洪水资源利用安全水平评估方法

陈 丁 戴建炜 陈守伦,2 顾文钰(.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； .贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

洪水资源利用安全水平评估方法

陈 丁1戴建炜3陈守伦1,2顾文钰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.贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

为平衡防洪安全和洪水资源利用之间的关系，提出了广义洪水预见期，在敞泄回蓄和滞洪跟踪调度方法中，可对洪水资源利用及安全水平进行量化分析，对不同量级的洪水及其退水过程进行洪水资源利用及安全水平评估。决定采用的调度方式，实现了减少无益弃水，在可控范围内做到充分利用洪水资源。

洪水;水资源利用;安全;评估方法

1 概 述

众所周知，水电能源是一种清洁可再生能源，增加汛期水电发电量，减少火电发电量对我国节能减排及环境保护将有重要作用。洪水资源利用和安全水平相互制约，对如何平衡二者关系曾有过广泛研究，包括动态汛限水位研究，以及中、长期调节水库分期蓄水的研究,其中都涉及到洪水资源的利用。

动态汛限水位完全基于一个假设，即后续洪水随时会发生(含校核量级的洪水)，但这样会造成常见洪水资源没有得到任何程度的利用。本文讨论广义洪水预见期和充分利用能力以及最快下泄时间三者的关系，来评价洪水资源利用及安全水平，并可利用洪水特征，来选取不同的调度方式及洪水资源利用量。

2 基本概念

(1) 不可控洪水。当入库洪水洪峰流量(Qm)大于起调水位(Z0)最大下泄能力(q0m)时，该洪水为不可控洪水(见图1)[1-2]。

(2) 最快下泄时间。不可控洪水在被动执行敞泄过程中(q

(3) 敞泄回蓄法。库水位因前期各种原因(包括不可控、下游防洪要求等)蓄至调洪高水位Z1后，为了水库安全执行敞泄，恢复至汛限水位(Z0)，然后择机(如te)拦尾回蓄，以利用洪水资源，图2中阴影面积代表拦蓄的洪尾。

(4) 滞洪跟踪法。设水库兴利充分利用水能力为QT(如发电最大引用流量),如图3所示，调洪最高水位Z1，水库已蓄了ΔV水量，自水位Z1(即t1时刻)开始执行跟踪入库调度方式(即q=Q)，直至tf时刻，水库一直维持在高水位Z1，且保持ΔV，仅泄退水段入库洪水。 若后期发生洪水，可执行敞泄泄洪。

(5) 广义洪水预见期。关于洪水预见期有各种不同的定义，较为常见的有流域平均汇流时间、主雨强落地至峰现时间、洪水过程线形心定义等。为便于计算,将其定义为狭义预见期 ，而广义洪水预见期TGy则定义为

TGy=Twy+Txy

(1)

式中,Twy为流域汇流时间，Txy为预报无雨时长，显然，Twy=0，则TGy=Txy。

3 敞泄回蓄法

3.1 分 析

敞泄回蓄法是在敞泄完滞蓄洪水后，水位恢复至起调水位Z0(或汛限水位)，再执行回蓄，目的是在安全前提下利用洪水资源。这种方法又分客观分析和主观分析[4]，分述如下。

从客观上分析:①如图2所示，当敞泄至库水位已恢复到汛限水位(Z0)，即te时刻开始回蓄，再计算回蓄水量ΔV,同时应扣除水库在汛期兴利充分用水能力QT(如发电最大引用流量);②计算回蓄水量充分兴利历时，即TXL=ΔV/QT；③利用与广义洪水预见期TGy比较,若时间长于广义洪水预见期,则需减少回蓄水量ΔV, 若小于,则体现洪水资源利用不充分。

从主观上分析,利用与广义洪水预见期TGy,以此推求希望回蓄水量ΔV，并以此ΔV″确定回蓄(关闸)起始时刻ts。

ΔV″=QT×TGy

(2)

式中，QT为发电最大引用流量。

3.2 回蓄水量ΔV′的安全水平再评价

(2) 计算无入库洪水条件下(本次洪水已退尽，未来洪水仍未到)敞泄ΔV′所需历时ΔT，可采用数值计算和近似计算，现以近似计算求ΔT

(3)

(3) 分别以敞泄ΔV′的历时ΔT和ΔV′兴利利用历时TXL为标准，判别后续洪水发生对水库防洪安全和兴利用水程度的影响。后续洪水发生在ΔT内，安全水平下降；后续洪水发生在TXL-ΔT区间则防洪安全有保证，洪水(ΔV′)可部分利用；后续洪水发生在TXL以后，防洪安全有保证，且洪水(ΔV′)可完全利用。

(4) 利用以上成果，以ΔV′为参数，在后续洪水发生时间间隔的统计分布图上，可以确定回蓄ΔV′的安全区、洪水资源(ΔV′)部分利用区、充分利用区。可以判定，对同一回蓄水量P安全>P部分利用>P充分利用。

4 滞洪跟踪法

4.1 分 析

与敞泄回蓄调度方式相比，当洪水退水很快，可供回蓄的洪水资源量很少(尤其降雨主雨强过后无后续降雨情况)，采用敞泄回蓄法几乎无水可蓄，所以在涨水段已滞蓄库中洪水ΔV的利用值得重视。但这两种方式在从最高调洪水位Z1恢复至汛限水位Z0的最快下泄时间(Tmin)是不同的，敞泄回蓄法最快下泄时间(Tmin)如图3所示，Tmin=tg-t1,而滞泄跟踪法由Z1水位恢复至Z0水位最大下泄时间

Tmin=tg-t1+ΔT′

(4)

式中，tg-t1为洪水退水过程(由Q=q1和Q=q0决定，q1、q0分别为水位Z1、Z0的最大下泄能力)中的一段时长，ΔT′为滞蓄的库中洪水ΔV在tg时刻由Z1水位敞泄至Z0水位所需的时间。

4.2 滞洪跟踪调度方式安全水平评价

(1) 计算充分兴利历时

(5)

(2) 计算滞洪跟踪蓄水量ΔV(在兴利供水开始时刻)遭遇后续洪水最快下泄时间ΔT′

(6)

式中，qc,q0分别为Z1，Z0水位条件下水库敞泄能力。

(3) 分析后续洪水发生时刻对防洪与兴利的影响并定义图中ty2-ty=TXL,ty1-ty=ΔT′后续洪水发生在tyty1之间，水库安全水平下降；若发生在ty1ty2之间，则安全有保证，滞蓄水量ΔV仅能部分利用；若发生在ty2以后则既安全，ΔV又可完全利用。

5 结 论

本文探讨了洪水资源利用中的关键问题，即退水调度方式、洪水资源利用量,提出了广义洪水预见期之间的关系,并获得如下结论。

(1) 退水调度方式的选取依赖于洪水退水特性，滞泄跟踪方式适合于退水急的洪水，拦尾回蓄调度方式对退水缓的洪水来说优于滞泄跟踪方式。

(2) 洪水资源利用量与水库风险呈正相关，洪水资源利用量增大，其风险相应提高[5]。

(3) 提出的拦尾水量敞泄历时、充分兴利能力和广义洪水预见期概念之间的关系可用来对洪水资源利用程度、安全及风险水平进行评价。

[1] 陈娟, 钟平安, 徐斌. 基于随机微分方程的水库防洪调度风险分析[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2013, 41(5):400-404.

[2] 刘攀. 水库洪水资源化调度关键技术研究[D]. 武汉:武汉大学, 2005.

[3] 高波, 王银堂. 水库汛限水位调整与运用[J]. 水科学进展, 2005,31(1):8-11.

[4] 刘艳丽, 周惠成, 张建云. 不确定性分析方法在水库防洪风险分析中的应用研究[J]. 水力发电学报, 2010, 29(6):47-53.

[5] 李英海, 周建中, 张勇传, 等. 水库防洪优化调度风险决策模型及应用[J]. 水力发电, 2009, 35(4):19-21,37.

(编辑：付湘宁)

2015-04-09

水利部公益性行业科研项目(201001016)

陈 丁，男，河海大学水利水电学院，本科生．

1006-0081(2015)04-0051-03

TV213.9

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