洪水資源利用安全水平評(píng)估方法

陳 丁 戴建煒 陳守倫,2 顧文鈺(.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 20098; 2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 20098； .貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

洪水資源利用安全水平評(píng)估方法

陳 丁1戴建煒3陳守倫1,2顧文鈺1(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098； 3.貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

為平衡防洪安全和洪水資源利用之間的關(guān)系，提出了廣義洪水預(yù)見期，在敞泄回蓄和滯洪跟蹤調(diào)度方法中，可對(duì)洪水資源利用及安全水平進(jìn)行量化分析，對(duì)不同量級(jí)的洪水及其退水過程進(jìn)行洪水資源利用及安全水平評(píng)估。決定采用的調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)了減少無益棄水，在可控范圍內(nèi)做到充分利用洪水資源。

洪水;水資源利用;安全;評(píng)估方法

1 概 述

眾所周知，水電能源是一種清潔可再生能源，增加汛期水電發(fā)電量，減少火電發(fā)電量對(duì)我國節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)將有重要作用。洪水資源利用和安全水平相互制約，對(duì)如何平衡二者關(guān)系曾有過廣泛研究，包括動(dòng)態(tài)汛限水位研究，以及中、長期調(diào)節(jié)水庫分期蓄水的研究,其中都涉及到洪水資源的利用。

動(dòng)態(tài)汛限水位完全基于一個(gè)假設(shè)，即后續(xù)洪水隨時(shí)會(huì)發(fā)生(含校核量級(jí)的洪水)，但這樣會(huì)造成常見洪水資源沒有得到任何程度的利用。本文討論廣義洪水預(yù)見期和充分利用能力以及最快下泄時(shí)間三者的關(guān)系，來評(píng)價(jià)洪水資源利用及安全水平，并可利用洪水特征，來選取不同的調(diào)度方式及洪水資源利用量。

2 基本概念

(1) 不可控洪水。當(dāng)入庫洪水洪峰流量(Qm)大于起調(diào)水位(Z0)最大下泄能力(q0m)時(shí)，該洪水為不可控洪水(見圖1)[1-2]。

(2) 最快下泄時(shí)間。不可控洪水在被動(dòng)執(zhí)行敞泄過程中(q

(3) 敞泄回蓄法。庫水位因前期各種原因(包括不可控、下游防洪要求等)蓄至調(diào)洪高水位Z1后，為了水庫安全執(zhí)行敞泄，恢復(fù)至汛限水位(Z0)，然后擇機(jī)(如te)攔尾回蓄，以利用洪水資源，圖2中陰影面積代表攔蓄的洪尾。

(4) 滯洪跟蹤法。設(shè)水庫興利充分利用水能力為QT(如發(fā)電最大引用流量),如圖3所示，調(diào)洪最高水位Z1，水庫已蓄了ΔV水量，自水位Z1(即t1時(shí)刻)開始執(zhí)行跟蹤入庫調(diào)度方式(即q=Q)，直至tf時(shí)刻，水庫一直維持在高水位Z1，且保持ΔV，僅泄退水段入庫洪水。 若后期發(fā)生洪水，可執(zhí)行敞泄泄洪。

(5) 廣義洪水預(yù)見期。關(guān)于洪水預(yù)見期有各種不同的定義，較為常見的有流域平均匯流時(shí)間、主雨強(qiáng)落地至峰現(xiàn)時(shí)間、洪水過程線形心定義等。為便于計(jì)算,將其定義為狹義預(yù)見期 ，而廣義洪水預(yù)見期TGy則定義為

TGy=Twy+Txy

(1)

式中,Twy為流域匯流時(shí)間，Txy為預(yù)報(bào)無雨時(shí)長，顯然，Twy=0，則TGy=Txy。

3 敞泄回蓄法

3.1 分 析

敞泄回蓄法是在敞泄完滯蓄洪水后，水位恢復(fù)至起調(diào)水位Z0(或汛限水位)，再執(zhí)行回蓄，目的是在安全前提下利用洪水資源。這種方法又分客觀分析和主觀分析[4]，分述如下。

從客觀上分析:①如圖2所示，當(dāng)敞泄至庫水位已恢復(fù)到汛限水位(Z0)，即te時(shí)刻開始回蓄，再計(jì)算回蓄水量ΔV,同時(shí)應(yīng)扣除水庫在汛期興利充分用水能力QT(如發(fā)電最大引用流量);②計(jì)算回蓄水量充分興利歷時(shí)，即TXL=ΔV/QT；③利用與廣義洪水預(yù)見期TGy比較,若時(shí)間長于廣義洪水預(yù)見期,則需減少回蓄水量ΔV, 若小于,則體現(xiàn)洪水資源利用不充分。

從主觀上分析,利用與廣義洪水預(yù)見期TGy,以此推求希望回蓄水量ΔV，并以此ΔV″確定回蓄(關(guān)閘)起始時(shí)刻ts。

ΔV″=QT×TGy

(2)

式中，QT為發(fā)電最大引用流量。

3.2 回蓄水量ΔV′的安全水平再評(píng)價(jià)

(2) 計(jì)算無入庫洪水條件下(本次洪水已退盡，未來洪水仍未到)敞泄ΔV′所需歷時(shí)ΔT，可采用數(shù)值計(jì)算和近似計(jì)算，現(xiàn)以近似計(jì)算求ΔT

(3)

(3) 分別以敞泄ΔV′的歷時(shí)ΔT和ΔV′興利利用歷時(shí)TXL為標(biāo)準(zhǔn)，判別后續(xù)洪水發(fā)生對(duì)水庫防洪安全和興利用水程度的影響。后續(xù)洪水發(fā)生在ΔT內(nèi)，安全水平下降；后續(xù)洪水發(fā)生在TXL-ΔT區(qū)間則防洪安全有保證，洪水(ΔV′)可部分利用；后續(xù)洪水發(fā)生在TXL以后，防洪安全有保證，且洪水(ΔV′)可完全利用。

(4) 利用以上成果，以ΔV′為參數(shù)，在后續(xù)洪水發(fā)生時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)分布圖上，可以確定回蓄ΔV′的安全區(qū)、洪水資源(ΔV′)部分利用區(qū)、充分利用區(qū)?？梢耘卸?，對(duì)同一回蓄水量P安全>P部分利用>P充分利用。

4 滯洪跟蹤法

4.1 分 析

與敞泄回蓄調(diào)度方式相比，當(dāng)洪水退水很快，可供回蓄的洪水資源量很少(尤其降雨主雨強(qiáng)過后無后續(xù)降雨情況)，采用敞泄回蓄法幾乎無水可蓄，所以在漲水段已滯蓄庫中洪水ΔV的利用值得重視。但這兩種方式在從最高調(diào)洪水位Z1恢復(fù)至汛限水位Z0的最快下泄時(shí)間(Tmin)是不同的，敞泄回蓄法最快下泄時(shí)間(Tmin)如圖3所示，Tmin=tg-t1,而滯泄跟蹤法由Z1水位恢復(fù)至Z0水位最大下泄時(shí)間

Tmin=tg-t1+ΔT′

(4)

式中，tg-t1為洪水退水過程(由Q=q1和Q=q0決定，q1、q0分別為水位Z1、Z0的最大下泄能力)中的一段時(shí)長，ΔT′為滯蓄的庫中洪水ΔV在tg時(shí)刻由Z1水位敞泄至Z0水位所需的時(shí)間。

4.2 滯洪跟蹤調(diào)度方式安全水平評(píng)價(jià)

(1) 計(jì)算充分興利歷時(shí)

(5)

(2) 計(jì)算滯洪跟蹤蓄水量ΔV(在興利供水開始時(shí)刻)遭遇后續(xù)洪水最快下泄時(shí)間ΔT′

(6)

式中，qc,q0分別為Z1，Z0水位條件下水庫敞泄能力。

(3) 分析后續(xù)洪水發(fā)生時(shí)刻對(duì)防洪與興利的影響并定義圖中ty2-ty=TXL,ty1-ty=ΔT′后續(xù)洪水發(fā)生在tyty1之間，水庫安全水平下降；若發(fā)生在ty1ty2之間，則安全有保證，滯蓄水量ΔV僅能部分利用；若發(fā)生在ty2以后則既安全，ΔV又可完全利用。

5 結(jié) 論

本文探討了洪水資源利用中的關(guān)鍵問題，即退水調(diào)度方式、洪水資源利用量,提出了廣義洪水預(yù)見期之間的關(guān)系,并獲得如下結(jié)論。

(1) 退水調(diào)度方式的選取依賴于洪水退水特性，滯泄跟蹤方式適合于退水急的洪水，攔尾回蓄調(diào)度方式對(duì)退水緩的洪水來說優(yōu)于滯泄跟蹤方式。

(2) 洪水資源利用量與水庫風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，洪水資源利用量增大，其風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)提高[5]。

(3) 提出的攔尾水量敞泄歷時(shí)、充分興利能力和廣義洪水預(yù)見期概念之間的關(guān)系可用來對(duì)洪水資源利用程度、安全及風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

[1] 陳娟, 鐘平安, 徐斌. 基于隨機(jī)微分方程的水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 41(5):400-404.

[2] 劉攀. 水庫洪水資源化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢:武漢大學(xué), 2005.

[3] 高波, 王銀堂. 水庫汛限水位調(diào)整與運(yùn)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2005,31(1):8-11.

[4] 劉艷麗, 周惠成, 張建云. 不確定性分析方法在水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2010, 29(6):47-53.

[5] 李英海, 周建中, 張勇傳, 等. 水庫防洪優(yōu)化調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)決策模型及應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2009, 35(4):19-21,37.

(編輯：付湘寧)

2015-04-09

水利部公益性行業(yè)科研項(xiàng)目(201001016)

陳 丁，男，河海大學(xué)水利水電學(xué)院，本科生．

1006-0081(2015)04-0051-03

TV213.9

A