吳嶺水庫防洪調(diào)度運(yùn)用研究

陳思翌，楊啟林

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，430070，武漢；2.湖北省吳嶺水庫管理局，431800，京山）

吳嶺水庫壩址在湖北省京山縣錢場(chǎng)鎮(zhèn)吳嶺村，位于漢北河支流東河上，總庫容6785萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、城鎮(zhèn)供水等綜合利用功能的多年調(diào)節(jié)中型水利工程。吳嶺水庫灌區(qū)以吳嶺水庫為骨干水源工程，設(shè)計(jì)灌溉面積14.6萬畝（1 畝=1/15hm2，下同），是湖北省重要的商品糧產(chǎn)地之一。

2001年1月湖北省水利廳組織專家鑒定吳嶺水庫大壩屬三類壩，2001年8月武漢大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院完成《湖北省吳嶺水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告 （修改版）》（以下簡(jiǎn)稱《加固初設(shè)》），洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計(jì)、1000年一遇校核。2002年12月水庫除險(xiǎn)加固工程正式開工，2004年12月項(xiàng)目主體工程全部完工并投入試運(yùn)行。

2007年吳嶺水庫進(jìn)入汛期之后，連續(xù)遭受了“5·31”“6·18”“7·1”“7·13”和“7·25”等 5 次強(qiáng)降雨襲擊，其中“7·13”暴雨洪水給水庫上下游造成了較嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，總經(jīng)濟(jì)損失約1.2億元。

在2002年吳嶺水庫除險(xiǎn)加固之前，水庫正常溢洪道為開敞式無閘門控制，水庫的防洪調(diào)度工作非常簡(jiǎn)單。除險(xiǎn)加固之后，正常溢洪道改為有閘門控制，吳嶺水庫具備了真正意義上進(jìn)行防洪調(diào)度的工程條件?！都庸坛踉O(shè)》中設(shè)計(jì)的洪水調(diào)度方式，基本沿用原無閘控制時(shí)的方式，屬自由（敞開）泄洪方式。原防洪調(diào)度方式顯然已不適用于除險(xiǎn)加固之后的吳嶺水庫，需對(duì)水庫運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行分析研究，制定新的洪水調(diào)度方案。

吳嶺水庫自1962年竣工以來未曾遭遇特大暴雨洪水，在突然遭遇2007年汛期連續(xù)5次強(qiáng)降雨襲擊、水庫上下游遭受嚴(yán)重洪澇災(zāi)害損失的情況下，吳嶺水庫管理局亟須在如何科學(xué)合理地進(jìn)行防洪調(diào)度、如何最大程度地減少洪災(zāi)帶來的損失等問題上找到解決方案。因此，研究制定新的洪水調(diào)度方案，成為完善吳嶺水庫自身運(yùn)行管理、協(xié)調(diào)吳嶺水庫及上下游各方利益、保障當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展及穩(wěn)定、避免爆發(fā)群體性事件的重要任務(wù)和關(guān)鍵因素。

一、水庫防洪調(diào)度研究現(xiàn)狀

目前，水庫防洪調(diào)度研究多集中在綜合利用、優(yōu)化及合理調(diào)度水庫等方面，主要包括綜合利用水庫常規(guī)調(diào)度、水庫群優(yōu)化調(diào)度、動(dòng)態(tài)控制防洪限制水位（包括合理設(shè)置分期汛限水位）、重要水庫綜合利用調(diào)度等應(yīng)用研究以及小流域削峰水庫防治山洪災(zāi)害研究等。

水利部頒發(fā)的《綜合利用水庫調(diào)度通則》指出，水庫防洪調(diào)度可視水庫具體情況和需要，采用預(yù)泄、補(bǔ)償調(diào)節(jié)、錯(cuò)峰調(diào)度等方式，并強(qiáng)調(diào)無論采用上述哪種預(yù)報(bào)調(diào)度方式，在實(shí)施時(shí)都要留有適當(dāng)余地，以策安全。

20世紀(jì)50年代以來，隨著系統(tǒng)工程的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)分析方法被引入水庫群優(yōu)化調(diào)度研究中。該方法是建立水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)、確定其滿足的約束條件、用最優(yōu)化方法求解，從而使目標(biāo)函數(shù)取得極值的水庫控制運(yùn)用方法。經(jīng)常采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、模擬模型法、多目標(biāo)優(yōu)化法、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)法、模糊優(yōu)化法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。如邵東國(guó)（1996）建立了有模糊約束條件的防洪優(yōu)化調(diào)度模型，提出了含罰函數(shù)的離散偏微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃；Oliveira等 （1997）使用遺傳算法生成水庫群系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則；繆益平等（2003）建立了水庫調(diào)度函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并用該模型對(duì)湖南省鳳灘水庫調(diào)度進(jìn)行了模擬。

傳統(tǒng)的水庫運(yùn)行調(diào)度過于保守，整個(gè)汛期都以較低的防洪限制水位迎汛，導(dǎo)致水庫在汛期不能多蓄水，而汛后又往往蓄水不足，造成來年春耕無水可用，加劇了水庫防洪與興利之間的矛盾。利用水庫防洪限制水位調(diào)控洪水資源是處理水庫防洪與興利矛盾、實(shí)現(xiàn)洪水資源安全利用的重要技術(shù)途徑，對(duì)緩解流域水資源短缺危機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水庫汛期分期方法分為定性分析法和定量計(jì)算法，其中定量計(jì)算法可大致分為統(tǒng)計(jì)分析法和聚類分析法兩類。統(tǒng)計(jì)分析法是在對(duì)大量水文特征資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，得出特征指標(biāo)在汛期內(nèi)的分布規(guī)律，通過選取臨界點(diǎn)將汛期劃分為前汛期、主汛期和后汛期。近年聚類分析法研究較多，如劉克琳 （2006）、張秀菊等（2008）均將Fisher最優(yōu)分割法應(yīng)用到水庫汛期分期計(jì)算中，陳曜等（2009）以投影尋蹤理論為基礎(chǔ)，構(gòu)造水庫汛期分期投影尋蹤模型用于潘家口水庫汛期分期計(jì)算中。

重要水庫的綜合利用調(diào)度應(yīng)用研究，常立足于具體工程的實(shí)際運(yùn)行管理實(shí)踐，著眼于解決具體利益糾紛和調(diào)度運(yùn)用矛盾，應(yīng)用性、針對(duì)性和實(shí)用性較強(qiáng)，如劉丹雅等 (2011)通過分析尋求不斷完善三峽水庫綜合利用調(diào)度方式的路徑，力求實(shí)現(xiàn)三峽工程效益最優(yōu)，陳永明等（2008）提出增加新安江水庫防洪庫容的建議。

小流域削峰水庫防治山洪災(zāi)害研究，主要立足于山區(qū)小流域受地形、地質(zhì)和移民征地等條件限制和不適合興建防洪水庫的現(xiàn)實(shí)，研究水庫既不攔蓄洪水又能滯洪削峰的調(diào)洪方式及其效益，如南京水利科學(xué)研究院（2009）進(jìn)行滯洪削峰水庫的防洪效益研究。

二、研究目標(biāo)和思路

1.研究目標(biāo)

針對(duì)水庫溢洪道由無閘門控制改建為有閘門控制的變化，結(jié)合2007年水庫遭受雨洪襲擊時(shí)的調(diào)度運(yùn)用情況，研究提出符合吳嶺水庫特點(diǎn)、可操作性強(qiáng)的水庫洪水調(diào)度方案，為決策機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持，為水庫安全度汛服務(wù)。

2.研究思路

堅(jiān)持“局部服從整體、整體照顧局部，興利服從安全、安全兼顧興利”的原則，注重對(duì)各項(xiàng)基礎(chǔ)資料的調(diào)查、分析和復(fù)核，充分考慮多種影響因素和有關(guān)方面意見，在大壩安全和供水目標(biāo)滿足的條件下，注重發(fā)揮吳嶺水庫綜合效益，兼顧上下游利益，注重防洪調(diào)度安全、可靠和方便操作。研究思路如下：

①針對(duì)吳嶺水庫2007年遭受雨洪襲擊特點(diǎn)及調(diào)度運(yùn)用情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水復(fù)核，對(duì)造成較嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的“7·13”暴雨洪水進(jìn)行頻率分析。

②測(cè)繪吳嶺水庫至下游京山縣錢場(chǎng)鎮(zhèn)8km行洪河道橫斷面，進(jìn)行河道水面線計(jì)算，分析行洪河道安全泄量。

③調(diào)查庫區(qū)圍墾魚池的情況。

④分析上下游災(zāi)情產(chǎn)生的主要原因，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況擬定對(duì)下游的防洪保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和吳嶺水庫洪水調(diào)度方式。

⑤分析閘門控制運(yùn)用情況，初步擬定閘門操作方案和可行的洪水調(diào)度方案，反復(fù)調(diào)整、檢查、再調(diào)整，使兩者銜接。

⑥當(dāng)考慮吳嶺水庫承擔(dān)下游防洪任務(wù)時(shí)，在擬定的防洪標(biāo)準(zhǔn)下，需研究確定水庫最大允許下泄流量、防洪限制水位、防洪高水位。三者相互關(guān)聯(lián)，相互影響?？紤]采取工程措施，則可以擬定不同的水庫最大允許下泄流量；根據(jù)興利與防洪效益，可擬定不同的防洪限制水位、防洪高水位。可先擬定防洪限制水位后確定防洪高水位，也可先擬定防洪高水位后確定防洪限制水位。本次根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)按兩種思路都進(jìn)行了方案研究，提出初步方案與各方交換意見。經(jīng)過多次反饋和調(diào)整，在充分交換意見、統(tǒng)一認(rèn)識(shí)后，形成各比較方案的最大允許下泄流量、防洪限制水位和防洪高水位。

⑦按照分層比較、逐層細(xì)化的方案比選思路進(jìn)行比選，分析防洪限制水位、防洪高水位、分級(jí)控制泄量的設(shè)立和取值，提出推薦防洪調(diào)度方案，明確判別條件。

三、研究成果及應(yīng)用

1.本次研究主要結(jié)論

（1）“7·13”暴雨洪水頻率分析

從 72h 洪量看，“7·13”暴雨洪水重現(xiàn)期接近20年一遇；從24h洪量看，“7·13”暴雨洪水重現(xiàn)期接近 10 年一遇；從洪峰流量看，“7·13”暴雨洪水重現(xiàn)期超過30年一遇。來水洪峰流量大或時(shí)段洪量大，均將導(dǎo)致水庫水位升高、下泄洪峰流量變大，造成洪澇災(zāi)害。根據(jù)對(duì)吳嶺水庫各頻率洪水的調(diào)洪計(jì)算可知，時(shí)段洪量對(duì)該水庫水位和下泄流量的影響程度大于洪峰流量。因此，綜合降雨量、洪量和洪峰流量的頻率分析，可認(rèn)為“7·13”暴雨洪水重現(xiàn)期約10年一遇～20年一遇。

（2）水庫下游河道安全泄量分析

吳嶺水庫下游河道現(xiàn)狀安全泄量取值80m3/s，規(guī)劃遠(yuǎn)期通過治理恢復(fù)至原設(shè)計(jì)安全泄量170m3/s。

（3）防洪限制水位分析

由于吳嶺水庫功能定位系以灌溉為主，兼有防洪、城鎮(zhèn)供水等綜合利用，因此防洪限制水位分析須側(cè)重從興利角度考慮，通過水資源供需平衡分析來研究防洪限制水位的設(shè)立。

通過灌區(qū)水資源供需平衡分析（逐年匯總后摘錄缺水年份見表1）可知，如果在正常蓄水位以下設(shè)立防洪限制水位，則吳嶺灌區(qū)灌溉保證率不足設(shè)計(jì)值80%，這將極大地影響水庫灌溉效益，也影響吳嶺水庫除險(xiǎn)加固工程和吳嶺水庫灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程的預(yù)定效益。如果設(shè)立防洪限制水位61.80m，則防洪作用不大，因?yàn)橄鄬?duì)正常蓄水位62.20m僅增加防洪庫容312萬m3；如果再繼續(xù)降低防洪限制水位，則取61.00m要優(yōu)于61.40m，因?yàn)閮烧叩呐d利效益相差不大。

考慮到吳嶺水庫功能定位系以灌溉為主，而灌區(qū)水資源供需相對(duì)緊張，加之水庫除險(xiǎn)加固一般不改變水庫的興利目標(biāo)，更不會(huì)降低興利目標(biāo)，因此推薦不在正常蓄水位以下設(shè)立防洪限制水位，取防洪限制水位等于正常蓄水位62.20m。

（4）洪水調(diào)度方式

水庫防洪調(diào)度須按照一定的蓄泄規(guī)則進(jìn)行，這種蓄泄規(guī)則也稱洪水調(diào)度方式。水庫洪水調(diào)度方式分為3種基本類型：①自由（敞開）泄洪方式，②固定泄量方式（含分級(jí)控制泄量方式），③補(bǔ)償湊泄方式（含錯(cuò)峰方式）。未承擔(dān)下游防洪任務(wù)的水庫一般采用第一種洪水調(diào)度方式；當(dāng)水庫承擔(dān)下游防洪任務(wù)時(shí)，則要對(duì)大壩安全度汛及下游防洪要求一并考慮，采用后兩種洪水調(diào)度方式，所擬定的調(diào)洪方式一般需包含統(tǒng)一、嚴(yán)格的判別條件。

擬定水庫洪水調(diào)度方式，需根據(jù)水庫承擔(dān)的防洪任務(wù)、洪水特性等情況進(jìn)行，應(yīng)符合水庫特點(diǎn)，并要求可操作性強(qiáng)。吳嶺水庫在除險(xiǎn)加固前未承擔(dān)下游防洪任務(wù)，洪水調(diào)度方式采用自由泄洪方式，簡(jiǎn)單且無爭(zhēng)議。溢洪道改建為有閘門控制后，若仍采用自由（敞開）泄洪方式，將使下泄流量大于原無閘門控制方案，加之下游河道行洪能力有限，故2007年實(shí)際調(diào)度運(yùn)行并未采用該方式。

吳嶺水庫下游防護(hù)對(duì)象有京山縣的錢場(chǎng)鎮(zhèn)，天門市的石河鎮(zhèn)、黃潭鎮(zhèn)等重要城鎮(zhèn)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。吳嶺水庫除險(xiǎn)加固前無閘門控制時(shí)，10年一遇最大下泄洪峰流量98m3/s，5年一遇最大下泄洪峰流量67m3/s。在河道安全泄量取值80m3/s、區(qū)間洪水按35m3/s（5年一遇相應(yīng)洪水）考慮時(shí)，吳嶺水庫僅允許下泄45m3/s。

對(duì)于防洪保護(hù)對(duì)象距水庫較近、區(qū)間洪水較小的情況，常采用固定泄量調(diào)度方式，該方式比較符合吳嶺水庫實(shí)際。若采用補(bǔ)償湊泄方式，則對(duì)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的要求比較高，要保證洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期和精度，對(duì)水雨工情采集自動(dòng)化程度和管理人員技術(shù)水平要求也較高?？紤]到吳嶺水庫難以在短期內(nèi)滿足以上要求，且由于吳嶺水庫到下游城鎮(zhèn)距離很近，一旦預(yù)報(bào)不及時(shí)、不準(zhǔn)確或操作不當(dāng)，將會(huì)給下游帶來更大的災(zāi)害損失?？梢姴捎醚a(bǔ)償湊泄方式，既不符合吳嶺水庫實(shí)際，也增大了管理風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上分析，擬定吳嶺水庫采用固定泄量調(diào)度方式（必要時(shí)可分級(jí)控制泄量），固定泄量的具體數(shù)值尚需通過方案比選進(jìn)一步研究確定。

表1 各防洪限制水位方案的水資源供需平衡分析缺水情況對(duì)比表（水位單位：m；庫容、水量單位：萬m3）

表2 吳嶺水庫防洪調(diào)度方案匯總 （水位、高程單位：m；庫容、水量單位：萬m3）

（5）防洪調(diào)度方案比選

按吳嶺水庫下游行洪河道安全泄量為 80m3/s、130m3/s 和 170m3/s，分析吳嶺水庫對(duì)下游的防洪保護(hù)能力。每種方案又可按不在或在正常蓄水位62.20m以下設(shè)立防洪限制水位進(jìn)行研究。

以水庫下游行洪河道安全泄量為80m3/s為例，首先研究對(duì)下游的防洪保護(hù)能力能否達(dá)到5年一遇標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)間5年一遇相應(yīng)洪水為35m3/s，故吳嶺水庫允許下泄45m3/s。通過調(diào)洪計(jì)算和壩頂高程計(jì)算，大壩頂部高程滿足規(guī)范要求，表明該方案下吳嶺水庫對(duì)下游的防洪保護(hù)能力可達(dá)到5年一遇標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)間10年一遇相應(yīng)洪水為46m3/s，故吳嶺水庫允許下泄34 m3/s。計(jì)算表明，該方案下，吳嶺水庫對(duì)下游的防洪保護(hù)能力無法達(dá)到10年一遇以上標(biāo)準(zhǔn)。

在充分調(diào)查、分析和研究多種影響因素和有關(guān)方面意見后，提出了初步的洪水調(diào)度方案與各方交換意見，經(jīng)多次反饋和調(diào)整，最后提出5種洪水調(diào)度方案供決策，見表2。

2.本次研究成果的應(yīng)用

湖北省水利水電科學(xué)研究院以本次研究成果為依據(jù)，制定了吳嶺水庫調(diào)度規(guī)程，經(jīng)湖北省水利廳批準(zhǔn)執(zhí)行；其中，按表2中方案③制定防洪調(diào)度方案，以方案④為基礎(chǔ)制定現(xiàn)狀（臨時(shí)）防洪調(diào)度方案。

2016年入梅以來，湖北省連續(xù)遭遇強(qiáng)降雨，出現(xiàn)“98+”汛情災(zāi)情。2016年“7·19”強(qiáng)降雨帶來吳嶺水庫歷史上最大1h降雨量（76.6mm）、最大日降雨量 （219mm）、最大3日降雨量（355.3mm）、最高洪水位（63.53m）、最大泄洪流量（153m3/s）。此次洪水約50年一遇，最大入庫洪峰522m3/s，削峰率71%。

在湖北省防汛抗旱指揮部的正確領(lǐng)導(dǎo)下，吳嶺水庫管理局按照防“98+”洪水的工作要求，依據(jù)調(diào)度規(guī)程加強(qiáng)運(yùn)行調(diào)度，成功應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨，確保了水庫工程安全度汛，保護(hù)了水庫下游3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)29.6萬畝耕地、24.7萬群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。 ■

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