多約束條件下漢江雅口樞紐初期蓄水研究
2024-12-31 00:00:00徐偉峰邴建平賈建偉汪飛王棟
人民長江 2024年11期
摘要：漢江中下游雅口等水庫來水受上游丹江口等控制性水庫調度的影響，其初期蓄水受到工程安全、庫岸安全、庫區浸沒、生活生態生產用水、興隆樞紐通航、水華風險等多方面制約，制定與上游來水、上下游用水等相協調的初期蓄水計劃至關重要。以雅口樞紐為例，根據漢江流域特點分析了其初期蓄水的多方面制約因素，計算了受上游控制性水庫調度影響的蓄水期來水流量，提出了考慮多約束條件的水庫初期兩階段蓄水模型，制定了初期蓄水計劃。結果表明：不同蓄水方案下雅口樞紐蓄水歷時差別較小，初期蓄水對下游生活生態生產和通航用水基本無影響，但需關注長期高水位運行對工程安全、防洪安全和庫區安全的影響。該方法可為類似情況的水庫初期蓄水計劃制定提供參考。
關 鍵 詞：水庫調度； 初期蓄水； 蓄水調度模型；雅口樞紐； 漢江流域
中圖法分類號： TV697
文獻標志碼： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.023
0 引 言
水庫初期蓄水計劃是指水庫投運以后，在滿足工程安全［1］、庫岸安全［2］和用水需求［3］的情況下，編制的使水庫水位達到正常蓄水位的水庫運行方案［4］。合理的蓄水計劃是水庫正常運行和充分發揮其綜合效益的先決因素［5-6］。
當前研究主要集中在水庫蓄水時機［7- 8］、蓄水條件［9-10］、蓄水方案［11-12］、蓄水效益［13-15］及蓄水影響［16-17］等方面。任在民等［18］考慮上下游復雜水力聯系，提出了上下游水庫協調配合的初期蓄水方案制定方法；羅純軍等［19］針對初期蓄水階段水庫來水計算問題，提出了典型蓄水期、逐月-整體排頻2種方法，提高了來水流量的代表性和精度；張飛等［20］從工程投資大小、工期長短及下閘程序復雜程度等方面分析制定初期蓄水泄放生態流量方案。受水庫的位置、功能以及上下游水庫、流域水雨情特點、區域管理機制等影響，不同流域水庫初期蓄水限制因素存在較大差異［21］。目前，針對漢江流域復雜約束條件下水庫初期蓄水的研究較少。
漢江流域是中國水資源配置的戰略要地。近年來，漢江中下游雅口、碾盤山和新集等樞紐相繼建成，其初期蓄水除需考慮工程安全和庫岸安全外，還面臨著上下游多方影響因素制約。一方面，漢江中下游新集、雅口和碾盤山等水庫來水主要依賴于丹江口水庫下泄流量，初期蓄水受到丹江口及上游水庫群調度方案影響。另一方面，水庫蓄水期運行攔蓄部分水量，可能對下游用水、興隆通航、皇莊及仙桃斷面最小下泄流量保障等產生不利影響，以及蓄水期可能遭遇漢江中下游水華事件，存在蓄水中止的風險。
針對該問題，本文以漢江雅口樞紐為例，分析影響水庫蓄水的復雜約束條件，提出受上游控制性水庫影響的蓄水期來水計算方法，制定考慮多約束的水庫初期兩階段蓄水計劃，探究水庫蓄水對上下游的影響，以期為類似情況的水庫初期蓄水提供參考。
1 工程概況
雅口樞紐是《漢江流域綜合規劃》中漢江干流黃金峽、石泉、喜河、安康、旬陽、蜀河、白河、孤山、丹江口、王甫洲、新集、崔家營、雅口、碾盤山、興隆等梯級水庫開發的第13級，位于湖北省宜城市境內，其上下游分別與崔家營樞紐和碾盤山樞紐銜接，距上游崔家營樞紐約50.5 km，距下游碾盤山樞紐約55.5 km。
雅口樞紐工程以航運為主，結合發電，兼顧旅游、灌溉等綜合開發功能，正常蓄水位55.22 m，相應庫容3.37億m3，為日調節水庫，裝機容量75 MW，航道等級為Ⅲ（2）級，設計通航船舶噸級為1 000 t。為充分發揮樞紐發電效益和綜合功能，計劃2024年3～4月開展初期蓄水，從53.40 m蓄至正常蓄水位55.22 m，需蓄水量約1.29億m3。從安全角度考慮，蓄水分兩階段進行，第一階段從53.40 m蓄至死水位54.72 m，需蓄水量0.886億m3，第二階段從54.72 m蓄至55.22 m，需蓄水量0.405億m3。在此之前，雅口樞紐已開展試驗性蓄水，本文在分析試驗性蓄水影響基礎上，制定蓄水期兩階段蓄水計劃。
2 研究方法
2.1 初期蓄水制約因素
影響雅口樞紐蓄水的上游制約因素主要是上游控制性水庫、區間來水、上游用水和庫岸安全；影響雅口樞紐蓄水的下游制約因素主要是下游用水、皇莊及仙桃斷面最小下泄流量管控要求、興隆通航需求和水華風險。
（1） 上游控制性水庫。
丹江口水庫為漢江中下游控制性水庫，本文主要考慮丹江口水庫調度運行方案對雅口樞紐蓄水的影響。丹江口至雅口區間的王甫洲、新集、崔家營等水庫均為日調節水庫，對雅口樞紐入庫徑流影響較小。
（2） 丹江口—雅口區間來水。
雅口樞紐位于丹江口水利樞紐下游，其入庫徑流由丹江口水庫下泄水量和丹江口—雅口區間來水量組成。區間來水主要為唐白河、北河和南河來水，約占壩址總徑流量的25.5%。
（3） 庫區堤防。
庫區堤防主要包括宜城市城區堤、宜城市河東堤、小何營村防護區和惠家洲村防護區等，水庫蓄水應以確保堤防安全為前提。
（4） 庫區防浸沒。
水庫蓄水后庫區水位高于或接近堤內地表高程，漢江補給堤內地下水，易導致兩岸堤內地下水位抬升，引發漬水災害。水庫蓄水應在確保防浸沒安全后實行。
（5） 上游用水。
雅口樞紐上游用水主要為南水北調中線一期工程、引漢濟渭工程、鄂北地區水資源配置工程、襄陽市引丹工程、引紅濟石工程和引乾濟石工程等從漢江調出水量。引調水工程均在丹江口水庫及以上，在丹江口水量調算中統一考慮。
（6） 下游用水。
雅口樞紐下游用水主要為鐘祥市、沙洋縣、天門市、潛江市、仙桃市的生活生產用水，灌區取水，以及區域內骨干渠系等生態用水。
（7） 下游斷面最小下泄流量管控要求。
雅口樞紐下游主要控制斷面為皇莊和仙桃斷面，根據《漢江流域水量分配方案》，皇莊和仙桃斷面的最小下泄流量控制指標均為500 m3/s。
（8） 興隆通航需求。
皇莊—河口段全年可通航300 t級船舶，中洪水期可通航500 t級船舶（其中，皇莊—興隆段500 t級駁船的通航保證率為75%，興隆以下河段為75%～90%）。根據皇莊水文站水文資料統計分析，為滿足本段Ⅲ級航道最小水深的要求，最小通航流量為490 m3/s。
（9） 水華風險。
漢江水華基本發生在枯水期，主要在1～4月份，以2月份最為集中。雅口樞紐蓄水期選定為3～4月，若期間遭遇漢江中下游水華事件，存在蓄水中止的風險。
2.2 兩階段蓄水調度模型
（1） 目標函數。
目標函數設置為兩階段蓄水時間之和最短，如式（1）所示：
f=min（T1+T2）
（1）
式中：T1和T2分別為第一階段和第二階段蓄水時間，d。
（2） 約束條件。
水庫初期蓄水階段，需在不影響工程庫岸安全前提下，協調考慮上游來水、上下游用水和水庫蓄水之間的關系。水量平衡、水庫水位、出庫流量、水庫水位—庫容曲線、始末水位、用水保障、水庫水位上升速率等約束如下：
Vt+1=Vt+（It-Qt）Δt（2）
Zmin≤Zt≤Zmax（3）
Qmin≤Qt≤Qmax（4）
Zt=fZV（Vt）（5）
Zstr1=53.40m，Zend1=54.72m（6）
Zstr2=54.72m，Zend2=55.22m（7）
Qt≥max（Q下游+Q生態，Q下游+Q航運）（8）
Zt+1-Zt≤ΔZmax（9）
式中：Vt和Vt+1分別為t時段始末水庫庫容，m3；
It和Qt分別為t時段水庫入庫流量和出庫流量，m3/s；
Δt為調度時段間隔，s；
Zt為t時段水庫水位，m；
Zmin和Zmax分別為允許最低和最高水位，m；
Qmin和Qmax分別為允許最小和最大出庫流量，m3/s；
fZV為水位-庫容關系曲線；
Zstr1和Zend1分別為蓄水第一階段始末水位，m；
Zstr2和Zend2分別為蓄水第二階段始末水位，m；
Q下游、Q生態和Q航運分別為下游用水、生態用水和航運用水需求，m3/s；
ΔZmax為允許的水庫水位上升速率上限，m。
3 結果分析
3.1 研究數據來源
研究數據主要包括丹江口水庫下泄流量、丹江口—雅口區間流量、雅口樞紐參數及運行數據、下游用水需求等。
（1） 蓄水期上游來水為丹江口水庫下泄流量和丹江口—雅口區間流量的合計值。丹江口水庫下泄流量采用《丹江口水庫2024年汛前水位消落計劃》方案；區間來水采用丹江口大壩加高以來最小月均流量值，來源于長江流域水文年鑒。
（2） 水庫運行數據為雅口樞紐水位庫容曲線及逐小時水位、流量數據，來源于雅口樞紐水情測報系統。
（3） 下游用水需求為下游取用水流量數據，來源于雅口—仙桃河段取水調查。
3.2 試驗性蓄水階段影響分析
在制定初期蓄水計劃之前，雅口樞紐已開展試驗性蓄水工作，以排除庫區蓄水安全隱患，為初期蓄水奠定基礎。
雅口樞紐于2022年10～11月進行試驗性蓄水，運行水位由52.50 m蓄水至54.95 m，水位抬升2.45 m，蓄水量1.52億m3，平均蓄水流量47.5 m3/s；試驗性蓄水結束后，運行水位逐漸控制至53.40 m。統計試驗性蓄水階段雅口樞紐下泄流量小于490 m3/s（雅口樞紐最小下泄流量）和500 m3/s（下游控制斷面最小下泄流量）的天數，如表1所列。試驗性蓄水階段，雅口樞紐下泄流量小于490 m3/s和500 m3/s的天數分別為6 d和7 d，主要集中于10月中下旬。下泄流量偏少一定程度上影響下游取用水和通航保障，制定初期蓄水計劃時應充分考慮下游用水需求，保留一定安全裕度。
3.3 初期蓄水階段來水用水分析
初期蓄水階段雅口樞紐上游來水為丹江口水庫下泄流量和丹江口—雅口區間流量的合計值。
依據丹江口水庫滾動來水預報中值，按照丹江口水庫水位消落相對均勻、盡量滿足各方用水需求、適當調整供水計劃的調度思路，擬定汛前水位消落方案。丹江口水庫4月底按水位160.00 m控制，2024年3～4月向漢江中下游供水流量分別為750 m3/s和800 m3/s。
丹江口—雅口區間來水主要為唐白河、北河和南河來水，其控制站包括新店鋪、郭灘、北河和谷城水文站。2015年以來3～4月平均流量最小年份為2016年，3月和4月4個控制站平均流量合計值分別為42.6 m3/s和79.2 m3/s，如表2所列。
根據實地調研，3～4月雅口—仙桃河段取水流量152 m3/s，結合下游皇莊、仙桃斷面最小下泄流量管控要求和興隆通航需求，初期蓄水階段雅口樞紐下泄流量最小值為652 m3/s。
基于以上分析，雅口樞紐蓄水期來水用水如表3所列。
3.4 初期蓄水計劃及影響分析
根據雅口樞紐初期蓄水調度原則，選取不同起蓄時間，對雅口樞紐進行蓄水調度，得到雅口樞紐初期蓄水計劃如表4和圖1所示。
第一階段蓄水時機分別選擇為3月1日和4月1日，蓄至死水位（54.72 m）歷時分別為7.3 d和4.5 d；第二階段蓄水時機選擇為3月21日和4月21日，蓄至正常蓄水位（55.22 m）歷時分別為3.3 d和2.1 d。不同起蓄時間下蓄水歷時差別較小，蓄水期間水位日上升幅度較小，水位日最小變幅0.14 m，最大變幅0.33 m，對樞紐本身安全基本無影響。雅口樞紐來水主要受丹江口水庫下泄影響，實際蓄水時，應密切關注水雨情預報及丹江口水庫下泄流量，合理選擇蓄水時機和蓄水方案。
不同蓄水方案中，下泄流量最小值均在保障雅口—仙桃區間用水的基礎上，滿足了雅口樞紐最小下泄流量（490 m3/s）要求，興隆樞紐通航最小流量（490 m3/s）要求和皇莊、仙桃斷面最小下泄流量控制指標（500 m3/s）要求，對興隆通航和下游生活生態生產用水基本無影響。蓄水期間，雅口樞紐攔蓄部分水量，一定程度上減少了下游碾盤山等水電站發電流量，對其發電效益產生一定影響，但考慮到蓄水歷時較短，總蓄水量僅1.29億m3，產生的影響相對較小。
蓄水完成后，庫區水位抬升至正常蓄水位運行，長期高水位運行勢必增加庫區堤防安全風險和庫區浸沒、耕地淹沒風險。因此，初期蓄水工作需在確保工程安全、防洪安全和庫區安全的前提下開展。蓄水過程中，應加強庫區和堤防巡查力度，如發現蓄水安全隱患或遭遇漢江中下游水華事件，應立即停止蓄水。
4 結 論
本文針對多約束條件下水庫初期蓄水計劃問題，以雅口樞紐為例，分析了初期蓄水制約因素和來水用水條件，建立了兩階段蓄水調度模型，制定了初期蓄水計劃。主要結論如下：
（1） 雅口樞紐蓄水制約因素主要是上游控制性水庫、區間來水、庫岸安全、用水需求、皇莊及仙桃斷面最小下泄流量管控要求、興隆通航需求和水華風險。
（2） 雅口樞紐來水由丹江口水庫下泄流量和丹江口—雅口區間流量組成，受丹江口水庫下泄流量影響較大。從偏安全角度出發，區間流量采用同期歷史最小值計算。
（3） 雅口樞紐于2024年3～4月份相機蓄水，不同起蓄時間下蓄水歷時差別較小。初期蓄水對下游生活生態生產和通航用水基本無影響，需持續關注高水位運行對工程安全、防洪安全和庫區安全的影響。
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（編輯：郭甜甜）
Initial water storage of Yakou Project on Hanjiang River under multiple constraints
XU Weifeng，BING Jianping，JIA Jianwei，WANG Fei，WANG Dong
（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）
Abstract：
The inflow of reservoirs such as Yakou Reservoir in the middle and lower reaches of the Hanjiang River is affected by the scheduling plans of upstream controlling reservoirs such as Danjiangkou Reservoir.Therefor its initial water storage is constrained by various factors，including engineering safety，reservoir bank safety，reservoir immersion，water use of production，living and ecology，Xinglong Project navigation，and the risk of water bloom.A coordinated initial water storage plan，taking into account inflow and water use both upstream and downstream，is crucial.This article takes the Yakou Project as an example and analyzes the various constraints on its initial water storage，based on the characteristics of the Hanjiang River Basin.It also calculates the inflow during the water storage period，which is affected by upstream controlling reservoirs，proposes a two-stage water storage model for reservoirs considering multiple constraints，and formulates an initial storage plan.The results indicate that there is little difference in the duration of water storage for the Yakou Project under different water storage schemes.The initial water storage has little impact on downstream production，living，ecology，and navigation water use，but attention should be paid to the impact of operating at a high water level for long periods on engineering safety，flood control safety，and reservoir bank safety.This method can provide a reference for the initial water storage of reservoirs in similar situations.
Key words：
reservoir scheduling； initial water storage； water storage scheduling model； Yakou Project； Hanjiang River Basin
