黄河龙羊峡至刘家峡区间主要梯级水库洪水调度研究

宋伟华 沈延青 赵梦龙 张毅 马莅茗 仝海杰

关键词：梯级水库；防洪调度；龙羊峡至刘家峡区间；黄河

０引言

目前黄河上游防洪任务主要通过龙羊峡、刘家峡水库联合调度完成，当前龙羊峡、刘家峡水库在承担设计防洪任务的同时，还兼顾上游河段中小洪水防洪任务［１］。

随着水库下游河道防洪工程的不断完善，黄河上游河段安全过洪能力逐步提高，但仍存在防洪薄弱环节：据２０２０年黄河水工程防洪能力排查，甘肃省刘家峡水库下游永靖县城局部河段安全过洪流量仅为３１００ｍ３／ｓ，远低于１０ａ一遇设防流量４２９０ｍ３／ｓ；黄河上游干流青甘宁蒙四省（区）防洪河段长达数百千米，近３ａ洪水期间上游河段漫滩、出险较多，内蒙古河段河道主河槽过洪能力虽有所恢复，但与２０世纪８０年代以前相比还有很大差距，黄河滩区尚有约０．８万居民和大量土地，洪水漫滩后损失较大；兰州以上干支流已建水电站尚未纳入防洪调度体系，洪水期水电站的无序泄水给水库调度带来一定压力［２］。

随着龙羊峡、刘家峡水库按设计汛限水位运用，兼顾黄河上游中小洪水的防洪能力相应减弱。为扩展调度空间、应对新的防洪形势、增强防洪主动性，需充分挖掘梯级水库群的防洪潜力，完善黄河上游防洪调度体系，早日实现黄河上游干支流主要梯级水库群防洪统一调度，有效缓解黄河上游的防洪压力，提高上游梯级水库群综合效益，开展黄河龙羊峡至刘家峡区间（简称“龙刘区间”）主要梯级水库洪水优化调度研究是非常必要的。

１研究方法与数据

１．１龙刘区间主要梯级水库及参与防洪运用的原则

黄河上游龙刘区间梯级水库共有１３座，除防洪骨干水库龙羊峡、刘家峡水库外，总库容大于２亿ｍ３的有拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡水库。以龙羊峡、刘家峡水库按现状方式运用为基础，确定这４座梯级水库作为防洪优化调度研究对象。黄河上游龙刘区间梯级水库示意见图１。

除龙羊峡、刘家峡水库外，各水库的开发任务主要为发电，不承担下游防洪任务，按电网调峰、调频需求进行日内调节。白天当光伏或风电承担电网负荷时，水电减少出力，储备水能。到电网负荷高峰时段，水电站利用存蓄水能调峰发电。防洪调度期间按入库、出库平衡运用，来水流量大于起调水位对应泄流能力时按敞泄运用。各电站最大发电流量在１４５０～２２８０ｍ３／ｓ之间，黄河上游洪水编号标准为唐乃亥水文站流量达到２５００ｍ３／ｓ，也就是说当电站上游发生编号洪水时，入库流量大于电站满发电流量，此时水库不需要日内调节库容进行储能，根据各水库特征水位及汛期实际运用情况（见表１），一般情况下可挖潜水库汛期实际运用下限水位与汛期限制水位之间的库容用于防洪调度，４座水库可挖潜库容为２．２８亿～２．５８億ｍ３。

４座梯级水库参与防洪运用的原则是通过预泄充分挖掘梯级水库防洪潜力，分担龙羊峡、刘家峡水库兼顾中小洪水下游河道防洪安全的部分任务，期间不影响梯级水库自身防洪安全，并尽量减轻对水库自身发电的影响。

１．２梯级水库主要运用指标分析

１．２．１兼顾下游河道防洪安全指标

龙羊峡、刘家峡水库兼顾下游河道防洪安全控制指标与水库防洪能力及水库下游河道的过流能力直接相关。

在龙羊峡水库未按设计汛限水位运用之前，利用水库汛限水位与设计汛限水位之间库容兼顾下游河道防洪安全。龙羊峡水库汛限水位为２５８８ｍ时，刘家峡水库兼顾下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出库流量为２５００ｍ３／ｓ［３］；龙羊峡水库汛限水位提高至２５９２ｍ时，刘家峡水库兼顾下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出库流量为３５００ｍ３／ｓ［４］；龙羊峡水库按设计汛限水位运用后，刘家峡水库兼顾下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出库流量为３７００ｍ３／ｓ［５－６］。

２０１８—２０２０年，黄河上游连续３ａ发生５～１０ａ一遇洪水，实际防洪运用中，刘家峡水库最大出库流量３２８０ｍ３／ｓ（２０１９年）。

综合预案中兼顾下游河道防洪安全的水库下泄流量变化、下游河道过洪情况、实际运用中水库下泄流量情况，本次研究方案兼顾下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的下泄流量Ｑｋ１０％按３２００～３７００ｍ３／ｓ考虑。

１．２．２预泄及拦洪运用时机

确定梯级水库参与防洪调度的时机，并对各水库的蓄洪、泄洪次序做出决策，是梯级水库群防洪调度的主要内容。对于龙刘区间梯级水库来说，进入防洪运用的时机，除了上游来水条件外，还需要视龙羊峡、刘家峡水库的运行状态而定。

龙羊峡水库为多年调节水库，一般情况下汛初水位低于汛限水位，当水位低于汛限水位时，若上游发生较大流量过程，龙羊峡水库将合理拦蓄洪水，下泄流量以发电要求为主；当水位接近或达到汛限水位时，水库将加大下泄流量，转为防洪运用。龙羊峡水库加大下泄流量时，如果刘家峡水库水位仍低于汛限水位，刘家峡水库会合理拦蓄洪水，下泄流量以发电要求为主，就是将龙羊峡水库加大流量的下泄水量拦蓄在刘家峡水库；如果刘家峡水库水位也接近汛限水位，水库将加大下泄流量，转为防洪运用，若入库洪水小于１０ａ一遇，则按Ｑｋ１０％下泄。

龙羊峡、刘家峡水库及区间各水库共同完成兼顾１０ａ一遇中小洪水的防洪任务，区间水库的防洪库容需通过预泄挖潜，从尽量减少对水库兴利效益影响的角度，水库只需要在洪水到来前预泄到既定水位即可。目前上游洪水预见期为７ｄ，即水库可以有７ｄ的预泄时间。要使梯级水库的预泄水量能向下排至刘家峡水库以下，而不至于蓄至刘家峡水库造成库容转移的无效预泄，预泄时需要满足两个条件：一是刘家峡水库水位接近或者达到汛限水位，二是水库预泄流量与该水库至刘家峡水库区间加水流量之和不能大于Ｑｋ１０％，即需在预报刘家峡水库来水流量小于Ｑｋ１０％时进行预泄。

１．２．３参与防洪的泄、蓄次序

本次研究涉及拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡４座水库，结合区间洪水预报及发电影响两个方面确定其预泄及拦洪运用顺序。

从水文预报方面考虑：龙刘区间洪水主要来源于积石峡水库以下大夏河、洮河等支流，区间梯级水库参与防洪运用主要是控制刘家峡入库流量不超安全下泄流量。考虑区间洪水预报的不确定性，为避免区间突发洪水造成的洪峰叠加，预泄时应先安排距离支流汇入口较近的积石峡水库，再按顺序依次安排上游水库预泄。下游水库距离刘家峡入库安全流量控制断面较近，拦洪阶段上游水库先运用、下游水库后运用，有利于精准控制刘家峡入库流量。

从发电影响方面考虑：４座梯级水库中拉西瓦装机容量最大，达到４２００ＭＷ，李家峡、公伯峡、积石峡装机容量依次减小。装机容量越大，降低水位对发电量影响也越大，因此预泄时自下而上，即积石峡先预泄、拉西瓦最后预泄，拦洪时自上而下，即拉西瓦最先拦洪、积石峡最后拦洪，可使装机容量大的水库降水位运用的时间短、装机容量小的水库降水位运用的时间长，对梯级水库发电影响最小。

综合以上两方面因素，本研究在预泄阶段按积石峡、公伯峡、李家峡、拉西瓦自下而上的顺序运用，拦洪阶段按拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡自上而下的顺序运用。

１．２．４预泄方式

梯级水库可预泄时长主要取决于洪水预报水平，对唐乃亥站、龙刘区间、刘兰区间２０１５—２０１９年汛期日均流量预报成果进行精度评定认为，黄河上游洪水预报水平逐步提高，唐乃亥以上预报成果精度高于龙刘区间、刘兰区间。唐乃亥站汛期１～７ｄ日均流量预报精度在７０％以上，为乙级；龙刘区间汛期１～４ｄ日均流量预报合格率在７０％以上，为乙级，可用于正式发布，５～７ｄ日均流量预报合格率在６０％以上，可用于参考性预报。

根据对目前洪水预报成果的利用程度，拟定以下３种预泄方式。

方式一为７ｄ预报一级预泄：预报第７日刘家峡入库流量达到Ｑｋ１０％开始预泄，第１到６日预泄净流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ刘入（下标ｉ表示第ｉ日）。

方式二为４ｄ预报一级预泄：预报第４日刘家峡入库流量达到Ｑｋ１０％开始预泄，第１到３日预泄净流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ刘入。

方式三为４ｄ预报＋３ｄ预估两级预泄：预报第７日刘家峡入库流量达到Ｑｋ１０％开始预泄，第１到３日预泄净流量ΔＱｉ＝Ｑ４刘入－Ｑｉ刘入，第４到６日预泄净流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ刘入。

１．３梯级水库群联合防洪调度模型

结合黄河上游防洪形势和洪水调度实际，设置不同水库、不同水位组合的洪水调度方案，构建包含单库及梯级水库群的洪水调度模型，考虑防洪、发电等调度目标，在库水位、出库流量、发电流量、出力等约束条件下，基于水量平衡原理，求解洪水调度方案。

１．３．１数学描述

根据黄河上游地区特点，结合现有的科学技术手段，将黄河上游复杂的梯级水库群实际调度问题抽象描述为可以求解的数学模型，构建黄河上游梯级水库群联合防洪调度模型，从而将实际问题概化处理。

选取４５ｄ场次洪水尺度，根据黄河上游龙头水库龙羊峡水库设计入库流量和各区间流量过程，以及龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡、刘家峡６座梯级水库的始、末控制水位，全面考虑各方面约束条件，确定梯级水库的蓄水位变化过程或出库流量过程，满足黄河上游防洪调度的各目标要求。

１．３．２调度目标

黄河上游汛期防洪调度主要考虑防洪和发电两个调度目标。防洪目标是指调度过程中发生设计防洪标准内洪水时要保证大坝自身安全、下游重要控制断面防洪安全、重点城市防洪安全等，发生超标准洪水时要将不可避免的洪灾损失降至最低；发电目标是指黄河上游梯级水电站发电量和发电过程尽可能优。汛期调度需要“电调”服从“防洪调度”，即把防洪保安全作为调度的重点关注对象，同时兼顾上游梯级水电站的发电要求。

１．３．３约束条件

模型的主要约束条件有水库水量平衡约束、水库蓄水位限制、水库泄流量约束、水电站出力限制、变量非负约束。

２结果分析

２．１方案拟定及计算

２．１．１方案拟定

根据下游河道防洪安全指标需求，按照不同的预泄方式，分别拟定龙刘李三库、龙刘李积（公）四库、龙刘李公积五库及龙刘拉李公积六库（龙、刘、拉、李、公、积分别代表龙羊峡、刘家峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡水库）防洪运用方案，见表２。

以预泄方式一中的龙刘李积四库方案为例，初步拟定调度方案如下。

龙、刘按既有方案调度，李、积参与防洪运用。

预泄阶段：预泄次序为自下而上，预报７ｄ后刘家峡入库流量（天然）大于Ｑｋ１０％，积石峡开始预泄，预泄起始水位为汛限水位１８５４ｍ，目标水位为Ｈｊｉ，预泄出库流量至刘家峡入库流量不超过Ｑｋ１０％。之后李家峡开始预泄，预泄起始水位为正常蓄水位２１８０ｍ，预泄时段≤７ｄ，目标水位为Ｈｌｉ，预泄出库流量至刘家峡入库流量不超过Ｑｋ１０％。

拦洪阶段：若刘家峡（天然）入库流量＞Ｑｋ１０％且小于１０ａ一遇，李家峡水库开始拦洪，使刘家峡入库流量≤Ｑｋ１０％，蓄至正常蓄水位２１８０ｍ后，按水库设计防洪方式运用。之后积石峡水库开始拦洪，使刘家峡入库流量≤Ｑｋ１０％，蓄至汛限水位１８５４ｍ后，按电站设计防洪方式运用。

２．１．２方案计算

构建梯級水库群洪水调度模型，考虑防洪、发电等调度目标，在库水位、出库流量、发电流量、出力等约束条件下，基于水量平衡原理，求解不同方案的洪水调度结果。

以预泄方式一、１０ａ一遇洪水刘家峡水库控泄流量３２００ｍ３／ｓ、龙刘拉李公积预泄方案为例，龙刘拉李公积六库调洪过程见图２。

求解结果表明：根据预泄方式一方案调度，若李家峡参与防洪调度，洪水到来前水库水位预泄至２１７７ｍ，即挖潜库容０．９１亿ｍ３，可使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３５００ｍ３／ｓ；洪水到来前水库水位Ｈｌｉ预泄至２１７６ｍ，即挖潜库容１．２１亿ｍ３，可使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３４００ｍ３／ｓ；若李家峡、公伯峡水库参与防洪调度，可通过预泄李家峡水库水位至２１７６ｍ，公伯峡水库水位至２００２ｍ，挖潜库容１．８亿ｍ３，使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３３００ｍ３／ｓ；若拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡水库参与防洪调度，可通过预泄拉西瓦水库水位至２４５０ｍ，李家峡水库水位至２１７５ｍ，公伯峡水库水位至２００２ｍ，积石峡水库水位至１８５２ｍ，即挖潜库容２．５１亿ｍ３，使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３２００ｍ３／ｓ。

根据预泄方式二方案调算，采用４ｄ预报成果，洪水到来前可预泄李家峡水库库容０．７８亿ｍ３，可使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３５００ｍ３／ｓ。

根据预泄方式三方案调算，采用４ｄ预报成果，并参考后３ｄ预估趋势进行两级预泄，洪水到来前可预泄李家峡水库库容１．２１亿ｍ３，可使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量减小至３４００ｍ３／ｓ。

发生１０ａ一遇及以下洪水按照上述各方案进行调算，当发生千年一遇洪水时，龙刘两库最大蓄洪量均不超设计蓄洪量４５．２３亿ｍ３，即龙刘两库水位均不超设计洪水位，视为满足水库自身防洪安全要求。

从尽量降低预报风险角度，推荐４ｄ预报＋３ｄ预估两级预泄方式。需要说明的是，预泄方式研究是在梯级水库汛期水位为汛限水位的基础上进行的，但实际上汛期梯级水库往往低于汛限水位运用，因此梯级水库拦洪库容不一定需要全部通过预泄挖潜。如洪水到来时，水库实际蓄水位低于汛限水位，可直接按方案拦洪运用，只要各梯级水库有拦洪库容，就能进一步减小刘家峡水库出库流量，降低下游河道防洪风险。

２．２风险及效益分析

２．２．１风险分析

区间水库参与防洪调度的基础是能通过上游洪水预报进行预泄，但是流量及峰现时间的预报误差会给调度带来不确定性。

预报误差风险会导致两种情况：一是挖掘的梯级水库防洪能力比预计有所降低，二是梯级水库在低水位运用时间加长。这两种风险都难以避免，前者的最极端情况就是梯级水库都没有来得及预泄，但从洪水期水库实际运用情况来看，各梯级水库最高水位基本不会至正常蓄水位，会留有梯级水库正常蓄水位以下库容之和的调度空间。本研究拟定的方案计算预泄初始水位都是正常蓄水位，考虑了该部分的富余度，即便出现最极端情况没有预泄，梯级水库利用当前水位与正常蓄水位之间的库容也能发挥防洪作用。后者情况影响较为有限，如果已预泄至目标水位，但预见期内又无洪水，可及时回蓄，以降低预泄调度对发电的影响。另外，实际发生洪水时，预报连续滚动进行，调度会根据最新预报及时修正，以降低预报误差风险。

２．２．２效益分析

龙刘区间梯级水库参与防洪运用的效益主要包括社会效益和经济效益。

１）社会效益。当前黄河上游龙羊峡、刘家峡两库防洪调度方案兼顾下游河道防洪任务，是通过控制１０ａ一遇及以下洪水刘家峡出库流量不大于３７００ｍ３／ｓ来完成的，区间梯级水库加入防洪运用后，可进一步减小刘家峡出库流量，１０ａ一遇及以下洪水刘家峡出库流量可减小至３２００～３５００ｍ３／ｓ，在刘家峡水库下游永靖县城卡口河段尚未实施完成防洪保护措施之前，减小刘家峡水库下泄流量可有效降低其防洪风险。另外，减小１０ａ一遇及以下洪水刘家峡水库下泄流量，也将有效降低下游宁蒙河段滩区的淹没风险。

２）经济效益。龙刘区间梯级水库参与防洪运用，与当前龙刘两库防洪运用方案相比，各个方案梯级水库发电总量均有不同程度的增加。６座梯级水库最大发电流量为１２４０～２２８０ｍ３／ｓ，发电流量相对较小，洪水期机组外泄水时间长。区间水库参与防洪运用，降低了刘家峡水库中小洪水控泄流量，增加了梯级水库大流量持续下泄时间，从而减少了梯级水库发电弃水，梯级发电量增加了４００万～３３００万ｋＷ·ｈ。结果表明，龙刘区间水库参与防洪运用的程度越高，刘家峡水库控泄流量越小，梯级水库发电量越大。

为了实现进一步减小刘家峡水库１０ａ一遇及以下洪水下泄流量的目标，通过龙刘区间梯级水库参与防洪运用，可避免龙羊峡、刘家峡水库降低汛限水位。龙羊峡水库维持设计汛限水位运用，对水库发挥“蓄丰补枯”作用、提升全河水量配置龙头水库调蓄能力、提升黄河上游水电开发基地发电效益提供了有力保障。

３结束语

１）根据龙刘区间拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡水库汛期实际运行情况，可结合上游洪水预报，在洪水到来前预泄部分水量、降低库水位，洪水期發挥一定拦洪作用，分担龙刘两库兼顾中小洪水下游河道防洪安全的部分任务。

２）当前预案龙刘两库兼顾中小洪水下游河道防洪安全，可使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量不大于３７００ｍ３／ｓ。由于刘家峡水库下游甘肃省境内仍存在卡口河段、宁蒙滩区仍存在淹没风险，因此实际运用中水库按该流量调度难度较大。龙刘区间梯级水库参与防洪调度后，可进一步减小１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量。采用４ｄ预报＋３ｄ预估两级预泄方式，可预泄库容最大为１．２１亿ｍ３，使１０ａ一遇洪水刘家峡水库最大出库流量由３７００ｍ３／ｓ减小至３４００ｍ３／ｓ。

３）建议加强黄河上游洪水预报研究，提高区间洪水预报精度，延长洪水预见期。

４）建议研究成果尽早投入运用，根据水库蓄水及来水情况进一步制定梯级水库防洪调度方案和实时调度方案，早日实现上游水库群防洪统一管理和联合调度。