基于庫容風險頻率曲線的水庫群聯合防洪調度研究

邵 佳

（安徽省交通航務工程有限公司,安徽 合肥 230000）

1 工程概況

長江是我國的重要河流之一,作為我國重要水電開發陣營具有較為充沛的水資源。金沙江下游的梯級規劃中包含溪洛渡、向家壩等4 座可控性水庫,極大程度提升了長江中下游的防洪能力。但長江的洪水組成較為復雜,需要同時采用水庫防洪和堤防防洪來對洪澇災害進行聯合抵御。長江的中下游平原地區城市是我國的重點防洪對象,一旦長江流域出現洪澇災害會對這些城市造成無法挽回的影響。作為長江防洪系統中的關鍵一節,溪洛渡-向家壩的梯級水庫在設計上重點提升了防洪庫容的總量。可以說溪洛渡-向家壩肩負著眾多下游城市的防洪風險控制以及對長江三峽水庫的防洪調度的配合,兼具多項重要任務。溪洛渡-向家壩梯級水庫進一步提升了三峽水庫的防洪抗災能力,對長江中下游的洪災預防壓力起到了有效緩解的作用。溪洛渡、向家壩、三峽水庫的工程特性見表1。

表1 溪洛渡、向家壩、三峽水庫工程特性參數

從大方面來看,溪洛渡-向家壩水庫能夠對川江地區的河段起到攔蓄洪量的功能。根據水庫所在河流需要進行防洪時應當優先滿足當前河流的防洪需求原則,本文對溪洛渡-向家壩水庫的防洪調度方案篩選進行分析和研究[1]。

2 水庫防洪風險-調度-決策理論體系

我國目前對水庫群的防洪調度應用技術主要從方法轉向問題進行研究,對研究成果是否能夠有效操作和是否能夠應用在實際工程當中加大了要求力度,在水庫進行實際防洪的調度過程中,最重要的問題在于選擇科學合理的最優決策方案。以往面對水庫防洪決策方案選擇時通常需要考慮到水庫當前的水位、水庫當前的入庫流量、下游水庫的當前水位、下流預估流量和最高以及最低的約束水位、水量平衡約束水位以及泄流能力的約束水位,以此來計算出水庫在迎來洪峰時的下泄流量,但這個過程中并沒有對防洪的風險率約束水位進行有效考慮。對防洪風險進行分析后能夠得出各個水庫在不同的時間段和不同的水位時所應對的風險率存在著一定的差異性。在決策實時調度方案時應當充分結合具體的風險形勢和發電效益等相關因素,進行最佳方案的選擇,真正均衡防洪調度風險,達到水庫綜合效益最大化的目標。本文根據共同分擔原則,對梯級水庫的防洪風險進行研究,總結出水庫防洪風險-調度-決策理論體系（圖1 所示）,通過對水庫的風險控制來確定防洪調度具體的邊界,并以此作為水庫防洪調度的基礎,選擇最佳的防洪方案。提升水庫防洪率的同時也能夠提升水庫的整體效益。

圖1 水庫防洪風險-調度-決策理論體系

2.1 風險控制

結合防洪庫容頻率曲線能夠得出水庫在固定的防洪風險率。以此為基礎對防洪的庫容進行提前預留,若防洪風險率相同,防洪的庫容會逐漸減少。防洪預留庫容的下限計算以某個特定水庫風險率為例,設水庫防洪庫容頻率的曲線公式為：υt=ft（p）,其中p 代表風險率,ft代表汛期時刻的防洪容頻率曲線,υt代表為控制風險水庫需要預留防洪庫容的下限。通過以上公式能夠對水庫在汛期過程中的防洪預留庫容下限進行計算,結合水庫水位的各個庫容關系能夠轉化庫容下限為最高允許水位,公式為：Lt=flc（flc（L防）-υt）。通過以上公式的計算結果,能夠根據各時期水位的最高上限來對水庫的運行進行及時的調整,并對防洪調度的風險動態進行有效的監控和管理[2]。溪洛渡-向家壩-三峽在進行防洪聯合調度的過程中,能夠對上游的等效水庫以及下游的三峽水庫進行防洪庫容頻率的曲線計算,在各個風險率的情況下對各時段的最高允許水位進行計算,并制定具有針對性的防洪方案。等效水庫的風險率為0.02、0.03、0.04；三峽水庫風險率為0.01、0.008、0.005。等效水庫與三峽水庫在各個時段的防洪庫容預留下限見圖2、圖3。

圖2 等效水庫預留防洪庫容下限

圖3 三峽水庫預留防洪庫容下限

控制風險率與水庫預留的防洪庫容呈反比,長江地區的洪水多出現在7 月～8 月左右,水庫在前期應當預留較大的庫容,8 月后的頻率曲線會存在精度下降的情況,因此8 月后預留的防洪庫容下線應當保持與7 月末期的下限一致。在實際防洪的過程中,水庫的防洪方案需要對當地的生態環境、氣象水文預報、航運以及水庫風險值等多方面進行充分考慮,這樣才能夠對水庫的實際防洪功能進行綜合評估,預留出充足的防洪庫容[3]。

2.2 聯合防洪調度效益分析

通過以上的公式計算能夠得出水庫的最高允許水位,通過對上下游的風險率組合進行計算,擬定5 組方案并進行調洪預演,計算結果見表2。

表2 各方案計算結果

從計算結果來看,在保證三峽水庫風險率不變的情況下,等效水庫能夠有效提升自身風險率,三峽水庫的調洪水位與梯級水庫的總發電量呈正比。由表2 可以看出,各個水庫始終維持在防洪的標準水位,防洪控制點的水量也始終處于安全標準,由此能夠看出,水庫群的防洪風險與發電效益是呈反比的狀態,需要結合實際情況來選擇最佳的方案[4]。

2.3 最佳調度決策方案

梯級水庫在實際防洪中需要對上下游的防洪方案進行統籌和規劃,還需要考慮防洪和效益之間的關系,并進行統籌規劃,這屬于多屬性、多目標、多約束、多階段的非線性復雜決策問題。因各個調度目標之間存在著一定的矛盾性,調度方案應當具備科學性,角度客觀,并且實時性較強。水庫的防洪調度方案中各個指標的相互作用和相互關系讓調度方案具備了一定的關聯性。本文所使用的屬性指標為等效水庫風險率、三峽水庫風險率、向家壩最大下泄、三峽最高調洪水位、梯級總發電量[5]。將梯級水庫的總發電量定位效益的標準指標,其余的發電量則可以看作是成本指標,以此為基礎來計算出最佳決策方案,具體評價結果見表3。

表3 聯合防洪調度方案貼近度評價結果

從表3 的評價結果能夠分析出方案4 在實施的過程中對各個水庫之間的風險率管理情況進行了充分的考慮,上游的水庫一旦超過了最高允許水位標準就會及時提升泄洪量,三峽水庫在同時增加攔蓄量,通過這樣的形式來展現出梯級水庫的防洪風險共擔特性,可以作為最佳決策方案使用[6]。

3 結語

綜上所述,本文在現有的水庫群防洪風險分析結合防洪庫容風險頻率曲線的基礎上提出了水庫風險-調度-決策理論體系。從梯級水庫的群防洪體系和水庫的風險率角度對水庫的實際運行狀態進行有效的適時調整。研究結果表明,實時調度的過程中能夠充分考慮風險率的各項因素,確保防洪的同時也能夠提升水庫群的綜合效益。采用風險-調度-決策的理論體系能夠為最佳水庫調度方案提供參考依據,對水庫群的實時防洪調度決策方案選擇和提升水庫綜合效益具有重要的意義。