碧口水库主汛期水位动态控制效益分析

李志鹏　田淳　何晓燕　王海军　任明磊

摘要：通过计算碧口水库汛期水位动态控制域的上、下限，分析碧口水库实施汛期水位动态控制和原设计汛限水位控制相比增加的防洪和兴利效益。兴利方面，碧口水库主汛期年平均可增加0.08亿kW.h发电量、147万元的售电收入;防洪方面，增加了碧口水库的调节能力，提高了水库自身和下游的防洪标准，发生致灾洪水时减轻下游洪灾损失。汛期水位动态控制作为一种非工程措施，一方面可以提高水库洪水资源利用率，另一方面可以提高水库的防洪能力，有效缓解水库兴利与防洪的矛盾。

关键词：汛期水位动态控制;动态控制域：防洪效益;兴利效益：碧口水库

中图分类号：TV697.1+l

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.006

汛限水位是汛期防洪运用的限制水位，是直接影响水库防洪和兴利效益发挥的关键性特征水位。汛限水位控制运用的研究和实践主要经历了以下三个阶段：第一阶段利用设计洪水成果确定固定的汛限水位：第二阶段分析暴雨和洪水发生的季节性变化规律而设定分期汛限水位：第三阶段基于可利用的降雨预报和洪水预报信息，进行汛期水位动态控制[1]。动态控制域的确定是水库实施动态控制的一项重要内容，是进行汛期水位动态控制效益分析的基础。本文通过计算碧口水库主汛期动态控制域上、下限，分析碧口水库主汛期实施水位动态控制的防洪和兴利效益。碧口水库实施汛期水位动态控制可以有效利用洪水资源，同时可以提高水库防洪能力，有效缓解汛期防洪与兴利的矛盾[2]。

1 碧口水库概况

碧口水库位于甘肃省文县碧口镇上游3 km的白龙江干流上，为大（Ⅱ）型水利枢纽工程，以发电为主，兼有防洪、航运、养殖和灌溉等综合效益，属季调节水库。水库总库容5.21亿m，调洪库容2.21亿m，死库容2.19亿m，库容系数为2.6%。水电站设计标准为500 a-遇洪水，校核标准为5 000 a-遇洪水，保坝标准为10 000 a 一遇洪水。防洪控制点在下游3 km的碧口镇，其间河槽调蓄量很小，也无支流加入，洪水来源主要是碧口水库下泄。下游河道设计防洪标准为20 a一遇洪水，相应的洪峰流量为4 310 m/s。碧口水库汛期实施分期汛限水位控制，汛期为5月1日至9月30日，其中：5月1日至6月14日为前汛期，汛限水位697.00 m;6月15日至9月30日为主汛期，汛限水位695.00 m。正常蓄水位704.00 m。碧口水库上游的汉坪嘴和苗家坝水库均为日调节水库，不会影响碧口水库天然来水。

碧口水库现行的洪水调度方式属于不计预报、以实际入库流量或水位作为水库泄流判据的常规调度方式。主汛期当来水流量小于4 310 m/s时，保持出、入库流量平衡，库水位保持在汛限水位，水库最大下泄流量不得超过下游安全泄量4 310 m/s;当来水流量超过4 310 m/s时，水库闸门全开，开始自然调洪。现行调度方式是每年主汛期按照设计汛限水位进行防洪控制，时刻防御设计标准洪水的发生，从而导致主汛期弃水较多，洪水资源利用率较低。

2 预泄能力约束法计算动态控制域

动态控制域需要确定一个上限值和一个下限值。目前关于动态控制域的研究重点都放在上限，下限通常采取原设计的汛限水位值[3-5]。本文采用预泄能力约束法[6-7]计算动态控制域上限和下限，其基本思想：留有一定余地的情况下，利用降雨预报或者洪水预报信息，在有效预见期内有多大泄流能力，就将汛期水位向上或向下浮动多少，浮动后的水位就是汛期水位动态控制域的上限和下限。

2.1 碧口水库动态控制域上限计算

经论证，中央气象台未来24 h和未来48 h无雨、小雨预报在碧口水库汛期水位动态控制中是可以应用的[8].因此在计算控制域上限时采用碧口水库短期降 雨预报信息[9]。

（1）计算有效预见期。采用未来48 h降雨预报信息作为确定动态控制域的主要依据，假定实际降雨发生在最不利时刻，即未来48 h降雨预报的第24 h，同时考虑预报信息传递时间、预泄决策调度传播时间以及闸门启闭操作时间，则降雨预报可利用的预见期为24 h。因此，取降雨预报信息有效预见期为24 h。

（2）计算有效预见期内最大入库流量。通过分析碧口水库2008-2013年的发布未来48 h降雨预报信息后有效预见期内对应的实际入库洪水过程，偏安全考虑，选取最大实际发生洪水即2013年8月7日入库洪水过程，发布降雨预报信息后有效预见期内的最大入库流量为2 200 m/S。

（3）确定碧口水库最大预泄流量。碧口镇是碧口水库下游3 km的一个山区小镇，原设计的河道防洪堤能够防御20 a一遇洪水，相应的洪峰流量为4 310 m/s。碧口水库自1976年建成蓄水以来，发生的较大洪水有7次，水库下泄流量超过2 500 m/s的洪水有3次，分别是1990年“9-7”洪水、1993年“7·15”洪水和1998年“8·20”洪水，且每次水库泄洪均没有对下游碧口地区构成防洪安全威胁。其中1998年入库洪水接近20 a一遇洪水，碧口水库最大下泄流量超过3 000 m/s，最终通过水库调蓄未对碧口下游地区的防洪安全造成影响，偏安全考虑，碧口水库可预泄的最大流量为2 400 m/s。

（4）计算動态控制域上限。

2.2 碧口水库动态控制域下限计算

为发挥碧口水库的防洪作用，必要时可在动态控制域内下浮原设计汛限水位，从而增强水库调节能力，提高水库自身及下游防洪标准，减轻水库下游洪灾损失。偏安全考虑，采用洪水预报信息计算动态控制域下限，气象预报信息作为辅助参考。

（1）计算有效预见期。碧口水库典型洪水为多峰型洪水，预见期较短，约为Sh。考虑到预报信息传递时间、预泄决策调度传播时间以及闸门操作时间、上游两个水库泄流传播到碧口水库坝址时间2-3 h，偏安全考虑，取洪水预报有效预见期为2h。

（2）计算有效预见期内最大入库流量。2006年以后，碧口水库上游汉坪嘴、苗家坝水库开始运行，实测资料可反映现阶段水库的真实人流情况。选取碧口水库2006-2014年的22场洪水，洪水起涨前有效预见期2h内的最大入库流量见表1。

由表1可见，2006-2014年有效预见期内的最大入库流量为558 m/s。偏安全考虑，有效预见期最大入库流量取600 m/s。

（3）确定碧口水库最大预泄流量。在预泄时，一方面应避免预泄流量较大造成人为洪水，另一方面须防止泄流过多，洪水过后无法回蓄到原汛限水位，预泄流量不宜过大。综合考虑，在计算碧口水库动态控制域下限时，最大预泄流量取1 000 m/s。

经计算，碧口水库汛期水位动态控制域为[ 694.50m，696.60 m]。

3 动态控制效益分析

本文分析的兴利效益是当预报未来48 h无雨或者小雨时，可将水库水位控制在动态控制域上限，与控制在原设计汛限水位相比增加的水库发电量及发电效益。

本文分析的防洪效益是将水库水位控制在动态控制域下限时，通过对不同频率的洪水进行调洪计算，选取水库的最大下泄流量、削峰率、最高坝前水位等指标，从增加水库调节能力、提高水库及下游防洪标准、减轻下游洪灾损失3个方面来分析，与水位控制在原设计汛限水位相比增加的动态控制防洪效益。

3.1 碧口水库兴利效益分析

为了确定碧口水电站在主汛期（6月15日-9月30日）实施汛期水位动态控制调度运行所增加的可发电量，必须对主汛期碧口水库水位按原设计汛限水位控制（ 695.00 m）和动态控制（696.60 m）条件下的发电效益进行比较，结果见表2。

碧口水电站主汛期按汛期水位动态控制调度运行方案696.60 m作为动态控制域上限，与按原设计汛限水位控制695.00 m方案运行相比，主汛期年平均可增加发电量0.08亿kW.h。碧口水电站纳入甘肃主电网运行，据甘肃省發改委提供的2014年碧口水电站上网电价为0.184元/（kW.h）.预计主汛期年平均增加售电收入约为147万元。

3.2 碧口水库防洪效益分析

利用洪水预报信息进行汛期水位动态控制时，水库以1 000 m3/s预泄到动态控制域下限694.50 m，水库可以增加部分防洪库容，产生防洪效益。将频率分别为0.01、0.05、0.2、1、2的洪水分别以694.50 m和695.00 m的起调水位进行调洪演算，结果见表3。

（1）增加了水库调节能力。碧口水库实施汛期水位动态控制，可以提高水库的削峰率，减少水库最大下泄流量，增加水库的调节能力。水库在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水时，实施汛期水位动态控制与原设计汛限水位控制相比，可降低水库最大下泄流量39 - 68 m/s，削峰率提高了0.5% - 2.5%。

（2）提高了水库及下游河道的防洪标准。由表3可知，水库在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水时，实施汛期水位动态控制与原设计汛限水位控制相比，坝前最高水位降低了0.2-0.7 m。降低坝前最高水位可以降低洪水漫坝风险，提高水库的安全运行能力。当发生校核标准洪水时，通过实施动态控制可降低水库最高坝前水位0.2m;发生设计标准洪水时，可降低最高坝前水位0.5 m，提高了水库的防洪标准。

水库的下游河道设有防洪堤，可抵御20 a-遇的洪水，安全泄流量为4 310 m/s。水库在原设计汛限水位控制下通过调洪演算可知.50 a一遇洪水通过水库调蓄，下游最大下泄流量也不会超过4 310 m/s.不会造成下游淹没，但是汛期水位动态控制可以减少防洪堤大于4 000 m/S的运行时长11 h。水库在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a一遇、100 a一遇、50 a一遇洪水时，实施汛期水位动态控制与原设计汛限水位控制相比，可以减少下游防洪堤大于4 000 m/s的运行时长为4-11 h。减少防洪堤大于4 000 m/s运行的时间，可降低下游防洪风险。

（3）减轻了下游洪灾损失。水库下游河道安全泄流量为4 310 m3/s。通过对比水库遭遇10 000 a 一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a-遇洪水时，原设计汛限水位控制和汛期水位动态控制条件下下泄流量过程超4 310 m/s的时间和水量可知，水库实施汛期水位动态控制可减少超安全泄流量时长0.4-4.0 h，减少超泄水量200万- 900万m。若发生致灾洪水，可显著减少下游的淹没时间和淹没水深，从而减轻下游洪灾损失，保护下游居民的生命和财产安全。

4 结论

以计算碧口水库汛期水位动态控制域上、下限为基础，分析了汛期水位动态控制与原设计汛限水位控制相比，可增加的防洪效益和兴利效益。结果表明：碧口水库在主汛期实施汛期水位动态控制，主汛期年平均可增加发电量0.08亿kW.h.提高发电收入147万元。同时，碧口水库在遭遇10 000 a一遇、5 000 a一遇、500 a 一遇、100 a 一遇、50 a一遇洪水时，实施汛期水位动态控制与原设计汛限水位控制相比，可降低水库最大下泄流量39 - 68 m/s.提高削峰率0.5% -2.5%.降低坝前最高水位0.2-0.7 m.减少下游防洪堤大于4 000 m/s的运行时长4-11 h，减少超安全泄流量时长0.4-4.0 h.减少超泄水量200万-900万m。

汛期水位动态控制作为一种非工程措施，不需要较大的投资便可以增加水库防洪和兴利效益。相对于设定一个固定的汛限水位而言，动态控制域更加科学合理，具有广泛的应用前景。

参考文献：

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[2] 郭生练，刘攀，建立水库汛限水位动态控制推进机制的建议[J].中国水利，2008（9）：1-3.

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