南一水庫防洪調(diào)度模型研究

馮勝男 董增川 楊光

摘要：針對南一水庫防洪要求，構(gòu)建指令調(diào)度、水位控制調(diào)度和錯峰補(bǔ)償調(diào)度等水庫防洪調(diào)度模型。其中：指令調(diào)度模型指定下泄流量，操作簡便，側(cè)重于保護(hù)水庫自身安全；水位控制調(diào)度模型能夠控制調(diào)度期內(nèi)水庫最高水位和調(diào)度期末水位；錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型考慮區(qū)間來水進(jìn)行錯峰補(bǔ)償調(diào)度，充分利用河道行洪能力。以2013年“天兔”臺風(fēng)造成的洪水過程作為調(diào)度對象進(jìn)行水庫防洪調(diào)度，并對不同模型的調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析，表明錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型較另兩個模型具有更強(qiáng)的靈活性，能夠在保障水庫安全的前提下，保證下游防洪參考斷面的安全。

關(guān)鍵詞：防洪；指令調(diào)度；水位控制；錯峰補(bǔ)償；南一水庫

中圖分類號：TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.006

1 引言

我國是世界上洪澇災(zāi)害最為頻繁和嚴(yán)重的國家之一，洪澇損失居各種自然災(zāi)害的首位。流域的防洪除了繼續(xù)完善防洪工程體系外，迫切需要進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有防洪工程的防洪潛力，以提高流域抵御洪水災(zāi)害的能力[1]。為應(yīng)對洪水帶來的不利影響，在保證水庫安全的前提下，充分利用防洪庫容調(diào)蓄洪水、削減洪峰[2]，保證下游防洪參考斷面安全，本文嘗試構(gòu)建不同的防洪調(diào)度模型，以2013年“天兔”臺風(fēng)造成的洪水過程作為調(diào)度對象，對南一水庫進(jìn)行防洪調(diào)度，并對調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。

九龍江流域位于福建省西南部，春夏多雨，夏秋季節(jié)受頻繁臺風(fēng)影響，易發(fā)生洪水災(zāi)害，其中西溪支流最為嚴(yán)重。西溪上游花山、船場、蘿江、永豐等支流暴雨過后匯流時間短，洪水來勢迅猛，在南靖城關(guān)附近匯集，經(jīng)由鄭店進(jìn)入漳州平原，最后在石碼處匯入東海。上游短急的來水情況和特殊的地理位置導(dǎo)致位于漳州平原中心位置的漳州城區(qū)極易受到臺風(fēng)等自然現(xiàn)象帶來的洪災(zāi)危害。

南一水庫位于九龍江西溪支流船場溪上游，集水面積522km2，汛限水位291.60m，正常蓄水位303.50m，防洪高水位305.0m，是一座以防洪為主的大（2）型水庫，防護(hù)點(diǎn)為南靖城關(guān)和漳州城區(qū)。南靖城關(guān)20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的河道安全流量為1640m3/s，船場站位于南靖城關(guān)上游，兩者距離較近，以船場斷面作為南靖城關(guān)的防洪參考斷面；以鄭店斷面作為漳州城區(qū)防洪參考斷面，該斷面20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的河道安全流量為3700m3/s，調(diào)度概化見圖1。

2.3 錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型

錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型充分利用水庫庫容，為下游防洪參考斷面進(jìn)行洪水的錯峰調(diào)度。也就是區(qū)間來水較大則相應(yīng)地減小水庫下泄流量，利用水庫防洪庫容蓄滯洪水，而區(qū)間來水較小時則逐漸加大水庫下泄流量，充分利用河道行洪能力，目的在于將兩者的組合流量控制在下游防洪參考斷面的安全流量以內(nèi)[9]。最佳調(diào)度結(jié)果就是使得水庫各時刻的泄流量與相應(yīng)時間區(qū)間來水流量總和正好與下游防洪參考斷面的安全流量相等。

錯峰補(bǔ)償調(diào)度的目標(biāo)是在符合水庫調(diào)度期內(nèi)最高水位與調(diào)度期末限制水位要求的前提下，使防洪參考斷面的最大流量最小，具體目標(biāo)函數(shù)為式中：q安為防洪參考斷面的安全下泄流量，m3/s。

約束條件同水位控制調(diào)度。

南一水庫采用分級補(bǔ)償?shù)腻e峰補(bǔ)償調(diào)度模式。首先以船場斷面為防洪參考斷面，補(bǔ)償南一水庫一船場區(qū)間流量，使船場斷面滿足防洪要求。其次在保證船場斷面防洪安全的前提下，考慮鄭店斷面的防洪任務(wù)，補(bǔ)償北溪洪水。最終使船場和鄭店斷面都能夠達(dá)到防洪要求。

通過分段試算法求得最大削峰目標(biāo)下水庫出流流量qt，采用馬斯京根方法演算至船場斷面，將其和南一水庫一船場區(qū)間流量疊加得到船場斷面的流量過程，如果最大流量小于等于船場斷面的安全泄流量q船場，則繼續(xù)演算到鄭店斷面，同理判斷鄭店斷面是否滿足行洪要求；如果最大流量大于船場斷面的安全泄流量，則超過部分的流量按安全泄流量處理，減去區(qū)間入流量后得到新的流量過程，采用馬斯京根方法反演得到南一水庫新的出庫過程，將其作為輸入值重新試算后得到校正后的出庫流量，再向下游演算，重復(fù)上述過程直至船場斷面滿足行洪要求，鄭店斷面同理判斷。計(jì)算流程見圖3。

河道流量通常包括水庫放水和區(qū)間來水兩部分，利用系統(tǒng)分解原理，將防洪調(diào)度系統(tǒng)分解成水庫調(diào)度與下游河道的洪水演進(jìn)兩個子系統(tǒng)，通過河道洪水反向演算模型，將防洪斷面的目標(biāo)控制過程演算到壩址斷面[10]。

3 結(jié)果與分析

選用九龍江流域2013年9月23日“天兔”臺風(fēng)造成的洪水過程作為調(diào)度對象，該洪水的入庫洪峰流量為915m3/s，為2007年以來的最大值。南一水庫至船場的區(qū)間來水峰值為728m3/s，不對船場斷面構(gòu)成威脅；南一水庫至鄭店斷面的區(qū)間來水峰值為3620m3/s。

模擬調(diào)度的初始條件：起調(diào)時間2013年9月23日00：00，調(diào)度結(jié)束時間2013年9月24日00：00；起調(diào)水位292.64m，起調(diào)時刻下泄流量40m3/s；調(diào)度時段長1h，時段數(shù)24。

約束條件：水庫調(diào)度期內(nèi)最高水位為304.70m；調(diào)度期末控制水位為296.50m；相鄰時段內(nèi)水庫下泄流量的變幅不超過100m3/s。

根據(jù)水庫調(diào)度模型的基本約束條件，結(jié)合南一水庫的防洪要求，建立3種調(diào)度模型進(jìn)行調(diào)度，水庫水位變化見圖4、表1，調(diào)度結(jié)果見表2、圖5。①指令調(diào)度：對該場次洪水，按固定泄流量240m3/s的指令進(jìn)行下泄。由于起調(diào)水位比較低，因此起初以水庫的泄流能力進(jìn)行下泄；2013年9月23日09：00以后水庫的下泄能力超過240m3/s，水庫以240m3/s的指令進(jìn)行下泄。②水位控制調(diào)度：由于起調(diào)水位較低、入庫洪水不大，因此水庫水位不超過設(shè)定的最高控制水位30.70m。調(diào)度過程為2013年9月23日00：00到2013年9月23日09：00以水庫的泄流能力進(jìn)行下泄，2013年9月23日09：00以后水庫以301m3/s控泄，2013年9月24日00：00水庫水位回落到調(diào)度期末控制水位296.50m。③錯峰補(bǔ)償調(diào)度：區(qū)間來水較大，接近鄭店斷面的安全泄流量，此時需要南一水庫進(jìn)行錯峰補(bǔ)償。南一水庫到鄭店斷面的傳播時間按9h考慮[11]，在2013年9月23日07：00至2013年9月23日08：00時段南—水庫接近不下泄時，經(jīng)河道演算，鄭店斷面在2013年9月23日15：00出現(xiàn)峰值3700m3/s，流量過程見圖6。全的前提下，利用水庫庫容削峰，其中可以指定下泄流量的指令調(diào)度削峰效果最為明顯，削峰率達(dá)到73.8%，但在大幅度削峰的同時，該調(diào)度模型無法將水庫調(diào)度期末水位下調(diào)至296.5m；水位控制調(diào)度模型和錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型中都包含水庫調(diào)度期末水位的約束，所以利用這兩種模型進(jìn)行水庫調(diào)度，水庫調(diào)蓄率同為16.3%，而此次調(diào)度中區(qū)間來水峰值較大，為了充分利用河道過流能力，保證區(qū)間來水峰值時下游鄭店斷面安全，需要在區(qū)間來水較小時加大水庫下泄流量，區(qū)間來水較大時減小水庫下泄流量，所以造成了錯峰補(bǔ)償調(diào)度的后期出庫流量不減反增情況的發(fā)生。上述3種漠型中，僅錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型能夠考慮下游防洪參考斷面安全，而利用另外兩種模型進(jìn)行調(diào)度，鄭店斷面最大過流量分別為3900、4250m3/s，超過了該斷面的安全流量。

4 結(jié)語

（1）針對南一水庫特點(diǎn)和下游的防洪任務(wù)，結(jié)合水庫防洪目標(biāo)函數(shù)及水庫防洪調(diào)度的基本約束條件，研究構(gòu)建不同的水庫調(diào)度模型。指令調(diào)度模型可以人為指定下泄流量，在保證水庫安全的前提下盡量削峰，但該模型無法控制水庫在調(diào)度過程中的水位變化；水位控制調(diào)度模型控制調(diào)度期內(nèi)最高水位和調(diào)度期末水位，來水迅猛條件下可保障水庫自身安全；為了同時保障水庫和下游防洪參考斷面的安全，充分利用下游河道行洪能力，控制調(diào)度期內(nèi)水庫的下泄過程，錯峰補(bǔ)償調(diào)度模型無疑是最好的選擇。

（2）區(qū)間入流資料有限且同步性差，可能對調(diào)度結(jié)果產(chǎn)生一定影響，需積累更多的數(shù)據(jù)后進(jìn)行調(diào)整和進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫甜.九龍江流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2015：1.

[2]胡宇豐.黃龍灘水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度研究[D].南京：河海大學(xué)，2006：43-43.

[3]楊濤，王欽釗，梁忠民，等.修河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)若干關(guān)鍵技術(shù)討論[J].人民長江，2006，37（9）：98-101.

[4]王雙文.金盆水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].西安：西安理工大學(xué)，2005：53.

[5]付磊.基于B/S模式的水城水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2006；29.

[6]葉秉如.水資源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃和調(diào)度[M].北京：中國水利水電出版社，2001：198-199.

[7]趙壽云.白云水電站實(shí)時洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)研究[D].南京：河海大學(xué)，2004：33-34.

[8]鐘平安.流域?qū)崟r防洪調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2006：34-35.

[9]熊金泉，劉翌，鄭萍，等.江西省修河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)[J].江西科學(xué)，2004，22（5）：351-357.

[10]鐘平安，張慧，邴建平，等.河道洪水反流向演算過程迭代方法[J].水文，2007，27（2）：37-39.

[11]陳能志.福建南一水庫提高汛限水位研究[D].南京：河海大學(xué)，2006：21-22.