漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域分析

李曉新

（1.山西省防汛抗旱指揮部辦公室，山西 太原 030002；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 引言

漳澤水庫承擔(dān)著漳澤電廠、長(zhǎng)治鋼鐵廠等十余家大中型企業(yè)用水以及1.32萬hm2耕地的灌溉用水。設(shè)計(jì)年供水量1億m3，目前漳澤水庫實(shí)際工業(yè)供水量達(dá)4 691萬m3，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需水量將逐步增加并接近水庫設(shè)計(jì)供水量，批復(fù)的工業(yè)供水指標(biāo)達(dá)7 070萬m3。與此同時(shí)，自20世紀(jì)80年代以來，漳澤水庫平均入庫徑流量明顯減少，平均徑流量?jī)H7 950萬m3，水資源供需矛盾比較突出，如果遭遇連續(xù)枯水年，水庫的供水形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。因此，在水庫防汛與興利矛盾日漸突出的形勢(shì)下，除采取工程措施外，有必要研究經(jīng)濟(jì)的非工程措施，即改變傳統(tǒng)調(diào)度方式，充分發(fā)揮水庫的調(diào)蓄潛力。以漳澤水庫目前的汛期汛限水位靜態(tài)分期控制方式進(jìn)行計(jì)算，26年來，汛期多年平均棄水量為4 200萬m3，占來水量的26.4%。由此可見，現(xiàn)行的汛限水位控制方案棄水量較大，洪水資源仍有利用空間。為更好地利用汛期洪水資源來提高水庫興利效益，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究是十分必要的。同時(shí)漳澤水庫大壩壩體穩(wěn)定、封閉條件及工程條件良好；區(qū)域降水量、洪水具有顯著的季節(jié)性特征，開展汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究是可行的。

2 漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域分析

2.1 降雨預(yù)報(bào)信息的可利用性分析

經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，汛限水位控制相關(guān)理論已有很大發(fā)展。汛限水位的控制方法主要經(jīng)歷了三個(gè)階段[1，2]：?jiǎn)我还潭ㄋ豢刂啤⒎制诠潭ㄋ豢刂萍胺制趧?dòng)態(tài)水位控制。水庫汛限水位的單一控制只利用了洪水的統(tǒng)計(jì)信息；分期固定水位控制利用了暴雨、洪水季節(jié)變化規(guī)律，改變了整個(gè)汛限水位單一固定不變的控制方式；水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制利用氣象及水文預(yù)報(bào)的信息和當(dāng)前洪水信息，在有效、可靠的預(yù)見期內(nèi)和即時(shí)洪水情勢(shì)條件下，適時(shí)調(diào)整水庫洪水起調(diào)水位（汛限水位），確保在大洪水來臨前將水庫水位安全降至原設(shè)計(jì)汛限水位，且保證在發(fā)生設(shè)計(jì)或校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)水庫大壩安全不受影響，達(dá)到在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下增加水庫效益的目的。水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法在一定程度上解決了汛期防洪與興利的矛盾。該方法利用洪水預(yù)報(bào)信息或降雨預(yù)報(bào)信息，根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)將水庫水位控制在動(dòng)態(tài)控制域范圍內(nèi)。相對(duì)于以往設(shè)定一個(gè)汛限水位而言，“控制域”的提出更為科學(xué)合理。針對(duì)漳澤水庫的實(shí)際情況，由于其水庫洪水預(yù)報(bào)方案精度低、預(yù)報(bào)結(jié)果不準(zhǔn)確，在對(duì)水庫相關(guān)流域降雨預(yù)報(bào)信息可利用性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用預(yù)泄能力約束法、考慮與設(shè)計(jì)條件差別的方法綜合確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域。

根據(jù)目前的氣象預(yù)報(bào)發(fā)展水平與預(yù)報(bào)精度，對(duì)長(zhǎng)治氣象臺(tái)未來24 h和未來24～48 h的短期降雨預(yù)報(bào)的精度、預(yù)報(bào)誤差分布規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

第一，長(zhǎng)治市氣象臺(tái)未來24 h和未來24～48 h各預(yù)報(bào)降雨量對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨量的經(jīng)驗(yàn)頻率分布屬于偏態(tài)型，空?qǐng)?bào)率大于漏報(bào)率，即除了無雨預(yù)報(bào)以外，其他量級(jí)有“預(yù)報(bào)偏大”的傾向。

第二，長(zhǎng)治市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)未來24 h和未來24～48 h為無雨、小雨和中雨時(shí)，發(fā)生大雨及以上量級(jí)的頻率較低。

第三，根據(jù)現(xiàn)有資料，在大雨以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)的發(fā)布次數(shù)上，統(tǒng)計(jì)得到的大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)的頻率、空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率波動(dòng)較大。

為更好地將降雨預(yù)報(bào)用于水庫調(diào)度中，并使汛限水位動(dòng)態(tài)控制建立在安全可靠的基礎(chǔ)上，在接到不同量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后能夠判斷是否應(yīng)該加大泄量，采用頻率分析法進(jìn)一步分析某一量級(jí)降雨預(yù)報(bào)條件下實(shí)際可能發(fā)生降雨量的頻率分布規(guī)律，給決策者提供“外延”信息。

表1 非參數(shù)檢驗(yàn)成果表

經(jīng)非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)（表1），長(zhǎng)治市氣象臺(tái)無雨、小雨和中雨預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨量分布屬于偏態(tài)型，符合PIII型分布。以各級(jí)降雨預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨量為樣本，利用矩法估計(jì)其統(tǒng)計(jì)參數(shù)（式1—2）初估參數(shù)x和CV，初步選定CS（式3）與CV的比值，然后以PIII型曲線作為理論線型，目估適線法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，由于大雨以上量級(jí)樣本容量太小，未對(duì)其進(jìn)行頻率計(jì)算，只對(duì)未來24 h和未來24～48 h無雨、小雨和中雨預(yù)報(bào)相應(yīng)的實(shí)際降雨量進(jìn)行頻率計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：未來24 h預(yù)報(bào)無雨、小雨和中雨時(shí)，發(fā)生大暴雨的頻率均低于0.01%；未來24～48 h預(yù)報(bào)中雨時(shí)，發(fā)生大暴雨的頻率約為0.2%～0.1%。當(dāng)預(yù)測(cè)未來24 h、未來24～48 h預(yù)報(bào)無雨、小雨和中雨時(shí)，發(fā)生大暴雨的頻率均非常小。因此，長(zhǎng)治市氣象臺(tái)未來24 h和未來24～48 h無雨、小雨和中雨預(yù)報(bào)在漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制中可以應(yīng)用。

2.2 汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限的確定

2.2.1 確定步驟

汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限的確定分4個(gè)步驟：

第一，計(jì)算有效預(yù)見期t1。計(jì)算公式為：

式中：tf——短期降雨預(yù)報(bào)可利用的預(yù)見期；

tc——預(yù)報(bào)信息傳遞時(shí)間；

tj——預(yù)泄決策調(diào)令傳播時(shí)間；

tz——閘門操作時(shí)間。

第二，求有效預(yù)見期t1期間平均出流量q出。假定經(jīng)t1時(shí)期后浮動(dòng)水位增值ΔZ1，則絕對(duì)水位為Zt1=Z0+ΔZ1，根據(jù)Zt1與Z0，查水位—泄量關(guān)系得出qt1和q0，近似求出t1期間平均出流q出＝（qt1+q0）/2。

第三，求Q入。如有可利用的洪水預(yù)報(bào)信息，則根據(jù)面臨時(shí)刻t0預(yù)報(bào)的入庫洪水過程推求t1期間平均入庫流量，用梯形法或矩形法可求出Q入；若無洪水預(yù)報(bào)信息，利用降雨預(yù)報(bào)信息，則t1期間平均入庫流量則為發(fā)布大雨以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后，有效預(yù)見期內(nèi)的平均入庫流量。

第四，汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限計(jì)算。

預(yù)泄水量（q出－Q入）×t1＝ΔV1

上浮后的庫容Vt1＝V0+ΔV1。

其中，V0為面臨時(shí)刻t0水位Z0所相應(yīng)庫容。由Vt1查求庫容水位關(guān)系得到Z′t1，若Z′t1≈Zt1則試算停止，否則重設(shè)Zt1，重復(fù)第二步至第四步步驟，直到滿足要求為止。Zt1即為允許上浮的汛限水位。

2.2.2 確定方法

第一，采用預(yù)泄能力約束法來確定漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限。

漳澤水庫預(yù)泄能力主要受四方面約束：一是受水庫下游安全泄量300 m3/s的約束。二是受預(yù)泄時(shí)間，即有效預(yù)見期的約束。根據(jù)短期降雨預(yù)報(bào)可利用性分析成果，未來48 h短期預(yù)報(bào)信息在實(shí)際調(diào)度中是可利用的，假定實(shí)際降雨發(fā)生在最不利時(shí)刻，即24～48 h降雨預(yù)報(bào)的24 h之初，則降雨預(yù)報(bào)可利用的預(yù)見期為24 h?？紤]到信息傳遞時(shí)間、預(yù)泄決策調(diào)令傳達(dá)及實(shí)施時(shí)間、閘門操作時(shí)間等在實(shí)際調(diào)度中可能有所差異，有效預(yù)見期取20 h或22 h。三是受預(yù)泄時(shí)的水庫入庫流量約束。此次漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制分析采用的是降雨預(yù)報(bào)信息，即水庫相關(guān)流域氣象臺(tái)發(fā)布未來48 h大雨、暴雨、大暴雨降雨預(yù)報(bào)信息后，水庫開始預(yù)泄。因此，預(yù)泄時(shí)入庫流量即為發(fā)布24～48 h大雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息后的入庫流量。鑒于安全考慮，在確定漳澤水庫汛限水位控制域時(shí)，將有效預(yù)見期內(nèi)的最大入庫流量作為水庫預(yù)泄時(shí)的入庫流量。統(tǒng)計(jì)漳澤水庫流域2004—2009年發(fā)布24～48 h大雨以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)信息，有效預(yù)見期內(nèi)相應(yīng)實(shí)測(cè)入庫流量為1.1～28.1 m3/s，平均流量5.4 m3/s，最大入庫流量28.1 m3/s，為安全起見，取30 m3/s。四是受城市供水與灌溉平均出流約束。根據(jù)漳澤水庫設(shè)計(jì)年供水量，有效預(yù)見期內(nèi)水庫出流取5 m3/s。

基于上述基本條件分析，可得出如下結(jié)論：

一是若有效預(yù)見期取22h，則可預(yù)泄水量2178萬m3。對(duì)主汛期而言，在原汛限水位（901.0 m）對(duì)應(yīng)的庫容基礎(chǔ)上增加2178萬m3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為901.8m，即預(yù)泄能力約束方法確定的主汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限；對(duì)前后汛期而言，在水庫現(xiàn)行分期汛限水位901.5 m對(duì)應(yīng)的庫容基礎(chǔ)上增加2 178萬m3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為902.3 m，即預(yù)泄能力約束方法確定的前后汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限。

二是若有效預(yù)見期取20 h，則可預(yù)泄水量1 980萬m3。對(duì)主汛期而言，在原汛限水位（901.0 m）對(duì)應(yīng)的庫容基礎(chǔ)上增加1 980萬m3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為901.75 m，即預(yù)泄能力約束方法確定的主汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限；對(duì)前后汛期而言，在水庫現(xiàn)行分期汛限水位901.5 m對(duì)應(yīng)的庫容基礎(chǔ)上增加1 980萬m3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為902.2 m，即預(yù)泄能力約束方法確定的前后汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限。綜上所述，漳澤水庫以預(yù)泄能力為基礎(chǔ)的汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限計(jì)算成果見表2。

表2 漳澤水庫預(yù)泄能力方法下汛限水位動(dòng)態(tài)控制域

第二，考慮與設(shè)計(jì)條件差別的方法確定漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限。

漳澤水庫上游流域內(nèi)各支流有6座中型水庫，根據(jù)近年來歷史資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研考查，部分水庫現(xiàn)狀與《1984年漳澤水庫改建工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中得出汛限水位901.0 m的水庫狀況有較大差別。其中莊頭水庫流域內(nèi)大部分為石灰?guī)r地區(qū)，植被較差，水土流失嚴(yán)重，完全處于空庫狀態(tài)；陶清河水庫為空庫度汛；西堡水庫常年無水。根據(jù)1984年前后上述3座水庫入庫徑流對(duì)比，假定發(fā)生較大量級(jí)洪水時(shí)3座水庫處于死水位狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算，3座水庫與設(shè)計(jì)條件相比，可多截留的水量為3 353萬m3，相當(dāng)于漳澤水庫入庫洪水量減少了3 353萬m3，以此作為水庫汛限水位上浮原設(shè)計(jì)汛限水位多出的庫容值。據(jù)此計(jì)算，對(duì)主汛期而言，在原汛限水位901.0 m對(duì)應(yīng)的庫容基礎(chǔ)上增加了3 353萬m3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水位為902.2 m。對(duì)前后汛期而言，對(duì)應(yīng)的水位上限為902.4 m。即考慮與設(shè)計(jì)條件差別方法確定的前后汛期水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限。

3 結(jié)語

對(duì)漳澤水庫流域未來24 h和未來24～48 h短期降雨預(yù)報(bào)精度進(jìn)行分析，表明未來24 h和未來24～48 h無雨、小雨、中雨預(yù)報(bào)信息均可用于漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制。采用預(yù)泄能力約束法、考慮與設(shè)計(jì)條件差別的方法，得出了三種汛限水位動(dòng)態(tài)控制域方案。在保障安全的前提下、在有效預(yù)見期內(nèi)，須將水庫水位降至原設(shè)計(jì)汛限水位及以下，確保水庫大壩安全且汛限水位逐步調(diào)整為原則，并考慮漳澤水庫所處流域的特點(diǎn)及調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水庫汛期分期研究成果，確定漳澤水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制域?yàn)橹餮雌?01.0～901.75 m，前后汛期901.5～902.2 m。