岗南、黄壁庄水库汛限水位风险分析

程双虎

（河北省水文水资源勘测局，石家庄050031）

1 岗黄水库基本情况

岗南、黄壁庄水库（以下简称岗黄）是海河流域子牙河水系滹沱河中下游的两座梯级大型水库。岗南水库控制流域面积1.59万km2，总库容17.04亿m3。下游28km处为黄壁庄水库，总库容12.1亿m3，距离石家庄市30km，岗黄水库联合控制流域面积2.34万km2，占滹沱河流域面积的95%。两座水库功能均以防洪为主，兼有灌溉、发电、工业和城市生活、环境供水等。两座水库均初建于1958年，后又经历了扩建、续建、除险加固等阶段，目前两座水库防洪标准均达到万年一遇校核标准。

岗黄水库保护区为：下游25个县（市）、1245万人口、120万hm2耕地，重要工矿及交通设施有：华北油田、大港油田，京广、京九、京深等重要交通干线。岗黄水库联合调度曾抗御了“63·8”和“96·8”两次特大洪水，发挥了巨大的防洪作用。岗黄水库还是省会石家庄市和西柏坡电厂的水源地，为下游6条灌区超过20万hm2农田提供农业用水。岗黄水库作为向首都北京应急供水工程的两大水库，2008～2013年向北京累计供水7.68亿m3，岗黄水库为区域经济社会的发展做出了很大贡献。

2 岗黄水库汛限水位动态控制研究的必要性

岗黄水库担负着流域防洪、供水等重要任务，随着流域内经济社会的快速发展，水库承担的防洪任务越来越重，兴利要求也越来越高，防洪与兴利的矛盾非常突出。目前水库汛期调度采用分期汛限水位，但主汛期水库洪水调度仍采用汛限水位 “静态控制法”，严格按照设计的汛限水位进行控制，不考虑实时降雨预报和洪水预报成果，只要水库超过汛限水位，洪水过后必须降到汛限水位，以迎接设计洪水的到来。由于流域降雨非常集中，往往集中在主汛期一两场暴雨，库水位降至汛限水位后，一旦再无洪水可蓄，造成水资源的极大浪费。岗黄水库作为石家庄市水源地，每年的城市生活、工农业生产供水任务很重，2008年以来岗黄水库开始向北京供水，2009年又增加了滹沱河生态供水，岗黄水库水资源状况将对区域经济社会的协调发展产生重要影响。为此，在确保水库安全的前提下合理抬高与运用水库汛限水位是缓解流域水资源供需矛盾的有效途径。

3 岗黄水库汛限水位动态控制实用方法

根据岗南、黄壁庄水库除险加固建设工程完成后的设计标准及调度运行情况，在汛限水位研究方法上进行调研和探索，利用预留淤积库容法、峰前量法、峰量不同频率变时段同倍比放大法，结合下游河道调蓄及地下水库实现水库可控动态泄流调度法等不同方法计算汛限水位可以调整的幅度，并采用漫坝风险分析法、随机模拟法，对汛限水位抬高进行风险分析。

3.1 利用预留淤积库容法

3.1.1 基本原理

主要是依据设计洪水过程线和水库库容曲线，按照预先制定的调度方式进行调洪，要求万年一遇洪水位不能超过允许最高洪水位。水库除险加固设计中都是按照淤积一定年限后的库容进行调度分析，岗黄水库都刚刚完成加固，近年又没有出现较大洪水，水库淤积量不大，可利用预留的淤积库容，为水库实时调度中提高汛限水位提供可能。

3.1.2 汛限水位抬高分析

岗黄水库设计洪水过程线采用1994年4月《岗南黄壁庄水库设计洪水复核报告》中成果；库容曲线岗南采用1989年实测资料分析到2006年库容曲线，黄壁庄采用2004年实测库容曲线；泄流曲线岗黄水库按现有泄水建筑物的泄流能力。采用常规的三级控泄岗黄水库洪水调度方式，岗南水库汛限水位为192m，黄壁庄汛限水位按116，117，118m分别进行调洪演算，调洪结果如表1所示。

表1 岗黄水库不同汛限水位调洪最高水位

由表1可以看出，岗南水库汛限水位按192m时，万年一遇洪水位达209.586m，与设计校核水位（209.59m）基本一致；黄壁庄水库以允许最高洪水位128.098m控制，对于区间设计岗南相应组合的情况，汛限水位可以调整到116m；对于区间相应岗南设计组合的情况，汛限水位可以提高到118m。总体来讲，岗南水库汛限水位为192m时，黄壁庄水库汛限水位可以调整到116m。

3.2 峰量不同频率变时段同倍比放大法

从岗黄水库实测洪水资料分析可以看出，历年实测的洪水资料中洪峰和时段最大洪量同频率遭遇的机会很少，即所谓的峰量不同频率。按照这种性质，用峰量变时段同倍比放大的过程线，理论上比同频率放大的过程线洪量要小，因此汛限水位有提高的空间。根据原设计采用的黄壁庄、岗南、平山3个站的洪峰、3d洪量、6d洪量的频率计算成果，分别采用流域已发生的1956年、1963年和1996年3场洪水作为典型年放大，得到各典型年的设计洪水过程线，依此过程线，岗南水库按汛限水位192m，黄壁庄水库按汛限水位113～119m进行调洪演算，得出结论如下：

（1）在遇到峰小量大的“63·8”胖型洪水时，岗南汛限水位192m时，万年一遇的洪水位204.01m。黄壁庄汛限水位119m时，万年最高洪水位为127.39m，低于水库的允许最高洪水位。

（2）在遇到峰高量小的“96·8”瘦型洪水时，岗南汛限水位192m时，万年一遇的洪水位204.61m。黄壁庄汛限水位119m时，万年最高洪水位为126.77m，低于水库的允许最高洪水位。

（3）在遇到峰量适中的“56·8”洪水时，岗南汛限水位192m时，万年一遇的洪水位208.47m。黄壁庄汛限水位117m时，万年一遇最高洪水位为127.953m；汛限水位118m时，万年一遇最高洪水位为128.387m，高于水库的允许最高洪水位。最不利的典型为“56·8”型洪水，黄壁庄水库汛限水位最大提高到117m。

3.3 峰前量法

3.3.1 设计原理

在洪水过程中，在洪峰流量时刻利用洪峰流量和峰前洪量两个要素确定该洪水的量级，不一定需要等峰后的量形成后再确定洪水的量级；这样的峰前量法可以提前一段时间进行洪水调度。

3.3.2 调度判断

判别条件为：当岗南水库入库洪峰流量大于5年一遇（1900m3/s）时，同时其洪峰前的洪水总量达到5年一遇的最大洪峰流量前的洪量 （0.55亿m3，相当于3d洪量的24.5%，6d洪量的19.2%）时，可以判断此洪水达到5年一遇洪水，洪水调度可以提前进入下一级调度，即由与区间凑泄400m3/s变为与区间凑泄800m3/s；同样遇洪峰及洪峰前的洪量达到10年、50年的控制条件时，可提前进入下一级调度。

采用平山为条件，可以判断区间来水达到5年、10年、50年等控泄条件时的洪水，利用黄壁庄水库设计洪峰流量和设计最大洪峰前的洪水总量进行判断，确定洪水量级：5年控泄 400m3/s，10年控泄800m3/s，50 年控泄 3300m3/s。

表2 岗南水库及区间设计洪水峰前量法判别条件

3.3.3 调度成果

采用 “峰前量法”调度，岗南水库汛限水位192m时，对于岗南设计区间相应情况，黄壁庄水库汛限水位可以提高到119m以上，对于岗南相应区间设计情况，黄壁庄水库汛限水位可以提高到118m。

3.4 水库可控动态泄流调度法

3.4.1 设计原理

黄壁庄水库下游入渗条件较好，存在一个面积400km2的地下调节水库，水库的泄流经过滹沱河河道，经河槽调蓄和补充地下水，洪峰和洪量都有很大损失。在满足同一标准河道规定流量情况下，水库可以加大下泄流量，以此原理，调整水库汛限水位动态控制所需要的泄量。

3.4.2 利用河道调蓄功能加大泄流方案

在制定方案时，对于低标准洪水可以减少泄量，体现洪水资源的利用。对于预报洪水达到规定的洪水标准时，可以通过增加泄量，降低洪水位，本次采用设计洪水位和校核洪水位控制，根据水库实际情况制定3种泄流方案，对3种方案按岗南汛限水位192m，黄壁庄为115～119m时分别进行调洪演算，调洪成果见表3。

表3 不同泄流方案万年一遇最高洪水位 单位：m

3.4.2.1 预蓄后超泄型（方案1）

5年以下洪水控泄200m3/s，5～10年水库控泄400m3/s，10～50 年控泄 4000m3/s。此方案在低标准洪水时，先进行蓄水，满足洪水资源化，当预报洪水达到规定的洪水标准时，再增加泄量。由万年一遇洪水控制，黄壁庄汛限水位可以达到118m以上。

3.4.2.2 预蓄中超后常规型（方案2）

5年以下洪水控泄 200m3/s，5～10年水库控泄1200m3/s，10～50年控泄 3300m3/s。 由万年一遇洪水控制，黄壁庄汛限水位可以达到116m上。

3.4.2.3 超泄型（方案3）

5年以下洪水控泄 800m3/s，5～10年水库控泄1200m3/s，10～50年控泄 4000m3/s， 此方案充分利用河道的调蓄功能，在每个时段都超泄，当黄壁庄汛限水位即便是119m时，水库万年最高洪水位才到127.5359m，远远低于允许值128.098m。

4 水库汛限水位动态控制风险分析

4.1 随机模拟法

根据水库历年洪水特征值之间相互独立的特性，采用自回归模型以1956年洪水为典型洪水过程随机模拟了1万组岗南与区间洪水组合，分别组成了入库洪水序列，对不同汛限水位调整方案，分别进行防洪风险计算，得出以下结论：

（1）岗南水库汛限水位变化对黄壁庄的防洪风险影响很大，而其自身的风险却变化不大，这是由两水库联合调度方式决定的。当遭遇大洪水时，按照水库调度规程，一旦库水位超过203m时，水库敞泄，这就相当于把岗南自身的风险转嫁给了下游的黄壁庄水库，因此导致黄壁庄水库风险增大。当岗南水库汛限水位提高至193m时，黄壁庄水库超过设计洪水位的风险迅速增大，此时黄壁庄水库的设计防洪标准由接近500年一遇降为300年一遇，校核标准由万年一遇降为5000年一遇。因此，在进行岗南、黄壁庄水库汛限水位调整时，对于岗南水库，要慎之又慎，尽量使其汛限水位保持不变，以保证下游黄壁庄水库的防洪安全。

（2）黄壁庄水库汛限水位的变化对岗南水库的防洪风险影响较小，因此，黄壁庄水库调整汛限水位主要考虑其自身防洪风险的变化情况即可。当黄壁庄水库汛限水位增至115m时，其相应的设计防洪标准降为400年一遇，增至115.5m时，降为约200年一遇，对其防洪安全影响很大，同时，当汛限水位提高至115m时，水库及下游的防洪危险度也开始迅速增大。故黄壁庄水库汛限水位调整，应该严格控制，不宜超过115.5m。

4.2 漫坝风险分析法

当岗南汛限水位192m，黄壁庄水库汛限水位由114m抬高至116m时，水库漫坝风险均低于10-6数量级，可以接受。按照可接受程度，黄壁庄汛限水位不宜超过116m。

5 总结与展望

5.1 总结

岗黄汛限水位研究符合新时期水利发展要求，可以充分利用当地雨洪资源，大大提高了水库蓄水能力。本研究采用了国内外多种前沿方法如漫坝风险分析法、随机模拟法等，并进行创新研究如结合下游河道调蓄削峰及地下水库减量实现水库可控动态泄流调度法等，这些研究方法互为补充，在理论上对水库汛限水位研究与设计进行了有益尝试，对于北方缺水地区水库汛限水位调整具有很高的理论推广价值。

本文经过研究分析，岗南保持汛限水位192m不变，黄壁庄水库汛限水位可以提高至115.5m。黄壁庄水库近几年来，采用汛限水位研究中间成果，汛限水位由114m提高至115m，累计减少汛前和汛期弃水1.26亿m3，水库在连续枯水年仍能满足各用水户用水需求，发挥了稳定的经济效益。尤其是在2007年和2008年主汛期调度中，水库主汛期按115m汛限水位进行调度，减少了汛期弃水0.9亿m3，在一定程度上缓解了春季大旱对农业灌溉的影响，也为北京应急供水储备了足够的水源，有效缓解了流域水资源短缺问题。

5.2 展望

岗黄水库汛限水位动态控制研究的目的，是在确保水库防洪安全的前提下，科学利用洪水资源。为此，研究应用过程要遵照有关防洪安全的基本思想、原则与要求，要充分论证研究的科学性，要在以后调度实践中多总结经验，这对于提高水库科学管理水平，合理利用洪水资源，充分发挥水库防洪兴利综合效益具有重要的理论意义和实用价值。应该指出，本次研究成果只是初步的，以后随着工作的深入和科学技术的进步，还需要进行深入研究：

（1）应根据研究成果进一步明确水库防洪调度的判别条件与调度方式，编制水库调度规程，在确保水库防洪安全的前提下科学调度。

（2）对岗黄水库汛限水位动态控制的效益与风险分析进行深入研究。

（3）以后随着降雨、洪水预报技术的提高，可利用信息的增加，对汛限水位动态控制进行深入研究，黄壁庄水库汛限水位可以提高到116m。

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