水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法研究發(fā)展動態(tài)綜述

任明磊，何曉燕，丁留謙，楊帆，李輝，張洪斌

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京100038；3.北京工業(yè)大學建設工程學院，北京100124)

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水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法研究發(fā)展動態(tài)綜述

任明磊1，2，何曉燕1，2，丁留謙1，2，楊帆3，李輝1，2，張洪斌1，2

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京100038；3.北京工業(yè)大學建設工程學院，北京100124)

水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法是動態(tài)控制研究的關鍵內容，亦是動態(tài)控制方案實施的基礎。通過系統(tǒng)總結(改進)預泄能力約束法、防洪預報調度方式及規(guī)則設計方法、庫容補償法、考慮年內洪水時序變化規(guī)律的統(tǒng)計分析法、分級預泄法、綜合信息決策支持表法等水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的主要方法，評述各方法的主要特點及適用條件，提出了汛限水位動態(tài)控制域確定方法尚需深入研究的關鍵性問題，以期推動水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法的全面應用，擴大其研究應用范圍。

汛限水位；動態(tài)控制域；預泄能力約束；預報調度；分級預泄

0 引 言

面對嚴峻的水資源短缺形勢，在保證水庫防洪安全的前提下，科學合理的設計與運用水庫汛限水位，開展水庫汛限水位動態(tài)控制研究工作，充分發(fā)揮水庫的綜合效益，是緩解水資源短缺問題的有效途徑之一。自2001年國家防汛抗旱總指揮部辦公室布置開展水庫汛限水位動態(tài)控制研究工作以來，經過多年基礎理論研究及試點水庫應用研究取得了很大進展，已從原來整個汛期單一固定原設計汛限水位、不考慮預報信息發(fā)展為分期汛限水位，進而發(fā)展到利用預報信息進行汛限水位動態(tài)控制。汛限水位動態(tài)控制域確定是汛限水位動態(tài)控制研究的關鍵內容之一，是編制完成汛限水位動態(tài)控制方案的一個重要環(huán)節(jié)，亦是實施動態(tài)控制方案的基礎。

本文在簡述國內外汛限水位動態(tài)控制域確定方法總體概況的基礎上，系統(tǒng)總結了水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的主要方法，分析了各方法的主要特點及適用條件，并對尚需深入研究的關鍵性問題進行了展望，以期初步推動水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法的全面應用，擴大水庫汛限水位動態(tài)控制試點應用范圍，全面提高我國洪水資源利用率。

1 水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法研究發(fā)展概況

水庫汛限水位動態(tài)控制的關鍵內容為實時調度階段動態(tài)控制方案的實施，為防止實時調度中“為保證下游防洪安全而減少下泄流量，導致汛限水位過于降低”和“增加興利蓄水而過于抬高汛限水位”這兩種現象的發(fā)生，有必要以保證防洪安全和充分利用洪水資源為出發(fā)點，在規(guī)劃設計階段，考慮水庫特性及可利用信息，對汛限水位動態(tài)控制范圍進行研究，將安全合理的“汛限水位動態(tài)控制約束域”作為實時調度階段汛限水位動態(tài)控制的約束范圍。

20世紀90年代后，國內、國際水文科學及計算機技術的發(fā)展，把洪水預報及其精度提高技術推向了全面發(fā)展和廣泛應用的嶄新階段，為水庫利用洪水預報信息進行調度提供了十分有利的條件?；诖?，文獻[1]研究了水庫防洪預報調度規(guī)劃設計，該方法可用于汛限水位動態(tài)控制域的確定，并在北方一些水庫得以實施。另外，SL 104—95《水利工程水利計算規(guī)范》中亦允許洪水預報條件較好、預報方案完善、預報精度較高的水庫進行洪水調節(jié)計算時可適當考慮預報預泄，但預泄時僅局限于考慮洪水預報信息，一般不考慮氣象預報信息，該預泄能力約束法亦可用于水庫汛限水位動態(tài)控制域確定，并在汛限水位動態(tài)控制第一批試點水庫動態(tài)控制域確定時得以應用。進入21世紀后，隨著風云二號B、C、D、E系列衛(wèi)星及風云三號A星、B星的成功發(fā)射，我國氣象預報水平大有提高，氣象部門積累了大量可利用的降雨預報資料，因此綜合考慮降雨預報信息、洪水預報信息的改進預泄能力約束法逐步發(fā)展，并主要用于匯流速度快、時間短、洪水預報方案精度低的水庫汛限水位動態(tài)控制域確定。

由于水庫原設計沒有考慮洪水年際之間、年內洪水之間的變化規(guī)律性，而在水庫洪水實際調度過程中，年際間洪水、年內洪水發(fā)生及變化均有規(guī)律可循，基于此，文獻[2]提出考慮年內洪水時序變化規(guī)律的統(tǒng)計分析法確定汛限水位動態(tài)控制域，按照設計規(guī)范要求進行汛期分期及確定相應汛限水位并作為動態(tài)約束域值即是此種方法的典型代表。在汛限水位動態(tài)控制第一批試點水庫動態(tài)控制域研究過程中，個別試點水庫與其他水庫形成水庫群，共同服務于下游防洪目標，水庫群需按下游防洪控制點的要求進行補償調度或錯峰調度，針對此種類型的水庫，主要采用庫容補償調節(jié)法確定被補償水庫汛限水位動態(tài)控制域。

文獻[2]以第一批試點水庫汛限水位動態(tài)控制域研究成果為基礎，對上述方法進行了初步整理與總結。根據國家防辦2005年6月下發(fā)的“水庫汛限水位動態(tài)控制試點工作意見”，在2008年開展的第二批汛限水位動態(tài)控制試點水庫動態(tài)控制域確定相關研究工作的過程中，考慮到(改進)預泄能力約束法在實際調度應用中存在的“在有效預見期內一直按下游允許安全泄量泄流的問題”，提出分級預泄方法進行汛限水位動態(tài)控制域確定，該方法更緊密地結合了水庫防洪調度實踐，可操作性更強[3- 4]。對于洪水預報精度不高、下游允許安全泄量又控制較為嚴格的水庫，則在泄量分級的基礎上，考慮到動態(tài)控制階段入庫洪水信息，提出了在考慮各級泄流量、各級入庫流量組合情況下，采用面臨時刻允許控制庫水位決策支持表法[5]確定汛限水位動態(tài)控制域，該方法可為調度技術人員和決策者提供具體化、數量化信息，可操作性較好。

西方發(fā)達國家由于在氣象水文特性、人口密度分布、水資源供需矛盾等國情方面的差異，其研究重心以考慮防洪效益及生態(tài)環(huán)境效益為主，汛限水位基本采用傳統(tǒng)的規(guī)劃設計值，對汛限水位動態(tài)控制域確定、動態(tài)控制方法的研究甚少。

2 汛限水位動態(tài)控制域確定方法

目前已有的和新近研究的汛限水位動態(tài)控制域確定方法主要有以下幾種：

(1)防洪預報調度方式及規(guī)則設計方法。該方法確定水庫汛限水位動態(tài)控制域是在滿足水庫本身及上下游防洪標準的前提下，通過調節(jié)不同防洪標準對應頻率的預報設計洪水過程，尋求判斷水庫遭遇洪水量級、改變泄流量的判別指標，如預報累積凈雨、預報入庫流量等指標，通過此類指標可以提前判斷洪水標準大小，在選擇相應的防洪預報調度規(guī)則的基礎上，抬高原設計汛限水位值、提前加大泄量，保持原設計所需要的防洪庫容。防洪預報調度規(guī)則所對應的起調水位值(即抬高的汛限水位值)為汛限水位動態(tài)控制約束域的上限值，原設計的汛限水位值為約束域的下限值。

(2)預泄能力約束法。該方法是汛限水位動態(tài)控制域確定較常用的方法[7]，其基本思想為，在留有一定余地的情況下，利用洪水預報，在有效預見期內有多大泄流能力就將汛限水位向上浮動多少。汛限水位上浮值的影響因素主要包括：面臨時刻的水情、雨情、工情；入庫洪水預報的預見期；洪水預報的可利用預見期；有效預見期；有效預見期內入庫水量；有效預見期內水庫預泄能力；下游河道允許預泄流量；決策信息傳遞的穩(wěn)定性、速度及閘門操作時間等。該方法依據上述洪水預報預見期、入庫水量、水庫泄流能力、下游允許泄量等條件確定的預蓄水位，作為汛限水位動態(tài)控制域的上限值，原設計汛限水位作為動態(tài)控制域的下限值。

(3)改進預泄能力約束法。這是目前水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的主要方法之一，SL 104—95《水利工程水利計算規(guī)范》允許洪水預報條件較好、預報方案完善、預報精度較高的水庫進行洪水調節(jié)計算時可適當考慮預報預泄，但預泄能力約束法僅局限于考慮洪水預報信息，一般不考慮氣象預報信息。實際上，隨著我國氣象、降雨預報水平的提高，尤其是“風云”系列氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射，降雨預報信息準確率不斷提高，水文及氣象部門亦積累了大量可利用的降雨預報資料。因此，針對匯流速度快、時間短、洪水預報方案精度低的水庫，提出了綜合考慮降雨預報信息及洪水預報信息的改進預泄能力約束法[8- 9]，根據降雨或洪水預報信息的預見期、精度、預泄能力、下游允許水庫出流等確定水庫汛限水位動態(tài)控制域上限值。

(4)考慮年內洪水時序變化規(guī)律的統(tǒng)計分析法?？紤]年內洪水時序變化規(guī)律的統(tǒng)計分析法確定汛限水位動態(tài)控制上限值是在考慮洪水的時序變化規(guī)律的基礎上，分析年內洪水統(tǒng)計參數時序變化規(guī)律，當發(fā)生一次大洪水后，可為決策者提供未來發(fā)生洪水的概率分布，分析相應的設計洪水及其允許的起調水位，作為確定的汛限水位動態(tài)控制域上限值。按照設計規(guī)范要求進行汛期分期及確定相應限制水位并作為約束域值是常用的方法之一，另外還有基于模糊集合分析或隨機模擬等統(tǒng)計數學方法，給出汛限水位的時序變化過程，即每日或候或旬確定一個約束域值[4]。

(5)庫容補償法。庫容補償法確定汛限水位動態(tài)控制上限值是利用服務于同一防洪目標的調度系統(tǒng)中水庫群之間所具有的庫容差異，根據補償水庫所富余的防洪庫容，換算為被補償水庫可利用的防洪庫容，進而將可利用的防洪庫容推求換算為被補償水庫可抬高的汛限水位動態(tài)控制上限值。由于在實時調度中補償水庫所具有的防洪實時水庫群之間所具有的庫容或水文差異狀況多變，所以實時調度中推求的汛限水位動態(tài)控制值不等。從設計安全角度[10- 11]，應該取歷次洪水補償調節(jié)模擬計算的汛限水位動態(tài)控制的最小值，作為汛限水位動態(tài)控制域上限值。

(6)分級預泄法。分級預泄法確定水庫汛限水位動態(tài)控制域上限值是根據水庫泄流能力的實際情況，同時兼顧下游河道安全泄量的約束，從防洪安全角度考慮，在預見期的不同時間段選取不同的預泄流量[6]，繼而推算不同預泄流量情況下的可預泄水量，繼而確定不同預泄流量情況下的汛限水位動態(tài)控制域上限值。分級預泄法的基本原理與預泄能力約束法相同，兩者的主要區(qū)別是計算時對預泄流量的取值不同，預泄能力約束法以泄流能力作為約束，分級預泄法則在該約束內還兼顧考慮水庫防洪調度、是否會造成下游人為洪水等實際需要[12- 14]。

(7)綜合信息決策支持表法。綜合信息決策支持表法確定汛限水位動態(tài)控制上限值是根據洪水入庫流量信息、降雨預報、洪水預報有效預見期等綜合信息確定面臨時刻允許控制庫水位值的方法。一般情況下，制定綜合信息決策支持表[5]時，需對下游防洪安全允許的水庫泄流量進行分級，結合汛限水位動態(tài)控制階段入庫洪水信息，分別得出各級泄流量、各級入庫流量組合情況下，泄流開始的面臨時刻允許控制的庫水位值，并繪制面臨時刻允許控制庫水位值決策支持表，根據決策支持表，分析求得各級泄流量情況下的汛限水位動態(tài)控制域上限值。

3 動態(tài)控制域確定方法適用條件及應用試點

(1)防洪預報調度方式及規(guī)則設計方法。采用該方法進行汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，需具備以下條件[15- 17]：①具有性能可靠、運行穩(wěn)定，能及時、準確地提供水雨情信息的水雨情自動測報系統(tǒng)；②洪水預報方案精度高、合格率高，達到水文情報預報規(guī)范規(guī)定的甲級水平；③短期氣象預報精度水平較高，達到可利用的程度；④調度信息傳遞系統(tǒng)暢通、通信系統(tǒng)運行穩(wěn)定、泄流設備開啟關閉靈活。試點水庫有遼寧省大伙房水庫、大連市碧流河水庫、吉林省新立城水庫、河南省白龜山水庫、湖南省五強溪水庫等。

(2)預泄能力約束法。采用該方法進行水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，需具備以下條件：①洪水預報條件較好、預報方案完善且預報精度較高；②水庫下游防洪控制點安全泄流量實際情況與設計條件情況相吻合。試點水庫有黑龍江省察爾森水庫、河南省白龜山水庫等。

(3) 改進預泄能力約束法。對于匯流速度快、時間短、洪水預報方案精度低的水庫，一般采用考慮降雨預報信息的改進預泄能力約束法，根據所依據降雨預報信息的預見期、精度、泄流能力、下游允許水庫出流等確定水庫汛限水位動態(tài)控制域上限值。單一考慮降雨預報信息，采用改進預泄能力約束法確定汛限水位動態(tài)控制域的試點水庫有山西省漳澤水庫、四川省大橋水庫等。對于洪水預報方案完善、預報精度高且同時具有大量可利用的降雨預報數據資料的水庫，一般采用考慮降雨預報信息與洪水預報信息結合的改進預泄能力約束法[18]進行汛限水位動態(tài)控制域確定。典型的試點水庫有大連市碧流河水庫、湖北省丹江口水庫等。

(4)考慮年內洪水時序變化規(guī)律的統(tǒng)計分析法。采用該方法進行水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，一般要求水庫設計洪水資料齊全、完備，且具有較長系列的選自水庫調度手冊和刊印的水文年鑒的場次洪水資料。遼寧省碧流河水庫為采用該方法確定水庫汛限水位動態(tài)控制域的試點水庫。

(5)庫容補償法。采用該法進行水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，一般要求補償水庫泄水達到防護點的傳播時間小于或等于庫群與防護點之間洪水的集流時間或預見期，同時要求區(qū)間洪水預報的精度滿足規(guī)范要求。試點水庫有遼寧省碧流河水庫、葠窩水庫。

(6)分級預泄法。采用該方法進行水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，一般要求水庫洪水預報信息或降雨預報信息可利用，且下游防洪控制點允許控制泄流量可分級，可由小到大逐級增加。較泄流能力約束法，分級預泄法不僅增強了防洪安全，還使規(guī)劃成果與實時調度較好地結合起來，可操作性更好。試點水庫有葠窩水庫、碧流河水庫。

(7)綜合信息決策支持表法。采用該方法進行水庫汛限水位動態(tài)控制域確定的水庫，一般要求水庫流域降雨預報或洪水預報信息可利用，能根據可利用的預報信息推算出有效預見期，且要求明確流域退水特點及退水過程線。該方法確定的面臨時刻允許控制的庫水位值可為調度技術人員和決策者實施水庫汛限水位動態(tài)控制提供具體化、數量化的信息。試點水庫有河南省板橋水庫、天津市于橋水庫。

4 結語與展望

汛限水位動態(tài)控制域確定方法研究是汛限水位動態(tài)控制研究的重要組成部分，由于水庫特性各不相同，對某一具體水庫而言，并不是上述的每個方法都適用[19]，若只有一種方法適用于該水庫，那么這種方法確定的汛限水位動態(tài)控制域上限值即為該水庫汛限水位動態(tài)控制域的上限，原設計的汛限水位作為動態(tài)控制域的下限；若該水庫適合應用第二部分所述的多種方法，則可采用內包線法確定汛限水位動態(tài)控制域上線值。

由于影響汛限水位動態(tài)控制域確定方法的因素較多，如水庫運行管理水平、流域水文氣象特征、水庫主要功能、水庫歷史水文氣象資料積累、近期氣象預報資料積累、調度經驗、調度人員技術水平、洪水預報及氣象預報精度水平等，因此采用何種方法確定或多種方法綜合確定水庫汛限水位動態(tài)控制域范圍要視具體情況而定，但所有方法的實施均要求水庫資料相對齊全完備、預報信息可靠性較高、閘門控制能力較好。

隨著我國氣象、降雨預報水平的提高，尤其是“風云”系列氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射[20]，降雨預報、洪水預報信息準確率不斷提高，目前的汛限水位動態(tài)控制域確定方法尚需在未來實踐中不斷發(fā)展和完善，主要表現在以下兩個方面[21]：

(1)目前確定汛限水位動態(tài)控制域時仍只是考慮短期降雨預報的預見期，且降雨預報僅利用中雨及以下量級預報信息，可利用信息較少。在今后的研究中，可加深對更長預見期預報信息的可利用性分析研究。

(2)近年來大規(guī)模水電開發(fā)形成了諸多梯級水庫及水庫群，多目標的調度需求、多座水庫的聯合調度使水庫汛限水位動態(tài)控制域的確定面臨更為復雜的局面，因此，將單庫的汛限水位動態(tài)控制域確定方法擴展到水庫群的應用中，是新形勢下水庫汛限水位動態(tài)控制域確定方法研究的新熱點。

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(責任編輯 焦雪梅)

Review on the Methods of Fixing Dynamic Control Range of Reservoir Water Level in Flood Season

REN Minglei1,2, HE Xiaoyan1,2, DING Liuqian1,2, YANG Fan3, LI Hui1,2, ZHANG Hongbin1,2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction, MWR, Beijing 100038, China;3. Institute of Architectural and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The methods of fixing the dynamic control range of reservoir water level in flood season is the key content of the research of dynamic control of reservoir water level, and also is the foundation of carrying out dynamic control scheme. Main fixing methods are systematically summarized herein, including (improved) the method of pre-discharge capacity constraining, the method of flood forecasting and operating mode and rules designing, the method of reservoir storage compensation, the statistical analysis method considering the variation rule of flood time series, the method of grading pre-discharge, and the method of comprehensive information decision supporting table. The main characteristics and applied conditions of each method are also reviewed. As above mentioned, in order to promote the overall application of fixing methods and expand the pilot application scope, some key issues need to be researched in future concerning fixing methods are finally proposed．

reservoir water level in flood season; dynamic control range; pre-discharge capacity constraining; flood forecasting and operating; grading pre-discharge

2015- 12- 23

中國水利水電科學研究院國際水利水電科技發(fā)展動態(tài)調研專項(JZ0145C102015);國家自然科學基金青年基金項目(51509268)；江西省洪水預報調度系統(tǒng)及防汛輔助支持系統(tǒng)軟件開發(fā)項目;水利部公益性行業(yè)科研專項(201201054)

任明磊(1983—)，女，河北平泉人，高級工程師，研究方向為水庫汛限水位動態(tài)控制、洪水資源利用．

TV697.1

A

0559- 9342(2016)06- 0061- 05