汾河水库分期汛限水位控制方案研究

曹玉涛

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

随着社会经济的飞速发展，我国水资源的供需矛盾日益显现，为充分利用水库汛期洪水资源，发挥其综合效益，水库分期汛限水位控制方案的研究及应用变得尤为重要。传统的单一汛限水位调度方式往往会导致水库在汛期发生大量弃水而汛后又无水可蓄的局面，极大地浪费了洪水资源。分期汛限水位调度不需要新建防洪工程，可以在满足水库防洪安全的前提下，在汛后期适当抬高汛限水位。合理掌握水库汛期洪水的季节变化规律，在不同的汛期分期执行不同的汛限水位方案，增加水库的兴利库容，可以有效地缓解水库水资源短缺的问题。

汾河水库地处山西省太原市娄烦县境内，目前是山西省最大的水库，水库运行多年来，在供水、防洪、保障下游用水部门安全、保护下游居民生命财产等方面发挥了不可替代的作用。目前汾河水库在汛期执行洪水调度时，汛限水位在整个汛期采用比较保守的单一数值。近年来，随着汾河流域社会经济的快速发展，汾河水库水资源供需矛盾愈发突出。水库汛限水位分期调度是在充分了解当地流域水文、气象季节性变化规律的基础上，对水库的汛期合理划分，实施分期调度，利于拦蓄汛末洪水，减少弃水，提高水库水资源利用量[1-3]。本文对汾河水库分期汛限水位调度进行研究，以期得到汾河水库分期汛限水位调度方案。本研究对于缓解当地水资源矛盾，充分利用汾河水库汛期洪水资源、发挥水库效益具有一定的科学价值和现实意义。

1 研究区概况

汾河水库位于汾河干流的上游端，娄烦县杜交曲镇下石家庄村北1km，距离太原市83km。坝址以上干流总长度为122km，控制流域面积为5268km2，其中坝址以上控制面积为4990km2，坝址以上干流长度为224km。干流总落差1844m，河道平均纵坡为4.4‰，其中库区段河床纵坡为2.6‰。汾河中支流众多，其中支流流域面积大于30km2的共59条，流域面积大于1000km2的共7条。

汾河水库流域内设有静乐、上静游及娄烦三个较大型的水文站。水库的主要任务是以城市生活供水和工业供水、农村人畜饮用水为主，同时兼顾防洪、发电等综合利用。

汾河水库枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、输水洞和水电站构成，水库大坝为中填黄土均质坝，大坝坝高61.40m，坝顶高程为1131.40m(大沽高程系)，坝顶宽度6m，长1002m。汾河水库设计防洪标准为百年一遇洪水，校核标准为2000年一遇洪水。水库设计洪水位1128.95m，相应拦洪库容为3.20亿m3，最大下泄流量1665.00m3/s；校核洪水位1131.36m，相应调洪库容为3.95亿m3,最大下流量2254.00m3/s。

汾河水库防洪调度结合水雨情预报、上游水文测站的水情测报、河道来水量及来水涨势等综合因素考虑，调度规则如下：

a.当库水位在1126.00～1128.00m时，由水电站引水，8m泄洪洞限泄，最大限泄流量556.50m3/s。

b.当库水位在1128.00～1129.24m时，由水电站引水，8m泄洪洞敞泄，溢洪道限泄，最大限泄流量1176.6m3/s。

c.当库水位在1129.24～1129.91m时，泄水设施全部敞泄，最大流量1946.34m3/s。

2 分期设计洪水研究

本文采用毕远杰[4]对汾河水库汛期分期的结果，即确定汾河水库的主汛期为7月12日至8月23日，汛后期为8月24日至9月30日，本研究在此水库汛期划分的基础上，进一步分析水库汛后期的分期设计洪水。

采用汾河水库河岔、娄烦和上静游3个水文站的历年实测水文资料，按年最大值法进行选样，组成汾河水库汛后期的实测洪水系列，以此为基础计算汛后期的设计洪水。选用频率分析法计算水库分期设计洪水，频率曲线选用水文中常用的皮尔逊Ⅲ型曲线，用矩法初估频率参数，由适线法最终确定统计参数，得到汾河水库汛后期分期设计洪水成果，见表1。

表1 汾河水库后汛期设计洪水成果

由表1可知，与年最大设计洪水成果相比，汾河水库汛后期分期设计洪水不论是洪峰、洪量的均值，还是各个频率的设计值均远小于年最大设计洪水的相应数值。因此，可以对汾河水库的汛限水位进行分期调度。众所周知，在主汛期汾河水库发生大洪水的概率相对较大，如果按偏于安全的角度考虑，水库按现行防洪调度规则进行洪水调度，而不考虑降雨预报信息、实时洪水信息等，则汾河水库主汛期汛限水位控制在1126.00m。

汛后期水库发生大洪水的概率比较小。经统计，汾河水库在汛后期若遭遇10年一遇和100年一遇的洪水量级均小于水库年最大5年一遇的设计洪水；而汛后期若遭遇2000年一遇洪水量级也小于水库年最大10年一遇设计洪水。因此，汾河水库在汛后期如果遭遇10年一遇和100年一遇洪水时，控制水库最大下泄流量小于等于556.50m3/s；汛后期如果遭遇2000年一遇洪水时，控制最高调洪水位小于等于1131.00m。

研究中选择67型洪水为代表洪水，其入库洪水过程线见图1。对汾河水库汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水按洪峰同倍比方法进行缩放，分别得到汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇各自的缩放系数：K10%=0.10，K1%=0.34，K0.05%=0.73。汾河水库汛后期10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水过程线见表2。

图1 汾河水库67典型入库洪水过程

表2 汾河水库汛后期不同频率洪水过程 单位：m3/s

续表

3 分期汛限水位调度方案

研究中，选择1126m、1126.5m、1127m和1127.5m 4个水位作为汛后期的汛限水位，按照汾河水库现行防洪调度规则，分别对汛后期不同频率设计洪水过程进行调洪演算，调洪过程计算结果见表3。

表3 汾河水库汛后期设计洪水调洪过程

从表3中可以看出，汾河水库在汛后期若遭遇10年一遇、100年一遇和2000年一遇洪水，即使从水位1127.50m起调，水库最高调洪水位均不大于1128.00m(正常蓄水位)，最大泄量分别为470.40m3/s、475.00 m3/s和750.40m3/s(水库最大限泄流量1176.60m3/s)，满足下游河道防洪要求。因此，从防洪安全角度考虑，汛后期汛限水位可控制在1127.50m，满足汾河水库设计防洪标准的要求。

从汛期分期设计洪水统计研究可知，汾河水库在汛后期发生大洪水的概率非常小，相应洪水的量级也较小，而且汛后期在时间上与水库蓄水期连续，水库汛后期汛限水位按1127.50m控制是可行的。因此，可以得到汾河水库分期汛限水位控制方案：主汛期(7月12日至8月23日)汛限水位按目前的汛限水位1126.00m，汛后期(8月24日至9月30日)汛限水位可以抬升至1127.50m。该方案有利于在汛后期拦蓄“洪水尾巴”，减少汾河水库的弃水总量，进一步缓解汾河水库水资源供需矛盾，进一步提高水库的水资源利用率。

4 结 语

为了缓解山西省日益严峻的水资源供需矛盾，提高汾河水库洪水资源利用率，本文对汾河水库汛限水位分期控制方案进行研究，在现行汾 河水库防洪调度运行规则的基础上，对水库汛后期不同频率洪水进行洪水调节计算，最终得到了水库汛后期汛限水位的可行方案。本文提出的汾河水库分期汛限水位控制方案可以在确保水库安全运行的前提下，有利于拦蓄“洪水尾巴”，增加洪水资源利用率，提高水库的兴利效益。