嘉陵江亭子口水利樞紐防洪調(diào)度初探

張 建 明

(嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400)

0 前 言

亭子口水利樞紐是嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程，是川東北地區(qū)骨干調(diào)峰電源。2013年6月18日，亭子口水利樞紐工程開(kāi)始下閘蓄水，8月9日首臺(tái)機(jī)組72小時(shí)試運(yùn)行成功，正式并網(wǎng)發(fā)電。2014年5月1日，實(shí)現(xiàn)全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。初期蓄水運(yùn)行第一年，亭子口水利樞紐即經(jīng)受住了2013年的洪水考驗(yàn)，成功調(diào)蓄了多場(chǎng)洪水，并有效的進(jìn)行了錯(cuò)峰，初顯出其巨大的防洪效益。

如何科學(xué)合理的進(jìn)行水庫(kù)防洪調(diào)度，實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)、提高洪水資源利用率，一直是水庫(kù)調(diào)度工作的重要基礎(chǔ)。筆者根據(jù)水庫(kù)所在流域來(lái)水特性，對(duì)亭子口水利樞紐防洪調(diào)度方式進(jìn)行了敘述，并對(duì)工程初期蓄水在防洪調(diào)度進(jìn)行的工作進(jìn)行了總結(jié)分析，為水庫(kù)日后實(shí)際防洪調(diào)度運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15 km，是嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。 水庫(kù)正常蓄水位458.00 m，防洪限制水位447.00 m，死水位438.00 m，設(shè)計(jì)洪水位461.30 m，校核洪水位463.07 m，總庫(kù)容40.67億m3。水庫(kù)預(yù)留防洪庫(kù)容10.6億m3(非 常 運(yùn) 用 時(shí) 為14.4億m3)，可灌溉農(nóng)田292.14萬(wàn)畝，電站裝機(jī)1 100 MW，通航建筑物為2×500 噸級(jí)，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。工程壩型為混凝土重力壩，河床中間布置8個(gè)表孔、5個(gè)底孔及消能建筑物，底孔(兼作排沙孔)布置在表孔左側(cè)，河床左側(cè)布置壩后式電站廠房，河床右側(cè)布置垂直升船機(jī)，兩岸布置非溢流壩段。

2 暴雨洪水特性

嘉陵江流域徑流主要來(lái)源于降水，其次為地下水和融雪水補(bǔ)給。徑流年內(nèi)變化與降水量基本一致，年內(nèi)年際變化均較大。

亭子口以上流域降水的總趨勢(shì)是由南向北遞減，各站多年平均降水量為400～1 200 mm，面平均雨深720 mm。本流域大暴雨的天氣系統(tǒng)主要為西南低渦、低槽冷鋒、低空急流和切變線。由于天氣形勢(shì)和影響降水的天氣系統(tǒng)以及地形條件的不同，使得暴雨分布在地區(qū)上和季節(jié)上均有差異。亭子口以上流域暴雨多發(fā)生在4～10月，80%的暴雨發(fā)生在7～9月。單站暴雨持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)3 天。

亭子口控制流域洪水主要由暴雨形成，屬陡漲陡落型洪水，年最大洪水發(fā)生時(shí)間以7、8、9三個(gè)月最多，6月次之，5、10月亦偶有發(fā)生，但量級(jí)較小。7～9三個(gè)月主汛期洪峰出現(xiàn)次數(shù)占全年84.7%，其 中 出 現(xiàn) 在 7 月 份 的 機(jī) 率 最 大 為

38.5%，其次是9月為25.0%。嘉陵江一次暴雨過(guò)程約5～7天，其中主峰歷時(shí)2～3 天，一次洪水過(guò)程約為3～7天，峰頂時(shí)間一般為0.5～2 小時(shí)，洪水過(guò)程線形狀多為單峰，當(dāng)嘉陵江上游與白龍江及區(qū)間降水時(shí)間錯(cuò)開(kāi)時(shí)，也時(shí)常出現(xiàn)雙峰或多峰的洪水過(guò)程。

4 防洪任務(wù)及調(diào)度原則

防洪調(diào)度的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)確定的樞紐工程設(shè)計(jì)洪水、校核洪水和下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)的調(diào)洪原則，在保證樞紐工程安全的前提下，攔蓄洪水和按規(guī)定控制下泄流量，盡量減輕或避免下游洪水災(zāi)害。

4.1 防洪任務(wù)

依據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告，亭子口水庫(kù)的防洪任務(wù)為：有效控制嘉陵江洪水，提高下游沿江城鎮(zhèn)的防洪能力，使南充市、閬中市以及蒼溪、南部、儀隴、蓬安、武勝等縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高到50年一遇，將下游沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)、相對(duì)集中居民區(qū)及農(nóng)田的抗洪能力由2年一遇提高到10年一遇，在長(zhǎng)江中下游遭遇較嚴(yán)重災(zāi)情洪水或嘉陵江中下游遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，削減長(zhǎng)江中下游成災(zāi)水量或者大幅減輕嘉陵江中下游洪災(zāi)損失。

4.2 正常運(yùn)行期水庫(kù)調(diào)度原則

亭子口水庫(kù)的正常運(yùn)行期調(diào)度原則為：汛期6月下旬～8月底控制興利水位不超過(guò)防洪限制水位447 m；9月初水庫(kù)開(kāi)始蓄水，一般情況下，9月中、下旬可蓄至正常蓄水位458 m；10～12月維持正常蓄水位運(yùn)行；1～4月為供水期，電站一般按保證出力發(fā)電，正常情況下控制供水期末庫(kù)水位不低于死水位438 m；當(dāng)遭遇較豐來(lái)水年份，5～6月運(yùn)行水位較高，要求6月中旬迫降庫(kù)水位，中旬末將庫(kù)水位降至防洪限制水位447 m。

4.3 水庫(kù)下游防護(hù)區(qū)防洪調(diào)度

亭子口水庫(kù)對(duì)嘉陵江中下游的防洪調(diào)度方式采用“固定下泄量法”和“補(bǔ)償調(diào)度”相結(jié)合的防洪調(diào)度方式。具體調(diào)度方式如下：

汛期亭子口水庫(kù)來(lái)水Q來(lái)<10 000 m3/s時(shí)，亭子口水庫(kù)水位按防洪限制水位控制運(yùn)行；當(dāng)來(lái)水Q來(lái)≥10 000 m3/s時(shí)，按以下方式調(diào)度：

(1)當(dāng)南充未出現(xiàn)汛情(南充流量<20 000 m3/s)時(shí)，采用“固定下泄量”方式調(diào)度。當(dāng)亭子口水庫(kù)來(lái)水Q來(lái)介于10 000～18 000 m3/s(2～10年一遇)時(shí)，亭子口水庫(kù)按Q泄=10 000 m3/s 控制下泄，以保護(hù)下游沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)田為目標(biāo)；

(2)當(dāng)亭子口水庫(kù)來(lái)水Q來(lái)≥18 000 m3/s或南充流量≥20 000 m3/s 時(shí)，采用“補(bǔ)償調(diào)度”方式運(yùn)用，以保護(hù)南充等城鎮(zhèn)為目標(biāo)。

①亭子口水庫(kù)的下泄流量為南充的安全泄量扣除上時(shí)段亭-金(亭子口至金銀臺(tái))區(qū)間來(lái)量及上時(shí)段亭-金區(qū)間上漲流量，并扣除建設(shè)鄉(xiāng)水文站及未控區(qū)間流量；若Q泄小于機(jī)組滿發(fā)流量1 200 m3/s，按Q泄=1 200 m3/s 控制，將其余洪水?dāng)r蓄于水庫(kù)內(nèi)。

即：Q亭泄(t)=Q南安-K×{Q清(t-1)+[Q清(t-1)-Q清(t-2)]}-Q建、未控

②當(dāng)南充洪水不超過(guò)50 年一遇時(shí)，控制庫(kù)水位不超過(guò)防洪高水位；

③當(dāng)南充發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水或長(zhǎng)江中下游遭遇嚴(yán)重災(zāi)情洪水時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)需要?jiǎng)佑盟畮?kù)預(yù)留的非常運(yùn)用防洪庫(kù)容，作為可能采用的臨時(shí)措施。

(3)下游退水后，視水情適當(dāng)加大水庫(kù)泄量，使水庫(kù)盡快消落至防洪限制水位，騰空防洪庫(kù)容，以備下一次洪水的到來(lái)。

式中t—— 一場(chǎng)洪水過(guò)程的時(shí)段數(shù)，t=1，2，

…，n；Q亭泄(t) —— 本時(shí)段亭子口水庫(kù)泄流量；Q南安為南充河道安全泄量，25 100 m3/s；K為亭-金區(qū)間流量擴(kuò)大系數(shù)，取1.2；Q清(t-1)為上時(shí)段清泉鄉(xiāng)水文站來(lái)水流量；Q清(t-1)-Q清(t-2)為上時(shí)段清泉鄉(xiāng)水文站來(lái)水流量漲率；Q建、未控為南充發(fā)生洪水時(shí)建設(shè)鄉(xiāng)水文站及未控區(qū)間流量。取值如下：當(dāng)南充流量≤25 000 m3/s 時(shí)，取6 500 m3/s；當(dāng)25 000 m3/s<南充流量≤28 000 m3/s時(shí)， 取 7 000 m3/s；當(dāng) 南 充 流 量>28 000 m3/s 時(shí)， 取7 500 m3/s。

5 防洪調(diào)度

常規(guī)防洪調(diào)度一般采用洪水形成、發(fā)展過(guò)程中額實(shí)際庫(kù)水位、實(shí)際入庫(kù)流量作為判斷洪水量級(jí)大小及相應(yīng)泄量的判別指標(biāo)。防洪預(yù)報(bào)調(diào)度一般采用洪水預(yù)報(bào)信息中的累積凈雨量、入庫(kù)洪水流量作為判斷洪水量級(jí)大小及相應(yīng)泄量的指標(biāo)。在實(shí)際防洪調(diào)度中，利用實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)泄調(diào)度，則可騰空部分防洪庫(kù)容，使水庫(kù)的抗洪能力提高或削減洪峰，最大限度地保護(hù)下游防護(hù)點(diǎn)的防洪安全。亭子口水利樞紐工程在水庫(kù)蓄水運(yùn)行初期，在實(shí)際防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方面做了一些探索，并在首年蓄水運(yùn)行取得了較好的防洪、發(fā)電等綜合效益。

5.1 水情水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)

水庫(kù)流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是實(shí)施防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的先決條件。2009年亭子口水利樞紐工程施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)便組建完成并投入運(yùn)行。2013年，隨著首臺(tái)機(jī)組的投產(chǎn)運(yùn)行，電站開(kāi)始轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)水情測(cè)報(bào)工作也提出了更高的要求。為增長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期和提高預(yù)報(bào)精度，在施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行續(xù)建完善。

目前，亭子口水利樞紐水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)模為1∶35。35個(gè)遙測(cè)站中，有9個(gè)水位雨量站、25個(gè)雨量站和1個(gè)氣象站，覆蓋略陽(yáng)至亭子口壩區(qū)。遙測(cè)站采用GPRS/GSM和北斗衛(wèi)星的通信方式，抗干擾強(qiáng)，通暢率高，確保了水情遙測(cè)數(shù)據(jù)的完成性、可靠性、及時(shí)性。

5.2 洪水預(yù)報(bào)方案

通過(guò)研究嘉陵江流域水文氣象特征、洪水組成及遭遇規(guī)律、水文氣象預(yù)報(bào)水平、洪水預(yù)報(bào)新技術(shù)新方法，科學(xué)編制洪水預(yù)報(bào)方案，指導(dǎo)水庫(kù)實(shí)時(shí)蓄泄，是水庫(kù)進(jìn)行防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的重要內(nèi)容。洪水預(yù)報(bào)方案的合理性直接影響著調(diào)度決策的正確與否。

針對(duì)嘉陵江流域獨(dú)特的流域水文氣象特性，亭子口水利樞紐洪水預(yù)報(bào)方法主要采用流域降雨徑流預(yù)報(bào)和河段流量預(yù)報(bào)方法。根據(jù)水文預(yù)報(bào)精度和預(yù)見(jiàn)期的需要，結(jié)合亭子口水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)與河段控制情況，將壩址以上控制流域面積分為4個(gè)區(qū)塊，即略陽(yáng)—廣元塊區(qū)，上寺以上塊區(qū)，廣元、三磊壩、上寺—昭化塊區(qū)，昭化—亭子口塊區(qū)(河長(zhǎng)及平均傳播時(shí)間見(jiàn)圖1)，分別對(duì)四個(gè)塊區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào)演算。

圖1 嘉陵江略陽(yáng)至亭子口河長(zhǎng)及平均傳播時(shí)間示意圖

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GT/T 22482-2008)規(guī)定，利用洪水樣本進(jìn)行建模和綜合檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)方案各項(xiàng)評(píng)定要素的合格率均為乙等以上。結(jié)合重要斷面的水位變化過(guò)程，通過(guò)5 年實(shí)際預(yù)報(bào)工作不斷修正，場(chǎng)次洪水預(yù)報(bào)精度均在80%以上，滿足樞紐汛期運(yùn)行調(diào)度對(duì)洪水預(yù)報(bào)的要求，為防洪調(diào)度決策提供了有力的技術(shù)支撐。

5.3 梯級(jí)流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度

嘉陵江亭子口水利樞紐工程以上流域水利工程數(shù)量較多，特別是支流白龍江上有碧口和寶珠寺電站。碧口水庫(kù)總庫(kù)容為4.5億m3，有效庫(kù)容2.21億m3，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)；寶珠寺電站總庫(kù)容25.5億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容13.4億m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。碧口、寶珠寺電站的蓄放水對(duì)亭子口電站影響較大。為了及時(shí)全面掌握上游水情，確保工程安全度汛及防洪調(diào)度運(yùn)用，亭子口水利樞紐與寶珠寺水庫(kù)建立了長(zhǎng)期水情報(bào)汛關(guān)系。

與此同時(shí)，按照長(zhǎng)江防總辦公室統(tǒng)一部署的長(zhǎng)江上游控制性水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案，亭子口水利樞紐積極組織開(kāi)展長(zhǎng)江上游水庫(kù)群信息共享等工作，為后續(xù)開(kāi)展流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度探索，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.4 常遇洪水調(diào)度

在工程設(shè)計(jì)中，汛限水位是根據(jù)有一定稀遇程度的全年設(shè)計(jì)洪水計(jì)算而確定的，當(dāng)發(fā)生較大洪水時(shí)，亭子口水利樞紐根據(jù)下游防洪需求進(jìn)行防洪運(yùn)用。但洪水的發(fā)生為隨機(jī)事件，并不是每年都有大洪水發(fā)生，特別是稀遇洪水，往往是幾十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)生一次；而年內(nèi)，在長(zhǎng)達(dá)半年的汛期內(nèi)，并非每月或每旬都會(huì)發(fā)生較大洪水，一般情況，不同月份間或分期間洪水量級(jí)有較明顯的差別，主汛期相對(duì)于其他時(shí)期的洪水量級(jí)要大得多，因此，一般年份水庫(kù)對(duì)汛期發(fā)生的常遇洪水可以進(jìn)行適當(dāng)攔蓄，調(diào)洪水位可據(jù)預(yù)報(bào)預(yù)泄研究成果實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。

近年來(lái)，水資源供需矛盾突出，電力嚴(yán)重短缺，因此，從合理利用汛期的常遇洪水，提高洪水資源利用率的角度出發(fā)，亭子口水電站與長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局協(xié)作開(kāi)展了亭子口水利樞紐常遇洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度技術(shù)研究工作。

通過(guò)研究嘉陵江流域水文氣象特征、洪水組成及遭遇規(guī)律、水文氣象預(yù)報(bào)水平、洪水預(yù)報(bào)新技術(shù)新方法、各水庫(kù)預(yù)報(bào)預(yù)泄能力及下游河道安全泄量等，對(duì)各設(shè)計(jì)頻率洪水、典型大洪水進(jìn)行調(diào)洪演算及下游河道洪水演進(jìn)計(jì)算，在不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)、不增加下游防洪壓力和防洪風(fēng)險(xiǎn)完全可控的前提下，合理利用洪水資源，提出了水庫(kù)常遇洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度的啟動(dòng)條件及操作控制指標(biāo)。

6 2013年防洪調(diào)度

2013年汛期，亭子口水利樞紐壩址以上控制流域內(nèi)多次發(fā)生持續(xù)性強(qiáng)降雨，洪水發(fā)生之頻繁歷史罕見(jiàn)。面對(duì)嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，精心調(diào)度，積極有效地?cái)r洪、預(yù)泄、消峰、錯(cuò)峰，亭子口水利樞紐工程順利度過(guò)汛期。同時(shí)，為提高下游梯級(jí)電站綜合效益，緩解下游防汛壓力，積極配合下游區(qū)域地方政府搶險(xiǎn)救災(zāi)發(fā)揮了重要作用。

6.1 主汛期防洪調(diào)度

2013年主汛期(6月下旬-8月底)，亭子口水庫(kù)平均入 庫(kù) 流 量 2 340 m3/s，總?cè)霂?kù)水量149.54億m3，占全年多年平均來(lái)水量的79%。期間亭子口水庫(kù)共遭遇12次明顯漲水過(guò)程，其中洪峰流量為5 000 m3/s以下的3次，5 000-8 000 m3/s的5次，8 000 m3/s以上的4次。洪水發(fā)生之頻繁為近幾年較為少見(jiàn)。最高洪水位453.72 m，發(fā)生在9月27日10時(shí)；最大1次入庫(kù)洪峰流量為11 800 m3/s，發(fā)生在6月21日；最大出庫(kù)流量為5 800 m3/s，發(fā)生在7月4日。

2013年主汛期亭子口水庫(kù)4次較大洪水過(guò)程防洪調(diào)度統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1，日平均出入庫(kù)流量過(guò)程見(jiàn)圖2。

表1 2013年主汛期亭子口防洪調(diào)度統(tǒng)計(jì)表

圖2 2013年主汛期亭子口水庫(kù)日平均出入庫(kù)流量過(guò)程線圖

6.2 后汛期防洪蓄水調(diào)度

2013年后汛期，通過(guò)氣象預(yù)報(bào)分析，9月初預(yù)報(bào)本月中下旬亭子口壩址上游流域有一次明顯降雨過(guò)程，將形成一次較大徑流過(guò)程。結(jié)合預(yù)報(bào)成果，經(jīng)過(guò)與四川省電力部門(mén)的溝通協(xié)調(diào)，于9月18日前將庫(kù)水位從451.11 m通過(guò)加大發(fā)電出力降至448.33 m，騰出庫(kù)容約3億m3。9月19日，洪水入庫(kù)，洪峰流量達(dá)5 790 m3/s。洪峰過(guò)后攔蓄洪尾，庫(kù)水位蓄至453.72 m。

通過(guò)對(duì)此次后汛期洪水的成功調(diào)蓄，重復(fù)利用庫(kù)容增發(fā)電量約6 000萬(wàn)kWh，做到了防汛發(fā)電兩不誤，為“兩節(jié)”保電做出了貢獻(xiàn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

嘉陵江中上游汛期來(lái)水極不均勻，亭子口水利樞紐作為嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程，樞紐庫(kù)容較大，調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，在尚未承擔(dān)防洪任務(wù)的蓄水初期已經(jīng)凸顯出其防洪效益。理論和實(shí)踐度表明，預(yù)報(bào)調(diào)度的效益是顯著的。隨著亭子口水利樞紐工程的正常蓄水運(yùn)行，如何進(jìn)行科學(xué)防洪調(diào)度，在確保度汛安全的前提下，合理管理洪水資源，提高水能利用率，增加發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等綜合效益，還需在正常蓄水運(yùn)行后結(jié)合實(shí)際調(diào)度工作持之有效地進(jìn)行探索，開(kāi)展優(yōu)化調(diào)度工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 嘉陵江亭子口水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告 2009.

[2] 譚培倫 譚啟富 周棣華 關(guān)于水庫(kù)防洪調(diào)度若干問(wèn)題的探討 1994.

作者簡(jiǎn)介:

張建明(1986-)，男，河南靈寶人，助理工程師，從事水電站機(jī)水庫(kù)調(diào)度管理工作.