水库汛限水位动态控制域确定方法研究发展动态综述

任明磊，何晓燕，丁留谦，杨帆，李辉，张洪斌

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京100038；3.北京工业大学建设工程学院，北京100124)



水库汛限水位动态控制域确定方法研究发展动态综述

任明磊1，2，何晓燕1，2，丁留谦1，2，杨帆3，李辉1，2，张洪斌1，2

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京100038；3.北京工业大学建设工程学院，北京100124)

水库汛限水位动态控制域确定方法是动态控制研究的关键内容，亦是动态控制方案实施的基础。通过系统总结(改进)预泄能力约束法、防洪预报调度方式及规则设计方法、库容补偿法、考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法、分级预泄法、综合信息决策支持表法等水库汛限水位动态控制域确定的主要方法，评述各方法的主要特点及适用条件，提出了汛限水位动态控制域确定方法尚需深入研究的关键性问题，以期推动水库汛限水位动态控制域确定方法的全面应用，扩大其研究应用范围。

汛限水位；动态控制域；预泄能力约束；预报调度；分级预泄

0 引 言

面对严峻的水资源短缺形势，在保证水库防洪安全的前提下，科学合理的设计与运用水库汛限水位，开展水库汛限水位动态控制研究工作，充分发挥水库的综合效益，是缓解水资源短缺问题的有效途径之一。自2001年国家防汛抗旱总指挥部办公室布置开展水库汛限水位动态控制研究工作以来，经过多年基础理论研究及试点水库应用研究取得了很大进展，已从原来整个汛期单一固定原设计汛限水位、不考虑预报信息发展为分期汛限水位，进而发展到利用预报信息进行汛限水位动态控制。汛限水位动态控制域确定是汛限水位动态控制研究的关键内容之一，是编制完成汛限水位动态控制方案的一个重要环节，亦是实施动态控制方案的基础。

本文在简述国内外汛限水位动态控制域确定方法总体概况的基础上，系统总结了水库汛限水位动态控制域确定的主要方法，分析了各方法的主要特点及适用条件，并对尚需深入研究的关键性问题进行了展望，以期初步推动水库汛限水位动态控制域确定方法的全面应用，扩大水库汛限水位动态控制试点应用范围，全面提高我国洪水资源利用率。

1 水库汛限水位动态控制域确定方法研究发展概况

水库汛限水位动态控制的关键内容为实时调度阶段动态控制方案的实施，为防止实时调度中“为保证下游防洪安全而减少下泄流量，导致汛限水位过于降低”和“增加兴利蓄水而过于抬高汛限水位”这两种现象的发生，有必要以保证防洪安全和充分利用洪水资源为出发点，在规划设计阶段，考虑水库特性及可利用信息，对汛限水位动态控制范围进行研究，将安全合理的“汛限水位动态控制约束域”作为实时调度阶段汛限水位动态控制的约束范围。

20世纪90年代后，国内、国际水文科学及计算机技术的发展，把洪水预报及其精度提高技术推向了全面发展和广泛应用的崭新阶段，为水库利用洪水预报信息进行调度提供了十分有利的条件。基于此，文献[1]研究了水库防洪预报调度规划设计，该方法可用于汛限水位动态控制域的确定，并在北方一些水库得以实施。另外，SL 104—95《水利工程水利计算规范》中亦允许洪水预报条件较好、预报方案完善、预报精度较高的水库进行洪水调节计算时可适当考虑预报预泄，但预泄时仅局限于考虑洪水预报信息，一般不考虑气象预报信息，该预泄能力约束法亦可用于水库汛限水位动态控制域确定，并在汛限水位动态控制第一批试点水库动态控制域确定时得以应用。进入21世纪后，随着风云二号B、C、D、E系列卫星及风云三号A星、B星的成功发射，我国气象预报水平大有提高，气象部门积累了大量可利用的降雨预报资料，因此综合考虑降雨预报信息、洪水预报信息的改进预泄能力约束法逐步发展，并主要用于汇流速度快、时间短、洪水预报方案精度低的水库汛限水位动态控制域确定。

由于水库原设计没有考虑洪水年际之间、年内洪水之间的变化规律性，而在水库洪水实际调度过程中，年际间洪水、年内洪水发生及变化均有规律可循，基于此，文献[2]提出考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法确定汛限水位动态控制域，按照设计规范要求进行汛期分期及确定相应汛限水位并作为动态约束域值即是此种方法的典型代表。在汛限水位动态控制第一批试点水库动态控制域研究过程中，个别试点水库与其他水库形成水库群，共同服务于下游防洪目标，水库群需按下游防洪控制点的要求进行补偿调度或错峰调度，针对此种类型的水库，主要采用库容补偿调节法确定被补偿水库汛限水位动态控制域。

文献[2]以第一批试点水库汛限水位动态控制域研究成果为基础，对上述方法进行了初步整理与总结。根据国家防办2005年6月下发的“水库汛限水位动态控制试点工作意见”，在2008年开展的第二批汛限水位动态控制试点水库动态控制域确定相关研究工作的过程中，考虑到(改进)预泄能力约束法在实际调度应用中存在的“在有效预见期内一直按下游允许安全泄量泄流的问题”，提出分级预泄方法进行汛限水位动态控制域确定，该方法更紧密地结合了水库防洪调度实践，可操作性更强[3- 4]。对于洪水预报精度不高、下游允许安全泄量又控制较为严格的水库，则在泄量分级的基础上，考虑到动态控制阶段入库洪水信息，提出了在考虑各级泄流量、各级入库流量组合情况下，采用面临时刻允许控制库水位决策支持表法[5]确定汛限水位动态控制域，该方法可为调度技术人员和决策者提供具体化、数量化信息，可操作性较好。

西方发达国家由于在气象水文特性、人口密度分布、水资源供需矛盾等国情方面的差异，其研究重心以考虑防洪效益及生态环境效益为主，汛限水位基本采用传统的规划设计值，对汛限水位动态控制域确定、动态控制方法的研究甚少。

2 汛限水位动态控制域确定方法

目前已有的和新近研究的汛限水位动态控制域确定方法主要有以下几种：

(1)防洪预报调度方式及规则设计方法。该方法确定水库汛限水位动态控制域是在满足水库本身及上下游防洪标准的前提下，通过调节不同防洪标准对应频率的预报设计洪水过程，寻求判断水库遭遇洪水量级、改变泄流量的判别指标，如预报累积净雨、预报入库流量等指标，通过此类指标可以提前判断洪水标准大小，在选择相应的防洪预报调度规则的基础上，抬高原设计汛限水位值、提前加大泄量，保持原设计所需要的防洪库容。防洪预报调度规则所对应的起调水位值(即抬高的汛限水位值)为汛限水位动态控制约束域的上限值，原设计的汛限水位值为约束域的下限值。

(2)预泄能力约束法。该方法是汛限水位动态控制域确定较常用的方法[7]，其基本思想为，在留有一定余地的情况下，利用洪水预报，在有效预见期内有多大泄流能力就将汛限水位向上浮动多少。汛限水位上浮值的影响因素主要包括：面临时刻的水情、雨情、工情；入库洪水预报的预见期；洪水预报的可利用预见期；有效预见期；有效预见期内入库水量；有效预见期内水库预泄能力；下游河道允许预泄流量；决策信息传递的稳定性、速度及闸门操作时间等。该方法依据上述洪水预报预见期、入库水量、水库泄流能力、下游允许泄量等条件确定的预蓄水位，作为汛限水位动态控制域的上限值，原设计汛限水位作为动态控制域的下限值。

(3)改进预泄能力约束法。这是目前水库汛限水位动态控制域确定的主要方法之一，SL 104—95《水利工程水利计算规范》允许洪水预报条件较好、预报方案完善、预报精度较高的水库进行洪水调节计算时可适当考虑预报预泄，但预泄能力约束法仅局限于考虑洪水预报信息，一般不考虑气象预报信息。实际上，随着我国气象、降雨预报水平的提高，尤其是“风云”系列气象卫星的成功发射，降雨预报信息准确率不断提高，水文及气象部门亦积累了大量可利用的降雨预报资料。因此，针对汇流速度快、时间短、洪水预报方案精度低的水库，提出了综合考虑降雨预报信息及洪水预报信息的改进预泄能力约束法[8- 9]，根据降雨或洪水预报信息的预见期、精度、预泄能力、下游允许水库出流等确定水库汛限水位动态控制域上限值。

(4)考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法。考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法确定汛限水位动态控制上限值是在考虑洪水的时序变化规律的基础上，分析年内洪水统计参数时序变化规律，当发生一次大洪水后，可为决策者提供未来发生洪水的概率分布，分析相应的设计洪水及其允许的起调水位，作为确定的汛限水位动态控制域上限值。按照设计规范要求进行汛期分期及确定相应限制水位并作为约束域值是常用的方法之一，另外还有基于模糊集合分析或随机模拟等统计数学方法，给出汛限水位的时序变化过程，即每日或候或旬确定一个约束域值[4]。

(5)库容补偿法。库容补偿法确定汛限水位动态控制上限值是利用服务于同一防洪目标的调度系统中水库群之间所具有的库容差异，根据补偿水库所富余的防洪库容，换算为被补偿水库可利用的防洪库容，进而将可利用的防洪库容推求换算为被补偿水库可抬高的汛限水位动态控制上限值。由于在实时调度中补偿水库所具有的防洪实时水库群之间所具有的库容或水文差异状况多变，所以实时调度中推求的汛限水位动态控制值不等。从设计安全角度[10- 11]，应该取历次洪水补偿调节模拟计算的汛限水位动态控制的最小值，作为汛限水位动态控制域上限值。

(6)分级预泄法。分级预泄法确定水库汛限水位动态控制域上限值是根据水库泄流能力的实际情况，同时兼顾下游河道安全泄量的约束，从防洪安全角度考虑，在预见期的不同时间段选取不同的预泄流量[6]，继而推算不同预泄流量情况下的可预泄水量，继而确定不同预泄流量情况下的汛限水位动态控制域上限值。分级预泄法的基本原理与预泄能力约束法相同，两者的主要区别是计算时对预泄流量的取值不同，预泄能力约束法以泄流能力作为约束，分级预泄法则在该约束内还兼顾考虑水库防洪调度、是否会造成下游人为洪水等实际需要[12- 14]。

(7)综合信息决策支持表法。综合信息决策支持表法确定汛限水位动态控制上限值是根据洪水入库流量信息、降雨预报、洪水预报有效预见期等综合信息确定面临时刻允许控制库水位值的方法。一般情况下，制定综合信息决策支持表[5]时，需对下游防洪安全允许的水库泄流量进行分级，结合汛限水位动态控制阶段入库洪水信息，分别得出各级泄流量、各级入库流量组合情况下，泄流开始的面临时刻允许控制的库水位值，并绘制面临时刻允许控制库水位值决策支持表，根据决策支持表，分析求得各级泄流量情况下的汛限水位动态控制域上限值。

3 动态控制域确定方法适用条件及应用试点

(1)防洪预报调度方式及规则设计方法。采用该方法进行汛限水位动态控制域确定的水库，需具备以下条件[15- 17]：①具有性能可靠、运行稳定，能及时、准确地提供水雨情信息的水雨情自动测报系统；②洪水预报方案精度高、合格率高，达到水文情报预报规范规定的甲级水平；③短期气象预报精度水平较高，达到可利用的程度；④调度信息传递系统畅通、通信系统运行稳定、泄流设备开启关闭灵活。试点水库有辽宁省大伙房水库、大连市碧流河水库、吉林省新立城水库、河南省白龟山水库、湖南省五强溪水库等。

(2)预泄能力约束法。采用该方法进行水库汛限水位动态控制域确定的水库，需具备以下条件：①洪水预报条件较好、预报方案完善且预报精度较高；②水库下游防洪控制点安全泄流量实际情况与设计条件情况相吻合。试点水库有黑龙江省察尔森水库、河南省白龟山水库等。

(3) 改进预泄能力约束法。对于汇流速度快、时间短、洪水预报方案精度低的水库，一般采用考虑降雨预报信息的改进预泄能力约束法，根据所依据降雨预报信息的预见期、精度、泄流能力、下游允许水库出流等确定水库汛限水位动态控制域上限值。单一考虑降雨预报信息，采用改进预泄能力约束法确定汛限水位动态控制域的试点水库有山西省漳泽水库、四川省大桥水库等。对于洪水预报方案完善、预报精度高且同时具有大量可利用的降雨预报数据资料的水库，一般采用考虑降雨预报信息与洪水预报信息结合的改进预泄能力约束法[18]进行汛限水位动态控制域确定。典型的试点水库有大连市碧流河水库、湖北省丹江口水库等。

(4)考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法。采用该方法进行水库汛限水位动态控制域确定的水库，一般要求水库设计洪水资料齐全、完备，且具有较长系列的选自水库调度手册和刊印的水文年鉴的场次洪水资料。辽宁省碧流河水库为采用该方法确定水库汛限水位动态控制域的试点水库。

(5)库容补偿法。采用该法进行水库汛限水位动态控制域确定的水库，一般要求补偿水库泄水达到防护点的传播时间小于或等于库群与防护点之间洪水的集流时间或预见期，同时要求区间洪水预报的精度满足规范要求。试点水库有辽宁省碧流河水库、葠窝水库。

(6)分级预泄法。采用该方法进行水库汛限水位动态控制域确定的水库，一般要求水库洪水预报信息或降雨预报信息可利用，且下游防洪控制点允许控制泄流量可分级，可由小到大逐级增加。较泄流能力约束法，分级预泄法不仅增强了防洪安全，还使规划成果与实时调度较好地结合起来，可操作性更好。试点水库有葠窝水库、碧流河水库。

(7)综合信息决策支持表法。采用该方法进行水库汛限水位动态控制域确定的水库，一般要求水库流域降雨预报或洪水预报信息可利用，能根据可利用的预报信息推算出有效预见期，且要求明确流域退水特点及退水过程线。该方法确定的面临时刻允许控制的库水位值可为调度技术人员和决策者实施水库汛限水位动态控制提供具体化、数量化的信息。试点水库有河南省板桥水库、天津市于桥水库。

4 结语与展望

汛限水位动态控制域确定方法研究是汛限水位动态控制研究的重要组成部分，由于水库特性各不相同，对某一具体水库而言，并不是上述的每个方法都适用[19]，若只有一种方法适用于该水库，那么这种方法确定的汛限水位动态控制域上限值即为该水库汛限水位动态控制域的上限，原设计的汛限水位作为动态控制域的下限；若该水库适合应用第二部分所述的多种方法，则可采用内包线法确定汛限水位动态控制域上线值。

由于影响汛限水位动态控制域确定方法的因素较多，如水库运行管理水平、流域水文气象特征、水库主要功能、水库历史水文气象资料积累、近期气象预报资料积累、调度经验、调度人员技术水平、洪水预报及气象预报精度水平等，因此采用何种方法确定或多种方法综合确定水库汛限水位动态控制域范围要视具体情况而定，但所有方法的实施均要求水库资料相对齐全完备、预报信息可靠性较高、闸门控制能力较好。

随着我国气象、降雨预报水平的提高，尤其是“风云”系列气象卫星的成功发射[20]，降雨预报、洪水预报信息准确率不断提高，目前的汛限水位动态控制域确定方法尚需在未来实践中不断发展和完善，主要表现在以下两个方面[21]：

(1)目前确定汛限水位动态控制域时仍只是考虑短期降雨预报的预见期，且降雨预报仅利用中雨及以下量级预报信息，可利用信息较少。在今后的研究中，可加深对更长预见期预报信息的可利用性分析研究。

(2)近年来大规模水电开发形成了诸多梯级水库及水库群，多目标的调度需求、多座水库的联合调度使水库汛限水位动态控制域的确定面临更为复杂的局面，因此，将单库的汛限水位动态控制域确定方法扩展到水库群的应用中，是新形势下水库汛限水位动态控制域确定方法研究的新热点。

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(责任编辑 焦雪梅)

Review on the Methods of Fixing Dynamic Control Range of Reservoir Water Level in Flood Season

REN Minglei1,2, HE Xiaoyan1,2, DING Liuqian1,2, YANG Fan3, LI Hui1,2, ZHANG Hongbin1,2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction, MWR, Beijing 100038, China;3. Institute of Architectural and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The methods of fixing the dynamic control range of reservoir water level in flood season is the key content of the research of dynamic control of reservoir water level, and also is the foundation of carrying out dynamic control scheme. Main fixing methods are systematically summarized herein, including (improved) the method of pre-discharge capacity constraining, the method of flood forecasting and operating mode and rules designing, the method of reservoir storage compensation, the statistical analysis method considering the variation rule of flood time series, the method of grading pre-discharge, and the method of comprehensive information decision supporting table. The main characteristics and applied conditions of each method are also reviewed. As above mentioned, in order to promote the overall application of fixing methods and expand the pilot application scope, some key issues need to be researched in future concerning fixing methods are finally proposed．

reservoir water level in flood season; dynamic control range; pre-discharge capacity constraining; flood forecasting and operating; grading pre-discharge

2015- 12- 23

中国水利水电科学研究院国际水利水电科技发展动态调研专项(JZ0145C102015);国家自然科学基金青年基金项目(51509268)；江西省洪水预报调度系统及防汛辅助支持系统软件开发项目;水利部公益性行业科研专项(201201054)

任明磊(1983—)，女，河北平泉人，高级工程师，研究方向为水库汛限水位动态控制、洪水资源利用．

TV697.1

A

0559- 9342(2016)06- 0061- 05