黄河龙羊峡和刘家峡水库凌汛关键期优化调度研究

胡一栋 刘吉峰 张毅 康耀辉 陈冬伶

关键词：封河流量；凌汛灾害；水库调度；宁蒙河段；黄河

黄河宁蒙河段位于黄河流域最北端，全长１２１７ｋｍ。受大陆性季风气候影响，冬季寒冷干燥，日平均气温在０℃以下的时间可持续４～５个月，最低气温可达－３５℃。黄河宁蒙河段一般从１１月下旬开始流凌，１２月上旬封冻，翌年３月中下旬解冻开河，封冻时间１２０ｄ左右，封河长度可达１０００ｋｍ。宁蒙河段特殊的河道走向导致封冻时冰盖自下游向上游发展，容易卡冰阻水，壅高水位；解冻时自上而下，冰凌洪水沿程增大，极易形成冰凌灾害。据统计，在１９５０—２０２０年的７１ａ中有１４ａ凌汛期发生堤防决口［１］。

黄河宁蒙河段上游刘家峡水库和龙羊峡水库分别于１９６８年和１９８６年蓄水运用，对宁蒙河段冰凌有重要调节作用［２］。两库联合运用以来，防凌调度遵守“发电、供水服从防凌，防凌调度兼顾供水和发电，实现水资源的优化配置和合理利用”的原则，减少了凌情灾害。２０００年以来黄河上游来水形势、宁蒙河段河道状况和凌情均发生了较大变化［３］，主要表现在：上游来水较２０世纪９０年代明显增大，２０００—２０２０年唐乃亥站６—１０月来水均值较１９９０—１９９９年偏多１６％，龍羊峡水库自２００５年以来开始蓄满运用；宁蒙河段河道淤积情况有所改善，２０１２年汛期出现大洪水以来，黄河上游于２０１８—２０２０年连续３ａ出现３０００ｍ３／ｓ以上洪水过程，河段平滩流量恢复至２０００ｍ３／ｓ；冬季气温总体偏高，年内气温波动大，极端冷暖事件频繁发生；河段槽蓄水增量呈减小趋势，但凌汛灾害潜在风险仍然存在。

青海省电力结构以水力发电为主，凌汛期正值用电高峰，水力发电所需水量大。凌汛期刘家峡水库出库流量减小，梯级电站发电量大幅减小，导致冬春季青海省缺电严重，同时龙羊峡水库翌年汛前大量弃水，浪费宝贵的水资源。为了科学调度黄河上游干流水库，确保黄河防凌安全，兼顾防凌、用水、发电等各方利益，迫切需要开展凌汛期龙羊峡、刘家峡水库优化调度研究。

１防凌调度优化空间

按照《黄河水量调度条例》《黄河刘家峡水库凌期水量调度暂行办法》有关规定，刘家峡水库下泄水量采用“月计划、旬安排”的调度方式。水库下泄水量按旬平均流量严格控制，日出库流量避免忽大忽小，日平均流量变幅不能超过旬平均流量的１０％［４］。在上述原则基础上，黄河防总经过２０多ａ的调度实践，经历了研究、应用、总结和再实践等过程，初步形成了较为完整的黄河上游水库防凌调度方法：流凌封河发展期塑造符合河道实际情况的适宜封河流量；封冻期适当减小水库下泄流量，抑制槽蓄水增量的过快增长；开河期适度压减上游水库下泄流量，开河形势从“武开河”转向“文开河”；增强冰下过流能力，减小封开河关键期冰塞、冰坝致灾概率，提高黄河上游梯级水库凌汛期综合效益。

基于２０００年以来凌情新特点和上游水库防凌调度经验，考虑黄河上游来水形势年际变化，黄河龙羊峡、刘家峡水库防凌调度仍有进一步优化空间。具体包括：基于河道条件、上游来水和用水需求确定适宜的封河流量，减小封河发展期冰塞出现概率和规模；根据凌情形势和气温变化趋势，优化开河期压减水库下泄流量的时机和力度，塑造“文开河”为主的开河形势；充分利用上游区间来水和水库蓄水的丰平枯变化，提高下游梯级电站的综合效益；把握好防凌调度时机，提高精细调度能力，更加充分利用凌汛期宝贵的水资源。

２优化调度方式研究

２．１封河发展期

封河流量直接关系后期凌情发展形势、防凌安全与整个凌汛期上游梯级水库泄水总量及泄水过程，因此适宜的封河流量是确保凌汛期防凌安全的重要前提。

１）历史封河流量。封河流量指封河前期的河道流量，一般以首封河段最近的水文站封河前３ｄ的平均流量表示［５］。龙羊峡、刘家峡水库联合运用的１９８９—２０２０年内蒙古河段封河流量均值为６６１ｍ３／ｓ，最大为９５３ｍ３／ｓ（１９９０—１９９１年度），最小为２７３ｍ３／ｓ（２０００—２００１年度）。其中：封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ，占１９％；５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ，占５３％；在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ，占２８％。

２）封河流量与凌汛期水位。受河道淤积影响，１９８６年以来黄河内蒙古三湖河口水文断面凌汛期水位持续偏高［６］。利用内蒙古河段１９６８—２０２０年封河流量和三湖河口水文断面封河水位、最大水位壅高、凌汛期最高水位等资料，研究封河流量与凌汛期水位的关系，见图１。可以看出，封河流量与封河水位正相关，与最大水位壅高负相关，与凌汛期最高水位无明显相关性。因此，封河流量越大，封河水位越高，凌汛期水位壅高越不明显。

３）封河流量与槽蓄水增量。在内蒙古河段，封冻初期一部分水转化为冰，还有一部分水受冰盖阻水影响，转化为槽蓄水增量。最大槽蓄水增量受河道条件和上游来水影响显著［７］，为分析封河流量对最大槽蓄水增量的影响，选取１９９６—２０１３年凌汛期上游来水量为４０亿ｍ３左右的年份，点绘封河流量与最大槽蓄水增量的关系，见图２。从图２可以看出，在河道条件相似、上游来水大致相同的情况下，封河流量与最大槽蓄水增量负相关，表明封河流量越大，最大槽蓄水增量越小。

４）封河流量与凌灾。在１９８９—２０２０年的３２ａ中，宁蒙河段有１６ａ发生较严重凌汛灾害，其中封河流量在５００ｍ３／ｓ以下的６ａ中有４ａ发生凌汛灾害，发生概率为６７％；封河流量为５００～８００ｍ３／ｓ的１７ａ中有９ａ发生凌汛灾害，发生概率为５３％；封河流量在８００ｍ３／ｓ以上的９ａ中有３ａ发生凌汛灾害，发生概率为３３％。可见，封河流量越小，发生凌汛灾害的概率越大。主要原因是，封河流量小，冰下过流能力弱，容易导致封冻河段上游壅水，引发冰塞，同时封河流量过小会产生较大的槽蓄水增量，若后期上游来水流量较大，超过冰下过流能力，则会壅高水位，水鼓冰开。

１９６８—２０２０年宁蒙河段不同河道过流能力对应的封河流量见表１。从表１可以看出，尽管两库联合运用以后河道平滩流量明显减小，主槽过流能力减弱，但水库调节能力增强，调度经验不断积累，封河流量总体呈增大趋势。可以认为，平滩流量约为１５００ｍ３／ｓ时，封河流量为７００ｍ３／ｓ左右不易发生险情；平滩流量约为２０００ｍ３／ｓ时，封河流量约为８００ｍ３／ｓ时不易发生险情。１９９０—１９９１年度宁蒙河段最小平滩流量约３０００ｍ３／ｓ，封河流量９５３ｍ３／ｓ，开河期气温回升晚、幅度大，同时由于缺乏水库控制，因此开河关键期上游来水较大，开河速度快，大量冰块随流而下，致使三湖河口水文断面以下发生卡冰结坝１０多处，水位壅高，民堤决口，造成凌灾。可以说１９９０—１９９１年度的凌灾主要是开河期气温回升快以及上游来水大造成的，不是大流量封河导致的。２０１２—２０１３年度宁蒙河段最小平滩流量约２０００ｍ３／ｓ，封河流量９００ｍ３／ｓ，凌汛期因水库调度合理而未发生凌汛险情。宁蒙河段平滩流量越大，冰下过流能力越强，允许的封河流量越大［５］。可以认为，在水库合理调度的前提下，平滩流量在３０００ｍ３／ｓ以上，封河流量不超过９５０ｍ３／ｓ，宁蒙河段不易发生凌汛险情。

２．２开河关键期

寧蒙河段开河关键期指开河发展至三盛公水利枢纽之日起，至全部封冻河段主流开通之日止。合理确定开河关键期刘家峡水库压减流量时机和压减量级，可以确保开河关键期防凌安全，同时最大限度提高水库发电效益。

１）开河关键期气温类型。根据内蒙古河段开河关键期气温回升时间早晚及回升幅度，将开河关键期气温变化过程分为急剧回升偏早型、中期急剧回升型、急剧回升偏晚型、缓慢回升型４种类型，见表２。开河关键期气温回升越早，槽蓄水增量集中释放的可能性越大。因此，气温回升越早，允许的最大槽蓄水增量越小。

２）槽蓄水增量阈值。当槽蓄水增量达到阈值时，会在开河关键期产生水位过度壅高的风险，从而威胁堤防安全。２０００年以来三湖河口至包头段水位壅高最明显，因此将三湖河口水文断面防凌临界水位对应槽蓄水增量作为内蒙古河段槽蓄水增量阈值。三湖河口左右岸堤顶高程分别为１０２３．７０、１０２１．６１ｍ，不决口时最高水位距堤顶１．０ｍ左右［８］，防凌临界水位为１０２０．６１ｍ。根据三湖河口水文断面凌汛期最高水位与最大槽蓄水增量关系式，当三湖河口水文断面达到防凌临界水位时，内蒙古河段槽蓄水增量约为１６亿ｍ３。

综合开河关键期气温条件对槽蓄水增量释放过程的影响，确定内蒙古河段槽蓄水增量阈值为１４亿～１６亿ｍ３。开河关键期气温急剧回升偏早年份、中期急剧回升年份、急剧回升偏晚年份、缓慢回升年份，允许最大槽蓄水增量应分别控制在１４亿、１５亿、１６亿、１６亿ｍ３以内。

３）开河关键期压减流量指标。根据开河关键期气温类型，结合槽蓄水增量及分布形势确定压减流量时机。同时根据１月底槽蓄水增量和增长趋势以及前期凌情确定流量压减力度，并依据开河关键期气温类型适当调整。在３００～５００ｍ３／ｓ流量级，刘家峡至头道拐河段封冻期水流传播时间约２０ｄ，因此水库压减下泄流量的时间应提前两旬，见表３。

开河关键期水库调度预案一般要求１月底制作完成，因此根据１月末槽蓄水增量确定压减流量大小。综合考虑气温类型对槽蓄水增量阈值的要求，以及在压减流量发挥作用前槽蓄水增量的增长空间，将１１．５亿、１２．５亿ｍ３作为划分槽蓄水增量开河关键期压减流量力度的指标。若１月末槽蓄水增量偏小（小于１１．５亿ｍ３），则可晚压减流量或少压减流量；若槽蓄水增量偏大（大于１２．５亿ｍ３），则必须加大压减流量力度；槽蓄水增量为１１．５亿～１２．５亿ｍ３时，则适当压减流量。

３优化调度建议

３．１适宜封河流量

封河流量过小会导致冰下过流能力减弱，封河河段上游壅水严重，造成冰塞险情，同时产生较大的槽蓄水增量。当封河流量小于５００ｍ３／ｓ时，头道拐水文断面冰下过流能力将小于３５０ｍ３／ｓ，给防凌带来巨大压力。在河道过流能力允许的条件下，大流量封河既可以保证防凌安全，又可以缓解防凌与发电之间的矛盾。随着凌汛期水库调度经验的积累以及调度机制的完善，平滩流量在３０００ｍ３／ｓ以上时，封河流量只要不超过９５０ｍ３／ｓ，宁蒙河段就不易发生冰塞险情。根据宁蒙河段河道情况，考虑防凌安全，建议宁蒙河段封河流量控制在５００～９５０ｍ３／ｓ。具体封河流量根据河道过流能力、上游来水情况和水库综合效益确定。目前，宁蒙河段过流能力约为２５００ｍ３／ｓ，建议封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，其中丰水年控制在８５０ｍ３／ｓ左右、平水年控制在７００ｍ３／ｓ左右、枯水年控制在６００ｍ３／ｓ左右。

３．２开河关键期压减流量

开河关键期压减流量指标包括压减流量的时机和力度。根据开河关键期气温类型及１月末槽蓄水增量，选择压减流量时机和力度。对于前期槽蓄水增量异常偏大的年份，结合槽蓄水增量增长趋势及前期凌情特点适当调整压减水库出库流量的时机，防止槽蓄水增量过大、过快增长造成凌汛灾害。压减流量力度分５个等级，即３５０、３８０、４００、４３０、４５０ｍ３／ｓ（以兰州水文站为控制站）。考虑水流传播时间，刘家峡水库压减下泄流量的时间必须提前两旬进行，具体压减方案见表４。

４优化调度方案与实践

４．１调度情景分析

根据目前的河道条件，历史来水与用水特征、龙羊峡水库２００５年以来的蓄水情况和最近十几年的凌情特点，设定龙羊峡和刘家峡水库凌汛期调度情景，在此基础上讨论各种情景的适用条件和防凌调度效果。刘家峡水库凌汛期调度方案见表５（其中压减时机为２月）。其中，平水年采用龙羊峡水库２００５年正常运用以来唐乃亥水文站汛期（６—１０月）来水均值（１５７亿ｍ３），距平５％～１５％对应丰水年，距平－１５％～－５％对应枯水年。

４．２实施调度方案的效益

刘家峡水库凌汛期泄水量与多年均值对比见图３。可以看出，无论是平水年还是丰水年，封河流量为７００、８００ｍ３／ｓ时凌汛期泄水量均大于多年均值，发电效益十分明显。封河流量为６００ｍ３／ｓ时，凌汛期泄水量小于１９８９—２０１０年均值，凌汛期泄水量在２０００—２０１０年均值附近。根据图３，若采取６５０ｍ３／ｓ的封河流量，则凌汛期泄水量将大于２０００—２０１０年均值。因此，从凌汛期泄水量看，只要封河流量大于６５０ｍ３／ｓ，黄河上游梯级水库就会产生较大的发电效益。

４．３优化调度实践

２０１９年汛期黄河上游唐乃亥水文站来水偏多４３％，来水偏丰形势下，黄河防总基于全河水资源调度以及防凌、抗旱工作需求，结合龙羊峡、刘家峡水库调度建议，编制了２０１９—２０２０年度黄河防凌调度预案，推荐宁蒙河段适宜封河流量为８００ｍ３／ｓ。凌汛期水库调度科学合理，虽然封河流量较大，但巴彦高勒至头道拐河段最大槽蓄水增量仅９．４亿ｍ３，较１９７０—２０２０年均值偏少０．７亿ｍ３；开河关键期气温属于急剧回升偏晚型，按照开河关键期调度方案，刘家峡水库从２月下旬开始压减出库流量至４５０ｍ３／ｓ左右，３月上旬压减出库流量至３８０ｍ３／ｓ。该年刘家峡水库凌汛期实际下泄水量为８６．８２亿ｍ３，比调度预案多泄４．８３亿ｍ３，较１９８９—２０２０年均值多泄１６．０４亿ｍ３。凌汛期下泄水量明显偏多，发电效益增大。虽然凌汛期水位整体偏高，但未出现凌汛险情。

２０２２年汛期唐乃亥水文站来水偏少３１％，来水偏枯形势下，２０２２—２０２３年度黄河防凌调度预案推荐宁蒙河段的适宜封河流量为６００ｍ３／ｓ。开河关键期宁蒙河段气温从２月上旬开始持续偏高，属于急剧回升偏早型，考虑槽蓄水增量非常小，巴彦高勒至头道拐河段最大槽蓄水增量仅６．２亿ｍ３，开河期刘家峡水库压减出库流量的时间适当推迟，开河关键期刘家峡水库从２月上旬开始压减出库流量至４５０ｍ３／ｓ左右，２月中旬压减出库流量至３８０ｍ３／ｓ左右。该年刘家峡水库实际下泄水量为６８．５３亿ｍ３，比调度预案少泄０．２２亿ｍ３，较１９８９—２０２０年均值少泄２．２５亿ｍ３，偏少３％。在前期来水明显偏少且开河关键期气温对开河形势明显不利的情况下，凌汛期下泄水量接近常年，保证了发电效益。同时整个凌汛期凌情平稳，凌汛期水位整体偏低，未出现凌汛险情。

５结论

在宁蒙河段河道条件较好的情况下，封河流量越大，冰下过流能力越强，槽蓄水增量越小，凌灾发生概率越小。根据内蒙古河段目前河道状况，宁蒙河段封河流量控制在６００～８５０ｍ３／ｓ，既可以保证防凌安全，又可以提高水库发电效益。

槽蓄水增量集中释放是造成开河关键期凌灾发生的最主要原因。采用防凌临界水位确定最大槽蓄水增量阈值为１４亿～１６亿ｍ３，开河关键期气温回升越早允许的最大槽蓄水增量越小。根据开河关键期气温类型及１月末槽蓄水增量，选择水库开河关键期压减流量时机和力度。对于开河关键期气温属于缓慢回升型且内蒙古河段槽蓄水增量偏小的年份，２月下旬开始压减刘家峡水库出库流量至４５０ｍ３／ｓ，３月上旬压减至４００ｍ３／ｓ，既可以保证防凌安全，又不影响发电效益。

根据目前的河道条件、历史来水与用水特征、龙羊峡水库蓄水情况和最近十几年的凌情特点，设定了龙羊峡、刘家峡水库凌汛期调度情景，提出的不同情境下龙羊峡、刘家峡水库优化调度方案，可为凌汛期水库调度预案和实时方案制作提供参考。２０１９—２０２０年度、２０２２—２０２３年度在汛期来水分别偏多、偏少情况下，采用提出的具体防凌优化调度方案，充分保证了防凌安全，明显提高了黄河上游梯级水库群发电效益。