基于库容风险频率曲线的水库群联合防洪调度研究

邵 佳

（安徽省交通航务工程有限公司,安徽 合肥 230000）

1 工程概况

长江是我国的重要河流之一,作为我国重要水电开发阵营具有较为充沛的水资源。金沙江下游的梯级规划中包含溪洛渡、向家坝等4 座可控性水库,极大程度提升了长江中下游的防洪能力。但长江的洪水组成较为复杂,需要同时采用水库防洪和堤防防洪来对洪涝灾害进行联合抵御。长江的中下游平原地区城市是我国的重点防洪对象,一旦长江流域出现洪涝灾害会对这些城市造成无法挽回的影响。作为长江防洪系统中的关键一节,溪洛渡-向家坝的梯级水库在设计上重点提升了防洪库容的总量。可以说溪洛渡-向家坝肩负着众多下游城市的防洪风险控制以及对长江三峡水库的防洪调度的配合,兼具多项重要任务。溪洛渡-向家坝梯级水库进一步提升了三峡水库的防洪抗灾能力,对长江中下游的洪灾预防压力起到了有效缓解的作用。溪洛渡、向家坝、三峡水库的工程特性见表1。

表1 溪洛渡、向家坝、三峡水库工程特性参数

从大方面来看,溪洛渡-向家坝水库能够对川江地区的河段起到拦蓄洪量的功能。根据水库所在河流需要进行防洪时应当优先满足当前河流的防洪需求原则,本文对溪洛渡-向家坝水库的防洪调度方案筛选进行分析和研究[1]。

2 水库防洪风险-调度-决策理论体系

我国目前对水库群的防洪调度应用技术主要从方法转向问题进行研究,对研究成果是否能够有效操作和是否能够应用在实际工程当中加大了要求力度,在水库进行实际防洪的调度过程中,最重要的问题在于选择科学合理的最优决策方案。以往面对水库防洪决策方案选择时通常需要考虑到水库当前的水位、水库当前的入库流量、下游水库的当前水位、下流预估流量和最高以及最低的约束水位、水量平衡约束水位以及泄流能力的约束水位,以此来计算出水库在迎来洪峰时的下泄流量,但这个过程中并没有对防洪的风险率约束水位进行有效考虑。对防洪风险进行分析后能够得出各个水库在不同的时间段和不同的水位时所应对的风险率存在着一定的差异性。在决策实时调度方案时应当充分结合具体的风险形势和发电效益等相关因素,进行最佳方案的选择,真正均衡防洪调度风险,达到水库综合效益最大化的目标。本文根据共同分担原则,对梯级水库的防洪风险进行研究,总结出水库防洪风险-调度-决策理论体系（图1 所示）,通过对水库的风险控制来确定防洪调度具体的边界,并以此作为水库防洪调度的基础,选择最佳的防洪方案。提升水库防洪率的同时也能够提升水库的整体效益。

图1 水库防洪风险-调度-决策理论体系

2.1 风险控制

结合防洪库容频率曲线能够得出水库在固定的防洪风险率。以此为基础对防洪的库容进行提前预留,若防洪风险率相同,防洪的库容会逐渐减少。防洪预留库容的下限计算以某个特定水库风险率为例,设水库防洪库容频率的曲线公式为：υt=ft（p）,其中p 代表风险率,ft代表汛期时刻的防洪容频率曲线,υt代表为控制风险水库需要预留防洪库容的下限。通过以上公式能够对水库在汛期过程中的防洪预留库容下限进行计算,结合水库水位的各个库容关系能够转化库容下限为最高允许水位,公式为：Lt=flc（flc（L防）-υt）。通过以上公式的计算结果,能够根据各时期水位的最高上限来对水库的运行进行及时的调整,并对防洪调度的风险动态进行有效的监控和管理[2]。溪洛渡-向家坝-三峡在进行防洪联合调度的过程中,能够对上游的等效水库以及下游的三峡水库进行防洪库容频率的曲线计算,在各个风险率的情况下对各时段的最高允许水位进行计算,并制定具有针对性的防洪方案。等效水库的风险率为0.02、0.03、0.04；三峡水库风险率为0.01、0.008、0.005。等效水库与三峡水库在各个时段的防洪库容预留下限见图2、图3。

图2 等效水库预留防洪库容下限

图3 三峡水库预留防洪库容下限

控制风险率与水库预留的防洪库容呈反比,长江地区的洪水多出现在7 月～8 月左右,水库在前期应当预留较大的库容,8 月后的频率曲线会存在精度下降的情况,因此8 月后预留的防洪库容下线应当保持与7 月末期的下限一致。在实际防洪的过程中,水库的防洪方案需要对当地的生态环境、气象水文预报、航运以及水库风险值等多方面进行充分考虑,这样才能够对水库的实际防洪功能进行综合评估,预留出充足的防洪库容[3]。

2.2 联合防洪调度效益分析

通过以上的公式计算能够得出水库的最高允许水位,通过对上下游的风险率组合进行计算,拟定5 组方案并进行调洪预演,计算结果见表2。

表2 各方案计算结果

从计算结果来看,在保证三峡水库风险率不变的情况下,等效水库能够有效提升自身风险率,三峡水库的调洪水位与梯级水库的总发电量呈正比。由表2 可以看出,各个水库始终维持在防洪的标准水位,防洪控制点的水量也始终处于安全标准,由此能够看出,水库群的防洪风险与发电效益是呈反比的状态,需要结合实际情况来选择最佳的方案[4]。

2.3 最佳调度决策方案

梯级水库在实际防洪中需要对上下游的防洪方案进行统筹和规划,还需要考虑防洪和效益之间的关系,并进行统筹规划,这属于多属性、多目标、多约束、多阶段的非线性复杂决策问题。因各个调度目标之间存在着一定的矛盾性,调度方案应当具备科学性,角度客观,并且实时性较强。水库的防洪调度方案中各个指标的相互作用和相互关系让调度方案具备了一定的关联性。本文所使用的属性指标为等效水库风险率、三峡水库风险率、向家坝最大下泄、三峡最高调洪水位、梯级总发电量[5]。将梯级水库的总发电量定位效益的标准指标,其余的发电量则可以看作是成本指标,以此为基础来计算出最佳决策方案,具体评价结果见表3。

表3 联合防洪调度方案贴近度评价结果

从表3 的评价结果能够分析出方案4 在实施的过程中对各个水库之间的风险率管理情况进行了充分的考虑,上游的水库一旦超过了最高允许水位标准就会及时提升泄洪量,三峡水库在同时增加拦蓄量,通过这样的形式来展现出梯级水库的防洪风险共担特性,可以作为最佳决策方案使用[6]。

3 结语

综上所述,本文在现有的水库群防洪风险分析结合防洪库容风险频率曲线的基础上提出了水库风险-调度-决策理论体系。从梯级水库的群防洪体系和水库的风险率角度对水库的实际运行状态进行有效的适时调整。研究结果表明,实时调度的过程中能够充分考虑风险率的各项因素,确保防洪的同时也能够提升水库群的综合效益。采用风险-调度-决策的理论体系能够为最佳水库调度方案提供参考依据,对水库群的实时防洪调度决策方案选择和提升水库综合效益具有重要的意义。