紫坪鋪水庫(kù)汛期多目標(biāo)調(diào)度運(yùn)行實(shí)踐

陽(yáng) 莉， 由 麗 華

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

紫坪鋪水利樞紐工程壩址以上控制流域面積22 662 km2，占岷江上游面積的98%；多年平均流量469 m3/s，年徑流總量148億m3，占岷江上游總量的97%；控制岷江上游暴雨區(qū)洪水的90%，上游泥沙來(lái)量的98%，能有效調(diào)節(jié)上游水量、控制洪水和泥沙。水庫(kù)總庫(kù)容及調(diào)洪庫(kù)容分別為11.12億m3和5.39億m3。

紫坪鋪水利樞紐工程是以灌溉、供水為主，兼有防洪、發(fā)電、環(huán)保、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，控灌面積1 400萬(wàn)畝，是成都市中心城區(qū)及郊縣自來(lái)水的主要原水水源，同時(shí)也擔(dān)負(fù)著成都市工業(yè)用水和城市環(huán)保用水的供水任務(wù)。紫坪鋪水庫(kù)的主要調(diào)度任務(wù)是：供水、防洪、發(fā)電。

2 調(diào)度規(guī)則及目標(biāo)

紫坪鋪水庫(kù)的調(diào)度規(guī)劃分為四個(gè)時(shí)段，分別是蓄水期調(diào)度、供水期調(diào)度、主汛期調(diào)度、后汛期調(diào)度，具體調(diào)度規(guī)則如下：

2.1 蓄水期

考慮岷江徑流量年內(nèi)的分配特點(diǎn)，確定紫坪鋪水庫(kù)的蓄水期為每年的10～11月。在蓄水期內(nèi)的主要調(diào)度目標(biāo)是供水、發(fā)電、蓄能，調(diào)度運(yùn)行規(guī)則是：蓄水過程中同樣需滿足下游綜合用水和電站出力不低于保證出力的要求，余水蓄入庫(kù)內(nèi)，盡量縮短水庫(kù)蓄滿時(shí)間，提高水頭多發(fā)電。蓄水期的水位上限控制為正常蓄水位。

2.2 供水期

紫坪鋪水庫(kù)的供水期是12月至次年5月，在此期間，岷江多年平均來(lái)水量為228 m3/s，屬于枯水期，受下游工農(nóng)業(yè)用水及城鎮(zhèn)生活用水需求的限制，供水期的主要調(diào)度目標(biāo)是：供水、發(fā)電，調(diào)度運(yùn)行規(guī)則是：根據(jù)下游綜合用水要求，逐漸下降水位，最低水位不得低于死水位817 m。

2.3 主汛期

紫坪鋪水庫(kù)的主汛期是每年的6～8月，而且汶川―紫坪鋪庫(kù)區(qū)間雨量多，強(qiáng)度大，是岷江上游的暴雨區(qū)，從歷史洪水來(lái)看暴雨洪水的主要危害表現(xiàn)為：洪水沖毀河岸堤防、高濁度渾水造成自來(lái)水廠減產(chǎn)等。因此，在主汛期的主要調(diào)度目標(biāo)是：防洪、供水、發(fā)電；調(diào)度規(guī)則是：

(1)樞紐安全第一，電調(diào)服從水調(diào)，水調(diào)服從洪調(diào)，在確保樞紐安全的前提下，充分發(fā)揮樞紐的綜合利用效益；

(2)當(dāng)紫坪鋪水庫(kù)發(fā)生不超過100年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，通過水庫(kù)攔洪削峰，保證下游成都市和金馬河防洪安全；

(3)當(dāng)紫坪鋪水庫(kù)發(fā)生超過100年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，確保紫坪鋪大壩的安全，減輕岷江上游洪水對(duì)成都平原的威脅；

(4)當(dāng)遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水或其他重大突發(fā)事件時(shí)，啟動(dòng)防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案。

2.4 后汛期

紫坪鋪水庫(kù)的后汛期是每年的9月，根據(jù)岷江上游的來(lái)水特點(diǎn)，在9月份不僅產(chǎn)生特大洪水的幾率很小，而且中小型洪水的次數(shù)也較少，過了9月以后，岷江上游的來(lái)水會(huì)形成一個(gè)拐點(diǎn)，來(lái)水量會(huì)激劇減少。為了保證枯水期的綜合供水，增加發(fā)電效益，蓄集汛末的中小洪水是紫坪鋪水利樞紐工程調(diào)度運(yùn)行的一大特色。在后汛期的主要調(diào)度目標(biāo)是：蓄水、發(fā)電、防洪。調(diào)度規(guī)則是：根據(jù)水情、洪水預(yù)報(bào)，做好防洪應(yīng)急措施的充分準(zhǔn)備，在滿足供水區(qū)用水和丘陵灌區(qū)囤水前提下，可逐步提高水庫(kù)水位，提高水庫(kù)綜合利用效益。經(jīng)對(duì)水庫(kù)蓄水優(yōu)化計(jì)算，9月10日以后開始啟動(dòng)水庫(kù)回蓄，最高水位控制在870 m。

3 紫坪鋪水庫(kù)汛期多目標(biāo)調(diào)度

3.1 “7·10”洪水概況

汶川至都江堰區(qū)間屬著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)南端，是岷江上游暴雨多發(fā)區(qū)，暴雨集中于6～9月。主要暴雨中心一般出現(xiàn)在迎風(fēng)坡山區(qū)和山麓地帶，即岷江右岸的漁子溪、壽溪等。紫坪鋪、都江堰一帶的大洪水均為這一地區(qū)大暴雨所形成，如1964年百年一遇的洪水，是紫坪鋪站有實(shí)測(cè)資料以來(lái)的首次大洪水。其特點(diǎn)是：峰高、歷時(shí)短、漲落快。2013年7月7～13日，紫坪鋪控制流域內(nèi)汶川以下區(qū)域普降大暴雨，雨量由汶川一帶向壩區(qū)逐次增強(qiáng)，暴雨中心位于壩區(qū)附近，紫坪鋪工程所在的都江堰市降雨強(qiáng)度達(dá)到了百年一遇。這次暴雨過程具有時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度大的特點(diǎn)。7月10日，紫坪鋪水利樞紐遭遇到投運(yùn)以來(lái)的最大洪峰4 231 m3/s，接近20年一遇水平(4 450 m3/s)，對(duì)紫坪鋪庫(kù)區(qū)及下游地區(qū)的防洪安全、供水安全造成了巨大威脅。

此次洪水過程為典型的近壩區(qū)的暴雨洪，部分降水直接落于庫(kù)區(qū)，使得洪水陡漲陡落，由于這次洪水過程前期天氣較為炎熱，降雨較少，洪水過程初始基流為770 m3/s左右，第一輪強(qiáng)降雨后產(chǎn)生了1 314 m3/s的首輪洪峰，第二輪更強(qiáng)降雨緊隨其后，產(chǎn)生了這次洪水過程的最大洪峰4 231 m3/s(7月10日8：20)，之后隨著降雨的逐漸減弱，來(lái)水緩慢消退至760 m3/s左右。這次洪水過程初始時(shí)刻由于紫坪鋪下游區(qū)間降雨量極大，為保證下游都江堰市、成都市中心城區(qū)及其它郊縣的防汛安全，前期調(diào)度以攔蓄洪水為主，后期待下游防汛壓力減小后才逐量緩慢泄洪，至洪水過程結(jié)束時(shí)，庫(kù)水位為854.66 m，過程中最高庫(kù)水位為868.20 m(7月11日17時(shí))。洪水過程如下圖所示。

3.2 調(diào)度目標(biāo)

圖1 7月8日-7月17日洪水過程及調(diào)度示意圖

根據(jù)紫坪鋪水利樞紐汛期調(diào)度規(guī)則設(shè)定的調(diào)度目標(biāo)為防洪、供水、發(fā)電，由于此次洪水量級(jí)較大，故調(diào)度以防洪和供水為調(diào)度目標(biāo)。

3.2.1 防洪安全約束

根據(jù)紫坪鋪工程特點(diǎn)，洪水下泄有多種途徑：發(fā)電機(jī)組下泄、泄洪洞下泄、沖沙洞下泄、溢洪道下泄，下泄洪水對(duì)下游的防洪安全形成壓力，具體防洪風(fēng)險(xiǎn)有：

(1)持續(xù)的強(qiáng)降雨造成下游清水河、江安河等多條支流水位上漲，部分河道出現(xiàn)漫堤險(xiǎn)情；

(2)大壩下游城市因河道的高水位對(duì)城市排水管道形成反壅，造成排洪不暢而形成內(nèi)澇；

(3)同屬于近壩暴雨區(qū)的白沙河洪峰與下泄洪水疊加將增大下游的防洪壓力。

3.2.2 供水安全約束

紫坪鋪控制流域汶川以下位于“5·12“汶川特大地震的震中區(qū)域，受地震影響，原有地形地貌遭到巨大破壞。一旦有強(qiáng)降雨，山體崩塌、滑坡、山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，會(huì)形成高濁度的入庫(kù)洪水；當(dāng)暴雨同時(shí)在紫坪鋪下游的白沙河流域發(fā)生時(shí)，白沙河形成的高度洪水會(huì)在壩下3 km左右與干流疊加，經(jīng)魚嘴分流后，都江堰內(nèi)江的高濁度渾水經(jīng)徐堰河輸運(yùn)到成都市自來(lái)水六廠和七廠，對(duì)成都市生活用水形成供水壓力。都江堰外江的高濁度渾水經(jīng)金馬河輸運(yùn)，進(jìn)而對(duì)自來(lái)水廠在金馬河取水的雙流縣居民生活用水造成重大影響。從上述分析可知，近壩區(qū)形成的高濁度暴雨洪水是紫坪鋪水利樞紐洪水調(diào)度運(yùn)行的重要約束。

3.2.3 樞紐泄洪設(shè)施運(yùn)行安全約束

泄洪洞與沖沙洞為紫坪鋪水庫(kù)主要的泄洪設(shè)施，為高流速隧洞，最大流速達(dá)45 m/s。由于高速水流會(huì)對(duì)隧洞造成沖刷、空蝕等破壞，每一條隧洞過水運(yùn)行不能超過5天，需停止泄水進(jìn)行檢查，并對(duì)已形成的破壞進(jìn)行修復(fù)。沖沙洞泄水具有高泥沙含量的特點(diǎn)，因此，在暴雨洪水期，沖沙洞的使用受到了供水約束與防洪約束耦合的限制，增加了調(diào)度壓力。

3.3 調(diào)度過程

考慮供水安全和防洪安全的需求，紫坪鋪水庫(kù)開展了基于防洪目標(biāo)、供水目標(biāo)的多目標(biāo)調(diào)度，“7·10”洪水調(diào)度過程如圖4所示。期間采取了一系列的調(diào)度措施實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)度目標(biāo)。

3.3.1 防洪安全調(diào)度措施

利用水庫(kù)的調(diào)蓄功能，從時(shí)間和空間上減緩防洪安全的壓力：充分利用水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容，采取攔洪削峰、錯(cuò)峰調(diào)度的方式最大削減洪峰流量3 600 m3/s，削峰比85%，攔蓄洪量2.6億m3，使下游洪水由40年一遇降為不到10年一遇，有效降低了下游城市防洪壓力。

3.3.2 供水安全調(diào)度措施

據(jù)紫坪鋪水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃，汛期水庫(kù)的泥沙調(diào)度是與防洪調(diào)度是同步進(jìn)行的，若汛期天然來(lái)水含沙量高，水質(zhì)差，在開啟沖砂洞泄洪時(shí)，由于進(jìn)口高程低，出水為水庫(kù)底層水，水體含沙量高，其對(duì)下游供水水質(zhì)也必然帶來(lái)一定影響。利用不同流量洪水演進(jìn)的時(shí)間差異性，在一定限度內(nèi)減輕高濁度洪水對(duì)供水安全形成的壓力，公司與成都市政府、相關(guān)區(qū)、縣就紫坪鋪水庫(kù)泄洪沖沙和安全供水兩兼顧進(jìn)行了充分研究，確定了在洪峰入庫(kù)三日內(nèi)按照“水調(diào)服從洪調(diào)”的原則進(jìn)行調(diào)度，三日后按下泄流量與下游區(qū)間來(lái)水疊加不超過內(nèi)江安全分流量，且采取間歇沖砂泄洪的運(yùn)行方式，以降低原水濁度。

3.3.3 泥沙調(diào)度措施

受“5·12”汶川特大地震影響，近年來(lái)紫坪鋪水庫(kù)控制流域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，庫(kù)區(qū)滑坡、崩塌時(shí)有發(fā)生，入庫(kù)泥沙顯著增加，紫坪鋪公司已于震前2008年、震后2011年、2013年及2014年先后4次對(duì)庫(kù)區(qū)的監(jiān)測(cè)斷面和地形進(jìn)行了測(cè)量，進(jìn)一步了解水庫(kù)地形和庫(kù)容變化情況，分析研究水庫(kù)淤積特性，制定科學(xué)合理的調(diào)度運(yùn)行方式。

表 2008―2014年紫坪鋪水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算成果表

從上表可以看出，地震時(shí)庫(kù)區(qū)大面積山體垮塌，以及隨后由于山體松散及強(qiáng)降雨造成的泥石流等次生災(zāi)害，導(dǎo)致大量泥沙石塊涌入庫(kù)區(qū)，造成庫(kù)內(nèi)大量淤積。整個(gè)庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積9051萬(wàn)m3，年均淤積量為1 508萬(wàn)m3，水庫(kù)整體淤積速率快于設(shè)計(jì)初期預(yù)計(jì)的573萬(wàn)m3/y。2014年庫(kù)容斷面復(fù)測(cè)與震前2008年相比，校核洪水位883.1 m以下庫(kù)容減少0.91億m3，正常蓄水位877 m下庫(kù)容減少0.9741億m3，汛期限制水位以下庫(kù)容減少0.95億m3，死水位以下庫(kù)容減少0.67億m3，可見地震對(duì)水庫(kù)庫(kù)容帶來(lái)較大影響。庫(kù)容淤積部分主要位于死庫(kù)容，其占總淤積量的73%，水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容較震前減少0.3億m3，對(duì)于水庫(kù)的正常調(diào)度影響較小。2013年“7·10”洪水過程中，考慮沙峰比洪峰入庫(kù)時(shí)間有一定滯后，在前期洪水入庫(kù)過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏檎{(diào)度，并保持適量的調(diào)節(jié)庫(kù)容，在沙峰到達(dá)壩前的時(shí)段內(nèi)集中加大下泄，通過這種錯(cuò)峰的泥沙調(diào)度方式，一是將淤積在庫(kù)內(nèi)的泥沙盡可能推到壩前，淤在死庫(kù)容內(nèi)；同時(shí)也通過開啟沖沙放空洞將壩前泥沙及時(shí)排出。2014年初復(fù)測(cè)資料表明，采取這種泥沙調(diào)度方式調(diào)節(jié)庫(kù)容較2013年初增加了328萬(wàn)m3，排沙效果明顯。

4 結(jié) 論

水利水電樞紐工程所承擔(dān)的任務(wù)受下游地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)的影響和制約較大。在進(jìn)行暴雨洪水的短期調(diào)度時(shí)，不同目標(biāo)之間存在

矛盾，采用多目標(biāo)的調(diào)度方法是解決此類矛盾的有效手段。開展多目標(biāo)的調(diào)度，在制訂調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分掌握不同目標(biāo)調(diào)度存在的風(fēng)險(xiǎn)，以這些風(fēng)險(xiǎn)作為調(diào)度的約束條件進(jìn)行多目標(biāo)調(diào)度?！?·10”洪水的多目標(biāo)調(diào)度采用了不同泄水設(shè)施的組合利用方案，利用洪水演進(jìn)在時(shí)間和空間上的差異，規(guī)避了白沙河的洪峰疊加；利用水庫(kù)的調(diào)蓄能力，將洪水約束在下游堤防安全水位之內(nèi)；利用發(fā)電機(jī)組下泄的清水稀釋減輕高濁度洪水對(duì)自來(lái)水廠制水的壓力；利用水庫(kù)水沙異化傳播的特性，進(jìn)行洪峰和沙峰的錯(cuò)峰調(diào)度，及時(shí)排出泥沙，減輕水庫(kù)淤積。

調(diào)度實(shí)踐表明，要提高洪水應(yīng)急調(diào)度能力，保障城市的防洪、供水安全，需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下工作或能力：

(1) 洪水預(yù)報(bào)的精度是調(diào)度準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)；

(2) 下游行洪河道上的城市排水管道的設(shè)計(jì)應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)，防止因排水不暢而造成內(nèi)澇；

(3) 行洪河道集中居民區(qū)河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在充分研究的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高；

(4) 城市原水水源應(yīng)有第二水源地，防止城市供水系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰。