基于实时水情信息确定防洪库容的方法在水库设计中的应用

安莉娜，郭太英

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

由于水库在设计阶段无法对运行管理阶段的管理水平及洪水预报成果进行有效预测，因而防洪水库工程在运行阶段的防洪调度方式往往与设计阶段的防洪调度方式差别较大。在设计阶段，由于区间洪水过程的不确定性，防洪库容一般采用固泄方式确定，导致防洪库容偏大，水库淹没投资和枢纽工程的投资也随之偏大。水库防洪补偿调度是水库防洪调度的主要方式之一，它依据水库下游区间未来洪水信息，在区间洪峰来临前及时减少水库泄量，区间洪峰过后适时加大水库下泄流量，使水库泄量与区间洪水的流量组合不超过下游控制断面的安全泄量。与不考虑区间未来信息的固定泄流方式相比，水库需要的防洪库容较小；但是受区间洪水未来信息等不确定因素的影响，可能会增加下游的防洪风险。水库防洪补偿调度在设计阶段，由于区间洪水未来信息等不确定因素的影响，在区间面积不大的情况下较少采用。因此，识别及量化水库防洪补偿调度中的不确定因子和评估防洪补偿调度的风险，对合理确定防洪库容，提高设计精度具有重要意义。

为此，本文拟从制定水库防洪补偿调度规则出发，在设计洪水地区组成分析成果合理情况下，仅依托防洪控制断面实时水情信息和设计频率洪水，对区间洪水过程进行量化，提出设计阶段简单易行的优化调度分析防洪库容的方法，并应用于舞阳河流域的山区性河流的某防洪水库，为其他类似防洪水库工程的设计提供借鉴。

1 水库防洪补偿调度规则的拟定

以防洪标准频率的区间设计洪水过程作为依据，制定水库防洪调度规则。需要确定的参数有：坝址洪水、防洪控制断面洪水和区间洪水及峰现时间。判断指标为区间洪水流量和水库泄量以及下游防洪控制断面安全泄量。

水库泄量与区间洪水组合后到达下游防洪控制断面的流量不得大于防洪控制断面的安全泄量。防洪调度的主要风险是由于对区间洪水过程补偿调度不成功导致的防洪控制断面流量超过安全泄量。

图1 错峰历时TL、错峰流量Qc、汛限水位Zx与错峰调度风险率Pf的关系

2 不确定因子的识别

影响水库防洪补偿调度风险的不确定因子主要有：区间未来洪水过程、洪水传播时间和调度滞时。随机性是导致补偿调度不成功时间的因子。对于山区性小流域而言，河道的槽蓄作用不明显，洪水传播时间规律性较强，容易通过分析确定洪水传播时间；随着水利信息自动化的普及和汛前防汛检查，水库调度中闸门的灵活性较好，可灵活调度，基本可解决调度滞时因子的不确定性。故，对山区性流域而言，区间洪水是未来水库防洪调度的主要的不确定因子。

在不确定性因子随机特征无法改变的前提下，通过延长错峰历时、减小错峰流量能降低不确定性因子带来的影响，从而减小错峰调度的风险；但会占用水库较多的防洪库容，相比固定泄流方式抬高的汛限水位也相应降低。错峰历时TL、错峰流量Qc、汛限水位Zx与错峰调度风险率Pf的关系如图1所示。图1中，TL0、Qc0、Zx0分别为初始方案(没有提供安全余量)的错峰历时、错峰流量以及固定泄流调度方案的汛限水位。

3 不确定因子的量化

在防洪补偿调度中，如果没有提供安全余量，一般而言会具有较大风险，因此不确定因子的量化必须考虑足够的安全余量。为了保证考虑的安全余量达到可投入使用的程度，洪水传播时间可直接采用分析成果，调度滞时可根据情况取安全值；本文主要就区间洪水量化进行详细阐述。

(1)当前时刻区间洪水量化。根据防洪控制断面水位信息和水位流量关系推算控制断面当前时刻的流量，结合分析的传播时间和水库实际下泄流量，反推区间当前时刻流量即为实际流量。

(2)未来时刻区间洪水量化。区间洪水涨水段时，区间下一时刻洪水量值为当前时刻区间洪水量值加上频率洪水涨幅乘以安全系数，且不大于区间设计频率洪峰；区间洪水退水段时，下一时刻的流量取值为区间洪水当前时刻实际出现的流量。计算公式为涨水时刻Q区间i+T=min(Q区间i+Q区间设max(P)×

T×K，Q区间设max(P))

(1)

退水时刻Q区间i+T=min(Q区间i，Q区间设max(P))

(2)

式中，Q区间i+T和Q区间i为区间T小时和当前时刻i的流量；Q区间设max(P)为区间设计频率洪水峰值；T为坝址至控制断面传播时间，h；K为安全系数，一般取值1.0～1.2考虑。

4 实例应用

A水库位于贵州省舞阳河的一级支流抬拉河上，工程任务是防洪、供水和灌溉，坝址以上集水面积366 km2，水库防洪对象为B县城(防洪标准为50年一遇)，防洪控制断面位于抬拉河河口，安全泄量639 m3/s。坝址至防洪控制断面区间(以下简称“区间”)面积49 km2，防洪控制断面流域面积415 km2，坝址且距防洪控制断面8 km。

根据水文地区洪水组成分析，区间频率洪水峰现时间约3.5 h、坝址频率洪水峰现时间约5.5 h、防洪控制断面洪水峰现时间约6.5 h，坝址至防洪控制断面洪水传播时间约1 h，区间洪水出口断面距离防洪控制断面较近，不考虑传播时间；当坝址或防洪控制断面洪峰到达及退水时，区间已于2.5 h前便处于退水状态。

表1 A水库至防洪控制断面地区洪水组成洪水成果

4.1 不确定因子量化

(1)洪水传播时间。依分析，坝址至防洪控制断面洪水传播时间约1 h，区间洪水出口断面距离防洪控制断面较近，不考虑传播时间。

(2)调度滞时。A水库为弧形闸门，可以灵活开度泄洪，为安全计，考虑调度滞时0.5 h。

(3)区间未来洪水估值。①区间洪水当前值，防洪控制断面流量Q防i依该断面水位H防i和H～Q关系查得Q防i，Q区i=Q防i-Q泄i-1(水库前1 h实际下泄量)。②区间未来洪水估值，区间50年一遇设计洪峰流量243 m3/s，峰现时间3.5 h，则平均涨率为69 m3/s，考虑1.2的安全系数后，平均涨率为83 m3/s。区间未来时刻的流量的估值依据区间洪水涨退水，按式(1)、式(2)计算。

4.2 优化洪水调节方式

(1)入库洪水涨水段。①区间洪水的控制运用。区间洪水涨水段时，采用涨率法对区间50年一遇及其以下洪水控制运用。区间洪水退水段时，区间洪水的峰现时间仅3.5 h，较坝址洪水峰现时间提前2 h，较防洪控制断面峰现时间提前3 h，当判断区间洪水明显处于退水段时，为安全计，区间洪水下一时刻的流量取值为区间洪水当前时刻实际出现的流量。②下泄流量控制运用。当入库流量不大于10年一遇洪峰流量时，此时，控制水库闸门开度，使下泄流量与来流量一致，维持水位不上涨；当入库流量继续上涨，入库流量介于10年一遇～50年一遇的洪峰流量时，根据控制断面安全泄量和区间洪水与坝址洪水在控制遭遇，确定大坝泄洪；当入库流量大于50年一遇洪峰流量时，按大坝安全泄洪，且不造人为洪水，直至溢洪道闸门全开。

(2)入库洪水退水段。当入库达到洪峰后流量开始减小时，区间洪水已基本在此前2 h开始退水，结合入库、防洪控制断面的当前流量(根据防洪控制断面的水位观测值和水位流量关系推算控制断面的流量)和传播时间，按照防洪控制断面安全泄量要求，确定大坝泄量直至水库达到最高水位。此后继续按照控制断面和区间洪水控制下泄流量使水位回落至起调水位，一次洪水过程结束。

4.3 防洪库容

采用上述优化洪水调节方式后，经两种地区洪水组合计算后，满足下游B县城50年一遇防洪要求所需防洪库容为661万m3(见表2)；若按固泄洪水调节方式，当入库流量大于603 m3/s时，根据两种地区洪水组合的区间洪水，按固泄流量396 m3/s泄洪，则满足B县城50年一遇防洪要求所需防洪库容为853万m3，较优化后库容偏大30%，见图2。

图2 A水库洪水调节优化前后成果对比(P=2%)

5 结 语

水库优化后的调度方式利用了水库下游防洪控制断面的实时水情信息对区间洪水进行估值，能有效减小水库防洪库容，降低水库工程投资；但受区间洪水、水库下泄洪水传播时间、调度滞时等不确定性因素的影响，有可能会增加水库下游的防洪风险。因此，识别优化调度过程中可能存在的风险因子，定量估计防洪错峰调度带来的风险，是水库防洪优化调度方案能否应用于实际调度的关键。本文综合考虑了区间洪水过程、洪水传播时间、调度滞时共3个风险因子，提出了水库防洪优化调度方法，并应用于山区性河流的A水库。主要结论有:

表2 A水库工程洪水调节计算(P=2%)

(1)对于山区性河流区间洪水陡涨陡落的特点，防洪控制断面布置水位监测设备是水库采用优化调度方式的基本条件。

(2)水库防洪优化调度的风险主要是水库下游防洪风险，可定义为由于水库泄水与区间洪水错峰不成功而导致的防洪控制断面流量超过安全泄量的风险。

(3)将提出的水库防洪优化调度分析方法应用山区性河流的A水库，可比采用固泄流量调度方式减小30%防洪库容，降低工程投资。

(4)在不确定性因子随机特征无法改变的条件下，通过延长传播时间、增加调度滞时能降低不确定性因子带来的影响，从而减小调度风险；但同时会占用水库更多的防洪库容，即便如此，也依然小于固定泄流方式确定的防洪库容。

(5)本文制定防洪优化调度方案的主要依据是设计洪水过程。即，通过对防洪控制断面水位信息和水位流量关系得到防洪控制断面流量，考虑错峰时间后推算区间洪水量值，在考虑足够的安全余度后可对区间洪水未来量值的不确定性进行量化。这可用于山区性河流区间为小流域地区。

(6)水库防洪库容的确定除了与下游防洪目标和防洪效果紧密相关外，还与工程投资有关。在达到预期防洪效果的基础上，防洪库容一般应尽可能小，以节省工程自身投资。因此，设计阶段防洪库容除按上述方法推荐外，还需从工程整体技术经济综合分析比较来确定。

(7)随着对小流域洪水预报研究的深入，对小流域洪水预报进行实时修正技术取得较大进展，小流域洪水预报的误差可达到满意的精度，为水库建成后预报调度提供有利支撑。