水庫調(diào)洪有效計算方法探討

[法國]M.安圖內(nèi)斯

水庫調(diào)洪有效計算方法探討

[法國]M.安圖內(nèi)斯

2010年的特大洪水對中國、巴基斯坦和尼日爾造成了較大影響;2011年澳大利亞和巴西也發(fā)生了特大洪水。因此,有必要及時回顧大壩發(fā)揮的防洪作用。法國電力公司對法國和智利幾座水庫的防洪調(diào)控作用進行了分析研究,并對研究結(jié)果以及幾座水庫各自的特點和優(yōu)劣勢進行了比較。

水庫調(diào)度;調(diào)洪計算;計算方法

在多數(shù)國家,河流附近地區(qū)人口增長較快,而該區(qū)域又面臨著洪水的威脅,為此各國政府和社會要求提高大壩運行的安全水平。在這種情況下,鑒于洪水可能造成全國性的或地區(qū)性的破壞影響,當務(wù)之急是進行洪水管理。當前的重點是,除了優(yōu)化水庫實時調(diào)度之外,要制定并實施更好的規(guī)劃,并協(xié)調(diào)與公共安全有關(guān)的各個部門的行動;更準確地說,對于大型水庫,可通過提高水庫攔蓄洪水的能力,優(yōu)化防洪管理參數(shù),有可能會減輕洪水對下游的影響。

本著這一目的,法國電力公司(EDF)對智利和法國幾個重大關(guān)鍵方案的防洪管理調(diào)度程序的可能改善措施開展了研究。本文討論的主要問題是:

(1)在洪水入庫前,如何安排水庫預(yù)泄;

(2)運用水庫正常運行水位之上的附加庫容;

(3)在水庫受到洪水顯著回水曲線影響時,對壩前水位進行可能的適應(yīng)性調(diào)整。

EDF已對3座壩開展了研究:1座是位于法國阿爾卑斯山南部的謝爾邦松壩(Serre-Poncon),另2座則是位于智利比奧比奧(Biobio)河上的拉爾科(Ralco)壩和位于安第斯(Andean)河上的拉佩爾(Rapel)壩。這些工程都具有相似的特征:水庫總庫容為12～13億m3,壩高為130～140 m。雖然由于謝爾邦松地區(qū)的人口密度較高,下游的種種限制使水庫似乎更難管理,但拉爾科的洪水相對更嚴重(其最大入庫流量達10 000 m3/s,而謝爾邦松僅為1 300 m3/s)。對水庫預(yù)泄的優(yōu)點和缺點的評估,著重于大壩安全管理和水文預(yù)報置信水平間的緊密關(guān)系。

研究的第2個重要問題與洪水期間水庫調(diào)度的組織機構(gòu)(Organisation of the manoeuves)有關(guān)。防洪安全管理的原則,是僅利用壩址處直接和局部觀測的數(shù)據(jù)——水位及其逐時變化。EDF負責調(diào)度的所有工程都使用這個原則,調(diào)度人員可以借用相當簡單的算法來計算洪水的逐時演變。拉爾科壩也是應(yīng)用同樣的基本原理。

另外,有2個工程都短暫地應(yīng)用了正常蓄水位之上的附加庫容。在必要的時候,通過調(diào)節(jié)水庫的附加庫容,可以提高洪水調(diào)控能力。當洪水的嚴重風險過去之后,將在洪水結(jié)束時,再將水庫攔蓄的洪水下泄到下游河道,這樣就不會增加洪峰的流量。

1 工程及背景

1.1 謝爾邦松壩

謝爾邦松壩建于1955～1960年。水庫總庫容為13億m3,工程位于迪朗斯(Durance)流域。該壩為多用途大壩,主要用于峰荷發(fā)電、灌溉、飲用水源、旅游以及防洪。

迪朗斯流域上游的水文情勢主要取決于瓦桑(Oisans)地區(qū)的冬天降雪和秋季降水,條件非常惡劣。

1.2 拉爾科壩 /潘戈壩

拉爾科壩 /潘戈壩水利樞紐是智利最重要的水利樞紐之一,由智利國家電力公司(ENDESA)負責運營和調(diào)度。

工程處在比奧比奧河的上游,距洛杉磯市120 km。比奧比奧河流域面積為24 000 km2,工程大約控制了其上游流域面積的20%。作為流域關(guān)鍵性的控制工程,拉爾科壩水庫的總庫容為12億m3,控制著上游5 400 km2的流域面積。水庫設(shè)計洪水入庫流量為6 700 m3/s,百年一遇洪水流量為4 320 m3/s。

潘戈壩在緊靠拉爾科壩的下游,形成了一個庫容為0.65億m3的尾水水庫。這兩個工程的總水頭大約是300 m。

根據(jù)智利政府的新規(guī)定,拉爾科壩的主要作用是調(diào)控流域洪水,允許為削減洪峰流量而進行預(yù)泄。

1.3 拉佩爾壩

拉佩爾壩水利樞紐也是智利最重要的樞紐,由智利國家電力公司負責運營和調(diào)度。

拉佩爾工程距圣地亞哥城120 km,在安第斯河上形成了一座水庫。鑒于拉爾科壩位于其上游,因而拉佩爾壩下游的面積還不到流域面積的5%,也就是,說拉佩爾壩實際上在防洪方面能夠發(fā)揮的作用不是很大,僅僅只對一個位于大壩和海洋之間的村莊可以起到防洪保護作用。

拉爾科壩的初步設(shè)計洪水流量為10 000 m3/s,千年一遇洪水流量為12 400 m3/s(流域面積大約為13 600 km2)。

水庫上部的水面較寬,而水庫下部是很窄的峽谷。這一特定的水庫形狀,在其后半段形成了一個非常明顯的回水曲線。水庫中心與壩前水位之間有50 cm的水位差。

2 水庫預(yù)泄

智利新規(guī)定要求關(guān)鍵性的控制工程需提前啟動洪水管理程序,在洪水入庫前應(yīng)進行預(yù)泄,預(yù)降水庫水位,而法國法律則禁止此類調(diào)度。這一預(yù)防措施是基于水文氣象站和模型預(yù)測所提供的成果。

為了應(yīng)對智利新規(guī)定的要求,EDF和智利國家電力公司已進行了聯(lián)合研究,以采用最有效的方式進行拉爾科壩的預(yù)泄管理。

2.1 初期警戒階段

僅根據(jù)對洪水的定量預(yù)測即進入警戒的第1階段。通常,除了洪水發(fā)生急劇變化的時段以外,智利國家的現(xiàn)有條件允許進行精確的周預(yù)報。

在此階段,水庫的調(diào)度應(yīng)優(yōu)先考慮國家的電力供應(yīng)。根據(jù)這一準則,并考慮到風險分析,水庫預(yù)期的蓄水和氣象公報結(jié)果的嚴重程度,允許水利樞紐排放最大的流量。

第1種方法是可以維持水庫的“正常調(diào)度模式”,同時增加水庫預(yù)防性的自由庫容。即便是不可靠的氣象預(yù)報,也不會誘發(fā)大壩下游的特殊風險。例如,拉爾科電站每天可以產(chǎn)生0.16億m3的自由庫容,相應(yīng)地,庫水位每天下降約1 m。

2.2 預(yù)測階段

根據(jù)流域上游水文測量設(shè)備記錄的數(shù)據(jù),通過模型即可以預(yù)測隨后96 h的洪水過程。這樣就可以對洪水量做出首次評估,根據(jù)該評估結(jié)果和水庫中的蓄存水量,即可計算出預(yù)泄水量。

如果預(yù)測中存在較大的誤差,卻仍采用以上方法來執(zhí)行計劃,那么就有可能引起嚴重的人為洪水。而且,當預(yù)測期比較長,或不是很了解流域內(nèi)的水文特征時,風險還會增大。另外,積雪的存在可能使計算復雜化。

縮短預(yù)測期可大大提高預(yù)測精度。就拉爾科壩而言,鑒于流域的整體情況,可靠的預(yù)測期不能超過24 h。在如此短的時間框架內(nèi),水庫需提前排放大量的水,這就意味著在洪水入庫之前,會增加下游的風險。

另一方面,盡管96 h的洪水過程的預(yù)測可靠性要差得多,但它可以顯著減小預(yù)泄流量,同時也可保證水庫下泄相同的水量。

為了減小下游的人口、財產(chǎn)可能會受到的風險,并考慮到調(diào)度者的責任,可以選擇第2個方案,即在洪水入庫之前,先騰空水庫。這樣,當水庫下泄時,就不會給下游造成破壞性的風險。已開展了這方面的專項影響評估,以評估大壩和下游首次匯流之間的最大可接受的流量。

2.3 結(jié) 論

在智利現(xiàn)行的法律范圍內(nèi),對于預(yù)防性調(diào)度機構(gòu)來說,可以考慮采用2種調(diào)度模式,以限制洪峰流量可能造成的不利影響。

(1)在7 d氣象公報的基礎(chǔ)上采用洪水初期警戒措施,允許用最大的流量發(fā)電,并將其輸送到國家電網(wǎng),同時保持正常的調(diào)度模式。

(2)依據(jù)流域上游水文測量設(shè)備提供的測量資料和數(shù)據(jù),預(yù)測水庫的預(yù)泄水量?？紤]到該預(yù)測有可能產(chǎn)生較大誤差的風險,因而應(yīng)對水庫預(yù)泄流量強加一些嚴格的限制條款。

3 洪水期短暫利用附加庫容

3.1 EDF的主要防洪安全指令

設(shè)想對可應(yīng)用于EDF負責調(diào)度的水電工程,尤其是謝爾邦松水電站的通用防洪管理原則作適當?shù)男薷?以使其也能同樣適用于拉爾科和拉佩爾水電站的防洪管理。

謝爾邦松壩的通用防洪指令是基于出流量有規(guī)律地定時增加,以平衡水庫的入流和出流,從而使水庫保持滿庫。定期對洪水的調(diào)度量進行計算,以使水庫在洪水期過后也能保持蓄滿狀態(tài)。

為了獲得可靠的當?shù)貙崪y的水庫入流量,應(yīng)在壩前定時觀測水位的變化(Δ H)。根據(jù)壩前水位的變幅和已知的泄流量,即可以計算出水庫的入流量。

假設(shè)水庫的入流量為常數(shù),而出流量為定時增長,那么可以在圖上用一條拋物線表示。如果入流量改變,則出流量的增長也會發(fā)生變化,這時調(diào)度人員就可以繪制一系列的收斂拋物線,根據(jù)繪制的這些拋物線,可對洪水演變狀況進行評估。

這些原則已考慮到在定期觀測水位變化的基礎(chǔ)上建立洪水演算指令。出流量增長步長的選擇用圖上的點表示,這些點代表某一時刻的實際情況(庫水位增長,水位),這種情況與圖上該點下面最近的拋物線有關(guān)。

3.2 謝爾邦松壩的特點

謝爾邦松壩在法國迪朗斯流域的防洪中起到了關(guān)鍵性的作用。尤其是,該大壩的防洪任務(wù)是推遲并盡量削減洪峰,以便提高流域下游的防洪標準。迪朗斯河與無調(diào)控的比齊(Buech)河匯流的洪水給下游帶來了很大的風險,特別是下游的錫斯特龍(Sisteron)鎮(zhèn)。

洪水期允許短暫利用水庫中附加高2 m的庫容。通過臨時擴大庫容,可以達到防洪作用,也可以將其當作是對一般防洪調(diào)度計算方法的補充。謝爾邦松壩有自己的調(diào)度管理系統(tǒng),當庫水位超過正常最高水位時,能使水庫內(nèi)的水體緩慢下泄,這樣可以保持水庫入流和出流間的平衡。當洪水消退,入庫流量大幅下降時,調(diào)度要求庫水位緩慢下降,以使水流能通過電站廠房內(nèi)的渦輪機,而不是由溢洪道排放。只有當洪水消退而無危險存在時,水庫才可以接受需要的超額水量。

在執(zhí)行洪水期利用水庫的附加庫容進行臨時性攔蓄洪水措施時,必須基于以下條件:即除了進行環(huán)境、社會和行政管理的評估以外,還必須對大壩的穩(wěn)定性和庫岸狀況進行詳細的研究。

3.3 拉爾科電站對相關(guān)原則的適應(yīng)性

拉爾科壩同謝爾邦松壩特征的類似,對控制比奧比奧河流域的洪水能夠起到關(guān)鍵性的作用。然而,其壩址處的應(yīng)力狀態(tài)和溢洪道的自然特征,使得水庫附加庫容的水層高度限制在0.50 m以內(nèi),庫容相應(yīng)增加 0.16億 m3,蓄水水位在 725.0～725.5 m范圍之間。

逐步利用附加庫容,可實時觀測和記錄最高水位,并作為洪水動態(tài)的函數(shù)。入流量增加很快的洪水趨向于在725.5 m水位左右;而入流量增加較緩慢的洪水,則即使是相同的洪水量,也只會使用該附加庫層的一部分。

由圖1可以看出,通過預(yù)降庫水位和利用部分附加庫容 (在這種工況下,庫水位最高到725.22 m),水庫攔蓄的洪峰水量。洪水期水庫的最大出流量遠低于入庫的洪峰流量。

圖1 預(yù)降庫水位和利用部分附加庫容攔蓄的洪峰水量

4 防洪調(diào)度回水曲線

就拉佩爾水電站來說,大壩位于流域的下游,不要求其能夠減緩洪水。從這點來看,也就不需要利用水庫的附加庫容。

與拉爾科壩相比,拉佩爾水電站的調(diào)洪計算規(guī)則因其他原因而進行了專項研究。拉佩爾水庫形態(tài)所具有的特殊性,使其上游庫區(qū)寬闊,河流坡度比較平緩;而下游庫區(qū)則狹窄、陡峭,為巖石峽谷。當洪水流量足夠大時,就會在下游庫區(qū)形成明顯的回水曲線?？梢杂^察到,在特大洪水期間,水庫的中心區(qū)域與壩前的水位差大約為50 cm。

當入流量增加時,現(xiàn)有規(guī)則(基于水庫調(diào)度人員的經(jīng)驗)。已考慮了在進行水庫調(diào)洪計算時降低參考水位的這一變化。

為制訂防洪規(guī)則而進行的研究,試圖采用相同的基礎(chǔ)來解決問題,以便得到對謝爾邦松壩和拉爾科壩都適用的指令。但引進了新的概念,這種新概念是考慮簡單地改變參考水位來進行洪水管理。

這種適配方法的原則是建立在測站穩(wěn)定入流量和實測回水曲線之間關(guān)系的基礎(chǔ)上。然后將水位差值結(jié)合到調(diào)洪計算曲線圖中,以求得一個新的瞬時水位參考值,這樣也給調(diào)度人員提供了一組以新水位參考值為依據(jù)的曲線。拉佩爾壩的調(diào)洪計算是每小時迭代計算一次,相應(yīng)水庫調(diào)度更新一次。

如果參考水位為常數(shù),則只需觀測壩前的水位;反之,在調(diào)洪指令要求變化的參考水位的地方,則還需觀測水庫中部的水位。

最后,為了保證參考水位持續(xù)平穩(wěn)地下降,有可能采用合理的精度水平來考慮短期預(yù)測入流量(提前6 h)。在缺少這些數(shù)據(jù)的情況下,則會采用瞬時入流量的數(shù)據(jù)以恢復控制,而不會致使控制中斷。

邱訓平 譯自英刊《水電與大壩》2011年第1期

山 松 校

TV697.11

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1006-0081(2011)10-0032-04

2011-06-06