水庫汛限水位動態(tài)控制研究

孔德財，潘 杰

(1.黑龍江省水文局，哈爾濱150001;2.黑龍江農(nóng)墾水利工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，黑龍江蘿北154243)

1 概述

當前，大多數(shù)水庫承擔(dān)著防洪、灌溉、供水、發(fā)電等任務(wù)，并成為防洪體系的主體。汛期限制水位(簡稱汛限水位)作為水庫防洪安全的重要技術(shù)指標，是整個汛期調(diào)度運用的基礎(chǔ)。

水庫汛限水位關(guān)系到水庫的防洪安全、地區(qū)供水安全保證率、發(fā)電綜合效益。從供水與發(fā)電等興利的角度看，汛限水位越高，效益越好，但從防洪的角度看，汛限水位越高，意味著水庫的調(diào)節(jié)庫容越小，對防洪越不利。若水庫調(diào)節(jié)性能低，天然來水充沛，共用庫容很容易蓄滿，防洪與興利的矛盾就小，反之防洪安全和興利蓄水的矛盾十分突出。

在固定的汛限水位調(diào)度下，汛期水庫棄水量大，洪水資源不能得到有效利用，特別是對于多年調(diào)節(jié)水庫，由于前一年棄水過多，翌年遇到嚴重旱災(zāi)時，容易造成用水緊缺，嚴重時制約國民經(jīng)濟的發(fā)展。因此改變固定汛限水位的水庫調(diào)度方式，實行汛限水位動態(tài)調(diào)控已經(jīng)成為水庫運行管理的新要求。

水庫汛限水位動態(tài)控制有2種措施:①分期抬高汛限水位;②實時動態(tài)汛限水位控制。

2 分期抬高汛限水位

河流的洪水主要來源于降水，而降水本身在時間、空間上的分布是有一定規(guī)律的，具有明顯的季節(jié)性，特別是北方地區(qū)河流的洪水常發(fā)生在7、8月份，6、9月份相對較少。以黑龍江省為例，6、7、8、9月份降水分別占全年降水的17%、25%、21%和12%，嫩江、松花江干流年最大洪峰流量出現(xiàn)在7、8月份的次數(shù)占總次數(shù)的63.4% ～68.8%，其它支流占70%～84.6%。根據(jù)這個規(guī)律，黑龍江省水庫一般將汛期分為2或3個階段，分別確定其汛限水位，在汛期的后半段把水庫的汛限水位抬高，逐漸減少防洪庫容，增加為興利蓄水的庫容，為第二年提供足夠的興利水量，滿足供水、發(fā)電、灌溉以及其它應(yīng)急項目的需要。

分期抬高汛限水位的方法步驟為:

1)汛期分期的確定。常用的方法有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法等，有的省份已有公認的劃分標準。

2)分期汛限水位的確定。包括分期推求設(shè)計洪水、初選各分期洪水調(diào)度方式及調(diào)度原則、選擇調(diào)洪計算方法、初步確定汛限水位方案、進行調(diào)洪演算、綜合分析以最終確定分期汛限水位、上報批準等步驟。

例如，某水庫按500 a一遇洪水標準設(shè)計，5000 a一遇洪水標準校核。設(shè)計洪水位313.96 m，相應(yīng)庫容為8.36億m3;校核洪水位315.47 m，相應(yīng)庫容為9.95億m3;壩頂高程為316.00 m，防浪墻頂高程為317.00 m。該水庫汛期控制運用的主要任務(wù)是:保證大壩工程絕對的安全，兼顧保證下游城市和農(nóng)田安全。該水庫各頻率洪水的計算成果見表1。

表1 水庫各頻率洪水的計算成果表

根據(jù)水庫設(shè)計入庫洪水和典型年可推求其調(diào)洪演算結(jié)果，見表2。

根據(jù)水庫當前運行情況，進一步確定其分期汛限水位，見表3。

3 實時動態(tài)汛限水位控制

實時動態(tài)汛限水位控制以現(xiàn)代氣象預(yù)報、洪水預(yù)報和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，是真正意義上的汛限水位動態(tài)控制，目前全國已有少數(shù)水庫進行過試點，本文將從理論上對其可能性和實現(xiàn)條件加以探討。

3.1 汛限水位動態(tài)控制的可能性分析

表2 調(diào)洪演算成果表

表3 水庫分期汛限水位表

3.1.1 短期降雨預(yù)報技術(shù)的發(fā)展和普及使汛限水位動態(tài)控制成為可能

近年來，短期降雨預(yù)報發(fā)展很快，用戶可以根據(jù)需求得到各種類型的氣象產(chǎn)品，如天氣云圖、臺風(fēng)路徑等等，接收方式也從原來單一的傳真發(fā)展到衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)等多種手段，實時性和準確率大大提高。水文氣象預(yù)報模型一般有2種型式:①水文預(yù)報模型非動力耦合的降雨定量預(yù)報模型，通過人工干預(yù)相結(jié)合;②與水文實時預(yù)報模型耦合的降雨定量預(yù)報模型，兩模型成為有機整體，實現(xiàn)氣象物力信息的接收和處理，將于定量預(yù)報到流域出口斷面洪水過程的自動預(yù)報。

3.1.2 洪水預(yù)報技術(shù)的發(fā)展是汛限水位動態(tài)控制的基礎(chǔ)

短期洪水預(yù)報技術(shù)廣泛應(yīng)用于水庫來水預(yù)報中，并已取得了良好效果。特別是水文預(yù)報模型的迅速普及，使得預(yù)報計算機化廣泛推廣，如新安江模型、大伙房流域模型、水箱模型、河北模型、陜北模型等等。此外，洪水預(yù)報的實時校正技術(shù)也不斷發(fā)展，并逐步應(yīng)用于實際工作中，洪水預(yù)報的精度有了明顯改善。

3.1.3 現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展為汛限水位的動態(tài)控制提供了技術(shù)保證

軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，大大減輕了工作負擔(dān)，提高了工作效率。在水庫中應(yīng)用最廣、最有效的水雨情自動測報系統(tǒng)，其穩(wěn)定性、準確性和實時性足以滿足實時預(yù)報的需要，軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用使得水文、氣象耦合預(yù)報，歷史信息分析等原本復(fù)雜的工作變得簡單。

3.1.4 水庫的除險加固和堤防工程的建設(shè)是汛限水位動態(tài)控制的前提

水庫的預(yù)泄、防洪能力關(guān)系到水庫能否實行動態(tài)汛限水位。如果在實行汛限水位動態(tài)控制時，根據(jù)天氣預(yù)報，將有明顯的降雨過程，那么水庫就要進行預(yù)泄，使水庫水位降到汛限水位以下，以騰出庫容;或者在此過程中有突發(fā)性洪水，根據(jù)水庫現(xiàn)有泄洪能力確定能否安全度過洪水的襲擊，防止洪水漫過大壩出現(xiàn)險情。因此，實行汛限水位動態(tài)控制的一個基本要求是水庫必須達標，病險庫自身尚且難保，更不要說動態(tài)控制問題了。1998年以來，國家加強了對水利的投入，隨著水庫除險加固、堤防達標工程的逐步展開，越來越多的水庫滿足了汛限水位動態(tài)控制的前提條件。

3.2 汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險因素分析

水庫汛限水位動態(tài)控制的實質(zhì)屬于風(fēng)險調(diào)度范疇，控制的水位是在規(guī)劃的汛限水位上下浮動。影響動態(tài)控制汛限水位的因素，包括入庫洪水預(yù)報、降水預(yù)報的預(yù)見期、預(yù)報精度、各項預(yù)報的誤差分布、水庫預(yù)泄能力、下游河道允許最大泄量。誤差分布是利用降雨進行汛限水位動態(tài)控制的基礎(chǔ)，若風(fēng)險率滿足大壩自身安全的要求，便可以進行動態(tài)控制。對于一些大型水庫，匯流時間較長，洪水預(yù)報的預(yù)見期也長，精度高，更加為動態(tài)控制提供了可能。

但我們必須認識到氣象因素變化的復(fù)雜性。人類對氣象的認識遠未達到非常準確和萬無一失的程度，理論計算和實際情況還存在一定的差距，洪水和氣象是密切相關(guān)的，出現(xiàn)時間的偶然性很大，可能提前也可能錯后。因此，首先要研究汛期內(nèi)各時段降雨的成因，分析各類指標在一年內(nèi)的變化，即集中程度、季節(jié)變化、出現(xiàn)頻率等。

其次，要使短期洪水預(yù)報方案達到甲等水平，計算分析流域短時期降雨量和短期洪水過程預(yù)報的精度(包括不同預(yù)見期的精度)、洪峰時間、洪峰流量及洪量;分析預(yù)報誤差的彌補措施和誤差影響安全的程度等。

此外，水庫水雨情自動測報系統(tǒng)運行的可靠性、站點布設(shè)對場次降雨的控制程度、選取典型洪水的代表性等等，也需要逐一分析論證。

4 結(jié)語

要實現(xiàn)雨洪資源的有效利用，往往不是一座水庫能夠單獨完成的。目前，水資源豐富的河流大多已進行了梯級開發(fā)，水庫汛限水位的動態(tài)控制已不僅僅局限于一座水庫，而是梯級水庫的綜合調(diào)度問題，同時還要綜合考慮下游的防洪任務(wù)、區(qū)間防洪來水的錯峰要求(允許最高庫水位、河道安全泄量)等，要在防洪安全前提下保證興利蓄水。

［1］ 林瑜杰.基于橫山水庫汛限水位動態(tài)控制運用的分析［J］.黑龍江水利科技，2007，35(3):5-7.

［2］ 劉卓也，蘆曉峰，魏玉成.水庫防洪調(diào)度研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(3):939-942.

［3］ 孫慶伯，劉秉澤，馬訓(xùn)，錢學(xué)偉.黑龍江省歷史大洪水［M］.哈爾濱:黑龍江省人民出版社，1999.