碧口水庫(kù)主汛期水位動(dòng)態(tài)控制效益分析

李志鵬　田淳　何曉燕　王海軍　任明磊

摘要：通過(guò)計(jì)算碧口水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制域的上、下限，分析碧口水庫(kù)實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制和原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比增加的防洪和興利效益。興利方面，碧口水庫(kù)主汛期年平均可增加0.08億kW.h發(fā)電量、147萬(wàn)元的售電收入;防洪方面，增加了碧口水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力，提高了水庫(kù)自身和下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生致災(zāi)洪水時(shí)減輕下游洪災(zāi)損失。汛期水位動(dòng)態(tài)控制作為一種非工程措施，一方面可以提高水庫(kù)洪水資源利用率，另一方面可以提高水庫(kù)的防洪能力，有效緩解水庫(kù)興利與防洪的矛盾。

關(guān)鍵詞：汛期水位動(dòng)態(tài)控制;動(dòng)態(tài)控制域：防洪效益;興利效益：碧口水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.1+l

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.006

汛限水位是汛期防洪運(yùn)用的限制水位，是直接影響水庫(kù)防洪和興利效益發(fā)揮的關(guān)鍵性特征水位。汛限水位控制運(yùn)用的研究和實(shí)踐主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：第一階段利用設(shè)計(jì)洪水成果確定固定的汛限水位：第二階段分析暴雨和洪水發(fā)生的季節(jié)性變化規(guī)律而設(shè)定分期汛限水位：第三階段基于可利用的降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)信息，進(jìn)行汛期水位動(dòng)態(tài)控制[1]。動(dòng)態(tài)控制域的確定是水庫(kù)實(shí)施動(dòng)態(tài)控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是進(jìn)行汛期水位動(dòng)態(tài)控制效益分析的基礎(chǔ)。本文通過(guò)計(jì)算碧口水庫(kù)主汛期動(dòng)態(tài)控制域上、下限，分析碧口水庫(kù)主汛期實(shí)施水位動(dòng)態(tài)控制的防洪和興利效益。碧口水庫(kù)實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制可以有效利用洪水資源，同時(shí)可以提高水庫(kù)防洪能力，有效緩解汛期防洪與興利的矛盾[2]。

1 碧口水庫(kù)概況

碧口水庫(kù)位于甘肅省文縣碧口鎮(zhèn)上游3 km的白龍江干流上，為大（Ⅱ）型水利樞紐工程，以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖和灌溉等綜合效益，屬季調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容5.21億m，調(diào)洪庫(kù)容2.21億m，死庫(kù)容2.19億m，庫(kù)容系數(shù)為2.6%。水電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為500 a-遇洪水，校核標(biāo)準(zhǔn)為5 000 a-遇洪水，保壩標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a 一遇洪水。防洪控制點(diǎn)在下游3 km的碧口鎮(zhèn)，其間河槽調(diào)蓄量很小，也無(wú)支流加入，洪水來(lái)源主要是碧口水庫(kù)下泄。下游河道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水，相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫(kù)汛期實(shí)施分期汛限水位控制，汛期為5月1日至9月30日，其中：5月1日至6月14日為前汛期，汛限水位697.00 m;6月15日至9月30日為主汛期，汛限水位695.00 m。正常蓄水位704.00 m。碧口水庫(kù)上游的漢坪嘴和苗家壩水庫(kù)均為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，不會(huì)影響碧口水庫(kù)天然來(lái)水。

碧口水庫(kù)現(xiàn)行的洪水調(diào)度方式屬于不計(jì)預(yù)報(bào)、以實(shí)際入庫(kù)流量或水位作為水庫(kù)泄流判據(jù)的常規(guī)調(diào)度方式。主汛期當(dāng)來(lái)水流量小于4 310 m/s時(shí)，保持出、入庫(kù)流量平衡，庫(kù)水位保持在汛限水位，水庫(kù)最大下泄流量不得超過(guò)下游安全泄量4 310 m/s;當(dāng)來(lái)水流量超過(guò)4 310 m/s時(shí)，水庫(kù)閘門(mén)全開(kāi)，開(kāi)始自然調(diào)洪?，F(xiàn)行調(diào)度方式是每年主汛期按照設(shè)計(jì)汛限水位進(jìn)行防洪控制，時(shí)刻防御設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的發(fā)生，從而導(dǎo)致主汛期棄水較多，洪水資源利用率較低。

2 預(yù)泄能力約束法計(jì)算動(dòng)態(tài)控制域

動(dòng)態(tài)控制域需要確定一個(gè)上限值和一個(gè)下限值。目前關(guān)于動(dòng)態(tài)控制域的研究重點(diǎn)都放在上限，下限通常采取原設(shè)計(jì)的汛限水位值[3-5]。本文采用預(yù)泄能力約束法[6-7]計(jì)算動(dòng)態(tài)控制域上限和下限，其基本思想：留有一定余地的情況下，利用降雨預(yù)報(bào)或者洪水預(yù)報(bào)信息，在有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)有多大泄流能力，就將汛期水位向上或向下浮動(dòng)多少，浮動(dòng)后的水位就是汛期水位動(dòng)態(tài)控制域的上限和下限。

2.1 碧口水庫(kù)動(dòng)態(tài)控制域上限計(jì)算

經(jīng)論證，中央氣象臺(tái)未來(lái)24 h和未來(lái)48 h無(wú)雨、小雨預(yù)報(bào)在碧口水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制中是可以應(yīng)用的[8].因此在計(jì)算控制域上限時(shí)采用碧口水庫(kù)短期降 雨預(yù)報(bào)信息[9]。

（1）計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期。采用未來(lái)48 h降雨預(yù)報(bào)信息作為確定動(dòng)態(tài)控制域的主要依據(jù)，假定實(shí)際降雨發(fā)生在最不利時(shí)刻，即未來(lái)48 h降雨預(yù)報(bào)的第24 h，同時(shí)考慮預(yù)報(bào)信息傳遞時(shí)間、預(yù)泄決策調(diào)度傳播時(shí)間以及閘門(mén)啟閉操作時(shí)間，則降雨預(yù)報(bào)可利用的預(yù)見(jiàn)期為24 h。因此，取降雨預(yù)報(bào)信息有效預(yù)見(jiàn)期為24 h。

（2）計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)最大入庫(kù)流量。通過(guò)分析碧口水庫(kù)2008-2013年的發(fā)布未來(lái)48 h降雨預(yù)報(bào)信息后有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)對(duì)應(yīng)的實(shí)際入庫(kù)洪水過(guò)程，偏安全考慮，選取最大實(shí)際發(fā)生洪水即2013年8月7日入庫(kù)洪水過(guò)程，發(fā)布降雨預(yù)報(bào)信息后有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量為2 200 m/S。

（3）確定碧口水庫(kù)最大預(yù)泄流量。碧口鎮(zhèn)是碧口水庫(kù)下游3 km的一個(gè)山區(qū)小鎮(zhèn)，原設(shè)計(jì)的河道防洪堤能夠防御20 a一遇洪水，相應(yīng)的洪峰流量為4 310 m/s。碧口水庫(kù)自1976年建成蓄水以來(lái)，發(fā)生的較大洪水有7次，水庫(kù)下泄流量超過(guò)2 500 m/s的洪水有3次，分別是1990年“9-7”洪水、1993年“7·15”洪水和1998年“8·20”洪水，且每次水庫(kù)泄洪均沒(méi)有對(duì)下游碧口地區(qū)構(gòu)成防洪安全威脅。其中1998年入庫(kù)洪水接近20 a一遇洪水，碧口水庫(kù)最大下泄流量超過(guò)3 000 m/s，最終通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄未對(duì)碧口下游地區(qū)的防洪安全造成影響，偏安全考慮，碧口水庫(kù)可預(yù)泄的最大流量為2 400 m/s。

（4）計(jì)算動(dòng)態(tài)控制域上限。

2.2 碧口水庫(kù)動(dòng)態(tài)控制域下限計(jì)算

為發(fā)揮碧口水庫(kù)的防洪作用，必要時(shí)可在動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)下浮原設(shè)計(jì)汛限水位，從而增強(qiáng)水庫(kù)調(diào)節(jié)能力，提高水庫(kù)自身及下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，減輕水庫(kù)下游洪災(zāi)損失。偏安全考慮，采用洪水預(yù)報(bào)信息計(jì)算動(dòng)態(tài)控制域下限，氣象預(yù)報(bào)信息作為輔助參考。

（1）計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期。碧口水庫(kù)典型洪水為多峰型洪水，預(yù)見(jiàn)期較短，約為Sh?？紤]到預(yù)報(bào)信息傳遞時(shí)間、預(yù)泄決策調(diào)度傳播時(shí)間以及閘門(mén)操作時(shí)間、上游兩個(gè)水庫(kù)泄流傳播到碧口水庫(kù)壩址時(shí)間2-3 h，偏安全考慮，取洪水預(yù)報(bào)有效預(yù)見(jiàn)期為2h。

（2）計(jì)算有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)最大入庫(kù)流量。2006年以后，碧口水庫(kù)上游漢坪嘴、苗家壩水庫(kù)開(kāi)始運(yùn)行，實(shí)測(cè)資料可反映現(xiàn)階段水庫(kù)的真實(shí)人流情況。選取碧口水庫(kù)2006-2014年的22場(chǎng)洪水，洪水起漲前有效預(yù)見(jiàn)期2h內(nèi)的最大入庫(kù)流量見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，2006-2014年有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的最大入庫(kù)流量為558 m/s。偏安全考慮，有效預(yù)見(jiàn)期最大入庫(kù)流量取600 m/s。

（3）確定碧口水庫(kù)最大預(yù)泄流量。在預(yù)泄時(shí)，一方面應(yīng)避免預(yù)泄流量較大造成人為洪水，另一方面須防止泄流過(guò)多，洪水過(guò)后無(wú)法回蓄到原汛限水位，預(yù)泄流量不宜過(guò)大。綜合考慮，在計(jì)算碧口水庫(kù)動(dòng)態(tài)控制域下限時(shí)，最大預(yù)泄流量取1 000 m/s。

經(jīng)計(jì)算，碧口水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制域?yàn)閇 694.50m，696.60 m]。

3 動(dòng)態(tài)控制效益分析

本文分析的興利效益是當(dāng)預(yù)報(bào)未來(lái)48 h無(wú)雨或者小雨時(shí)，可將水庫(kù)水位控制在動(dòng)態(tài)控制域上限，與控制在原設(shè)計(jì)汛限水位相比增加的水庫(kù)發(fā)電量及發(fā)電效益。

本文分析的防洪效益是將水庫(kù)水位控制在動(dòng)態(tài)控制域下限時(shí)，通過(guò)對(duì)不同頻率的洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，選取水庫(kù)的最大下泄流量、削峰率、最高壩前水位等指標(biāo)，從增加水庫(kù)調(diào)節(jié)能力、提高水庫(kù)及下游防洪標(biāo)準(zhǔn)、減輕下游洪災(zāi)損失3個(gè)方面來(lái)分析，與水位控制在原設(shè)計(jì)汛限水位相比增加的動(dòng)態(tài)控制防洪效益。

3.1 碧口水庫(kù)興利效益分析

為了確定碧口水電站在主汛期（6月15日-9月30日）實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制調(diào)度運(yùn)行所增加的可發(fā)電量，必須對(duì)主汛期碧口水庫(kù)水位按原設(shè)計(jì)汛限水位控制（ 695.00 m）和動(dòng)態(tài)控制（696.60 m）條件下的發(fā)電效益進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

碧口水電站主汛期按汛期水位動(dòng)態(tài)控制調(diào)度運(yùn)行方案696.60 m作為動(dòng)態(tài)控制域上限，與按原設(shè)計(jì)汛限水位控制695.00 m方案運(yùn)行相比，主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h。碧口水電站納入甘肅主電網(wǎng)運(yùn)行，據(jù)甘肅省發(fā)改委提供的2014年碧口水電站上網(wǎng)電價(jià)為0.184元/（kW.h）.預(yù)計(jì)主汛期年平均增加售電收入約為147萬(wàn)元。

3.2 碧口水庫(kù)防洪效益分析

利用洪水預(yù)報(bào)信息進(jìn)行汛期水位動(dòng)態(tài)控制時(shí)，水庫(kù)以1 000 m3/s預(yù)泄到動(dòng)態(tài)控制域下限694.50 m，水庫(kù)可以增加部分防洪庫(kù)容，產(chǎn)生防洪效益。將頻率分別為0.01、0.05、0.2、1、2的洪水分別以694.50 m和695.00 m的起調(diào)水位進(jìn)行調(diào)洪演算，結(jié)果見(jiàn)表3。

（1）增加了水庫(kù)調(diào)節(jié)能力。碧口水庫(kù)實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制，可以提高水庫(kù)的削峰率，減少水庫(kù)最大下泄流量，增加水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力。水庫(kù)在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時(shí)，實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制與原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比，可降低水庫(kù)最大下泄流量39 - 68 m/s，削峰率提高了0.5% - 2.5%。

（2）提高了水庫(kù)及下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)。由表3可知，水庫(kù)在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時(shí)，實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制與原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比，壩前最高水位降低了0.2-0.7 m。降低壩前最高水位可以降低洪水漫壩風(fēng)險(xiǎn)，提高水庫(kù)的安全運(yùn)行能力。當(dāng)發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，通過(guò)實(shí)施動(dòng)態(tài)控制可降低水庫(kù)最高壩前水位0.2m;發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，可降低最高壩前水位0.5 m，提高了水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

水庫(kù)的下游河道設(shè)有防洪堤，可抵御20 a-遇的洪水，安全泄流量為4 310 m/s。水庫(kù)在原設(shè)計(jì)汛限水位控制下通過(guò)調(diào)洪演算可知.50 a一遇洪水通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄，下游最大下泄流量也不會(huì)超過(guò)4 310 m/s.不會(huì)造成下游淹沒(méi)，但是汛期水位動(dòng)態(tài)控制可以減少防洪堤大于4 000 m/S的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)11 h。水庫(kù)在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水時(shí)，實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制與原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比，可以減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為4-11 h。減少防洪堤大于4 000 m/s運(yùn)行的時(shí)間，可降低下游防洪風(fēng)險(xiǎn)。

（3）減輕了下游洪災(zāi)損失。水庫(kù)下游河道安全泄流量為4 310 m3/s。通過(guò)對(duì)比水庫(kù)遭遇10 000 a 一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a-遇洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)汛限水位控制和汛期水位動(dòng)態(tài)控制條件下下泄流量過(guò)程超4 310 m/s的時(shí)間和水量可知，水庫(kù)實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制可減少超安全泄流量時(shí)長(zhǎng)0.4-4.0 h，減少超泄水量200萬(wàn)- 900萬(wàn)m。若發(fā)生致災(zāi)洪水，可顯著減少下游的淹沒(méi)時(shí)間和淹沒(méi)水深，從而減輕下游洪災(zāi)損失，保護(hù)下游居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

以計(jì)算碧口水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制域上、下限為基礎(chǔ)，分析了汛期水位動(dòng)態(tài)控制與原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比，可增加的防洪效益和興利效益。結(jié)果表明：碧口水庫(kù)在主汛期實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制，主汛期年平均可增加發(fā)電量0.08億kW.h.提高發(fā)電收入147萬(wàn)元。同時(shí)，碧口水庫(kù)在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水時(shí)，實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制與原設(shè)計(jì)汛限水位控制相比，可降低水庫(kù)最大下泄流量39 - 68 m/s.提高削峰率0.5% -2.5%.降低壩前最高水位0.2-0.7 m.減少下游防洪堤大于4 000 m/s的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)4-11 h，減少超安全泄流量時(shí)長(zhǎng)0.4-4.0 h.減少超泄水量200萬(wàn)-900萬(wàn)m。

汛期水位動(dòng)態(tài)控制作為一種非工程措施，不需要較大的投資便可以增加水庫(kù)防洪和興利效益。相對(duì)于設(shè)定一個(gè)固定的汛限水位而言，動(dòng)態(tài)控制域更加科學(xué)合理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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