病險水庫汛期限制水位研究

吳鋼堅，李嘉第

(1.惠州市惠陽區水利事務中心，廣東 惠州 516211；2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣東 廣州 510611)

國內外關于水庫汛期限制運行水位的研究現狀，無論是理論方法，還是實踐研究均在不斷發展和完善。目前的研究在動態汛期限制運行水位控制、城市防洪、洪水保險及風險決策等方面取得了一些成果，但是由于洪水風險的不確定性，以及涉及社會、經濟以及生態環境等多個領域，還存在許多不完善之處[1- 3]。水庫經過安全鑒定，安全類別為三類壩，在工程管理實踐中，往往無法立即開展除險加固工作，除險加固未落實或未完成前，需要限制運用。但病險水庫往往仍然承擔著區域供水任務、下游影響范圍內人口、文化遺產、重要設施等的重要防洪任務，在確保安全的基礎上，科學利用部分防洪庫容攔蓄洪水資源，規范洪水管理、優化配置水資源、維系優良生態，保障防洪安全、飲水安全和水環境安全，有利于新時代解決發展不平衡不充分問題，進一步提高人民日益增長的美好生活對水安全與飲水安全的保障水平。在除險加固工作尚未實施的情況下如何制定科學合理的控制運行方案，既能保證水庫大壩的結構安全又能最大限度地發揮水庫的現有功能是亟須解決的實際問題[4]。

根據有關法律、規定及文件要求，對水庫大壩主體部分沒有病險，承擔供水、灌溉任務且為難以替代水源的病險水庫，具備有效放空條件和搶險道路，落實專人巡查值守、加強觀測、保障通訊等管理措施的前提下，經過充分論證，可釆取降低水位運行[5]。目前的研究成果大多集中在洪水風險分析方法研究等，缺乏對病險水庫限制水位的研究。因此，對病險水庫開展限制運行水位研究有助于我們對病險水庫的運行管理，有著重要意義。

AHP—模糊綜合評價法主要由層次分析法和模糊綜合評價法兩部分構成。其中，模糊綜合評價是在層次分析法的基礎上進行，二者相輔相成，共同提高評價結果的可靠性和有效性。在評價指標的選擇過程中，本文運用層次分析法對指標按不同層級進行劃分，構建成樹型結構的指標體系，把定性分析轉化為定量分析，再通過模糊綜合評價手段，把復雜模糊的評價指標以隸屬度向量來表示。此種研究方法的運用，大大降低了評價中的不確定性因素，使評價結果變得可靠、有效[6]。

1 AHP-模糊評價模型

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)[7]模仿人的決策思維過程，是一種定性和定量相結合的分析方法，主要解決多因素復雜系統，特別是難以定量描述的社會系統的分析方法。通常情況下，層次分析法都要經歷6個環節，分比為構建遞階層次結構、建立判斷矩陣、對矩陣進行一致性檢驗、層次單排序、層次總排序以及對分析結果進行決策[7]。

1.2 模糊綜合評價法

層次分析法帶有一定的主觀性，利用模糊綜合評價可以有效地處理人們在評價過程中本身所帶有的主觀性，以及客觀遇到的模糊性現象[7]。模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評標方法，該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。它具有結果清晰，系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

2 實例應用

2.1 工程背景

河溪水庫位于汕頭市潮陽區河溪鎮河溪水中游的鵝槽峽谷處，距河溪鎮3.0km，距潮陽區13.0km。水庫集雨面積45.7km2，最大主河槽長12.90km，主河槽平均坡降J=7.0‰。水庫正常蓄水位32.50m(1985國家高程)，相應庫容1583萬m3；50a一遇設計洪水位為33.05m，相應庫容1642萬m3；1000a一遇校核洪水位為34.50m，總庫容1805萬m3；死水位12.50m，死庫容198萬m3。樞紐工程由主壩(其中溢洪道右壩段為原建庫時副壩，左壩段為原建庫時主壩)、1#副壩、2#副壩、3#副壩、4#副壩、溢洪道、輸水管道、壩后電站等建筑物組成。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。河溪水庫的主要功能為農業灌溉、防洪、供水、水力發電。水庫保護下游約12萬人、1000hm2耕地和河溪鎮的工廠、商店、學校、住宅以及潮揭公路等。隨著潮陽區經濟社會的發展，工農業生產、生活用水急增，水庫的供水功能突顯，現在水庫由原來的以工農業灌溉為主逐步轉化為以鄉鎮供水為主。潮陽區本地水資源缺乏，區內目前僅有河溪水庫提供水源，2021年建設汕頭市三洲榕南干渠抗旱應急引水工程方案(一期)項目，建設內容及規模為從榕江水廠取水泵房附近引三洲榕南南干渠水至飛英水庫，鋪設輸水管道總長度約20.1km，經飛英水庫調蓄后下泄至河溪水庫，引水流量1.52m3/s，新建金灶取水加壓泵站、西臚飛英加壓泵站共2座；河溪水庫是抗旱引水工程的關鍵節點，在供水方面發揮重要的作用。

2.2 評價指標體系的構建

2.2.1 評價體系設計原則

根據河溪水庫汛期限制運行水位目標，結合構建指標體系的一般原則，河溪水庫汛期限制運行水位評價指標體系設置應遵循以下原則，各方案中有任意單方面指標情況不滿足要求的為0分，均滿足要求情況下以推薦順序依次賦分，單方面指標各方案間無推薦順序的，不納入評價體系。

2.2.2 評價指標體系

根據汛期限制運行水位分析，該評價指標體系包括3個方面：汛期防洪風險、工程效益、放空能力。

2.2.3 河溪水庫2022年汛期限制運行水位AHP模型

建立河溪水庫2022年汛期限制運行水位AHP模型，目標層的一級指標包括汛期防洪風險(B1)、工程效益(B2)、放空能力(B3)3個層面，每個一級指標包含若干二級指標(C1～C5)。河溪水庫2022年汛期限制運行水位評價指標體系見表1。

表1 河溪水庫2022年汛期限制運行水位評價指標體系

根據專家意見，填寫各層判斷矩陣，并對傳統比例標度進行了修正，標度值不僅限于1～9或其倒數值。

(1)一級指標相對于目標層的判斷矩陣A為：

根據判斷矩陣A的階數為3，查得相應的RI=0.52。運用公式計算CR<0.1，判斷矩陣具有完全一致性。

(2)二級指標相對于一級指標的判斷矩陣B1、B2、B3分別為：

經一致性檢驗，判斷矩陣判B1、B2、B3具有完全一致性。層次總排序結果見表2。

表2 層次總排序結果

一級指標權重大小關系如下，B1=B2>B3，符合河溪水庫汛期限制運行要求，是合理的。

2.3 河溪水庫2022年汛期限制調度方案研究

河溪水庫正常蓄水位32.5m，原汛期限制運行水位4—6月為29.5m、7—9月為30.5m，9月為31.5m。汛期水庫水位變動較為迅速，因而比選方案間水位相差值不宜過小，結合近年來水庫汛期運行情況共擬定5個汛期限制運行水位比選方案：方案1為12.5m、方案2為17.5m、方案3為22.5m、方案4為27.8m、方案5為28.5m。

2.3.1 汛期防洪風險分析

對擬定的5個汛期限制運行水位進行調洪計算，調洪計算成果見表3。

對河溪水庫抗洪能力進行分析，壩頂超高按以下4種工況計算，取其最大值。①設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；②汛期限制運行水位加正常運用條件的壩頂超高；③校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；④汛期限制運行水位加非常運行條件的壩頂超高，加地震安全加高(取1.0m)。各工況壩頂超高及壩頂高程計算成果見表4。

2.3.2 效益分析

(1)經濟效益。根據設計洪水計算成果以及河溪水庫雨量觀測站1959—2018年共60a日降雨資料，分別選取1991、2018年為典型年，以方案1為基準，在滿足汕頭市三洲榕南干渠抗旱應急引水工程(一期)工程引水流量1.52m3/s的調度時：1991年典型年方案2～方案5多年蓄水量多528.22萬、980萬、1374萬、1437萬m3；2018年典型年方案2～方案5多年蓄水量多598.03萬、1034.34萬、1428.34萬、1491萬m3。

(2)供水效率。根據輸水涵管過流能力計算成果，方案1受限于水量不足、水頭不足等因素供水時間少于高運行水位方案，原涵管設計引用流量為3.7m3/s，計算結果表明，主壩輸水涵管的過流能力在這5種方案下均未達到過流的要求，但方案2、方案3、方案4、方案5滿足汕頭市三洲榕南干渠抗旱應急引水工程(一期)工程引水流量1.52m3/s，年引水量0.4億m3的需求，且高效率運行時間較長，相比低運行水位方案有明顯優勢。

2.3.3 放空能力分析

根據庫水位-泄流關系曲線和庫容關系曲線進行水庫放空時間計算。方案1水位12.5m為河溪水庫死水位，放空時間為0，方案2水庫放空時間為22.3d，方案3水庫放空時間為36.7d，方案4水庫放空時間為52.1d，方案5水庫放空時間為54.3d。

2.4 模糊評價法

結合河溪水庫特點，評語集對應的數值最優項取為100，其余項差值賦分，定性指標按推薦順序賦分為100、80、60、40，不滿足要求的為0分，其值的推求可根據各評價因素的實際數值或實際狀況，對照表1中各因素的分級指標來分析推算，為了消除各等級間數值相差不大或狀況區別不明顯，而評價等級可能相差一級的跳躍現象，使隸屬函數在各級之間能平滑過渡，可將其進行模糊化處理。權重集的確定采用AHP分析法得到的結果，見表5—6。

表3 河溪水庫調洪成果表

表4 壩頂高程與現狀壩頂高程對比表 單位：m

表5 指標隸屬子集評分結果

表6 方案1—方案5評分結果

3 結果分析

搶險道路、管理措施5個方案無明顯差異。根據河溪水庫2022年汛期限制運行水位AHP模型評價結果，方案1因輸水能力無法滿足供水需求，評分結果為0；方案2評分結果為57.5；方案3評分結果為56.25；方案4評分結果為62.5；方案5因1#副壩不滿足抗洪能力要求且主壩在設計洪水位遇8度地震工況下下游壩坡抗滑穩定不滿足規范要求，評分結果為0。評分大小關系為：方案4>方案2>方案3>方案1=方案5，因此推薦河溪水庫2022年汛期最高運行水位取方案4，限制運行水位27.8m方案較為合適。

4 結語

選取汛期防洪風險指標、工程效益指標以及放空能力指標進行河溪水庫2022年汛期限制運行水位研究是符合河溪水庫工程特點的。從評價結果也可以得出，汛期限制運行水位的設置也存在防洪與供水之間的矛盾，長期有效運行與短期供水效益之間的矛盾。堅持“安全第一、統籌兼顧”的原則，在保證水庫工程安全、服從防洪總體安排的前提下，協調防洪、興利等任務及社會經濟各用水部門的關系，發揮水庫的綜合利用效益是十分必要的。此次以河溪水庫為例，對河溪水庫2022年汛期限制運行水位進行分析，對河溪水庫2022年汛期運行管理具有非常現實的參考意義，對其他類似工程的控制運行方案選擇具有普遍的借鑒意義。

科學研究是一個不斷完善、不斷深化的漸進過程，因此本文雖然取得了一些成果，但由于資料、時間、作者水平和視野的局限，在許多問題上存在不足，值得進一步探討。