亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究

荆 柱，朱 利 明，巴 欢 欢，凌 洪 政，李 肖 男，袁 玉 娇

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010； 3.大唐四川发电有限公司，四川 成都 610083； 4.流域水安全保障湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010； 5.嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 广元 628408)

0 引 言

水库汛期运行水位的动态控制运用技术是洪水资源化利用的重要手段。在枢纽工程的设计阶段一般不考虑气象水文预报条件，多采用基于统计规律的设计洪水成果，按照规划设计要求确定汛限水位固定值或分期汛限水位[1]。该设计理念使水库汛期运行的灵活性受到一定程度的约束，常导致电站汛期出力受阻、弃水较多，造成洪水资源的浪费，影响水库的汛后蓄水，限制水库综合效益的发挥。而水库汛期运行水位作为协调水库运行管理过程中防洪与兴利之间矛盾的关键指标，优化其运用方式可有效提升实时调度中枢纽的综合效益。因此，如何在保障防洪安全的前提下，通过优化水库防洪参数和规则等非工程措施，科学实施汛期运行水位动态控制运用是水库运行管理中亟须解决的问题。

嘉陵江是长江上游左岸的主要支流，干流全长1 120 km，亭子口水利枢纽是嘉陵江干流唯一的控制性工程，已批复的《嘉陵江亭子口水利枢纽水库调度规程》[2](以下简称《调度规程》)并未对亭子口水库汛期运行水位动态控制方式进行规定。因此，在实际调度中为确保流域防洪安全，亭子口水库主汛期运行水位多维持在汛限水位及以下位置，在主汛期存在电站机组出力受阻、调峰能力受限、弃水较多且总体呈上升趋势等问题。在长江水利委员会印发的《嘉陵江洪水调度方案》中，明确提出嘉陵江流域梯级水库群“在确保防洪安全的前提下，根据防洪形势、气象水文预报，综合考虑水资源、水环境等需求，合理利用洪水资源”，同时“水库经有调度权限的水行政主管部门批准后，可适时开展汛期运行水位动态控制或汛末提前蓄水”。

近年来，随着水文气象预报理论的快速发展和现代监测体系的不断完善，降雨及洪水预报精度不断提高，为水库开展汛期运行水位动态控制创造了有利条件[3]。开展汛期运行水位动态控制的核心是在确保枢纽自身、水库库区和下游防洪安全的前提下，基于降雨洪水短中期预报成果和洪水时空变化规律，科学制定汛期运行水位动态控制方案，在保证防洪安全的前提下提升汛期洪水资源化利用水平，充分发挥水库的综合效益[4-5]。

针对汛期运行水位动态控制，国内专家学者开展了大量的研究，提出了实时预蓄预泄法、综合信息推理模式法、补偿调度法等多种方法，并成功运用于水库实际调度中[6-8]。刘攀等[9]以三峡水库为例，基于预报预泄原理推求了三峡水库汛期水位动态控制约束域。刘招等[10]提出了基于6 h预报径流深的防洪预报调度方式，以安康水库为例展开计算，结果表明该调度方式不仅较常规调度方式具有更好的调洪效果，也有利于洪水资源的利用。李志鹏等[11]采用预泄能力约束法，计算了碧口水库汛期水位动态控制的上、下限，结果表明汛期水位动态控制可以有效缓解水库兴利与防洪的矛盾。部分学者对亭子口水库汛期的调度方式展开了研究，探讨了汛期运行水位的浮动空间[12-13]。但在调度计算中对库区及下游重要沿江城镇，特别是阆中市的防洪约束考虑尚不全面，对汛期运行水位动态控制的运用方式、下游防洪控制站防洪影响以及发电效益增量也有待进一步细化研究。

本文拟对亭子口水库汛期运行水位动态控制策略展开系统研究，统筹库区及下游不同区域的防洪需求，计算不同来水量级下亭子口水库安全上浮区间及运用方式，分析动态控制运用后的防洪影响和兴利效益，旨在保证防洪安全的前提下提升亭子口水库兴利效益，助力“双碳”战略的实现。

1 研究对象

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，水库正常蓄水位458.00 m，汛限水位447.00 m，设计洪水位461.30 m，总库容40.67亿m3。水库预留防洪库容10.60亿m3(非常运用时为14.40亿m3)，电站装机容量1 100 MW(4×275 MW)，机组额定流量1 730 m3/s。作为长江总体防洪体系的重要组成部分，亭子口水库需要同时承担嘉陵江干流防洪以及配合三峡水库对长江中下游防洪的双重任务[14](见图1)。亭子口水库的主要防护对象为下游的南充市，防洪控制断面为南充市靖江楼水位站(以下简称“南充站”)。

图1 嘉陵江流域水库、水文站点概化示意Fig.1 Schematic diagram of reservoirs and hydrological stations in Jialing River Basin

亭子口水库防洪调度采用“固定下泄法”和“补偿调度”相结合的方式。概括如下：

(1) 汛期水库来水小于等于10 000 m3/s时，库水位原则上按防洪限制水位控制运行。

(2) 当水库来水介于10 000～18 000 m3/s时，水库按10 000 m3/s控制下泄。

(3) 当水库来水大于等于18 000 m3/s或南充站流量大于等于20 000 m3/s时，采用“补偿调度”方式运用，控制南充站流量不超过25 100 m3/s。

(4) 当嘉陵江中下游未发生洪水而长江中下游发生洪水需亭子口水库配合三峡水库防洪时，亭子口水库根据长江中下游水情的需要，拦蓄进入三峡水库的基流，配合三峡水库完成长江中下游的防洪调度目标。

(5) 当长江和嘉陵江中下游发生特大洪水或有紧急需要时，可动用亭子口水库预留的全部防洪库容，控制库水位不超过461.30 m。

2 汛期运行水位动态控制策略

亭子口水库汛期运行水位动态控制的核心是在确保枢纽库区及嘉陵江中下游防洪安全的前提下，尽可能提高洪水资源利用效率和枢纽的综合效益。本文构建了基于“预报预泄”方式的汛期运行水位动态控制模型，统筹嘉陵江中下游多区域防洪风险，对亭子口水库汛期运行水位的浮动空间展开研究。研究基本思路为：当预报入库来水较小、下游防洪控制点不需要亭子口水库防洪时，在不增加库区的防洪压力的前提下(即库区沿程水面线应不超过库区的土地征用线和移民迁移线)，库水位在一定范围内向上浮动运行；当预报预见期内入库来水或中下游防洪控制点来水将达到一定量级，水库及时预泄降低库水位，并保证预泄后下游控制站点南充站、北碚站距警戒水位有一定的裕度，使水库预泄后尽量不增加下游阆中、合川等防洪薄弱区域的压力，同时不影响工程防洪作用的发挥。

2.1 动态控制洪水量级的识别

洪水特性分析是开展亭子口水库汛期运行水位动态控制的重要基础。挑选亭子口水库1954～2020年超过3 000 m3/s的245场洪水进行分析，结果表明：流量在3 000～10 000 m3/s之间的洪水场次共203场，占总场次的82.8%，其中又以3 000～6 000 m3/s之间的洪水场次为主，占57.5%，具体结果如图2所示。从合理衔接现有调度方式和充分利用常遇洪水的角度出发，以亭子口水库10 000 m3/s量级以内的洪水开展汛期运行水位动态控制研究是合适的。

2.2 水文预报水平分析

水文预报是开展亭子口水库汛期运行水位动态控制的重要依据。2009～2020年期间，亭子口水库汛期24 h定时预报精度约为70%～90%，具体如图3所示。水库入库流量超过3 000 m3/s的洪峰预报误差平均值仅7.44%，最大误差为19.05%。总体而言，亭子口水库来水预报精度较高，能够满足基于入库洪水预报进行调度的需求。

图3 亭子口水库2009～2020年汛期24 h定时预报精度Fig.3 Prediction accuracy of inflow in Tingzikou Reservoir within 24 hours in flood season from 2009 to 2020

为确保亭子口水库汛期运行水位动态控制不增加嘉陵江中下游防洪压力，在汛期运行水位向上浮动或下泄时，需要兼顾下游南充河段和重庆河段的防洪安全。对近年来预报水平进行分析，南充河段武胜站24 h和48 h的定时流量预报精度均约为80%，重庆河段北碚站24 h定时流量预报精度全部高于90%，48 h预报精度约80%。同时，武胜站及北碚站2016～2020年90%以上场次洪水的洪峰预报误差均小于1 000 m3/s，洪峰时间预报误差一般小于6 h。由于亭子口水库下泄流量传播至武胜站和北碚站的时间分别约为32 h和40 h，因此在亭子口水库汛期运行水位动态控制时，中下游河段控制站点的预报精度可以满足兼顾嘉陵江中下游防洪安全的需求。

2.3 汛期运行水位动态控制方式

采用“预报预泄”的方式对亭子口水利枢纽汛期运行水位进行动态控制，具体运用方式为，当预见期T内预报入库流量大于启动预泄的预报入库流量Qin时，水库按照等泄量的方式均匀预泄Qout，在尽量不增加下游防洪压力的前提下，使库水位在预见期内及时降至汛限水位。具体计算如下：

Vi=f(Zi)

(1)

(2)

Ve=Vi-Vc

(3)

Ze=f(Ve)

(4)

式中：Zi为水库可上浮运用的水位，m；Vi为水位Zi所对应的库容，亿m3；f为水库水位库容曲线；Qin为水库预报入库流量，m3/s；Qout为水库预泄流量，m3/s；T为提前预泄的时间；Vc为通过预泄腾空的库容，亿m3；Ve为水库汛限水位所对应的库容，亿m3；Ze为水库汛限水位，m。

鉴于亭子口水利枢纽汛期24 h定时预报精度较高，本研究重点对预见期T为24 h进行计算分析。基于预泄流量尽量不增加下游防洪压力的原则，考虑嘉陵江中下游沿江城镇特别是阆中市的防洪现状[15]，本研究预泄期间出库流量Qout按不超过7 000 m3/s控制。按照上述原则，依据亭子口水库水位库容曲线，通过式(1)和式(2) 计算汛期水库上浮至不同水位后，在24 h预见期内将库水位预泄至汛限水位447.00 m所需的增泄流量，具体结果如表1所列。

表1 预见期内亭子口水库库水位降至汛限水位的增泄流量Tab.1 The increased discharge when the water level of Tingzikou Reservoir drops to the flood-limited water level in the forecast period

由表1可知，为充分利用常遇洪水且保证上浮水位可在24 h内安全预泄至汛限水位447.00 m，上浮水位不宜超452.00 m；当水位上浮至453.00 m后，预泄至447.00 m所需增泄流量已超过6 000 m3/s，运用的风险相对较高。因此，本研究重点对亭子口水库上浮水位按不超452.00 m进行讨论。据此设置不同预报流量及上浮水位工况下的计算方案，如表2所列。

表2 不同预报流量及上浮水位工况下的计算方案Tab.2 Calculation schemes under different forecast flows and water level rising conditions

3 汛期运行水位动态控制影响分析

为深入分析亭子口水库开展汛期运行水位动态控制对水库运用和嘉陵江中下游的影响，在对嘉陵江流域洪水特性及遭遇规律进行分析的基础上，选取1956，1973，1981，1989，2010，2018，2020年共7场不同地区组成的典型洪水，按照表2中的方案展开计算，分析在不同典型洪水条件下开展汛期运行水位动态控制对亭子口水库库区及下游重要控制站点南充站、北碚站的防洪影响。

3.1 亭子口水库防洪影响分析

按照表2设置不同计算方案，采用上述典型洪水开展亭子口水库预报预泄计算分析。结果表明：在不同上浮水位工况下，上浮的库水位均可成功预泄至汛限水位，不影响后续防洪作用的发挥。以库水位上浮至452.00 m时遭遇1981年典型洪水为例，在开展汛期运行水位动态控制后，水库最高调洪水位并未抬高，在运行过程中不加大库区防洪风险，图4为出库流量及库水位过程。

图4 库水位上浮至452.00 m时，遭遇1981年典型 洪水的出库流量及库水位Fig.4 The outflow and water level of encountering 1981 typical flood when water level of the reservoir rises to 452.00 m

进一步从偏不利角度分析亭子口水库实施汛期运行水位上浮运用后的库区淹没风险，即在实时预报调度中，当汛期运行水位上浮至452.00 m时，完全未预见后续发生的洪水过程，未及时采取措施腾库预泄产生的风险。由于亭子口水库库区的土地征用线按坝前458.50 m高程接5 a一遇设计洪水回水线确定，移民迁移线按坝前459.00 m高程接20 a一遇设计洪水回水线确定。采用工程初步设计阶段的1956，1973年和1981年典型年的设计洪水过程，设置库水位上浮运用至452.00 m时遭遇南充站5 a(P=20%)或20 a一遇(P=5%)整体设计洪水的情景，在调洪计算的基础上，分析对库区土地征用线及移民迁移线的影响。

在5 a一遇和20 a一遇洪水条件下，各典型年库区水面线如图5所示。结果表明：当库水位上浮运用至452.00 m时，遭遇南充5 a一遇整体设计洪水后，仍可控制库区水面线不超过土地征用线；遭遇南充站20 a一遇整体设计洪水后，仍可控制库区水面线不超过移民迁移线。由此可见，亭子口水库汛期运行水位动态控制运用基本不影响库区防洪安全。

图5 不同典型年水位上浮至452.00 m时遭遇南充站5 a或 20 a一遇设计洪水的库区水面线Fig.5 The water surface line of Tingzikou Reservoir when the water level rises to 452.00 m in different typical years and encounters the 5-year or 20-year design flood of Nanchong Station

3.2 南充站防洪影响分析

南充站警戒水位为270.80 m，保证水位为272.30 m，河道安全泄量为25 100 m3/s。为不改变下游防汛态势，亭子口水库汛期水位向上浮动运行及水库预泄至汛限水位期间，应确保下游防洪控制站点安全。因此，基于前述不同方案下预报预泄的计算结果，采用调度规程研究阶段洪水演进参数，结合不同典型年下游区间东河、西河的来水过程，分析不同计算方案对南充站流量、水位过程的影响。

亭子口水库在不同典型年中开展汛期运行水位动态控制后，相较于未开展动态控制时，在448.00～452.00 m上浮水位工况下，通过及时预泄可控制南充站洪峰流量仅增大0～170 m3/s，最大洪峰流量为1981年洪峰24 220 m3/s，小于河道安全泄量25 100 m3/s，不影响下游防洪安全。同时，计算分析了不同方案下南充站流量最大增幅(见表3)。

表3 不同典型洪水中亭子口水库预报预泄对南充站 流量最大增幅Tab.3 Maximum discharge increment to Nanchong Station due to the pre-discharge of Tingzikou Reservoir in different typical floods

结果表明：在不同上浮水位下，南充站流量最大增幅均发生在2010典型年，且随着上浮水位的抬升，启动预泄的预报流量逐渐降低，启动预泄的时机相应提前，预泄对下游南充站流量增幅也随之变大。依据南充站水位流量关系，在该流量区间内水位相应抬升值最大为1.70 m。为不增加南充河段的防洪压力，亭子口水库汛期运行水位动态控制应考虑在南充站水位低于269.00 m时开展运用。

3.3 北碚站防洪影响分析

亭子口水库虽不承担对重庆市的防洪任务，但考虑到重庆市处于嘉陵江干流下游，且河段存在明显的薄弱区域。按照汛期运行水位动态控制运用的原则，对北碚站的防洪影响进行分析。基于前述不同方案下预报预泄的计算结果，采用调度规程研究阶段的洪水演进参数，结合不同典型年下游主要支流和区间的来水过程，分析不同计算方案对北碚站流量、水位过程的影响。相较于亭子口水库未开展汛期运行水位动态控制，不同典型年在448.00～452.00 m上浮水位工况下，按照7 000.00 m3/s预泄后北碚站洪峰流量增大0～890.00 m3/s。最大增幅发生在1981年典型洪水中，占原洪峰流量41 460.00 m3/s比例仅2.2%，对北碚站洪峰流量影响较小。

对不同典型洪水中北碚站流量最大增幅进行统计(见表4)，结果表明对于同一典型年，随着上浮水位的抬升，预泄后对下游北碚站流量增幅也随之变大。对于同一上浮水位，预报预泄后北碚站最大增幅同样发生在2010典型年，依据北碚站水位流量关系，水位相应最大抬升2.50 m。鉴于嘉陵江重庆河段来水地区组成复杂、涨水较快，且河段内合川城区现状防洪能力较低，其警戒水位为204.93 m(东津沱站，黄海高程)，相应流量约20 900.00 m3/s，该流量相应的北碚站水位为191.00 m。为充分保障亭子口水库预泄后重庆河段尤其是合川城区的防洪安全，亭子口水库汛期运行水位动态控制应考虑在北碚站水位低于190.00 m时开展运用。

表4 不同典型洪水中亭子口水库预报预泄对北碚站流量 最大增幅Tab.4 Maximum discharge increment to Beibei Station due to the pre-discharge of Tingzikou Reservoir in different typical floods

4 汛期运行水位动态控制效益分析

根据亭子口水利枢纽年径流频率分析计算成果，选择来水分别为丰、平、枯的不同水平年为代表，开展基于典型年日径流的发电效益计算。以汛期5月1日～10月30日的径流量进行频率分析计算，采用25%，50%和75%频率所对应的丰、平、枯典型年，每个频率选择2个代表年。其中，1963年和1989年为丰水代表年，1970年和1993年为平水代表年，1979年和1987年为枯水代表年。按照主汛期水位分级上浮的原则计算各丰、平、枯代表年在主汛期6月21日～8月31日的发电效益(见表5)。计算结果表明：亭子口水库汛期运行水位动态控制后，主汛期可增发电量0.64亿～1.37亿kW·h，平均增发电量约1.00亿kW·h，平均改善出力受阻约11 d。此外，在不同典型年中，亭子口水库主汛期开展汛期运行水位动态控制可增加下游航电梯级发电量0.04亿～0.11亿kW·h。以平水年1993年为例，亭子口水库主汛期径流调节过程及出力过程如图6所示。

表5 基于典型年日径流资料的主汛期效益计算Tab.5 Benefit calculation of the main flood season based on the typical annual daily runoff data

图6 1993年主汛期开展汛期运行水位动态 控制后的径流与出力过程Fig.6 Runoff and power generation process after dynamic control of water level during the main flood period in 1993

5 讨 论

5.1 预报误差讨论分析

先进的气象水文预报技术是提升水库洪水资源化利用水平的先决条件，预报精度与预见期直接影响最终的调度成果。亭子口水库预报来水具有不确定性，24 h定时预报精度约为70%～85%。为分析短期24 h预报误差对汛期水位上浮运用方式的影响，分别按照7个典型年入库洪水预报误差为10%，15%，20%，25%，30%考虑，试算不同上浮水位工况下安全预泄至汛限水位447.00 m的临界预泄流量，计算结果如表6所列。结果表明：当预报误差大于20%后，上浮水位448.00 m时的部分方案预泄的临界流量略大于7 000.00 m3/s，经分析由于启动预泄的预报流量较高，因而实时调度中可根据预报进一步提前启动预泄，且由于上浮水位448.00 m相对风险较低，若按预泄流量不超过7 000 m3/s控制，库水位可预泄至447.20，略超汛限水位，对后续防洪调度影响较小。总之，考虑10%～30%的预报误差，对于典型大洪水基本可在预泄流量7 000 m3/s以内安全预泄至汛限水位。

表6 不同上浮水位方案下考虑10%～30%预报 误差的临界预泄流量Tab.6 Critical pre-discharge flow considering 10%～30% forecast error under different water level rising schemes

入库洪水预报误差不仅可能影响洪水量级的大小，还可能影响预泄时间的长短，尤其对实际峰现时间较预报峰现时间提前发生的情况，水库可预泄腾库的时段相应缩短，增加了预泄不及时的风险。为此，采用亭子口水库运行以来2013～2020年实测入库洪水资料，按照预泄时间18,12,6 h考虑，在不同预报入库流量下，计算按照7 000 m3/s进行预泄的水库安全上浮水位上限，计算结果如表7所列。

由表7可知，入库洪水预报误差尤其是预泄时间不足24 h对上浮运行水位的影响较为明显。为尽量规避预报误差风险，在上浮水位达到449.00 m及以上时，应加强入库洪水的滚动预报，及时修正预报误差的影响。一旦预报流量触发预泄条件或预报有大洪水发生时，及时将库水位预泄至合理区间。此外，应加强对气象预报的研究及应用，结合短中期预报，籍此延长有效预见期，既可保证上浮运用的风险可控，又可及早腾库避免弃水预泄。同时，在实时调度中，应合理协调与上游碧口、宝珠寺水库的蓄泄关系，避免因蓄泄不协调增大亭子口库区河段的淹没风险。

表7 2013～2020年实测入库洪水考虑不同预泄历时的可安全 上浮水位上限Tab.7 The maximum allowable water level rising considering different pre-discharge durations based on the measured inflow flood from 2013 to 2020 m

5.2 对长江中下游防洪影响的讨论分析

作为长江防洪体系的重要组成部分，亭子口水库既承担嘉陵江中下游防洪任务，同时也配合三峡水库减轻长江中下游的防洪压力。根据《调度规程》，亭子口水库没有为长江中下游预留专门的防洪库容。因此，当长江中下游发生洪水时，若嘉陵江流域同时发生洪水，亭子口水库按照本流域防洪要求调度，减少三峡水库入库洪量；若嘉陵江流域洪水不大，在确保枢纽自身防洪安全和本流域防洪安全的前提下，亭子口水库相机配合三峡水库拦蓄洪水，尽量减少三峡入库洪峰和洪量。

亭子口水库开展汛期运行水位动态控制，拦蓄常遇洪水，其过程有利于减少三峡水库入库洪量，可进一步减轻长江中下游的防洪压力。而当亭子口水库因预报来水较大启动预泄时，参考对北碚站的影响分析可知，北碚站洪峰流量增大值在1 000 m3/s以内，从量级上而言，对三峡入库洪峰和洪量影响较小。同时，由于当前亭子口水库配合三峡水库对长江中下游的防洪调度方式尚未开展系统研究，为稳妥起见，本研究建议将“长江中下游对亭子口水库无防洪调度需求”作为亭子口水库实施汛期运行水位动态控制条件之一，若根据气象水文预报长江上游将发生洪水需要亭子口水库配合三峡水库拦洪运用时，亭子口水库应及早将库水位预泄至汛限水位，配合三峡水库分担对长江中下游的防洪任务。

6 结 论

本文基于预报预泄的原则，综合考虑亭子口水库库区及下游的防洪安全，从动态控制洪水量级的识别、预泄方式和实施条件的判别、防洪影响及发电效益等多个方面出发，系统地对亭子口水库汛期运行水位动态控制的策略展开研究，主要结论如下：

(1) 提出了亭子口水库主汛期运行水位动态控制的策略：当未来24 h预报亭子口水库入库流量为6 000，5 000，4 000，3 000，2 000 m3/s时，水库汛期运行水位可分别上浮至448.00，449.00，450.00，451.00，452.00 m，按照7 000 m3/s进行预泄，可成功将上浮水位消落至汛限水位447.00 m。同时，为保障下游防洪安全，需在满足预报24 h内南充站水位不超过269.00 m，预报48 h内北碚站水位不超过190.00 m，预报48 h内亭子口水库及以上区域无明显降雨过程的条件下，开展汛期运行水位动态控制。

(2) 对汛期运行水位动态控制过程中的防洪影响和兴利效益进行了分析。在最不利情况下，当库水位上浮运用至452.00 m时，遭遇南充站5 a一遇整体设计洪水后，仍可控制库区水面线不超过土地征用线；遭遇南充站20 a一遇整体设计洪水后，仍可控制库区水面线不超过移民迁移线，可充分确保库区防洪安全。亭子口水库汛期运行水位动态控制后，在丰(25%)、平(50%)、枯(75%)典型年中，主汛期可增发电量0.64亿～1.37亿kW·h，平均增发电量约1.00亿kW·h，汛末蓄满率可提高6%左右。

(3) 在实际调度中，应进一步加强嘉陵江流域水文气象研究工作，结合降雨和洪水情势开展滚动预报，及时根据来水预报动态调整水库下泄流量和库水位。同时，应合理协调与上游碧口、宝珠寺水库的蓄泄关系，逐步推进嘉陵江干支流梯级水库群的联合调度，确保嘉陵江流域防洪安全，提升水库群综合利用效益。