993年“7·15”洪水和1998年“8·20”洪水，且每次水庫泄洪均沒有對下游碧口地區(qū)構(gòu)成防洪安全威脅。其中1998年入庫洪水接近20 a一遇洪水，碧口水庫最大下泄流量超過3 000 m/s，最終通過水庫調(diào)蓄未對碧口下游地區(qū)的防洪安全造成影響，偏安全考慮，碧口水庫可預泄的最大流量為2 400 m/s。

（4）計算動態(tài)控制域上限。

2.2 碧口水庫動態(tài)控制域下限計算

為發(fā)揮碧口水庫的防洪作用，必要時可在動態(tài)控制域內(nèi)下浮原設(shè)計汛限水位，從而增強水庫調(diào)節(jié)能力，提高水庫自身及下游防洪標準，減輕水庫下游洪災(zāi)損失。偏安全考慮，采用洪水預報信息計算動態(tài)控制域下限，氣象預報信息作為輔助參考。

（1）計算有效預見期。碧口水庫典型洪水為多峰型洪水，預見期較短，約為Sh。考慮到預報信息傳遞時間、預泄決策調(diào)度傳播時間以及閘門操作時間、上游兩個水庫泄流傳播到碧口水庫壩址時間2-3 h，偏安全考慮，取洪水預報有效預見期為2h。

（2）計算有效預見期內(nèi)最大入庫流量。2006年以后，碧口水庫上游漢坪嘴、苗家壩水庫開始運行，實測資料可反映現(xiàn)階段水庫的真實人流情況。選取碧口水庫2006-2014年的22場洪水，洪水起漲前有效預見期2h內(nèi)的最大入庫流量見表1。

由表1可見，2006-2014年有效預見期內(nèi)的最大入庫流量為558 m/s。偏安全考慮，有效預見期最大入庫流量取600 m/s。

（3）確定碧口水庫最大預泄流量。在預泄時，一方面應(yīng)避免預泄流量較大造成人為洪水，另一方面須防止泄流過多，洪水過后無法回蓄到原汛限水位，預泄流量不宜過大。綜合考慮，在計算碧口水庫動態(tài)控制域下限時，最大預泄流量取1 000 m/s。

經(jīng)計算，碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域為[ 694.50m，696.60 m]。

3 動態(tài)控制效益分析

本文分析的興利效益是當預報未來48 h無雨或者小雨時，可將水庫水位控制在動態(tài)控制域上限，與控制在原設(shè)計汛限水位相比增加的水庫發(fā)電量及發(fā)電效益。

本文分析的防洪效益是將水庫水位控制在動態(tài)控制域下限時，通過對不同頻率的洪水進行調(diào)洪計算，選取水庫的最大下泄流量、削峰率、最高壩前水位等指標，從增加水庫調(diào)節(jié)能力、提高水庫及下游防洪標準、減輕下游洪災(zāi)損失3個方面來分析，與水位控制在原設(shè)計汛限水位相比增加的動態(tài)控制防洪效益。

3.1 碧口水庫興利效益分析

為了確定碧口水電站在主汛期（6月15日-9月30日）實施汛期水位動態(tài)控制調(diào)度運行所增加的可發(fā)電量，必須對主汛期碧口水庫水位按原設(shè)計汛限水位控制（ 695.00 m）和動態(tài)控制（696.60 m）條件下的發(fā)電效益進行比較，結(jié)果見表2。

碧口水電站主汛期按汛期水位動態(tài)控制調(diào)度運行方案696.60 m作為動態(tài)控制域上限，與按原設(shè)計汛限水位控制695.00 m方案運行相比，主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h。碧口水電站納入甘肅主電網(wǎng)運行，據(jù)甘肅省發(fā)改委提供的2014年碧口水電站上網(wǎng)電價為0.184元/（kW.h）.預計主汛期年平均增加售電收入約為147萬元。

3.2 碧口水庫防洪效益分析

利用洪水預報信息進行汛期水位動態(tài)控制時，水庫以1 000 m3/s預泄到動態(tài)控制域下限694.50 m，水庫可以增加部分防洪庫容，產(chǎn)生防洪效益。將頻率分別為0.01、0.05、0.2、1、2的洪水分別以694.50 m和695.00 m的起調(diào)水位進行調(diào)洪演算，結(jié)果見表3。

（1）增加了水庫調(diào)節(jié)能力。碧口水庫實施汛期水位動態(tài)控制，可以提高水庫的削峰率，減少水庫最大下泄流量，增加水庫的調(diào)節(jié)能力。水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時，實施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比，可降低水庫最大下泄流量39 - 68 m/s，削峰率提高了0.5% - 2.5%。

（2）提高了水庫及下游河道的防洪標準。由表3可知，水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時，實施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比，壩前最高水位降低了0.2-0.7 m。降低壩前最高水位可以降低洪水漫壩風險，提高水庫的安全運行能力。當發(fā)生校核標準洪水時，通過實施動態(tài)控制可降低水庫最高壩前水位0.2m;發(fā)生設(shè)計標準洪水時，可降低最高壩前水位0.5 m，提高了水庫的防洪標準。

水庫的下游河道設(shè)有防洪堤，可抵御20 a-遇的洪水，安全泄流量為4 310 m/s。水庫在原設(shè)計汛限水位控制下通過調(diào)洪演算可知.50 a一遇洪水通過水庫調(diào)蓄，下游最大下泄流量也不會超過4 310 m/s.不會造成下游淹沒，但是汛期水位動態(tài)控制可以減少防洪堤大于4 000 m/S的運行時長11 h。水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時，實施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比，可以減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運行時長為4-11 h。減少防洪堤大于4 000 m/s運行的時間，可降低下游防洪風險。

（3）減輕了下游洪災(zāi)損失。水庫下游河道安全泄流量為4 310 m3/s。通過對比水庫遭遇10 000 a 一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a-遇洪水時，原設(shè)計汛限水位控制和汛期水位動態(tài)控制條件下下泄流量過程超4 310 m/s的時間和水量可知，水庫實施汛期水位動態(tài)控制可減少超安全泄流量時長0.4-4.0 h，減少超泄水量200萬- 900萬m。若發(fā)生致災(zāi)洪水，可顯著減少下游的淹沒時間和淹沒水深，從而減輕下游洪災(zāi)損失，保護下游居民的生命和財產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

以計算碧口水庫汛期水位動態(tài)控制域上、下限為基礎(chǔ)，分析了汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比，可增加的防洪效益和興利效益。結(jié)果表明：碧口水庫在主汛期實施汛期水位動態(tài)控制，主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h.提高發(fā)電收入147萬元。同時，碧口水庫在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時，實施汛期水位動態(tài)控制與原設(shè)計汛限水位控制相比，可降低水庫最大下泄流量39 - 68 m/s.提高削峰率0.5% -2.5%.降低壩前最高水位0.2-0.7 m.減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運行時長4-11 h，減少超安全泄流量時長0.4-4.0 h.減少超泄水量200萬-900萬m。

汛期水位動態(tài)控制作為一種非工程措施，不需要較大的投資便可以增加水庫防洪和興利效益。相對于設(shè)定一個固定的汛限水位而言，動態(tài)控制域更加科學合理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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