基于实时水情信息的水库防洪调度研究

耿贵江

(沈阳市应急管理事务服务中心，沈阳 110001)

0 引 言

由于在设计阶段无法有效预测水库的洪水预报成果和运行管理阶段的管理水平，因此设计阶段与运行阶段的防洪水库工程调度方式存在较大的差异[1-5]。考虑到山区性河流洪水过程的不确定性特征，一般选用固泄方式确定设计阶段的防洪库容，从而使得水利枢纽工程的淹没投资、建设成本和防洪库容偏大。水库防洪补偿调度是在区间洪峰来临之前或洪峰过后，结合水库下游区间未来洪水信息及时减少或增大水库的泄量，从而保证组合的区间洪水流量与水库泄量在下游控制断面安全泄量的范围以内。较固定泄流方式，考虑了区间未来信息的水库防洪库容较小，但下游的防洪风险受不确定性洪水信息影响将会增加。由于不确定性区间洪水未来信息，在区间面积不大的设计阶段水库防洪补偿调度一般较少采用。所以，科学评估防洪补偿调度风险以及识别、量化不确定因子，可为提高防洪库容设计精度和防洪调度优化提供科学指导[6-7]。

鉴于此，通过分析洪水设计地区组成成果和水库防洪补偿调度规则，对区间洪水过程依托设计频率洪水和控制断面实时水情信息进行量化，对设计阶段的防洪库容优化调度提出简单易行的方法，将其应用于沈阳市境内的石佛寺水库，以期为其他类似水库的防洪设计和工程投资控制提供一定决策依据。

1 拟定水库防洪补偿调度规则

水库防洪调度规则的制定依据为基于防洪标准频率的区间设计洪水过程，设定的参数包括区间峰现与洪水时间、防洪控制断面洪水及坝址洪水，选取下游防洪控制断面安全流量、区间水库泄量和洪水流量作为判断指标。

以防洪控制断面的安全泄量为标准，合理设置到达下游防洪控制断面时区间洪水与水库谢亮组合后的最大流量。其中，防洪控制断面流量由于不成功的区间洪水过程补偿调度而超过安全泄量，为水利枢纽防洪调度的关键风险源。

2 识别和量化不确定因子

2.1 不确定因子的识别

防洪调度、洪水传播时间和区间未来洪水过程滞时为防洪补偿调度风险的关键性不确定因子，其中引起补偿调度不成功的时间因素为随机性特征。河道的槽蓄作用对于山区性小流域并不明显，在传播过程中洪水的时间变化存在较强的规律性，因此洪水传播时间很容易通过分析确定；随着汛前防汛检查和水利自动化信息的普及，水库调度中可灵活调度闸门，调度滞时因子的不确定性基本上均可得以解决。所以，山区性流域的水库防洪调度的不确定因子以区间洪水为主。

在无法改变不确定因子随机性特征的情况下，为降低不确定性因子的影响可采取减小错峰流量、延长错峰历时等措施，由此实现降低错峰调度风险的目的；然而，相比固定泄流方式会占用较多的水库防洪库容，能够在一定程度上降低讯限水位。图1反映了错峰调度风险率Pf与讯限水位Zx、错峰流量Qc、错峰历时之间的关系，其中Zx0、Qc0、TL0分别为固定泄流调度的讯限水位、初始方案的错峰流量与错峰历时。

(a)错峰历时 (b)错峰流量 (c)讯限水位

图1 关系曲线图

2.2 不确定因子的量化

若没有设定一定的安全储备，则在防洪补偿调度通常存在较大的风险，所以量化的不确定因子必须赋予相应的安全储备。为保证考虑安全储备时的防洪调度应用程度，可直接利用分析成果作为洪水传播时间，结合具体情况设定调度滞时安全值。具体如下：

1)区间洪水的当前时刻量化。控制断面当前时刻的流量根据水位变化与防洪控制断面水位信息关系推算，当前时刻流量结合水库实际下泄流量和传播时间分析结果进行反推，由此得到实际流量。

2)区间洪水的未来时刻量化。安全系数乘以频率洪水涨幅加上当前时刻洪水量值，即为区间下一时刻在洪水涨水段时的量值；而下一时刻在区间洪水退水段的流量取值，即为实际出现的当前时刻区间洪水流量，相应的计算方法如下：

涨水时段：

Q区间i+T=min(Q区间i+Q区间设max(P)×T×K，Q区间设max(P))

(1)

退水时段：

Q区间i+T=min(Q区间i，Q区间设max(P))

(2)

式中：Q区间i、Q区间i+T分别为当前时刻i和区间T小时的流量；T、K为控制断面至坝址传播时间和安全系数，K值一般取1.0-1.2；Q区间设max(P)为设计频率的区间洪水峰值。

3 实例分析

石佛寺水库位于辽河下游干流，坝址以上集水面积16.48km2，防洪库容1.60×108m3，总库容1.85×108m3，属于一座典型的河道型大型水利枢纽工程，在工农业供水、发电、防洪等方面发挥着不可替代的作用。该水库2005年完成主体施工，主要有穿坝建筑物、泄洪闸、主副坝等构成，其中主、副坝长29.9km和12.4km，水库泄洪闸16孔，总宽248.5m，设计洪水为50.22m。地理位置为E120°26′-124°15′，N41°8′-42°11′，地处大陆性气候区，冬季寒冷漫长、秋季短促多峰，年均温度8.0℃，年均降水量721.9mm且多集中于7-9月。

沈阳市沈北新区河口为防洪控制断面，防洪控制断面、坝址频率和区间频率的洪水风险时间结合水文地区洪水组成分析成果(表1)，分别设定为3.5、5.5、6.5h。防洪控制断面距离区间洪水出口断面较近，不考虑洪水传播时间，至坝址处的传播时间为1.0h；当洪峰到达防洪控制断面或坝址时，区间退水状态开始于2.5h前。

表1 石佛寺水库洪水组成分析成果

3.1 不确定因子量化

1)传播时间。根据以上分析结果，防洪控制断面距离区间洪水出口断面较近，不考虑洪水传播时间，至坝址处的传播时间为1.0h。

2)调度滞时。石佛寺水库的闸门类型为弧形，为储备一定的防洪安全控件和确保灵活开度泄洪，设定调度滞时为0.5h。

3)未来洪水估值。依据H-Q关系和该断面水位H防i确定防洪控制断面流量Q防i，即区间洪水当前值利用式：Q区i=Q防i-Q泄i-1确定。设计洪峰流量在区间50a一遇标准下为245m3/s，平均涨率为68m3/s，峰现时间为3.5h，平均涨率按1.2的安全系数考虑为82m3/s，依据区间洪水涨退水和公式(1)、(2)计算确定区间未来时刻的流量估值。

3.2 优化洪水调节方式

1)涨水段入库洪水。控制运用区间洪水：50a一遇及以下的洪水控制，在区间洪水涨水段时运用涨率法；区间洪水峰现时间在洪水退水段时仅为3.5h，较坝址和防洪控制断面风险时间分别提前了2、3h，针对处于退水段时的洪水判断区间，为储备一定的安全空间以实际出现的当前区间洪水流量作为下一时刻的区间洪水流量。控制运用下泄流量：当10a一遇及以下的洪峰流量为入库流量时，在该情况下为维持水位不上涨，合理控制闸门开度保持来流量与下泄流量一致；当10-50a一遇的洪峰流量为入库流量，且处于持续上涨的情况下，根据坝址洪水与区间洪水控制遭遇和控制断面安全泄量，合理设定大坝泄洪；当超过50a一遇的洪峰流量为入库流量时，以不制造人为洪水为基准，岸大坝安全泄洪要求全开溢洪道闸门。

2)退水段入库洪水。当达到洪峰后入库流量逐渐减小，此前2h区间洪水已开始退水，根据防洪控制断面安全泄量要求、洪水传播时间、防洪控制和入库断面的当前流量等，确定水库达到最高水位和大坝泄量。其中，控制断面的流量依据水位流量关系和水位观测值推算确定。此后，水位回落至起调水位的过程继续按区间洪水控制和控制断面的下泄流量进行，以上过程即为完整的一次洪水。

3.3 防洪库容

采用两种地区洪水组合计算和上述优化洪水调节方式，沈阳市防洪库容为668万m3时能够达到50a一遇防洪要求；采用两种地区洪水组合的区间洪水和固泄洪水调节方式，固泄流量为385m3/s，则沈阳市防洪库容为826万m3时能够达到50a一遇防洪要求，优化洪水调节方式的库容偏大30%，计算结果见表2。

表2 石佛寺水库洪水调节计算(P=2%) m3/s；万m3

续表2 石佛寺水库洪水调节计算(P=2%) m3/s；万m3

根据以上分析结果可得出如下结论

1)区间洪水陡涨陡落为山区性河流的典型特征，采用优化调度方式的基本条件为防洪控制断面布置水位监测设备。

2)水库下游防洪风险以水库防洪优化调度为主要内容，因此防洪控制断面超过安全流量的风险定义为由于区间洪水与水库泄水错峰不成功所引起的风险。在山区性河流中的石佛寺水库应用防洪优化调度分析方法，结果显示相对于固泄流量调度方式可显著降低工程投资，优化调度方式可减少30%的防洪库容。

3)在无法改变不确定因子随机特征的情况下为，降低不确定性因子的影响可下去增加调度滞时和延长传播时间等措施，由此降低调度风险；与此同时可占用更多的防洪库容，较固定泄流方式仍然具有明显的优势。

4)设计洪水过程为防洪优化调度方案的基本依据，即防洪控制断面流量依据水位流量与水位信息关系推算确定，区间洪水量值的推算要考虑错峰时间的影响，山区性河流的未来区间洪水的不确定性量化要考虑足够的安全储备。

5)水库防洪库容不仅与工程投资相关，而且还要考虑防洪效果和下游防洪目标。水库防洪库容在满足预期效果的条件下，尽可能的满足节约工程投资的要求。所以，防洪库容在设计阶段的确定还要从技术经济的角度综合分析。

4 结 论

根据水库下游实时水情信息和优化后的调度方式估算区间洪水，有利于降低水利工程投资和减少水库防洪库容。但是，由于调度、洪水传播时间和区间洪水滞时等不确定因子影响，水库下游防洪风险有可能会增大。所以，对洪峰错峰调度风险的定量估计以及优化调度中风险因子的识别，为水库防洪调度优化设计的关键内容。文章综合考虑调度、洪水传播时间和区间洪水过程风险因子，以沈阳市境内的石佛寺水库为例提出了优化的防洪调度方法，可为洪水预报及调洪演算等提供一定指导。

随着洪水预报技术的不断研究和发展，实时修正河流洪水预报的理论方法取得了显著的进展，为水库建成后的预报调度和洪水预报误差达到预期的精度提供了有利的支撑。