關(guān)于潘家口水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的分析

仇新征， 徐 亮

(水利部海委引灤工程管理局，河北唐山 064309)

潘家口水庫(kù)是以供水為主結(jié)合發(fā)電的綜合利用大型水利工程，主汛期實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制可以減少汛期棄水，增加主汛期蓄水量和水庫(kù)調(diào)節(jié)水量，用于枯水期或枯水年供水，實(shí)現(xiàn)洪水資源化利用，從而在一定程度上改善下游的用水緊張狀況。因此，有必要挖掘現(xiàn)有引灤樞紐工程的潛力，對(duì)潘家口水庫(kù)主汛期汛限水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，增加水庫(kù)汛期蓄水量，充分發(fā)揮潘家口水庫(kù)多年調(diào)節(jié)庫(kù)容的作用，以提高天津市和河北省供水保證率，更好的發(fā)揮潘家口水庫(kù)的綜合效益。

1 工程概況

潘家口水庫(kù)是大Ι型砼重力壩，控制灤河流域面積75%，壩長(zhǎng)1 039米，最大壩高107米。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為五千年一遇。死水位180.00米，汛限水位216.00米，最高蓄水位224.70米，其主要作用是攔蓄灤河徑流，實(shí)現(xiàn)跨流域供水，同時(shí)兼顧防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖等。潘家口水庫(kù)多年平均徑流量24.5億立方米，在75%的設(shè)計(jì)保證率下，向天津市供水10.0億立方米，向河北省供水9.5億立方米，為一不完全多年調(diào)節(jié)的水庫(kù)。

2 必要性分析

目前，我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺不斷加劇，如何利用現(xiàn)有水利工程增加蓄水量已顯日趨重要。

灤河水量年際及年內(nèi)變化差異大，根據(jù)潘家口水文站1929年以來(lái)的水文資料年際最大來(lái)水量71億立方米，最小來(lái)水量?jī)H為3.6億立方米，相差近20倍，而年內(nèi)潘家口水庫(kù)70%以上的來(lái)水量集中在汛期6～9月份。其中1999～2007年為連續(xù)枯水年份，年均來(lái)水量為7.59億立方米。天津市自1999年以來(lái)連續(xù)8年供水水源不足，1999～2007年潘家口水庫(kù)向天津市平均年供水量為5.28億立方米，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)供水保證率P=75%時(shí)向天津供水10億立方米的要求。天津市于2000年、2002年、2003年和2004年4次實(shí)施了引黃濟(jì)津應(yīng)急調(diào)水，累計(jì)調(diào)引黃河水量33.76億立方米，年均引水量為8.44億立方米。河北省同樣面臨供水嚴(yán)重不足的情況，通過(guò)節(jié)水和調(diào)用其它水源等措施來(lái)緩解用水緊張的問(wèn)題?？梢钥闯?，作為天津市和河北省的水源水庫(kù)，潘家口水庫(kù)的可供水量已不能滿(mǎn)足兩地區(qū)的用水需求。

潘家口水庫(kù)汛限水位216.00米，最高蓄水位224.70米，防洪與興利重復(fù)庫(kù)容為5.40億立方米(原始庫(kù)容)，約占興利庫(kù)容的近30%。由于潘家口水庫(kù)的汛限水位相對(duì)較低，汛期防洪與供水的矛盾比較突出。根據(jù)潘家口水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用歷史資料分析，由于受汛限水位的限制，1997年和1999年這兩個(gè)大旱年的前一年，潘家口水庫(kù)主汛期(7月1日～8月15日)均有大量棄水，1996年和1998年主汛期棄水分別為7.35億立方米和4.05億立方米，灤河水資源浪費(fèi)較大。

3 可行性分析

為加強(qiáng)洪水管理，充分利用洪水資源，規(guī)范水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制試點(diǎn)工作，國(guó)家防總特印發(fā)了《水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制試點(diǎn)工作意見(jiàn)》，作為全國(guó)各地開(kāi)展水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制試點(diǎn)工作的指導(dǎo)性文件。

天津設(shè)計(jì)院于1997年完成了《設(shè)計(jì)洪水和大壩防洪安全復(fù)核報(bào)告》，1998年6月完成了《潘家口水庫(kù)大壩首次安全鑒定綜合報(bào)告》，潘家口水庫(kù)被定為一類(lèi)壩，并于2008年11月完成第二次大壩安全鑒定，滿(mǎn)足汛限水位動(dòng)態(tài)控制工程要求。

潘家口水庫(kù)運(yùn)行26年來(lái)，先后建設(shè)了氣象信息采集和預(yù)報(bào)系統(tǒng)、中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，編制和應(yīng)用了洪水預(yù)報(bào)方案，在氣象預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)、短期洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

4 汛限水位動(dòng)態(tài)控制分析

根據(jù)《水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制試點(diǎn)工作意見(jiàn)》要求，水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制主要建立在防洪非工程措施上，采用“五不變”原則:(1)不改變水庫(kù)原有各種功能;(2)不降低水庫(kù)及下游防洪標(biāo)準(zhǔn);(3)不新建其他防洪工程;(4)不改變?cè)O(shè)計(jì)洪水;(5)不增加淹沒(méi)損失。

根據(jù)潘家口水庫(kù)短期洪水預(yù)報(bào)的精度，預(yù)見(jiàn)期一般采用9個(gè)小時(shí)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的精度，洪水預(yù)見(jiàn)期一般采用1～2天。在不增加下游洪澇損失和不增加上游淹沒(méi)損失的前提下，根據(jù)水文預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期和天氣預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期對(duì)潘家口水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算。

5 計(jì)算成果

根據(jù)洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期，50年一遇洪水，潘家口水庫(kù)汛限水位可抬至218.70米，500年一遇洪水，潘家口水庫(kù)汛限水位可抬至219.50米。

通過(guò)調(diào)洪演算，當(dāng)灤河流域發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，汛期水位可抬至219.60米，當(dāng)發(fā)生500年一遇洪水時(shí)可抬至219.55米。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果并考慮到洪水預(yù)報(bào)的誤差，汛期潘家口水庫(kù)汛限水位可控制至218.00米，當(dāng)年可多增加蓄水量1.2億立方米，多年平均增加供水量0.4億立方米(75%設(shè)計(jì)保證率)。

6 風(fēng)險(xiǎn)分析及補(bǔ)救措施

汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)主要分為水庫(kù)本身防洪風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)報(bào)操作誤差風(fēng)險(xiǎn)、下游防洪風(fēng)險(xiǎn)以及庫(kù)區(qū)泥沙淤積等四個(gè)主要方面。

6.1 水庫(kù)本身防洪風(fēng)險(xiǎn)性分析

水庫(kù)主汛期汛限水位在216～218米之間動(dòng)態(tài)運(yùn)行，雖然汛期在沒(méi)有來(lái)洪水時(shí)水庫(kù)維持較高的運(yùn)行水位218米，但根據(jù)洪水預(yù)報(bào)，可以在洪水入庫(kù)前提前預(yù)泄，并在漲水初期加大流量預(yù)泄，能在一天內(nèi)將庫(kù)水位從主汛期最高控制水位218米降至216米，保證50年一遇及以上的洪水調(diào)洪水位不超過(guò)原設(shè)計(jì)洪水位。因此，對(duì)于大洪水而言，主汛期汛限水位動(dòng)態(tài)控制對(duì)水庫(kù)本身的防洪安全沒(méi)有影響。

根據(jù)滾動(dòng)的洪水預(yù)報(bào)成果，實(shí)時(shí)控制預(yù)泄，對(duì)于50年一遇以下的中、小洪水，主汛期庫(kù)水位不必預(yù)降到最低216米，因其最高調(diào)洪水位相對(duì)較低，對(duì)水庫(kù)安全不會(huì)構(gòu)成威脅。

根據(jù)灤河流域洪水的特點(diǎn)，每年至多入庫(kù)1～2場(chǎng)洪水，當(dāng)主汛期第一場(chǎng)洪水的調(diào)洪水位超過(guò)218米，退水階段逐步回落到218米，當(dāng)預(yù)報(bào)再有洪水來(lái)時(shí)，水庫(kù)應(yīng)繼續(xù)預(yù)降水位;當(dāng)調(diào)洪水位低于218米時(shí)，在退水階段應(yīng)逐步回蓄到218米。

6.2 預(yù)報(bào)操作誤差風(fēng)險(xiǎn)分析及補(bǔ)救措施

主汛期汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究采用的預(yù)報(bào)洪水過(guò)程是用設(shè)計(jì)洪水過(guò)程代替，并假定已對(duì)預(yù)報(bào)的洪水流量放大了20%，與實(shí)際預(yù)報(bào)的洪水過(guò)程有一定的誤差;另外，各種洪水預(yù)報(bào)方案的預(yù)報(bào)精度受自然、環(huán)境、技術(shù)手段、測(cè)量設(shè)備和人為因素等各方面的影響，與實(shí)際發(fā)生洪水也存在誤差。

減少洪水預(yù)報(bào)誤差的措施可以采用:利用遙測(cè)系統(tǒng)各自然河系出口斷面的流量控制站的遙測(cè)流量數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報(bào)模型，直接演算至潘家口水庫(kù)，這樣可以濾去各自然河系產(chǎn)流計(jì)算時(shí)的誤差，提高預(yù)報(bào)精度;利用潘家口水庫(kù)入庫(kù)控制站烏龍磯站的起漲段實(shí)測(cè)洪水，實(shí)時(shí)校正洪水預(yù)報(bào)成果;利用潘家口水庫(kù)壩前反推的入庫(kù)洪水修正洪水預(yù)報(bào)結(jié)果;同時(shí)利用不同的預(yù)報(bào)方案對(duì)預(yù)報(bào)洪水進(jìn)行比較，并對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行會(huì)商，根據(jù)水情形勢(shì)的發(fā)展和對(duì)實(shí)際入庫(kù)洪水的測(cè)量與驗(yàn)證結(jié)果，及時(shí)調(diào)整對(duì)后續(xù)洪水的預(yù)報(bào)結(jié)果。

6.3 下游防洪風(fēng)險(xiǎn)性分析及補(bǔ)救措施

實(shí)行洪水預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度方式，將使水庫(kù)下游地區(qū)提前承擔(dān)防洪壓力。如果預(yù)報(bào)失誤，實(shí)際入庫(kù)洪水量級(jí)小于預(yù)報(bào)洪水量級(jí)，預(yù)泄流量過(guò)大，則下游地區(qū)可能存在較大的防洪壓力;反之，實(shí)際入庫(kù)洪水量級(jí)大于預(yù)報(bào)洪水量級(jí)，預(yù)泄流量過(guò)小，則庫(kù)水位下降較慢，對(duì)于大洪水，為使庫(kù)水位在大流量入庫(kù)前降到216米，后時(shí)段需要加大下泄流量，也可能增加下游防洪負(fù)擔(dān)。

下游河道防洪以灤縣水文站作為控制站，潘灤區(qū)間洪水較大，潘灤區(qū)間實(shí)際發(fā)生洪水與設(shè)計(jì)洪水過(guò)程存在誤差，因此，潘家口出庫(kù)流量與區(qū)間洪水組合成灤縣站洪水過(guò)程與設(shè)計(jì)情況也有偏差。

水庫(kù)在按預(yù)報(bào)調(diào)度方案預(yù)泄流量時(shí)，在不影響大壩本身防洪安全的前提下，考慮了下游河道不同防護(hù)對(duì)象的防洪要求。灤河下游防洪小埝、防洪大堤和白龍山電站雖然不是原設(shè)計(jì)確定的防護(hù)目標(biāo)，但考慮到地方的要求和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，結(jié)合潘灤區(qū)間各種頻率洪水過(guò)程制定了相應(yīng)的各級(jí)預(yù)泄流量。對(duì)于中、小洪水預(yù)報(bào)調(diào)度時(shí)控制下泄流量，起到削峰滯洪作用，可以滿(mǎn)足下游各防護(hù)對(duì)象的防洪要求。發(fā)生大洪水(50年一遇及以上洪水)時(shí)，則在預(yù)泄階段控制預(yù)泄流量，按各級(jí)防護(hù)流量維持一定的時(shí)間，給下游地區(qū)留出必要的防洪準(zhǔn)備時(shí)間。因此，水庫(kù)主汛期采用預(yù)報(bào)調(diào)度對(duì)汛限水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，如果洪水預(yù)報(bào)精度符合要求，可使中、小洪水情況下的下游防洪安全性有所提高，而對(duì)大洪水情況下的下游河道防洪影響不大。

補(bǔ)救措施可以采用:提高入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)精度，減少因預(yù)報(bào)誤差產(chǎn)生誤泄幾率;為提高下游防洪安全性，需加強(qiáng)潘灤區(qū)間降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)工作，為水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度提供依據(jù);當(dāng)洪水預(yù)報(bào)誤差較大，水庫(kù)發(fā)生超泄時(shí)，應(yīng)及時(shí)與下游防汛部門(mén)聯(lián)系，對(duì)下游防洪工程做好搶護(hù)準(zhǔn)備，如果下泄洪水量級(jí)對(duì)下游生命和財(cái)產(chǎn)會(huì)構(gòu)成威脅時(shí)，應(yīng)及時(shí)做好安全轉(zhuǎn)移工作。

6.4 庫(kù)區(qū)泥沙淤積分析及補(bǔ)救措施

根據(jù)海委引灤局編制的《潘家口水庫(kù)泥沙淤積資料匯編》(1989年～1996年)結(jié)論，潘家口水庫(kù)的淤積縱剖面呈三角洲形態(tài)，三角洲的頂點(diǎn)逐年向壩前推進(jìn)，各段比降趨于穩(wěn)定，推測(cè)今后淤積體的位置只是隨著汛期水位的高低而有上下的錯(cuò)動(dòng)，不會(huì)再有明顯的形態(tài)變化和比降的調(diào)整。

1996年水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積最嚴(yán)重的部位在距壩40千米的王寶石至清河塘(三角洲頂坡段)一帶，最大淤積厚度17米;測(cè)驗(yàn)資料表明，位于尾部段的小芒牛哨斷面，主河槽十分穩(wěn)定，無(wú)左右擺動(dòng)和大沖大淤現(xiàn)象;距壩62.4千米車(chē)河口斷面，呈不沖不淤狀態(tài)。壩前淤積高程超過(guò)設(shè)計(jì)值7米，河底高程達(dá)到154米，已接近泄洪底孔進(jìn)口高程。

根據(jù)庫(kù)區(qū)淤積特點(diǎn)，水庫(kù)汛限水位越高，庫(kù)區(qū)泥沙淤積體上延越快，庫(kù)尾淤積越嚴(yán)重。主汛期實(shí)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制，庫(kù)水位在216～218米之間運(yùn)行，三角洲淤積體可能會(huì)逐漸向庫(kù)尾段延伸，增加庫(kù)尾的泥沙淤積，從而可能會(huì)抬高庫(kù)尾回水水位，增加淹沒(méi)范圍。

其補(bǔ)救措施主要是加強(qiáng)庫(kù)區(qū)泥沙淤積量和淤積形態(tài)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)淤積較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，采取相應(yīng)的調(diào)水調(diào)沙措施，恢復(fù)水庫(kù)有效庫(kù)容和防洪庫(kù)容。

7 效益分析

潘家口水庫(kù)主汛期汛限水位在216～218米之間動(dòng)態(tài)運(yùn)行，可增加水庫(kù)的供水和發(fā)電等興利效益。由于潘家口電站不僅常規(guī)機(jī)利用天然水流發(fā)電，當(dāng)汛期出庫(kù)流量較大時(shí)，三臺(tái)抽水蓄能機(jī)組也利用剩余的水庫(kù)棄水發(fā)電，發(fā)電效益難以準(zhǔn)確計(jì)算。因此，興利計(jì)算主要考慮水位變化對(duì)水庫(kù)供水的影響，對(duì)發(fā)電效益僅計(jì)算多年平均水流電量指標(biāo)。

通過(guò)計(jì)算可以得出以下結(jié)論:當(dāng)主汛期汛限水位在216～218米之間動(dòng)態(tài)運(yùn)行，供水保證率P=75%時(shí)可使水庫(kù)增加0.4億立方米供水量，水流電量增加0.03億千瓦時(shí)。