海南省万泉河流域水库群防洪优化调度方案研究

孙 熙 李程纯子

（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450000）

0 引 言

海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区（简称先行区）位于海南岛东海岸，琼海市嘉积区和博鳌论坛核心区之间，横跨万泉河两岸。2013 年2 月28 日，国务院批复同意设立海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区，为国家级新区，其建设发展已经成为国家战略。先行区规划立足国内、放眼国际、面向未来，定位为参与“一带一路”国家发展战略的新平台、国际一流的医疗旅游目的地、国家级医疗旅游先行示范区、海南国际旅游岛建设的重要支撑点。先行区位于万泉河下游河道两岸，频繁发生暴雨洪水及风暴潮灾害，在这样一个区域打造新区，必须首先解决好水安全保障问题。

水工程防洪调度是在保证水工程自身及保护对象防洪安全的前提下，兼顾兴利目标来进行，一般调度时间紧急、时效性要求高，防洪调度相对复杂，可挖掘的潜力也是显著的。按调度对象，防洪调度可分为单库、河库、库群及流域4 种类型[1]。目前大多数水库都是单库或河库联合的防洪调度，库群调度以实际库水位或入库流量为判别条件，采取分级固定泄量或补偿调度方式[2]，预报条件较好的库群在调度时以一定预见期内的预报入库流量或预报流量与防洪控制点约束水位结合作为水库泄流判别条件。库群防洪调度还需要考虑水库间水力联系、防洪库容分配，流域防洪调度则以流域防洪效益最大为目标，综合考虑水库、蓄滞洪区、闸、分洪道等多种水工程的联合调度，但仍需就洪水预报预见期及精度的提高、水库汛限水位分期与动态控制的研究、流域水工程防洪联合调度模型的建立与求解等开展工作。目前，部分流域正在进行库群、流域防洪联合调度方面的探索与尝试[1]。

面对复杂的水情和严峻防汛形势，长江流域在水库群联合调度研究上取得了显著成效，2018年纳入40座水库，构建流域层面的联合调度体制，充分考虑上下游、干支流的洪水关系，研究水库不同任务、不同时期的蓄泄水方案，科学精细调度，通过峰前预泄、迎洪削峰、错峰拦洪、峰后退水腾库等措施，显著发挥防洪减灾效益[3-6]。淮河流域对宿鸭湖、梅山等9座对淮河干流中下游防洪影响较大的大型水库实施联合调度，合理控泄、拦洪错峰，减轻淮河干流及相关支流防洪压力，实现水库防洪目标，保障流域防洪安全。

万泉河流域上游是海南省的暴雨中心之一，暴雨强度大、历时短、洪量集中，先行区位于万泉河下游，是上游洪水的承接地，防洪任务十分艰巨。为了提高先行区防洪标准，同时减少对先行区外区域的影响，水安全保障方案按照“上蓄、中疏、下排”的原则，通过上游牛路岭水库、红岭水库联合调度，中游加积坝重建，下游堤防新建，构建万泉河流域“库堤结合”的防洪工程体系。先行区内堤防按照20年一遇防洪标准修建，在先行区外通过红岭水库和牛路岭水库联合调度等措施，将先行区防洪标准由20年一遇提高到50年一遇，以保障先行区城市防洪安全和人民生命财产安全。为此开展水库等水工程防洪联合调度及工程方案研究，结合台风预报，研究通过水库分级控泄、增设判别条件、预泄、汛限水位动态控制等多种方法，建立河道（堤防）、水库群（闸）联合调度模型，优化水库调度，布局流域防洪体系。

1 万泉河流域防洪工程及防洪形势

1.1 防洪工程概况

万泉河位于海南岛东南偏东部，是海南岛第三大河流，发源于琼中县五指山风门岭，有南北两源。南源乘坡河，为万泉河干流，北源定安河（又名大边河），为万泉河最大的一级支流，南北源在琼海合口咀汇合后始称万泉河。乘坡河流域面积1 387 km2，定安河流域面积1 222 km2。两河汇合后，向东流经石壁、龙江、嘉积，然后折向东南至博鳌港入海，合口咀至入海口54 km。万泉河干流全长157 km，流域面积3 693 km2。

合口咀上游31 km 处乘坡河上建有牛路岭水库，水库控制流域面积1 236 km2，占乘坡河流域面积的89.1%，占万泉河流域面积的33.5%，是以发电为主、兼顾防洪、供水等综合利用的水利工程，为多年调节水库。水库洪水标准采用100 年一遇设计，1 000 年一遇+20%校核。死水位80.00 m，正常蓄水位和汛限水位均为105.00 m（56 榆林基面，下同），兴利库容4.17亿m3，电站总装机容量8万kW。设计洪水位107.94 m，校核洪水位112.04 m，总库容7.78亿m3，调洪库容2.48 亿m3。水库建成后调度方案有所调整，目前执行2014年批复的调度方案，其防洪调度是按控泄运行，对万泉河下游洪水具有一定调控作用。

2014 年在大边河中游建成红岭水库，距万泉河合口咀上游33 km，距琼中县城约30 km，控制流域面积745 km2，占大边河流域面积的61%，占总流域面积的20%，是以城乡供水和农业灌溉为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用水利枢纽工程，为多年调节水库。水库洪水标准采用500 年一遇设计，2 000 年一遇校核。死水位135.00 m，正常蓄水位168.00 m，汛期限制水位167.00 m，总库容6.62 亿m3，防洪库容0.96 亿m3。水库建成后，结合下游城镇堤防的建设，以大边河为主的洪水通过红岭水库的防洪调度，可使下游嘉积镇、博鳌镇的防洪能力从20年一遇提高至30年一遇。

加积坝枢纽工程（以下简称加积）距万泉河出海约24 km，具有发电、供水及旅游等功能，正常蓄水位7.40 m，20 年一遇设计洪水位12.83 m，100 年一遇校核洪水位13.57 m，总库容6 270万m3。加积水文站位于加积坝下游1 km。

1.2 防洪形势

万泉河流域上游两大水库控制流域面积占流域总面积的53.7%，但受限于水库主要功能的定位，不能完全发挥其防洪作用，上游水库工程现状调控洪水能力无法满足流域经济社会发展对防洪保安的要求。特别是牛路岭水库建于1979年，未明确承担下游防洪任务，其所在乘坡河的洪水未得到有效控制。现状万泉河下游防洪能力较低，不足10年一遇。

万泉河下游河道主要防洪保护对象先行区，按规划防洪标准需达到50 年一遇。基于先行区存在的防洪薄弱环节，首先研究通过建设堤防工程使其达到20年一遇，进一步研究牛路岭、红岭水库联合调洪和其他措施，使防洪保护对象防洪标准由20年一遇提高至50年一遇。

在不改变水库规模、不影响工程安全的前提下，研究万泉河流域现有水库群联合优化调度的思路和方法，提出水库群防洪联合调度原则，结合水闸、分洪道、堤防等其他工程措施，进一步提高下游河道防洪标准。以加积水文站为防洪控制断面，运用台风预报、预泄、分级控泄、适时降低汛限水位等方法，优化和精细化防洪调度，包括判定蓄泄时机和流量、调整调度判别条件，完善单个水库调度方式，建立水库群联合防洪调度方案，充分发挥流域控制性水库群的防洪效益。

2 水库群防洪联合调度方案研究

2.1 现状调度方式

（1）牛路岭水库。当气象预报水库上游将发生强降雨，且水库水位接近汛期限制水位105.00 m 时，提前预泄纳洪，预泄流量一般不超过800 m3/s，水库水位达到汛期限制水位后，根据水库水位和入库流量确定下泄流量。水库调度方式见表1。

表1 牛路岭水库现状洪水调度方式

（2）红岭水库。红岭水库承担将万泉河下游防洪标准由20 年一遇提高到30 年一遇的防洪任务，防洪高水位170.56 m，防洪库容0.96 亿m3。水库水位达到汛期限制水位后，根据水库水位和下游防洪控制断面加积流量确定下泄流量。水库调度方式见表2。

表2 红岭水库现状洪水调度方式

2.2 调度方式调整的可行性

2.2.1 水库运用条件

牛路岭水库现状根据入库流量、库水位进行判别控泄，未考虑结合下游洪水水情，没有明确防洪任务。从水库实际运行情况看，1994-2015年汛期多年平均运行水位为90.38 m，远低于汛限水位105.00 m，即水库汛期发电运行时，具有较大的蓄洪库容；根据水库特征水位复核，校核洪水位比现状采用成果偏低约2.00 m，总库容较大，有调整优化泄流方式、挖掘水库防洪潜力的可能性。考虑利用台风、降雨、洪水预报信息，在洪水来临前进行预泄，降低水位运行，洪水过后蓄至汛限水位，挖掘水库防洪潜力。

2.2.2 预报信息的可利用分析

（1）台风预报。台风预报主要是对台风路径、台风强度及风雨预报3方面预报，近年来，我国台风路径预报精度较高，预报准确率达到国际先进水平，台风强度和台风风雨预报精度一般。台风生成监测较为准确，采用台风预报作为牛路岭水库调度的参考依据，对水库防洪相对较为安全。同时为减少“过度预警”的影响，适当结合天气预报。

对牛路岭水库5年一遇以上洪水（洪峰大于5 150 m3/s）共14场进行统计，其中11场洪水由台风引起。根据牛路岭水库由台风造成的11场大洪水分析，从台风生成到牛路岭产生洪峰至少有68 h。为便于与天气预报衔接，牛路岭水库台风预报预见期采用48 h。

若预报台风产生或发生暴雨以上天气系统，则水库进入预泄降低水位运行状态，若24 h天气预报为暴雨以上天气系统，则水库应继续预泄，降低水位运行，洪水过后蓄至汛限水位，挖掘水库防洪潜力。同时兼顾洪水资源利用，尽可能减小对水库兴利效益的影响。

（2）洪水预报。牛路岭水库流域有牛路、乘坡、新中、中平、太平、长安6个雨量站，水库水情自动测报系统测报范围覆盖坝址以上全流域，系统运行正常，数据报送准确及时可靠，其预报方式有自动和人工干预两种。在2014 年、2015 年若干场洪水中，实测来水和预报值接近，预报精度较高。

通过统计实测雨峰出现时间与入库洪峰发生时间，确定洪水预见期。通过分析1998 年以来20 余场次较大洪水降雨，其洪水预见期为2～14 h。由降雨形成洪水时间较短，防洪决策风险大。本次研究暂不考虑洪水预报，仅作为牛路岭水库防洪调度的辅助手段，在调度的实施过程中为指挥决策提供依据。

2.3 调度方式调整原则

牛路岭水库、红岭水库防洪调度方式的调整原则：①牛路岭水库维持死水位、正常蓄水位不变，红岭水库维持死水位、汛限水位、正常蓄水位不变；②维持水库现有规模不变，不增加移民征迁，不影响工程安全。即水库5年一遇水位、20年一遇水位、校核洪水位不超过原设计值；③尽量减少对水库供水、发电等兴利任务的影响；④调度方式尽可能简单，具有可操作性。

2.4 调度方式调整思路

万泉河下游防洪保护对象为先行区，河道洪水主要是来自加积水文站以上，选取加积断面为防洪控制断面。

在分析两水库入库洪水、区间洪水与下游防洪控制断面加积洪水组成关系的基础上，考虑洪水的河道演进时间，通过控制上游两座水库的下泄洪水过程，有效削减下游加积洪峰流量，满足先行区50年一遇防洪目标。

为使水库防洪调度更加具有针对性、有效性，初步设置库水位和下游加积面临时刻流量为判别条件。在保证牛路岭、红岭水库现有征迁水位、工程规模不变的前提下，通过调整优化两水库防洪调度方式，分析防洪保护对象达标的可能性及方案，再通过削峰效果及调整影响等综合评价，提出相对合理的调度方案，实现防洪效益最大化、最优化。

3 联合调度方案研究

3.1 下游安全泄量

当加积洪水位低于9.00 m、相应流量小于3 300 m3/s时，属正常行洪；当加积洪水位9.60 m、相应流量4 120 m3/s时，先行区范围内万泉河达到平槽流量，开始预警；当加积洪水位达到10.70 m、相应流量6 000 m3/s时，相当于5年一遇洪水，为河道现状防洪标准内安全泄量。先行区范围内规划按20 年一遇防洪标准修建堤防，相应河道安全泄量9 380 m3/s。

预泄阶段，考虑下游防洪安全，采用加积断面3 300 m3/s、6 000 m3/s 作为下游安全泄量。防洪调度阶段，采用9 380 m3/s作为下游安全泄量。

3.2 调度方案拟定

以下游加积防洪控制断面流量和水库水位作为判别条件，考虑分级控泄、预泄等措施，水库调度方式拟定原则见表3。拟定时设置各级流量、水位、泄量及预泄范围，并考虑水库调蓄、河道演进的作用，再联合调算、分析、确定。

表3 水库防洪调度方式拟定

3.2.1 调度方案初拟

通过试算，将加积50年一遇流量削减至9 380 m3/s，牛路岭最低起调水位97.00 m，同时为了尽可能减少对水库兴利功能的影响，结合预泄，汛限水位可调整至101.00 m。故预泄水位变化区间设置为97.00～101.00 m。

根据工程条件和下游要求，考虑现状汛限水位及预泄降低不同的幅度，综合分析，筛选5个可行性较高的方案。

方案1：牛路岭水库、红岭水库维持汛限水位105.00 m、167.00 m不变，调整泄流方式；

方案2：牛路岭水库维持汛限水位105.00 m不变，洪水前48 h内预泄至101.00 m（预泄过程加积流量≤3 300 m3/s）；红岭水库维持汛限水位167.00 m不变；调整泄流方式；

方案3：牛路岭水库汛限水位降至101.00 m，洪水前48 h内预泄至97.00 m（预泄过程加积流量≤3 300 m3/s）；红岭水库维持汛限水位167.00 m不变；调整泄流方式；

方案4：牛路岭水库维持汛限水位105.00 m不变，洪水前48 h内预泄至99.00 m（预泄过程加积流量≤6 000 m3/s）；红岭水库维持汛限水位167.00 m不变；调整泄流方式；

方案5：牛路岭水库汛限水位降至101.00 m，洪水前48 h内预泄至97.00 m（预泄过程加积流量≤6 000 m3/s）；红岭水库维持汛限水位167.00 m不变；调整泄流方式。

当不能满足下游防洪要求时，考虑堤防加高或合口咀建闸、开辟新的分洪道等进一步削减洪水。其中，合口咀建闸方案改变了现有防洪工程体系构成，增加一个河道控制节点和两个洪水区间，需要对水库、水闸等流域水工程进行联合调度。万泉河流域水工程防洪联合调度模型系统进行概化，见图1。

图1 万泉河流域水工程防洪联合调度模型系统概化图

结合万泉河合口咀地形，为了减小居民密集区淹没影响，规划在乘坡河、大边河汇流处选址建闸，初拟合口咀闸防洪调度方式见表4。

表4 合口咀闸防洪调度方式

3.2.2 计算方法与模型

按照拟定的调度方案，对防洪断面不同典型年的设计洪水组成进行调节计算，计算模型结构关系及过程表示见图2。

图2 水库群防洪调度方案调整计算模型框架

模型计算时计入合口咀建闸对洪水进行调控，将水库至加积一个区间洪水按面积比方法计算出合口咀上、下两个区间，各种不同地区洪水组成洪水经水库调节后，演进到合口咀，与水库至合口咀区间洪水叠加调控后，演进到加积，再与合口咀至加积区间洪水叠加得到加积设计洪水。

水库调节、系统调节均满足调度方式调整原则，综合不同典型年洪水调节结果，提取了满足各典型的调度运行方式，拟定的5个泄流方式和临时降低汛限水位的组合方案，均可保证牛路岭水库、红岭水库5年一遇水位、20年一遇水位、校核洪水位不超过原设计值，不影响水库规模和防洪安全。

3.3 调度方案分析与选定

3.3.1 对兴利影响分析

牛路岭水库死水位、正常蓄水位不变，洪水入库前进行预泄，根据预泄调度各方案库水位降落幅度，按每年发生3次，每次影响10 d计，计算减少的发电量，作为兴利效益影响值。洪水过后及时蓄水至汛限水位，充分利用洪水资源，减少后期发电影响。

红岭水库死水位、正常蓄水位、汛限水位均不变，兴利效益不受影响。

遇50年一遇洪水时，万泉河水库群防洪联合调度方案主要成果见表5。

表5 不同防洪联合调度调整方案主要成果对比表

3.3.2 方案比较与选定

遇50年一遇洪水时，方案3、方案5可将加积洪峰直接削减至现状20年一遇设计流量9 380 m3/s，满足先行区防洪要求，流域不需新增防洪工程、不需协调征地移民；但牛路岭水库需降低汛限水位4.00 m，存在长期发电补偿的缺点。

方案1、方案2、方案4 可将加积洪峰削减至9 570～10 650 m3/s，仍大于9 380 m3/s，不能满足先行区防洪要求；结合堤防加高、合口咀建闸以及分洪道开辟3 种工程措施后，方案1、方案2、方案4 均可将加积洪峰削减至9 380 m3/s。合口咀建闸无移民、征地少，但工程投资大、影响小，可作为远期规划工程；开辟分洪道线路长、占地大、使用率低，但投资及影响较大；加高堤防施工简单、投资少，但占地协调难度大。

通过各方案的效果、投资及影响综合比较，方案4 最优。遇50年一遇洪水时，首先通过两座水库联合调度将下游加积洪水削减至9 570 m3/s，再结合加积坝至入海口段在原规划20 年一遇堤顶高程上加高0.08 m（摘自2019 年水利部水利水电规划设计总院编制《水库防洪联合调度及工程方案研究报告》），即可满足将先行区防洪标准由20年一遇提高到50年一遇。

根据历年运行情况分析，牛路岭水库汛期实际运行水位较低，多年平均水位90.38 m，预泄阶段水位调整至99.00 m 对其兴利的实际影响不大。故综合比较，方案4 作为研究成果的推荐方案。

依照牛路岭水库、红岭两水库优化的防洪调度方式进行联合调度，以加积为防洪控制断面，可满足流域、区域防洪目标。牛路岭水库维持汛限水位105.00 m 不变，洪水来临前48 h内预泄至99.00 m，按调整后泄流方式运用；红岭水库维持汛限水位167.00 m 不变，按相应泄流方式运用。两水库防洪联合调度推荐方案见表6。

表6 牛路岭、红岭水库防洪联合调度推荐方案

4 结 论

本文结合万泉河流域水库工程实例，采用分级控泄、增设判别条件、预泄、汛限水位动态控制等方法研究水库优化调度及水库群防洪联合调度，合理布局流域防洪工程体系，结论如下：

（1）在保证牛路岭、红岭水库现有征迁、工程规模等不变的前提下，优化精细化水库群调度，可有效提高万泉河下游保护对象的防洪标准，再结合堤防加高、合口咀建闸或分洪道开辟等工程措施，可将先行区防洪标准由20年一遇提高至50年一遇。

（2）综合考虑万泉河流域水文气象特点、工程实际、防洪要求和流域水工程布局，以下游防洪控制断面防洪标准或流量控制为约束条件，结合台风预报，研究上游水库群、闸等控制性水工程联合调度规划调节计算方法及防洪调度方式，为流域层面复杂地区洪水组合情况下的防洪规划和调度给出有效的非工程措施治理思路，提出水库群防洪联合调度方案，进而挖掘了现有水库的防洪潜力，体现了科学和精细调度运用的价值，对流域治理规划合理布局、调整区域水利工程布局、减少工程建设投入、指导实际调度运用均有重要意义。