利用短期降雨预报实施水库汛限水位动态控制浅析

2020-11-05 02:47:34胡焕发阚晓东鲁常绕梁家珍
水电与新能源 2020年10期
关键词:动态控制富水防洪

胡焕发,阚晓东,鲁常绕,梁家珍

(湖北省富水水库管理局,湖北 黄石 435000)

1 问题的由来

目前,我国水库的防洪安全大都采用汛期限制水位管理。水库汛期限制运行水位是依据水库库容确定防洪标准的洪水重现期,推求设计和校核洪水过程线,然后根据水库挡水建筑物的高度、泄水建筑物的泄水能力,相当多的水库由于主要建筑物存在缺陷或隐患,安全存在问题,需考虑其水库的洪水承载能力或建筑物的安全来反推汛限水位。这种方法简单、实用,便于水库操作管理,也便于监管。最近10多年来,随着我国大、中、小型水库的除险加固工程相继完成,很多水库除险加固工程验收后恢复了正常蓄水,也有部分水库尽管除险加固工程验收通过了,但还按之前的水库调度规程执行。主要原因是担心加固除险后水库没有经过高水位的考验、或水库次要建筑物存在安全问题、或水库的水雨情信息化系统不完善等原因,希望水库蓄水循序渐进[1-2]。

随着信息化手段和管理技术的快速进步,预报预警手段不断创新,特别是有条件或管理较好的大型水库,其气象和水文预报的精度不断提高,洪水预见期显著加长,应该着手考虑实施水库汛期水位动态控制管理。水库的汛期划分固定不变、汛期水库水位只能低不能高,其严格的静态控制方法日益显得保守,过分地注重水库安全而轻视水库是水资源的主要承载体,如果水库不能充分发挥工程效益,则会造成水资源的大量流失,有水库无水装[3-4]。

2005年,富水水库完成了水库大坝除险加固工程,对包括大坝、溢洪道和放空隧洞主要建筑物等进行了必要的除险加固,完善了大坝监测系统和部分建筑物的观测设施,水库的面貌焕然一新。水库大坝的监测系统、水雨情测报自动化系统均满足设计要求,此外,水库有较为完善的且监测精度高的雨量、流量监测站网,管理人员的责任心和业务水平不断提高,为水库运行管理上更高台阶创造了有利条件。

富水水库建库历史长,遗留问题较多,特别是库区内有大量的违规建房,而水库下游由于城镇发展和乡村建设,河道被挤占严重,成为制约水库提高汛期蓄水位的短板。加上水库地处鄂东南,暴雨强度大、洪水汇流快、不仅峰高且历时长,每年汛期的水库防汛既要考虑库区的房屋、土地不能大面积受淹的历史欠账,又要考虑下游河道的安全泄流能力不断减小的现实,防汛压力特别大。如果还是按传统的静态汛期运行水位控制,只能是在汛期水库处于低水位运行,超出的洪水被弃用,汛后看天蓄水。因此,是否可以利用短期降雨预报准确率高,对富水水库汛期限制水位动态控制做必要的探索就提上了水库管理日程[5]。

2 富水水库汛限水位动态控制域

最近10年,富水水库的短期降雨预报信息精度有了很大提高,其预报的准确率达到98%以上,为水库汛期运行水位动态控制打下了基础。运行水位动态控制最直观或最简单的方法就是改进预泄能力约束法[6],该法是根据降雨预报特别是短期降雨预报信息来确定汛期运行水位高低,其方法实用、直观、简单。主要原理是在利用短期降雨预报的准确率及精度达到一定标准的前提下,利用降雨预报的时空分布信息,且留有一定操作时间和水位变幅余地来确定预泄期,在预泄期内启动溢洪道闸门预泄以提高汛期防洪限制水位。在确定的有效预见期T0内水库允许的下泄流量(小于下游河道安全泄量)为Qs,根据改进预泄能力约束法,其动态控制域上限水位Zu与对应的汛限控制域下限水位Z0的库容关系为:

式中:Vu、V1分别为Zu、Z0相应的库容;t0为初始时刻;Δt为计算时长;Qt为t时刻水库的入库流量。

根据水库防洪调度规程及汛限水位动态控制理念,可将富水水库的后汛期汛限水位提升至正常蓄水位。为了更好地说明改进预泄能力约束法能在富水水库应用,本文仅对主汛期后期采用该法进行探讨,求解其运行水位动态控制域的上限值,并对其对应的下限值作必要的说明或计算。

水库的预泄包括预泄时间和预泄总水量,它是确定汛期运行水位动态控制域上限值的关键,其影响因素如下。

2.1 下游河道的安全下泄流量

富水水库泄水建筑有溢洪道、发电洞、灌溉洞等,在小于20年一遇洪水的条件下下泄流量不能超过下游河道行洪过流能力。在汛期,富水水库主要以灌溉、发电为主,这部分流量也常常被看作为固定的下泄流量。

水库下游河道的安全下泄流量为1 300 m3/s,考虑用于灌溉、发电的固定用水流量150 m3/s,因此溢洪道泄流量应为两流量之差1 150 m3/s。

2.2 有效预见期

气象降雨预报有时空分布,确定其可利用预见期时间长短与信息的获取、分析和决策指令的传达等有关,其有效预泄时间T0按下式计算。

T0=t1-t2

式中:t1为降雨预报可利用的预见期,h;t2为信息获取、分析和指令传达等执行操作时间,h。

根据气象降雨预报近10年的统计分析,富水水库48 h的小雨、中雨预报准确率达98%以上,很显然,其信息是可利用到水库调度中去的。为慎重和安全起见,要找出实际降雨发生在预报的时间范围内对水库调度决策的最不利时刻。如果预报未来24~48 h会出现降雨,那么在24 h出现降雨显然是最不利的,因此降雨预报可利用的有效时间为24 h,扣除工作人员信息传递和预泄决策指令的传达及实施等执行约2 h的时间,有效预见期应将其扣除,实际有效预见期为22 h。

2.3 有效预见期内除降雨以外的入库流量

有效预见期内除降雨以外的入库流量成因相对较复杂,例如受前期降雨、上游来水情况以及地形地质条件、植被等多方面因素影响,可大致根据历年洪水综合退水过程或起涨前入库流量估算。

根据统计分析,富水水库多年洪水起涨前的平均入库流量为230 m3/s左右,采用简单计算,富水水库一次洪水前预泄水量为(溢洪道下泄流量+固定用水流量-平均入库流量)×实际有效预见期,约等于0.97亿m3。根据富水水库水位~库容关系曲线,反推到汛限水位动态控制上限值可提高1.24 m,即在汛限水位下限值55.00 m的基础上提高到56.24 m。

3 富水水库汛限水位实时动态控制演示

富水流域或库区内发生大、暴雨时,才会出现流量超过1 300 m3/s的洪水,由于目前大雨预报信息的精度还不准确,为安全起见,当预报未来24~28 h有大雨及以上量级大雨时,水库需提前预泄;当预报后面没有有效降雨则需要预蓄。表1为后汛期运行水位动态控制的预蓄、预泄操作规则。

表1 汛期运行水位实时动态控制规则表

根据水库保存的当时气象资料和预报信息,将富水水库2016年6月24日至6月29日的预报实时资料进行动态控制演示如下:

2016年6月14日至6月24日有10天无降雨,6月24日上午8:00库水位为55.52 m,此时已得到气象信息,预报未来24 h内库区会降小雨、24~48 h内降中雨。根据水库汛期运行水位实时动态控制规则,由于当前水库水位低于汛期限制水位上限56.24 m,可将水位蓄至上限值56.24 m,此时应拦蓄来水。这段时间内流域实际降了2.5 mm小雨,其降水量小于灌溉、发电等固定用水量;25日上午8:00,水库水位降到55.42 m,此时预报未来24 h内有中雨、24~48 h内有小雨,由于库水位低于56.00 m,按控制规则仍继续蓄水。26日8:00时,水库水位上升至55.48 m,此时得到预报信息,在未来24 h有小雨、24~48 h内会有大雨,按控制规则,应在实际有效预见期22 h内将库水位从55.48 m降至下限水位55.00 m,下泄3 600万m3水量。因此,需要开启闸门22 h、以平均流量455 m3/s下泄腾出库容。27日上午8:00,水位已降至汛期运行水位动态控制域的下限55.00 m处,腾出了0.97亿m3库容迎蓄洪水。从27日21:00开始,流域实际降了121.0 mm的大暴雨,按照上述规则调控,至29日上午8:00,水库水位调控在56.26 m处,此时预报未来24 h与24~48 h内将分别有小雨与中雨,由于预报24 h内只有小雨,因此可将水位控制在56.24 m的动态控制域上限处,等待30日上午8:00新的气象降雨预报信息,在29日上午8:00至30日上午8:00关闭闸门,利用发电将水位降至56.00 m,在此之后,根据预报,按汛期运行水位实时动态控制规则调控。

4 结 语

富水水库当前是采用静态防洪调度方式,由于历史原因,汛期水位常常控制在水库运行水位的下限值或以下,这样才不会造成淹没库区的房屋、土地,形成了“惯例”,由于汛期水位低,库水位从未达到防洪高水位,当出现极端天气或特大暴雨时库水位达到57.00 m时,就有当地政府和居民“抗议”,加重了水库管理的难度,因此,水库要更好的蓄水,动态防洪调度就显得特别重要。

静态调度方式不能充分拦截后汛期洪水,特别是后汛期降雨少,如果还采用静态调度方式会造成水库不能充分蓄水。不仅如此,水库长期在较低水位运行,库区居民的生产生活不断向本应是水库水位正常变幅区的下游迁移,一方面造成库区管理范围越来越小、难度却越来越大;另一方面,水库的洪水资源利用率越来越低。

如果富水水库能采用汛限水位动态控制的防洪调度,在满足防洪安全的前提下能显著增加水库的效益。经测算,如对富水水库汛限水位进行动态控制后,水库的防洪能力与其设计标准一致,借助气象科学、短期的降雨预报的高准确率,其增加的防洪风险率几乎为零,与静态调度相比,动态控制后并不会造成额外的淹没损失,水库年均发电效益可增加500万元左右。此外,该调度方式有利于下游错峰,减轻下游行洪压力。

动态调度是建立在科学、准确降雨预报的基础上,还要结合管理人员的管理水平、水库的水雨情系统,涉及到流域上下游一盘棋管理等问题,也涉及到水库管理制度调整等问题,应深入研究,循序渐进。

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