特殊运行工况下水库预泄调度方式研究

刘伟时，蓝祝光

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

位于安徽省滁州市城区西北部的某中型水库，其正常蓄水位及汛期限制水位均为29.00 m，设计水位为30.53 m，校核水位为31.41 m。该水库原建有老闸(即南闸)，闸顶高程为31.20 m；如今又新建北闸，闸顶高程为29.30 m。新闸修建完成后，水库仍按之前批复的设计标准运行。因新闸闸顶高程过低，水库的实际防洪库容大为下降，当水库遭遇较大洪水时，会发生洪水漫过新闸闸顶的问题，危害水库安全，并降低水库防洪能力、增大下游防洪压力。此外，在该水库内还建有一座抽水蓄能电站，每日可抽放水量200万～800万m3。若抽水蓄能电站向水库放水的同时，库区遭遇洪水，更易造成洪水漫顶危害。针对该水库复杂特殊的运行条件，建立科学有效且具有可操作性的洪水调度方式具有重要的意义。水库预报预泄调度是水库防洪调度的重要方式之一，可提高水库防洪能力[1-5]。为防止该水库发生洪水漫顶、危害水库安全的事件发生，结合该水库建有的水情遥测预报系统的洪水预报信息，探讨特殊运行条件下水库预泄调度方式。

1 水库概况

该水库位于滁河支流清流河的小沙河上，流域面积168 km2，流域最高峰海拔为317 m。流域最大长度为17.5 km，主河道长16 km，流域宽9.6 km，河道平均坡度为0.109%。

水库的总库容为7 112万m3，兴利库容为4 000万m3，防洪库容为2 712万m3，死库容为400万m3。防洪设计标准为100年一遇，设计水位30.53 m，设计泄量800 m3/s，水库防洪校核标准为5 000年一遇，校核水位31.41 m，校核泄量2 326 m3/s。

该水库闸门分为老闸(南闸)和新闸(北闸)。老闸为钢筋混凝土闸门，闸门有5孔，闸门底高程为27.20 m，尺寸为净宽5 m、高4 m；新闸为钢闸门，闸门有10孔，闸门底高程为24.50 m，尺寸为净宽7 m，高4.8 m。因新闸闸顶高程为29.30 m，而水库仍按原先的设计标准运行。即，仍以29.00 m作为汛限水位，导致水库实际防洪能力大为降低。当水库遭遇较大洪水时，会发生洪水漫过新闸闸顶现象，危害水库安全。

在水库内建有1座抽水蓄能电站，该电站根据滁州市电力部门要求和电力系统实际需要，每天抽放水量为200万～800万m3。以29.00 m(正常蓄水位及汛限水位)为基准，抽水蓄能电站的抽放水量作业可导致水库水位抬高或降低0.20～0.90 m。若在汛期，蓄能电站进行放水作业的同时库区遭遇洪水，将会加剧洪水漫顶的危害性。

2 “84办法”计算典型洪水

因该水库洪水资料不齐全，为更加全面地对该水库遭遇的各频率洪水进行预泄调度研究，结合安徽省水利水电勘测设计院于1984年编制的《安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》(以下简称“84办法”)，计算本文研究所需的水库各频率洪水。

安徽省“84办法”主要用于计算淮河以南，集水面积在10～300 km2之间的山丘区中、小型水库设计洪水[6]。只要知道某水库流域特征值：流域面积F、流域平均宽度B、河道平均坡度J，在“84办法”附图中查出设计流域中心处的某设计频率24、1 h暴雨点—面折扣系数和年最大24、1 h点雨量的变差系数，经计算可得该设计频率下的洪水过程线。具体计算方式详见文献[7]。

经计算可得该水库各频率洪水过程线(见表1)。

表1 水库各频率设计洪水过程线

3 洪水常规调度

该水库经上级部门批复的防洪调度方式：①水位超过汛限水位29.00 m、低于30.15 m(即遭遇20年一遇洪水)时，新闸下泄流量控制为200 m3/s；②水位达到30.44m(即遭遇50年一遇洪水)时，新闸下泄流量控制为500 m3/s；③水位达30.53 m(即遭遇100年一遇洪水)时，新闸下泄流量为800 m3/s；④水位超过31.20 m(即遭遇千年一遇洪水)时，新闸全开，老闸按100 m3/s控制，启用非常溢洪道泄。

依据批复的调度方式对该水库各频率洪水进行调洪计算，即

(1)

式中，Qt、Qt+1分别为时段Δt始末的入库流量；qt、qt+1分别为时段Δt始末的出库流量；Vt、Vt+1分别为时段Δt始末的水库库容；Δt为时段长。调洪结果如表2所示。

表2 各频率洪水常规调度结果

由表2可知，在不考虑抽水蓄能电站影响的情况下，按批复的洪水调度方式进行调洪，当遭遇10年一遇以上洪水时皆有可能造成洪水漫过新闸闸顶的问题。为解决此问题，需研究适应该水库实际情况的洪水预泄调度方式。

4 洪水预泄调度

水库的预泄调度是在洪水出现前提前下泄一部分水库水量，使水库水位消落到汛限水位之下，以利用这部分预先腾空的容积来提高水库的防洪能力。就水库预泄调度研究方法而言，有预报预泄方式和非预报预泄方式两大类。前者，采用洪水预报作为预泄的判别条件；后者，根据已出现水情作为预泄的判别条件[8-12]。

该水库建有水情遥测预报系统，可有效进行短期水情预报，其洪水预见期为24～48 h。该预报系统为洪水预泄调度提供了可靠保障。本文研究采用预报预泄方式进行水库洪水预泄调度，且预见期T取24 h。

4.1 预泄调度约束条件

充分考虑该水库特殊运行工况和批复的调度方式，在进行洪水预泄调度时需满足以下约束条件：

(1)因水库新闸闸顶高程为29.30 m，为保障水库安全运行，洪水经过时的最高库水位不应超过29.30 m。

(2)预泄调度方案应以上级部门批复的洪水调度作为依据。

(3)抽水蓄能电站每日的抽放水量对库水位影响较大，预泄调度应充分考虑其影响。

(4)因水库的主要功能是蓄水兴利、为滁州市及抽水蓄能电站供水。调洪后的水库水位应能恢复到汛限水位29.00 m。

(5)为方便实际操作，预泄调度方案应化繁为简，具有可操作性、实用性和方便性。

4.2 预泄调度方式

抽水蓄能电站每日的抽放水量作业对库水位产生较大变幅，大大增加了预泄调度的复杂性。为避免抽水蓄能电站对汛期水库防洪产生的影响，基于实际情况和可操作性考虑，当水库水情遥测预报系统提前预知水库即将遭遇洪水时，抽水蓄能电站立即停止进行放水发电作业，待洪水过后再进行放水发电。

水库预泄调度是在批复的常规调度基础上，充分考虑水库调度约束条件，在洪水到来前24 h(即洪水预见期T)，按一定预泄流量提前将水库水位从汛限水位降至某个水位，增加防洪库容；在洪水经过时，再根据批复的洪水调度方式进行调度。根据以下公式求出遭遇各频率洪水时，水库提前预泄库容后的库容量。即

w预泄=w洪水-w闸顶

(2)

w降低=w汛限-w预泄

(3)

q预泄=w预泄/T

(4)

式中，w预泄为水库遭遇各频率洪水需提前预泄洪量；w洪水为常规调度方式下水库遭遇各频率洪水时最高库水位对应库容量；w闸顶为闸顶高程29.30 m对应的库容量，w降低为水库提前预泄洪量后的库容量；w汛限为汛限水位对应库容量；q预泄为遭遇各频率洪水时的预泄流量；T为洪水预见期。

求出w降低后，根据水位-库容曲线得到对应的水位值Z降低。Z降低即为遭遇各频率洪水时，水库水位应从汛限水位降低至的水位值。计算结果如表3所示。

表3 Z降低计算结果

综上所述，可得到该水库的预泄调度方案：预报得知库区即将遭遇某频率洪水时，水库提前24 h(洪水预见期T)根据相应的预泄流量q预泄将库水位从汛限水位29.00 m降至相应的水位Z降低；当洪水开始入库时，根据批复的洪水调度方式进行调度。

4.3 预泄调度结果

根据制订的预泄调度方案对各频率洪水进行调洪，调洪过程如图1～4所示。

图1 10年一遇洪水常规、预泄调度过程

图2 20年一遇洪水常规、预泄调度过程

图3 50年一遇洪水常规、预泄调度过程

图4 100年一遇洪水常规、预泄调度过程

由图1～4可知，与批复的常规洪水调度方案相比，预泄调度方案可确保水库遭遇各频率洪水时最高洪水位均不超过闸顶高程29.30 m，提高了该水库的实际防洪能力，更有效地确保水库安全泄洪。

5 结 语

因水库实际情况的特殊性，批复的防洪调度方案无法确保水库安全运行。本文充分考虑该水库特殊运行条件，并结合水库实际状况，提出具有可操作性和实用性的预泄调度方案。预泄调度结果表明，该方案能解决水库实际防洪能力不足的问题，可确保汛期水库安全泄洪。因该预泄调度方案的可靠性与洪水预见期T的准确性密切相关，后期应进一步研究T的准确性对预泄调度结果产生的影响。