龙羊峡水库汛限水位动态控制方案研究

宋伟华 贺顺德 徐晓英 崔鹏

摘 要：影响龙羊峡水库汛限水位动态控制方案的主要因子有黄河上游的洪水起涨特点、水库下游河道的安全过流能力、龙刘水库的联合防洪调度方式、入库洪水预报的精度和预见期等几个方面。龙羊峡水库的预泄模式宜采用固定预泄的方式，洪水预报的有效预见期为7 d，预泄判别流量为1 500 m3/s，预泄流量为2 000 m3/s，相應的汛限水位动态控制域为2 588～2 590 m，在此区间内水库进行动态调蓄运用，视上游来水预报和水库蓄水情况确定出库流量。水库水位超过2 590 m时，水库按常规防洪运用方式运用;水库水位超过2 594 m时，水库按设计防洪运用方式运用。

关键词：汛限水位;动态控制;预泄模式;龙羊峡水库

中图分类号：TV697.1+1;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.004

Abstract：The main factors influencing the scheme of dynamic control of the flood control level of Longyangxia Reservoir are the flood rising characteristics of the upper reaches of the Yellow River， the safe flow capacity of the lower reaches of the reservoir， the integrated control regulation mode of the LongyangxiaReservoir and Liujiaxia Reservoir as well as flood forecast accuracy and forecast lead time of the Reservoir. Fixed pre-discharge mode/pattern should be applied for the Longyangxia Reservoir. The effective flood forecast lead time is 7 days， the distinguishing criteria of pre-discharge is 1 500 m3/s， the pre-discharge flow is 2 000 m3/s， and the corresponding dynamic control range of the flood control level is 2 588-2 590 m.In this range， dynamic regulation will be commenced according to the reservoir storage and forecasted upstream inflow. When the water level of the reservoir exceeds 2 590 m or 2 594 m，the reservoir is operated according to the normal or designed flood control operation mode.

Key words： the flood control level; dynamic control; pre-discharge mode; Longyangxia Reservoir

龙羊峡水库是黄河唯一多年调节水库，坝址以上控制流域面积13.1万km2，约占黄河流域面积的17.5%，是黄河径流的主要来源区。龙羊峡水库正常蓄水位2 600 m，相应库容247亿m3，电站装机容量1 280 MW，多年平均发电量59.4亿kW·h，坝址以上多年平均流量650 m3/s，年径流量205亿m3，地表径流量占黄河地表水总量的38.4%。水库开发任务以发电为主，并联合刘家峡水库担负下游防洪、灌溉和防凌任务。水库设计汛限水位2 594 m，正常蓄水位2 600 m。在实际防洪调度运用过程中，利用2 588～2 594 m之间的防洪库容兼顾上游在建工程施工度汛和青甘宁蒙河段的防洪需求。经过30 a运行实践，龙羊峡水库不但经受了大洪水和强地震的考验，也经历了局地暴雨引发的山洪泥石流和连续枯水年的考验，已度过初期运行阶段[1]。作为具有多年调节性能的龙头水库，龙羊峡水库运用方式的调整对下游梯级水电站群、西北电网、黄河流域水资源综合利用等有持续多年的影响。尤其是龙羊峡水库汛前和汛末水位的控制，关系到龙羊峡水库当年汛期弃水情况，影响到黄河上游梯级水库群当年甚至后续多年的发电效益[2]。目前，龙羊峡水库具有较为完善且运行稳定的水库水雨情测报、洪水预报调度等系统，有稳定且预报精度较高的洪水预报方案，水库具备开展汛限水位动态控制的条件，可以通过汛限水位动态控制和优化调度等举措，更好地发挥水库的防洪、发电、供水等多个方面的综合效益。

1 影响汛限水位动态控制的主要因子

影响龙羊峡水库汛限水位动态控制方案的主要因子有黄河上游的洪水起涨特点、水库下游河道的安全过流能力、龙刘水库的联合防洪调度方式、入库洪水预报的精度和预见期等几个方面。

1.1 洪水起涨特点

本次通过统计唐乃亥站1956—2015年6—10月的不同时期的旬平均流量情况（见图1），来分析汛期洪水的起涨特点。主要表现出以下几个特征：

（1）从1956—1975年、1976—1995年、1996—2015年等年份6—10月的多年逐旬平均流量来看，唐乃亥站汛期各旬的多年均值是比较稳定的，各时段的旬平均流量差别在200～300 m3/s之间。其中：6—8月流量的多年均值非常接近，9—10月流量均值除1996—2015年有一个明显的枯水段外，也是比较稳定的。

（2）从汛期洪水的多年均值来看，6月中旬至8月上旬和8月下旬至10月上旬有两场明显的洪水过程。从总体情况看，前后两场洪水的平均洪峰流量表现为前高后低的状态，后峰的起涨流量较前峰的起涨流量要大一些。

（3）从洪水的起涨流量来看，6月上中旬起涨阶段的旬平均流量均为800 m3/s左右，8月下旬起涨阶段的旬平均流量为1 000 m3/s。总体来看，6月上中旬洪水的起涨流量一般要小于8月下旬洪水的起涨流量。

1.2 龙刘水库的联合防洪调度方式

龙刘（龙羊峡和刘家峡）两水库通过联合防洪调度，共同承担下游各防洪对象的防洪任务。在防洪调度计算中，龙羊峡和刘家峡水库控制不同的下泄流量来满足各防洪对象的防洪要求，刘家峡水库下泄流量按照刘家峡下游防洪对象的防洪要求控制，龙羊峡水库按照一定蓄洪比例拦洪泄流，下泄流量需满足龙刘区间防洪对象的防洪要求，并使刘家峡水库不同频率洪水时的最高库水位不超过设计值。实际调度中，根据遭遇洪水的大小，按照不同防洪对象的防洪标准与要求，逐级控制龙羊峡、刘家峡水库的泄量，保证各防洪对象安全度汛，充分发挥两个水库的防洪作用。

1.3 下游河道允许泄量

根据近年来龙刘两水库的联合防洪调度和黄河干流青海、甘肃、宁夏、内蒙古河段的防洪需求，在龙羊峡水库设计汛限水位以下兼顾下游河道防洪的水库控制泄量同近年方案一致，即龙羊峡水库控制下泄流量不超过2 000 m3/s，刘家峡水库控制下泄流量不超过2 500 m3/s（随着防洪工程的建设，下游河道安全过洪能力提高，水库控制流量可相应增加）。

1.4 洪水预报预见期及精度

根据龙羊峡水库水情测报站网设置、洪水和径流预报方案，目前龙羊峡水库防洪调度中应用的日径流预报方案的模拟精度较高，洪峰合格率可以达到甲级。7 d内的径流预报评价指标达到乙级以上，能够满足项目精度要求，可以为水库汛限水位动态控制研究提供依据，龙羊峡水库日径流预报的有效预见期为7 d。

2 预泄模式及动态控制域

水库汛限水位动态控制域的确定是动态控制研究的关键内容，也是动态控制方案拟定的基础。汛限水位动态控制域确定方法的总体原则是根据不同洪水预报预见期，考虑合理的预泄运用，适当抬高水库的汛限水位。目前，汛限水位动态控制域常用预泄能力约束法来确定，即在现有洪水预见期、预泄流量下，选取不同典型洪水过程，计算可能的汛限水位上限，再结合实际情况综合确定动态控制运用水位上限。基于预泄能力约束法的确定方法，預泄模式一般包括考虑洪水预报的预泄模式和不考虑洪水预报的预泄模式。考虑洪水预报的预泄模式根据洪水预报结果，在可用的预见期内，提前根据预报流量将水库水位预泄至设计的汛限水位;不考虑洪水预报的预泄模式是当水库的入库流量超过一定值时，便认为水库上游发生洪水，并将水库水位预泄至设计的汛限水位[3]。龙羊峡水库采用考虑洪水预报的预泄模式。

2.1 预泄判别指标

对于龙羊峡水库来说，水库上游洪水期基流较大，水库的预泄水量直接与预泄流量和洪水预见期有关。按预泄流量不超过下游河道允许泄量的原则，拟定固定预泄模式下，预泄流量为2 000 m3/s，滚动预泄模式下，预泄流量为1 500 m3/s和2 000 m3/s两级流量。

考虑到龙羊峡水电站发电流量和预泄流量的变化情况，龙羊峡水库的预泄判别流量应在800～2 000 m3/s之间。但是，预泄判别流量太小，对小洪水的预泄操作频繁，发生常遇洪水时，水库弃水较多，预泄库容回蓄的风险相对较高，对于水库洪水资源充分利用不利;预泄判别流量太大，预泄开始的时间晚，起涨前预泄的水量少，对大洪水的防洪调度不利。

从唐乃亥站的洪水起涨特点分析成果得知，洪水过程在洪水起涨段拐点为1 000～1 200 m3/s，拐点以前洪水起涨过程相对平缓，拐点之后，洪水起涨迅速，在3 d左右的时间内涨至2 000 m3/s。根据黄河上游的洪水特性，唐乃亥站60 a的洪水序列中，有10 a的洪峰流量小于1 500 m3/s。

综合考虑上游汛期来水、洪水起涨特点、电站发电流量、下游河道安全过洪流量等多个因素，以尽量减小水库弃水为原则，现状条件下拟定固定预泄模式判别流量为2 000 m3/s，滚动预泄判别流量为1 200、1 500 m3/s。

2.2 汛限水位动态控制域

采用预泄能力约束法计算汛限水位上限时，在现有洪水预见期、预泄流量确定的情况下，汛限水位上限与预泄的方式有关。根据上述分析得到的预泄模式、预泄流量、预泄判别指标，拟定相应的计算方案，方案设置见表1。

针对龙羊峡水库入库洪水的不同起涨过程，选取1964年、1967年等16个典型年的不同洪水过程。其中前期流量较小、上涨比较慢的过程选用了1964年等典型年，前期流量较小、上涨比较快的过程选用了1973年等典型年，前期流量大、上涨比较慢的过程选用了1976年等典型年，前期流量大、上涨比较快的选用了1979年等典型年。不同类型洪水典型年的选择见表2。

根据上述调度方案和典型年，计算可能的汛限水位上限。计算结果见表3。

从表3可以看出，A、B、C、D四类典型的起涨过程中，对于预泄比较有利的类型为上涨比较慢的A和C类，对于预泄较为不利的类型为上涨比较快的B和D类，其中前期流量大、上涨速度快的D类最为不利。

对于方案一，按照现有的洪水预见期7 d，预泄判别流量为2 000 m3/s时，即预报入库流量达到2 000 m3/s时，水库进入预泄模式。从选择的16个典型年的统计情况看，预泄水量最大为5.13亿m3，最小为1.34亿m3，平均为3.14亿m3，相应的上限水位最高为2 589.42 m，最低为2 588.31 m，平均为2 588.84 m。所以，在现有的预泄流量2 000 m3/s的情况下，仅利用7 d的预见期，龙羊峡水库的预泄水量较小，可以达到的汛限水位上限比较低。应在分析黄河上游洪水特性的基础上，水库提前预泄，以达到在确保防洪安全的情况下适当提高汛限水位上限的目的。

对于方案二，按照现有的洪水预见期7 d，预泄判别流量为1 200 m3/s时，即预报入库流量达到并超过1 200 m3/s时，水库进入预泄模式。从选择的16个典型年的统计情况看，预泄水量最大为15.5亿m3，最小为7.03亿m3，平均为9.93亿m3，相应的上限水位最高为2 592.27 m，最低为2 589.98 m，平均为2 590.77 m。在选取的16个典型年中，有15 a的上限水位达到或超过2 590 m，1 a接近2 590 m。

对比方案一和方案二，随着预泄判别流量的减小，水库进入预泄模式的时间提前，预泄天数和预泄水量相应增大。本次从减少发生小洪水时的预泄次数和弃水量且不影响较大洪水的防洪安全角度考虑，推荐预泄能力约束法方案二确定的最低汛限水位上限2 589.98 m。

综上所述，根据不同典型年的设计洪水过程，采用现状水库运用方式，完成当前防洪任务（设计防洪任务兼顾下游河道防洪安全）且不超过水库设计、校核指标时，计算得龙羊峡水库汛限水位动态控制上限为2 590.50 m。采用预泄能力约束法，按照现有洪水预见期和预泄流量，计算得龙羊峡水库汛限水位动态控制上限为2 589.98 m。经综合分析并取整，本次推荐龙羊峡水库汛限水位动态控制上限为2 590 m，即龙羊峡水库汛限水位动态控制域为2 588～2 590 m。

3 汛限水位动态控制运用方案

（1）当水库水位低于汛限水位下限2 588 m时，水库合理拦蓄洪水，下泄流量以发电要求为主，最大发电流量为1 080 m3/s。

（2）当水库水位位于汛限水位动态控制区间（2 588～2 590 m）时，龙羊峡水库动态调蓄运用，视上游来水预报和水库蓄水情况确定出库流量。在涨水段，若预报上游来水小于预泄判别流量1 500 m3/s，水库按发电运用，水库预蓄;若预报上游来水超过1 500 m3/s，水库下泄流量以尽量降低水库水位至2 588 m为原则，根据蓄水量和上游预报来水量灵活确定出库流量，最大出库流量按下游安全过洪流量2 000 m3/s控制。当入库流量大于预泄流量2 000 m3/s时，龙刘两水库按比例拦蓄洪水，龙羊峡水库最大出库流量按2 000 m3/s控制。在落水段，若入库流量大于預泄流量2 000 m3/s，按2 000 m3/s控泄;当入库流量小于预泄流量2 000 m3/s时，水库按发电流量1 000 m3/s回蓄，最高水位不超过汛限水位动态控制上限2 590 m;当落水段处于9月时，按照9月的控制水位运用。

（3）当水库水位高于汛限水位上限2 590 m时，水库按常规调度方案运用。即当水库水位处于汛限水位上限2 590 m和设计汛限水位2 594 m之间时，按与刘家峡水库的蓄洪比例灵活控制下泄流量，原则上控制出库流量不超过2 000 m3/s。

（4）当水库水位达到或超过设计汛限水位2 594 m时，水库按照设计防洪运用方式运用。

4 结 语

（1）通过固定预泄模式和滚动预泄模式的分析比较，选择预泄判别流量为1 500 m3/s时、预泄流量为2 000 m3/s的固定预泄模式。采用固定预泄模式，满足大洪水的防洪要求，同时在遭遇小洪水时表现出一定的优越性。首先，通过延长预泄时间增加了预泄水量，提高了汛限水位动态控制域上限;其次，减小了因洪水初期预泄流量过大造成的回蓄风险;第三，通过预泄尽量降低水位至动态控制域下限，可兼顾下游10 a一遇洪水的防洪安全;第四，避免了预泄期间闸门频繁的启闭操作，对于防洪调度运用是比较有利的。

（2）龙羊峡水库汛限水位动态控制期间主要处于洪水起涨阶段，通过加大下泄流量将水位从汛限水位上限2 590 m降低至下限2 588 m。经分析，发生设计和校核标准的洪水时，水库的最高调洪水位不超过相应的设计洪水位和校核洪水位。因此，龙羊峡水库汛限水位动态控制，对龙羊峡水库和刘家峡水库自身的防洪安全是没有影响的。

（3）龙羊峡水库当前的防洪任务主要是通过与刘家峡水库联合防洪运用，保证下游兰州的防洪安全，兼顾青甘宁蒙河段防洪安全。一方面，在龙羊峡水库设计汛限水位2 594 m以下，为兼顾下游河道防洪安全，龙羊峡水库控制下泄流量不超过2 000 m3/s，刘家峡水库控制下泄流量不超过2 500 m3/s，对于10 a一遇及以下洪水，大部分典型年龙羊峡水库最高蓄洪水位都低于2 594 m，少数典型年最高蓄洪水位在短时间内超过2 594 m，但超过2 594 m的时段较短，防洪依然是安全可控的，即可以兼顾10 a一遇洪水防洪安全。另一方面，黄河上游发生10 a一遇以上洪水时，通过龙刘两水库的联合防洪调度运用，按照常规防洪调度方式或者设计防洪调度方式，可以控制兰州站不超过相应的设防流量。

参考文献：

[1] 王战策，谢小平，曹光明.龙羊峡水库径流调节作用及效益分析[J].人民黄河2016，38（1）：14-17.

[2] 解阳阳，王义民，黄强.龙羊峡水库年末水位控制与汛期弃水研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2014，42（1）：223-227.

[3] 王本德，周惠成.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应用[M].北京： 中国水利水电出版社，2006：121-122.

【责任编辑 许立新】