紫坪铺水库汛期多目标调度运行实践

阳 莉， 由 丽 华

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

紫坪铺水利枢纽工程坝址以上控制流域面积22 662 km2，占岷江上游面积的98%；多年平均流量469 m3/s，年径流总量148亿m3，占岷江上游总量的97%；控制岷江上游暴雨区洪水的90%，上游泥沙来量的98%，能有效调节上游水量、控制洪水和泥沙。水库总库容及调洪库容分别为11.12亿m3和5.39亿m3。

紫坪铺水利枢纽工程是以灌溉、供水为主，兼有防洪、发电、环保、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程，控灌面积1 400万亩，是成都市中心城区及郊县自来水的主要原水水源，同时也担负着成都市工业用水和城市环保用水的供水任务。紫坪铺水库的主要调度任务是：供水、防洪、发电。

2 调度规则及目标

紫坪铺水库的调度规划分为四个时段，分别是蓄水期调度、供水期调度、主汛期调度、后汛期调度，具体调度规则如下：

2.1 蓄水期

考虑岷江径流量年内的分配特点，确定紫坪铺水库的蓄水期为每年的10～11月。在蓄水期内的主要调度目标是供水、发电、蓄能，调度运行规则是：蓄水过程中同样需满足下游综合用水和电站出力不低于保证出力的要求，余水蓄入库内，尽量缩短水库蓄满时间，提高水头多发电。蓄水期的水位上限控制为正常蓄水位。

2.2 供水期

紫坪铺水库的供水期是12月至次年5月，在此期间，岷江多年平均来水量为228 m3/s，属于枯水期，受下游工农业用水及城镇生活用水需求的限制，供水期的主要调度目标是：供水、发电，调度运行规则是：根据下游综合用水要求，逐渐下降水位，最低水位不得低于死水位817 m。

2.3 主汛期

紫坪铺水库的主汛期是每年的6～8月，而且汶川―紫坪铺库区间雨量多，强度大，是岷江上游的暴雨区，从历史洪水来看暴雨洪水的主要危害表现为：洪水冲毁河岸堤防、高浊度浑水造成自来水厂减产等。因此，在主汛期的主要调度目标是：防洪、供水、发电；调度规则是：

(1)枢纽安全第一，电调服从水调，水调服从洪调，在确保枢纽安全的前提下，充分发挥枢纽的综合利用效益；

(2)当紫坪铺水库发生不超过100年一遇标准洪水时，通过水库拦洪削峰，保证下游成都市和金马河防洪安全；

(3)当紫坪铺水库发生超过100年一遇标准洪水时，确保紫坪铺大坝的安全，减轻岷江上游洪水对成都平原的威胁；

(4)当遇超标准洪水或其他重大突发事件时，启动防洪抢险应急预案。

2.4 后汛期

紫坪铺水库的后汛期是每年的9月，根据岷江上游的来水特点，在9月份不仅产生特大洪水的几率很小，而且中小型洪水的次数也较少，过了9月以后，岷江上游的来水会形成一个拐点，来水量会激剧减少。为了保证枯水期的综合供水，增加发电效益，蓄集汛末的中小洪水是紫坪铺水利枢纽工程调度运行的一大特色。在后汛期的主要调度目标是：蓄水、发电、防洪。调度规则是：根据水情、洪水预报，做好防洪应急措施的充分准备，在满足供水区用水和丘陵灌区囤水前提下，可逐步提高水库水位，提高水库综合利用效益。经对水库蓄水优化计算，9月10日以后开始启动水库回蓄，最高水位控制在870 m。

3 紫坪铺水库汛期多目标调度

3.1 “7·10”洪水概况

汶川至都江堰区间属著名的川西鹿头山暴雨区南端，是岷江上游暴雨多发区，暴雨集中于6～9月。主要暴雨中心一般出现在迎风坡山区和山麓地带，即岷江右岸的渔子溪、寿溪等。紫坪铺、都江堰一带的大洪水均为这一地区大暴雨所形成，如1964年百年一遇的洪水，是紫坪铺站有实测资料以来的首次大洪水。其特点是：峰高、历时短、涨落快。2013年7月7～13日，紫坪铺控制流域内汶川以下区域普降大暴雨，雨量由汶川一带向坝区逐次增强，暴雨中心位于坝区附近，紫坪铺工程所在的都江堰市降雨强度达到了百年一遇。这次暴雨过程具有时间长，强度大的特点。7月10日，紫坪铺水利枢纽遭遇到投运以来的最大洪峰4 231 m3/s，接近20年一遇水平(4 450 m3/s)，对紫坪铺库区及下游地区的防洪安全、供水安全造成了巨大威胁。

此次洪水过程为典型的近坝区的暴雨洪，部分降水直接落于库区，使得洪水陡涨陡落，由于这次洪水过程前期天气较为炎热，降雨较少，洪水过程初始基流为770 m3/s左右，第一轮强降雨后产生了1 314 m3/s的首轮洪峰，第二轮更强降雨紧随其后，产生了这次洪水过程的最大洪峰4 231 m3/s(7月10日8：20)，之后随着降雨的逐渐减弱，来水缓慢消退至760 m3/s左右。这次洪水过程初始时刻由于紫坪铺下游区间降雨量极大，为保证下游都江堰市、成都市中心城区及其它郊县的防汛安全，前期调度以拦蓄洪水为主，后期待下游防汛压力减小后才逐量缓慢泄洪，至洪水过程结束时，库水位为854.66 m，过程中最高库水位为868.20 m(7月11日17时)。洪水过程如下图所示。

3.2 调度目标

图1 7月8日-7月17日洪水过程及调度示意图

根据紫坪铺水利枢纽汛期调度规则设定的调度目标为防洪、供水、发电，由于此次洪水量级较大，故调度以防洪和供水为调度目标。

3.2.1 防洪安全约束

根据紫坪铺工程特点，洪水下泄有多种途径：发电机组下泄、泄洪洞下泄、冲沙洞下泄、溢洪道下泄，下泄洪水对下游的防洪安全形成压力，具体防洪风险有：

(1)持续的强降雨造成下游清水河、江安河等多条支流水位上涨，部分河道出现漫堤险情；

(2)大坝下游城市因河道的高水位对城市排水管道形成反壅，造成排洪不畅而形成内涝；

(3)同属于近坝暴雨区的白沙河洪峰与下泄洪水叠加将增大下游的防洪压力。

3.2.2 供水安全约束

紫坪铺控制流域汶川以下位于“5·12“汶川特大地震的震中区域，受地震影响，原有地形地貌遭到巨大破坏。一旦有强降雨，山体崩塌、滑坡、山洪泥石流等地质灾害频发，会形成高浊度的入库洪水；当暴雨同时在紫坪铺下游的白沙河流域发生时，白沙河形成的高度洪水会在坝下3 km左右与干流叠加，经鱼嘴分流后，都江堰内江的高浊度浑水经徐堰河输运到成都市自来水六厂和七厂，对成都市生活用水形成供水压力。都江堰外江的高浊度浑水经金马河输运，进而对自来水厂在金马河取水的双流县居民生活用水造成重大影响。从上述分析可知，近坝区形成的高浊度暴雨洪水是紫坪铺水利枢纽洪水调度运行的重要约束。

3.2.3 枢纽泄洪设施运行安全约束

泄洪洞与冲沙洞为紫坪铺水库主要的泄洪设施，为高流速隧洞，最大流速达45 m/s。由于高速水流会对隧洞造成冲刷、空蚀等破坏，每一条隧洞过水运行不能超过5天，需停止泄水进行检查，并对已形成的破坏进行修复。冲沙洞泄水具有高泥沙含量的特点，因此，在暴雨洪水期，冲沙洞的使用受到了供水约束与防洪约束耦合的限制，增加了调度压力。

3.3 调度过程

考虑供水安全和防洪安全的需求，紫坪铺水库开展了基于防洪目标、供水目标的多目标调度，“7·10”洪水调度过程如图4所示。期间采取了一系列的调度措施实现相应的调度目标。

3.3.1 防洪安全调度措施

利用水库的调蓄功能，从时间和空间上减缓防洪安全的压力：充分利用水库调洪库容，采取拦洪削峰、错峰调度的方式最大削减洪峰流量3 600 m3/s，削峰比85%，拦蓄洪量2.6亿m3，使下游洪水由40年一遇降为不到10年一遇，有效降低了下游城市防洪压力。

3.3.2 供水安全调度措施

据紫坪铺水库调度运用计划，汛期水库的泥沙调度是与防洪调度是同步进行的，若汛期天然来水含沙量高，水质差，在开启冲砂洞泄洪时，由于进口高程低，出水为水库底层水，水体含沙量高，其对下游供水水质也必然带来一定影响。利用不同流量洪水演进的时间差异性，在一定限度内减轻高浊度洪水对供水安全形成的压力，公司与成都市政府、相关区、县就紫坪铺水库泄洪冲沙和安全供水两兼顾进行了充分研究，确定了在洪峰入库三日内按照“水调服从洪调”的原则进行调度，三日后按下泄流量与下游区间来水叠加不超过内江安全分流量，且采取间歇冲砂泄洪的运行方式，以降低原水浊度。

3.3.3 泥沙调度措施

受“5·12”汶川特大地震影响，近年来紫坪铺水库控制流域地质灾害频发，库区滑坡、崩塌时有发生，入库泥沙显著增加，紫坪铺公司已于震前2008年、震后2011年、2013年及2014年先后4次对库区的监测断面和地形进行了测量，进一步了解水库地形和库容变化情况，分析研究水库淤积特性，制定科学合理的调度运行方式。

表 2008―2014年紫坪铺水库泥沙冲淤计算成果表

从上表可以看出，地震时库区大面积山体垮塌，以及随后由于山体松散及强降雨造成的泥石流等次生灾害，导致大量泥沙石块涌入库区，造成库内大量淤积。整个库区累计淤积9051万m3，年均淤积量为1 508万m3，水库整体淤积速率快于设计初期预计的573万m3/y。2014年库容断面复测与震前2008年相比，校核洪水位883.1 m以下库容减少0.91亿m3，正常蓄水位877 m下库容减少0.9741亿m3，汛期限制水位以下库容减少0.95亿m3，死水位以下库容减少0.67亿m3，可见地震对水库库容带来较大影响。库容淤积部分主要位于死库容，其占总淤积量的73%，水库调节库容较震前减少0.3亿m3，对于水库的正常调度影响较小。2013年“7·10”洪水过程中，考虑沙峰比洪峰入库时间有一定滞后，在前期洪水入库过程中进行适当的滞洪调度，并保持适量的调节库容，在沙峰到达坝前的时段内集中加大下泄，通过这种错峰的泥沙调度方式，一是将淤积在库内的泥沙尽可能推到坝前，淤在死库容内；同时也通过开启冲沙放空洞将坝前泥沙及时排出。2014年初复测资料表明，采取这种泥沙调度方式调节库容较2013年初增加了328万m3，排沙效果明显。

4 结 论

水利水电枢纽工程所承担的任务受下游地区社会经济发展和人类活动的影响和制约较大。在进行暴雨洪水的短期调度时，不同目标之间存在

矛盾，采用多目标的调度方法是解决此类矛盾的有效手段。开展多目标的调度，在制订调度规则的基础上，应充分掌握不同目标调度存在的风险，以这些风险作为调度的约束条件进行多目标调度。“7·10”洪水的多目标调度采用了不同泄水设施的组合利用方案，利用洪水演进在时间和空间上的差异，规避了白沙河的洪峰叠加；利用水库的调蓄能力，将洪水约束在下游堤防安全水位之内；利用发电机组下泄的清水稀释减轻高浊度洪水对自来水厂制水的压力；利用水库水沙异化传播的特性，进行洪峰和沙峰的错峰调度，及时排出泥沙，减轻水库淤积。

调度实践表明，要提高洪水应急调度能力，保障城市的防洪、供水安全，需要进一步加强以下工作或能力：

(1) 洪水预报的精度是调度准确性的基础；

(2) 下游行洪河道上的城市排水管道的设计应提高标准，防止因排水不畅而造成内涝；

(3) 行洪河道集中居民区河段的防洪标准应在充分研究的基础上适当提高；

(4) 城市原水水源应有第二水源地，防止城市供水系统出现崩溃。