桓仁水库汛限水位动态控制决策支持表研制

袁 晶 瑄， 王 本 德

(大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引 言

水库汛限水位动态控制是指水库在汛期，根据实时雨、水情信息，利用降雨和洪水预报成果，在不降低水库防洪标准，确保水库及其上下游地区防洪安全的前提下，按照科学论证并经有关部门审批的水库汛限水位动态控制方案确定的控制范围对汛限水位进行浮动的调度过程.

2002年初，国家防汛抗旱总指挥部办公室站在“从洪水控制向洪水管理”的新时期治水思路的高度，为更加充分利用洪水资源，为国民经济的可持续发展提供更强有力的支持与保障，将“汛限水位设计与运用”作为水利部重大科技项目，已取得有推广应用价值的成果[1～3].

总结多个试点水库汛限水位动态控制方法研究的经验，专家及使用者普遍提出一个亟待解决的课题，即所选的汛限水位实时动态控制方案的具体化和可操作性问题.本文针对桓仁水库，重点研究“水库汛限水位动态控制决策支持表”的研制和使用方法，方便水库调度技术人员和决策人根据水雨工情信息，选择面临时刻允许控制的库水位值及控泄流量等，定方案、作决策并为我国调节性能较高的大型水库(水电站)汛期洪水退水段库水位实时控制借鉴参考.

1 工程背景

1.1 流域水文气象特征

桓仁水库控制流域面积10 364km2，占浑江流域面积的70.4%.浑江流域坡降较大，植被良好，年均降雨量860mm.70%的雨量集中在6～9月间，大洪水发生在7月下旬～8月中旬，一次洪水过程的主要洪量集中在3d内，可占80%，形成陡涨陡落的洪峰.一次天气过程造成的暴雨历时较短，致使大部分洪水呈单峰型，涨水历时较短，1～2d，退水历时较长，7d左右.

1.2 水库概况

桓仁水库是以发电、防洪兼顾其他综合利用的不完全年调节水库，是浑江梯级水电站龙头.拦河坝按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核；设计洪水位308.7m，校核洪水位310.8m，总库容34.6×108m3.正常蓄水位与防洪限制水位均为300.0m，相应库容22.0×108m3.死水位290.0 m，兴利库容8.2×108m3.桓仁库区耕地淹没补偿标准洪水频率10%，相应坝上洪水位303.0m，控制泄量4 000m3／s.下游4km处桓仁镇防洪标准洪水频率2%，河道安全泄量9 000m3／s，相应桓仁水库防洪高水位306.0m，防洪库容12.6×108m3.桓仁发电厂装机容量222.5MW，满发流量416m3／s.下游梯级均为日调节水电站.

2 汛限水位动态控制决策支持表

2.1 研制汛限水位动态控制决策支持表的必要性

随着水库汛限水位动态控制方法研究的深入，专家及使用者普遍提出一个亟待解决的课题，即所选汛限水位实时动态控制方案的具体化和可操作性问题.尽管给出推理模式和设计开发了汛限水位动态控制系统软件，一定程度上方便了调度技术人员，但机器计算过程是隐含的，决策人使用时心中无数；为方便调度技术人员和决策人，本文研制桓仁水库汛限水位动态控制决策支持表，据此套表，即可根据汛期洪水退水段的水雨工情信息，确定面临时刻允许控制的库水位值及控泄流量等，方便水库调度技术人员和决策人快速查算、定方案、作决策.这也是防范水库洪水预报调度系统发生故障时的应急措施.

2.2 汛限水位动态控制决策支持表编制的基本原理

“汛限水位动态控制决策支持表”在事前编制.当汛期库水位进入汛限水位动态控制域内，且库水位开始下降时，决策人即可使用此表确定面临时刻控制的库水位值.该表编制基础资料是退水预报信息，依据的是水库调洪计算原理.

若汛期洪水退水段，已知预见期Ty(1～7d)内的入流过程Qin(t)－t、允许出流过程qout(t)－t，及汛限水位动态控制约束域上、下限值Zup或Zdown，采用逆推法计算面临时刻t0允许控制的库水位值Z0，Zdown≤Z0≤Zup.

从防洪安全角度，若降雨预报的预见期末tend的库水位控制约束于下限值Zdown，则

式中:V0为面临时刻t0允许的库容；V(Zdown)为预见期末tend的约束库水位Zdown所对应的库容；Win为预见期Ty内入库水量；Wout为预见期Ty内允许出库水量；Z0为由V0查水位库容关系z＝f(V)得面临时刻t0允许控制的库水位值.

2.3 影响水库汛限水位动态控制的综合信息

(1)汛期分期及原设计防洪限制水位

桓仁流域主汛期07－17～08－14，主汛限水位300.0m；后汛一期08－15～08－31，后汛一期汛限水位301.0m…

(2)原设计调洪原则及下游第一级防洪安全泄量约束

①起调水位300.0m；

②遭遇五年一遇洪水，桓仁水库控泄≤4 000 m3／s，库水位Z≤301.5m；

③库区耕地淹没补偿标准洪水频率P＝10%，桓仁水库控泄≤4 000m3／s，库水位Z≤303.0m；

④居民迁移标准洪水频率P＝3.3%，桓仁水库控泄≤6 000m3／s，库水位Z≤304.7m…

(3)水库汛限水位动态控制域

桓仁水库汛限水位动态控制域下限值为原设计汛限水位300.0m、上限值303.0m(库区耕地淹没补偿标准洪水相应的库水位).

(4)径流预报信息

从防洪安全角度考虑，一场洪水的退水段，是利用水雨工情信息、中短期降雨预报及洪水(退水)预报信息对库水位实时动态控制的关键时期.

桓仁入库洪水始退水流量500～4 000m3／s(Δt＝6h)范围可预报未来7d退水量.其中，桓仁水库7d退水预报合格率100%，确定性系数0.88.7d退水预报漏报误差最大值3.05×107m3，折径流深(净雨)2.9mm.桓仁水库洪水(退水)预报方案精度均为甲级，具有较高的稳定性与可靠性，可在实际洪水调度中应用.

(5)气象台降雨预报信息

通化气象台发布的桓仁流域未来24h无雨和小雨预报信息，桓仁流域大至暴雨过程后GFS系统未来1～7d降水预报信息等可利用于水库汛限水位动态控制.

(6)流域土壤含水量消退规律估计

桓仁流域蓄水容量65.0mm.未来几日连续无雨时，流域土壤含水量日消退规律为未来1d流域土壤含水量消退6.5mm、未来2d流域土壤含水量累积消退12.4mm、未来3d流域土壤含水量累积消退17.6mm…

3 研制汛限水位动态控制决策支持表

桓仁水库洪水退水段实时调度中，可根据无雨(或小雨)等降水预报预见期信息、预见期末汛限水位约束、水库控泄流量≤4 000m3／s，以及入库洪水退水过程等实时和预报的水雨工情信息，依据2.2中“汛限水位动态控制决策支持表”编制的基本原理，采用水库调洪计算原理逆推法，由式(1)逐时段逆推计算面临时刻允许控制的库水位值.

其中，汛期洪水退水段，若桓仁流域未来3d预报无雨(或小雨)，3d后桓仁库水位降至汛限水位300.0m，由式(1)逆推，计算未来3d每日始(8:00)库水位值，填入表1第4列至第6列中.例如:若桓仁入库始退水流量900m3／s，面临时刻库水位不超过303.0m，控泄2 000m3／s，3d后库水位可降至汛限水位300.0m，每日始(8:00)库水位上限值见表1第2方案栏第4行第4列至第6列加粗体数据.

表1 桓仁流域3d无雨、每日8:00允许库水位值表(末水位300.0m)Tab.1 The table of allowable reservoir water level at 8:00daily in Huanren basin with three days of no rain(tip water level 300.0m)

同理，可编制预见期1～7d的桓仁入库始退水流量－水库控泄流量－水库每日始库水位上限值－末水位300.0m之间关系表，形式同表1，略.

综上，汛期洪水退水段，桓仁流域无雨(或小雨)预报的预见期1～7d，末水位300.0m，面临时刻允许控制的库水位值见表2第4列至第10列的数值.

其中，若桓仁流域未来3d无雨，3d后桓仁库水位降至汛限水位300.0m，面临时刻允许控制的库水位上限值见表2第6列数据(对应于表1第4列中数据)；若流域未来5d无雨，5d后库水位降至汛限水位300.0m，面临时刻允许控制的库水位值见表2第8列数据；若流域未来7d无雨，7d后库水位降至汛限水位300.0m，面临时刻允许控制的库水位值见表2第10列数据.

4 汛限水位动态控制决策支持表的安全性分析

4.1 安全性分析的主要内容

桓仁水库汛期洪水退水段实时调度中，若预报未来1～7d没有明显的降雨天气系统(即没有中雨以上量级降雨)，决策者期望通过调节出库流量等于入库流量，保持面临库水位不下降以利于提高水能利用率或增加汛后蓄满率，那么未来几天的防洪安全程度如何？如果出现预报失误，预见期内桓仁库水位不超过汛限水位动态控制约束域上限303.0m，水库所控制的流域能抗御多大量级降雨量？能否保证水库本身及上下游防洪安全？

为回答上述安全问题，需重点作如下分析计算，及编制应用表(或图)，详见表3.

4.2 编制桓仁流域3d可抗御降雨量－面临时刻库水位等关系表

桓仁流域一次洪水过程的主要洪量集中在3 d内，因此，分析桓仁水库3d可承担洪量、可抗御的降雨量对桓仁水库本身及上下游防洪安全至关重要.

依据流域水量平衡原理及方程，预见期内流域可抗御降雨量计算方程如下:

表2 预见期1～7d的桓仁水库面临时刻允许控制的库水位值表(末水位300.0m)Tab.2 The table of allowable current reservoir water level of Huanren reservoir with foreseeable period of 1－7days(tip water level 300.0m)

其中

以桓仁入库始退水流量、控泄流量、库水位上限值303.0m为约束条件，面临时刻库水位在300.0～303.0m，由式(2)计算桓仁流域未来3d可抗御降雨量，见表3第4列至第7列数据.表3的分析结果清晰显示了洪水退水段，在保证下游防洪安全(水库控泄流量≤4 000m3／s)，未来3d水库本身及上下游防洪安全程度.

由表3知，若面临时刻库水位300.0m，入库始退水流量900m3／s，按控泄1 000m3／s方案，调洪高水位≤303.0m的约束下，桓仁流域未来3d降雨量不超过63.0mm(即表3第5方案栏第2行第7列加粗体数据)，水库本身及上下游防洪是安全的；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未来3d降雨量不超过76.9mm(即表3第4方案栏第3行第7列加粗体数据)，水库本身及上下游防洪是安全的；若控泄2 000m3／s，桓仁流域未来3d可抗御的降雨量90.8mm(见表3第3方案栏第4行第7列加粗体数据)，相当于抗御五年一遇标准洪水；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未来3d可抗御的降雨量118.6mm(见表3第2方案栏第5行第7列加粗体数据)，即可抗御十年一遇标准洪水.

5 汛限水位动态控制决策支持表的使用

5.1 汛限水位动态控制决策支持表的使用条件

综合分析桓仁水库多年调度经验，汛期洪水退水段，桓仁入库洪水始退水流量在2 000～500 m3／s，面临时刻库水位在300.0～303.0m 汛限水位动态控制域内，出库流量在泄流能力与下游防洪要求约束范围内(下游第一级防洪安全泄量约束为桓仁水库控泄4 000m3／s)，且出库流量大于入库流量，无雨(或小雨)预报预见期为1～7d，便具备使用汛限水位动态控制决策支持表(包括表1、2及3等)的条件.

5.2 汛限水位动态控制决策支持表的应用举例

应用桓仁水库汛限水位动态控制决策支持表(表1、2及3)举例:

表3 桓仁流域3d可抗御降雨量(mm)－面临时刻库水位－调洪高水位303.0m等之间关系表Tab.3 The table of the correlation among threeday resistible rainfall (mm)，the current reservoir water level and high flood water level 303.0min Huanren basin

若主汛期洪水退水段，已知面临时刻8:00库水位303.0m(汛限水位动态控制域上限值)，入库退水洪水流量900m3／s，按照原设计调洪规则应尽快降低库水位至汛限水位300.0m，但受下游防洪安全泄量约束，水库控泄，库水位缓降.查表1、2及3可知:

(1)若预报未来6d流域无降雨过程，控泄1 000m3／s，面临时刻库水位303.0m，可保证6d后库水位降至300.0m(见表2第4方案栏第2行第9列加粗体数据)，水库防洪风险未增加(即遇强降雨时库水位已降至汛限水位).

(2)若预报未来6d内任意一日有大～暴雨，面临时刻库水位303.0m，高于预见期1～5d所允许控制的库水位值300.15～302.41m(见表2第4方案栏第2行第4～8列加粗体数据)，防洪有风险.

若桓仁控泄流量加大至1 500m3／s，4d后库水位可降至300.0m，即未来第5d流域发生大～暴雨，水库防洪风险未增加.

若桓仁控泄2 000m3／s，3d后库水位可降至300.0m，未来3d逐日回落的库水位上限值见表1第2方案栏第4行加粗体数据.则未来第4d发生大～暴雨，水库防洪风险未增加.

若桓仁控泄3 000m3／s，2d后库水位可降至300.0m，即未来第3d发生大－暴雨，水库防洪风险未增加.

(3)面临时刻库水位303.0m，入库始退水流量900m3／s，若控泄1 000m3／s，在调洪高水位≤303.0m的约束下，桓仁流域未来3d可抗御29.8mm降雨量(见表3第5方案栏第2行第4列加粗体数据)；若控泄1 500m3／s，桓仁流域未来3d可抗御43.7mm降雨量(见表3第4方案栏第3行第4列加粗体数据)；若控泄2 000 m3／s，桓仁流域未来3d可抗御57.6mm降雨量(见表3第3方案栏第4行第4列加粗体数据)；若控泄3 000m3／s，桓仁流域未来3d可抗御85.3mm降雨量(见表3第2方案栏第5行第4列加粗体数据)，相当于抗御五年一遇标准洪水.

后汛期的汛限水位动态控制决策方法与主汛期的类似，本文限于篇幅略.

6 结 论

(1)本文研制的“汛限水位动态控制决策支持表”为事前编制.汛期洪水退水期，面临时刻库水位在汛限水位动态控制域内，由实时和预报的水雨工情信息，水库调度技术人员和决策人即可使用此套表(表1、2及3)快速查算、确定库水位实时控制方案.该套表为决策者提供了一种快速、应急、便于操作、实用的决策工具.

(2)在约定条件下应用汛限水位动态控制决策支持表实时控制桓仁库水位是安全的，即

①汛期洪水退水段，当入库始退水流量在2 000～500m3／s，面临时刻库水位处于303.0～300.0m汛限水位动态控制域内，下游防洪要求桓仁水库出库流量≤4 000m3／s，且出库大于入库流量，可根据实时和未来1～7d水雨工情预报信息，查汛限水位动态控制决策支持表(表1、2及3)确定面临时刻允许控制的库水位值及出库流量等，简洁方便制定水库汛限水位动态控制方案.

②如果出现预报失误，在不降低水库本身及上下游防洪标准的前提条件下，调洪高水位≤303.0m，预见期3d内桓仁流域仍可抗御大雨～大暴雨量级的降雨量(见表3结果).

(3)基于新理念研究汛限水位动态控制方法及其应用，是洪水资源安全利用的关键性前沿课题，是学科领域发展的新趋势[1～3].水库汛限水位动态控制方面的研究成果已经很多，但如何深层次地进行应用及应用的可操作性一直是尚待解决的课题.本文的研究思想与方法，可为我国调节性能较高的大型水库(水电站)汛期洪水退水段库水位实时动态控制借鉴参考.

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