基于最快下泄时间的水库防洪调度安全度研究

李晓英 吴建春,3 陈守伦,2 帅 佳(.河海大学水利水电学院，江苏 南京 20098； 2.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 20098； 3.中国华电集团公司，北京 0003)

基于最快下泄时间的水库防洪调度安全度研究

李晓英1吴建春1,3陈守伦1,2帅 佳1(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098； 2.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098； 3.中国华电集团公司，北京 100031)

主要对水库防洪调度中重要参数最快下泄时间的定义及其影响因素展开探讨，在此基础上,构建以下游防洪要求为特征的洪水调度安全度的相对区间，以及以工程自身安全为特征的绝对区间。同时,以占用防洪库容程度为标准,建立了水库防洪调度安全度评价的静态计算模式;以最快下泄时间为核心,建立了水库防洪调度安全度评价的动态计算模式。

水库调度;防洪调度;调度安全

1 概 述

实施汛期水库洪水调度主要是为了解决防洪安全问题。然而在遭遇重现期较长的洪水时，却无法实现预见期长、精度高的洪水预报，工程管理者往往只能被动应对入库洪水，甚至呈现失控、误判状态。根本原因是对洪水调度的基本原理、工程设计参数和稀遇洪水的特性等缺乏深入的分析和研究，特别是对于不利因素组合条件下洪水调度安全水平评估分析技术方面的分析研究工作，国内外更是相当欠缺。例如不适当(或过高)的起调水位，工程泄洪设施突发故障，预报出现误报、漏报等，再遭遇稀遇洪水，如果不在事前进行全面、系统和有针对性的安全度量化评估，一旦发生上述情况，虽有可能侥幸涉险渡汛，但更可能的结果是工程失事引发灾难。

本文针对防洪调度领域内这一薄弱环节，建立以起调水位、洪水量级、泄洪能力等为参数的水库防洪调度安全度评价系统。基于洪水调度基本原理和工程设计关键参数，给出安全度量化表达的相对值和绝对值计算方法，对在不同起调水位条件下发生的各级各类天然洪水的安全水平及安全度进行评价计算。评价及计算成果还可用于突发泄流能力降低的事故状态条件下的安全度评价，以及汛限水位动态变化和安全度的评价。

研究表明，只有解决好对各类洪水调度的安全度评价问题，才有可能对洪水资源利用的安全度问题进行分析论证，从而实现遭遇不可控大洪水情况下的安全渡汛，遭遇中、小洪水时在确保安全前提下充分利用好洪水资源。

2 最快下泄时间(Tmin)定义

水库防洪调度中，一条重要的原则:是在洪水达到调洪最高水位后，尽快将库中滞蓄的洪水下泄至汛限水位。严格遵守该原则是基于一个假设，即后续洪水随时会发生。这样,在库水位达到最高调洪水位后，应执行敞泄调度方式，才能实现最快下泄滞蓄的洪水。因此，将水库调洪至最高水位(Z1)并执行敞泄调度方式、水位恢复至起调水位(Z0)时间定义为最快下泄时间，记为Tmin(见图1)。

3 最快下泄时间影响因素

从最快下泄时间定义分析，其主要影响因素有入库洪水、起调水位、水库最大下泄能力和调度方式。而入库洪水对最快下泄时间的影响又体现在以下3个方面，分别是洪水量级大小、涨水段涨水快慢和退水段退水缓急(另文分析)。

3.1 洪水量级对Tmin的影响

如图2所示，在同一起调水位(如汛限水位Z0)，洪水量级愈大，则最快下泄时间愈长。这是因为洪水量级大，水库被动滞蓄的洪水量多且退水段待泄的天然洪水量也大，所以自调洪最高水位敞泄至起调水位所需时间Tmin也长。当洪水Q2无论是洪峰还是洪量均大于洪水Q1的洪峰、洪量时，必然有图2中所示的T2>T1。

3.2 起调水位对Tmin的影响

3.3 退水缓急对Tmin的影响

如图4所示，同样量级洪峰(Qm)的洪水，相比退水急的曲线①最快下泄时间,退水缓的退水曲线②的最快下泄时间要长，即T2>T1。这是因为:

(1) 曲线①在峰后下降快，所以峰后退水段滞蓄洪水量比退水段较缓的曲线②的滞蓄水量少；

3.4 预泄对Tmin的影响

4 水库洪水调度安全度静态定义

4.1 汛限水位起调是安全调度的基础

汛限水位是工程主要参数(如坝高)设计的基础，也是水库洪水调度工作中的一个法定参数。即汛期遭遇任何量级的洪水，在该水位按调度规程起调，工程自身安全是有保证的。

本文研究仍遵循汛限水位起调这个基本原则，限定水库遭遇不可控洪水时，为了工程自身的安全，无论涨水段亦或退水段，均以敞泄方式调度；若下游有防洪要求时，仍按下游要求，首先执行控制下泄，直至入库洪水超过下游最高级别防洪标准时，再执行敞泄以保证工程的安全。

4.2 安全度评价区间

为了便于讨论，将安全度评价区间分为相对区间和绝对区间两类。相对区间是指起调水位在汛限水位(以Z0表示)和防洪高水位(以Zg表示)之间；绝对区间是指起调水位在汛限水位和校核洪水位(以Zx表示)之间。而且相对区间是水库在遭遇中、小洪水时，以水库下游防洪安全为目标的安全度水平评价;绝对区间是水库在遭遇大洪水、特大洪水时,以保证工程自身安全为目标的安全度水平评价。两者之间存在着量级方面的差异。

4.3 安全度评价计算模式(静态)

该模式以洪水调度的3个要素(即洪水量级、起调水位、调度方式)为基础，以调洪调度过程中达到的最高水位为控制参数,建立起安全度评价模式。该安全评价模式又分为2类。

(1) 针对中、小洪水和水库下游防洪安全的相对评价模式；

(2) 针对大型、特大型洪水和水库工程自身安全的绝对评价模式。

计算公式为

(1)

式中,Z0，Zmax分别代表汛限水位和下游最高级别防洪标准设置的防洪高水位(即防洪库容对应的水位)；Zs为某一已知入库洪水在区间(Z0，Zmax)任一水位起调，且执行下游防洪要求的逐级控制调度方式，在该工程中达到的最高水位。为突出该公式的评价对象，计算的入库洪水量级定义在下游最高级别防洪标准洪水以下。

由式(1)模拟计算结果可见，当起调水位较高，且入库洪水量级接近下游防洪标准洪水时，可能会出现Zs>Zmax，即α出现负值，这表明水位已经突破防洪高水位设计值。 α为负值有可能是因为：

(1) 起调水位高；

(2) 入库洪水量大。

因此，如果要降低Zs，则只有降低起调水位，甚至预泄。

(2)

如前所述，该评价模式是针对入库大洪水、特大洪水，并为评价水库工程自身安全而建立的。因此,水位和入库洪水界定区间有变化，即洪水量级定义在校核洪水量级以下，起调水位界定在汛限水位和校核洪水位之间，Zs定义为可在上述起调水位、洪水量级区间的任何量级洪水、任何水位起调；在超过防洪高水位后，则执行敞泄调度方式，在调洪过程中达到的最高水位。

由式(2)模拟计算，结果同样可能会出现α<0，即Zs>Zmax的情况。这说明洪水量级大，且起调水位过高，结果导致调洪水位超过校核水位，工程自身的安全不保。

5 水库洪水调度安全度动态定义

5.1 最快下泄时间是动态评价的基础

与静态安全度不同的是，动态安全度的定义既要考虑到洪水调度的起调水位对防洪安全的影响，同时也要将入库洪水的过程，尤其是退水过程纳入到洪水调度安全水平评价之中。

在计算模式中,是采用最快下泄时间这个参数作为动态评价的控制参数，它既能反映峰前主动控泄或被动滞蓄水位升高对工程安全的影响，更能突出峰后洪水退水的缓急对水位恢复至汛限水位(或起调水位)快慢程度的影响，以便评价后续洪水不确定性带来的风险。

5.2 安全度评价相对模式

(3)

Tmax、Tmin、Ts分别为入库洪水在Z防高、Z汛限、Zs水位起调对应的最快下泄时间，其中,Z防高>Zs>Z汛限。

5.3 安全度评价绝对模式

计算模式与式(3)定义相同，Tmax为该洪水在校核水位起调条件下对应的最快下泄时间。

(4)

6 算 例

本文以西南某大型水库为例，并以该水库校核洪水为标准，按同倍比缩小入库洪水过程(将入库洪水分为10个等级)。在正常蓄水位以上0.5m为起调水位，计算洪水量级对最高调洪水位、最快下泄时间及其对应的动态(绝对)安全度的影响，计算成果列于表1中。

计算结果表明，当起调水位一定时，随着入库洪水量级的增大，将直接导致对应的最高调洪水位增高，最快下泄时间延长，而相应水库防洪安全水平会降低。

再以0.85倍校核洪水为入库洪水，改变起调水位，计算起调水位对最高调洪水位、最快下泄时间及其对应的动态(绝对)安全度的影响。计算成果列于表2中。计算结果表明，随着起调水位的增高，最高调洪水位也相应地增高，最快下泄时间延长，安全度下降，水库防洪安全水平降低。

7 结 论

(1) 通过提炼最快下泄时间(Tmin)这个核心参数，并将其来表达水库防洪调度的安全水平，既能准确地反应洪水调度由已知条件决定的确定性特征(比如洪水大小、退水缓急、下泄能力、库容曲线、起调水位等)，又能量化表达从调洪高水位尽快恢复至起调水位所需时间的相对程度。

(2) 本文构建的防洪调度安全度概念及其计算模式,能够涵盖各类洪水和任意水位起调的各种工况，极大地方便了调度人员对水库各种组合方案实施离线调度演练，可以为实时防洪调度决策提供系列化的成果。

(3) 可以将本文构建的理论概念及其计算模式,推广应用到非正常状态下的调度模式(例如泄水建筑物故障导致的泄流能力变化、洪水预报失误产生的违规偏差，以及上、下游例外的防洪要求等对水库防洪安全程度影响的量化计算)。

(编辑:赵秋云)

2015-04-09

水利部公益性行业科研项目(201001016)

李晓英，女，河海大学水利水电学院，讲师,博士.

1006-0081(2015)04-0005-04

TV697.13

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