汛限水位动态控制的限值研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：赵雪雯（1995），女，汉族，浙江东阳人，大学本科，工程师，研究方向：水利管理。-106-汛限水位动态控制的限值研究 赵雪雯 杭州市水库管理服务中心，浙江 杭州 310005 摘要：摘要：我国水资源缺乏，为了水资源可持续发展，优化水库调度势在必行。从汛限水位静态控制转为动态控制，可以更好利用雨洪资源，有效解决防洪和兴利之间的矛盾，对发挥水库综合利用效益、提升洪涝旱灾害防控能力有着重要意义。以青山水库为例，分析水库实施汛限水位动态管理的可能性，探究其动态控制的上限及下限水位，探讨动态控制的效益及风险。关键词：关键词：汛限水位；动态控制；水库调度 中图分类号：中图分类号：TV697 1 概述 我国人均水资源缺乏，不科学的水库蓄泄方法造成大量洪水资源浪费，水资源缺乏与洪水泛滥的矛盾已经成为水资源管理的一大难题。据统计，我国大中小型水库有 9.8 万余座。为了保证大坝安全，许多水库在汛期通过静态控制法控制水位，即采用一个固定的汛限水位值，当汛期洪水来临，水位超过汛限水位时，必须通过泄洪将库水位将至汛限水位或其以下。这样的调度方法虽然有利于保证水库大坝安全，但也造成了大量洪水资源的浪费1。近年来，随着经济发展和科技进步，水雨情自动测报系统的应用更加广泛，短期降雨预报、短期洪水预报的精度不断增加，对于水库汛限水位的管理也提出了更高要求，逐步由静态控制方式转为动态控制方式，建立了实时控制汛限水位的新理念。而汛限水位动态管理的关键在于确定水位控制的上、下限值。本文谨以位于浙江杭州的青山水库为例，分析其实施汛限水位动态控制的可行性，探究其水位动态控制的上、下限值，探索存在风险与效益。2 青山水库概况 2.1 流域概况 东苕溪发源于天目山，东接杭嘉湖东部平原，北临太湖，西邻浙西区西苕溪水系，自上而下依次穿越杭州市的临安区、余杭区，湖州市的德清县、吴兴区。东苕溪中上游是典型的山溪性河流，源短流急，洪水暴涨暴落。中下游为剥蚀堆积丘陵平原区，这里地形相对平坦；全域山丘面积大约占据了 88，平原面积则占到了 12。2.在整个地区，山丘面积占据了约 88，而平原面积只占到了约 12。3.大约 88的区域被山丘所覆盖，剩下的区域则是平原，比例为12：比如山丘区域约占全域的 88，而平原区域则仅占到 12。本文所研究的青山水库位于杭州市西郊临安区境内，东苕溪主干流南苕溪上，距临安中心城区约 8km，距杭州市区约 40km，坝址以上控制流域面积 603km2。青山水库坝址至余杭镇通济桥之间的区间（简称青山余杭区间，下同）集水面积为 127.5km2，水库控制集水面积占余杭通济桥以上集水面积 82.53。2.2 工程概况 青山水库是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合利用的水利工程，工程规模属大（2）型，工程等别为等3。青山水库正常蓄水位为 25.00m，设计洪水位为 32.56m（P=1），校核洪水位为 35.03m（P=0.01），汛期汛限水位 23.16m，移民水位（P=5）为 31.16m，土地征用水位（P=20）为 29.86m，发电死水位 19.16m，灌溉死水位 17.16m，总库容 2.13 亿m3，正常蓄水位以下库容 5315 万 m3，汛限水位以下库容3600万m3，死库容407万m3，发电装机容量2.52MW，设计灌溉农田面积 10 万亩。2.3 采取汛限水位动态控制的可行性 汛限水位动态控制需谨慎对待，充分评估各项实施条件，确保目标的实现。（1）根据当地社会经济情况，决定是否需要进一步发展水库的综合效益；中国科技期刊数据库 工业 A-107-（2）没有达到一类坝的标准，水库就无法发挥其应有的作用。（3）流域内拥有完善的降雨预报、洪水预报、水情自动监测系统，这些系统作为动态控制的科学依据。（4）水库具有健全的管理机构、先进的技术水平，为动态控制的运行决策提供保障。青山水库满足上述实施条件：（1）大坝为一类坝。青山水库最近一次大坝安全鉴定于 2014 年 7 月完成，并按现行规程规范完成了汛限水位复核工作，水库大坝经鉴定为一类坝。针对存在的裂缝、渗流等安全隐患，均实施了维修加固，截至目前运行情况优良。（2）具备完善的水雨情测报系统、洪水预报调度系统。青山水库水雨情监测系统采用原浙江省水文局开发的雨润遥测系统，并于 2019 年进行了升级改版，监测水库上下游共33个站点的数据，包含雨量、水位、流量、蒸发等数据，数据采集频次和密度均能满足防汛工作需求。水雨情遥测采用浙江省水文中心推出的ME 数据管理软件。洪水预报调度系统为河海大学开发，最早开发于 1999 年，经过 2010 年改造、2020 年升级，采用的模型以新安江模型为主，采用流域17个雨量站，2 个水文站，其中桥东水文站实测流量作为入库的参证站（桥东站 面积占流域 38.6），模型经重新率定，系统运行稳定。在汛期实行自动预报、人工干预预报相结合的方式，提高预报精度。此外，还建有综合信息管理平台、安防监控平台，提升了防汛调度工作的效率，使调度流程更加安全、规范、标准。（3）上游库区蓄洪、下游河道承泄能力无明显制约。东苕溪流域经过多年防洪治理，整体防洪能力有了明显提升。青山水库以上结合临安城防、水库征地移民、青山湖综合治理等工程，已建成 50 年一遇回水堤及南苕溪干流堤防。青山水库以下至余杭段基本能防御 20 年一遇洪水，余杭段左岸基本能防御 20 年一遇洪水，德清段左岸基本能防御 20 年一遇洪水（局部农村段设防标准为 10 年一遇），干流右岸西险大塘基本能够防御 100 年一遇洪水。苕溪清水入湖、东航大桥拆除等河道整治工程的相继完成，使干流行洪能力也有了长足的提升。（4）具备健全的管理机构、优良的管理团队。严格执行行政首长负责制的防汛工作责任制，严格按照省市防指核定的控运计划进行调度运用，严格落实汛前、汛期和汛后各项准备工作和预防措施。制定安全度汛措施，通过防汛抢险应急预案和泄洪预警确保洪水期上下游人民群众的生命财产安全。重视工作人员专业技能教育培训，支持鼓励专技人员参加各级水行政主管部门组织的闸门运行、水文报汛、防汛会商、水文资料整编等培训班学习，并组织开展闸门操作、洪水预报等模拟或实操的培训学习。3 汛限水位动态控制限值的确定 汛限水位动态管理的关键在于确定水位控制的上、下限值，即为汛限水位动态控制确定一个约束范围，并通过风险分析得出在此范围内风险概率较小。此约束范围的制定，是为了防止以下两种情况的出现：一是为确保下游防洪安全不断降低水库的下泄流量而致使汛限水位过低；二是为增加兴利蓄水逐渐抬高汛限水位而造成汛限水位过高4。3.1 汛限水位动态控制下限值 汛限水位动态控制下限值是汛期水库为洪水调节能够预泄的最低水位，即最低迎洪水位，通常为水库大坝安全限制水位和水库保证兴利基本需求的最低水位（旱限或者旱警水位）。下限值的确定首先要考虑水库的兴利需求，包括供水所要求的水位、旱限旱警水位等；其次要考虑生态环境需求，如维持下游河道生态需水量、上游水生态水景观的水位要求等；除此之外，还应考虑上游旅游、码头、沿线取水等需求。综合考虑青山水库的兴利需要和预泄能力，即其供水、上游城区水生态水景观、游船码头停泊等需求，初步确定汛期控制运用水位下限值为 21.5m。3.2 汛期控制运用水位上限值 汛限水位动态控制上限值是汛期（除洪水调度阶段以外）水库控制运用的最高水位，即水库回蓄水位。上限值的确定，最主要的制约因素为水库的预泄能力，当有预泄要求时，水库必须有在规定时间内预泄至相应水位的能力。其次为了保证下游河道安全，不造成人为洪水，需要控制下泄流量在安全流量范围内。因此，需综合考虑雨洪预报、防洪安全、泄流保障、资源利用等因素，基于水库预泄能力约束条件合理确定。一般来说，上限值原则上不超过水库正常蓄水位，并留有充足的安全余度。因此，青山水库汛限水位动态控制上限值不超过正常蓄水位 25m。为进一步确定上、下限值，选取 24m、24.5m、25m 中国科技期刊数据库 工业 A-108-表 1 青山水库不同水位预降至 21.5m 相关参数 初始水位（m）初始库容（万 m3）预泄后水位（m）预泄后库容（万 m3）预泄水量（万 m3）最小泄流时间（h）平均流量（m3/s）实际泄流时间（h）25 5315 21.5 2354 2961 18.7 440 19.5 24.5 4811 21.5 2354 2457 16.3 418 16.7 24 4337 21.5 2354 1983 14.0 394 14.1 作为上限值进行计算比选，同时验证下限值 21.5m 是否满足预泄能力要求。分别对以上三个水位，水库预降至 21.5m 的泄流过程进行计算，结果见表 1。由表 4.3-1，三种水位工况下，均能在预泄时间内通过预泄将水位下降至 21.5m，预泄能力满足要求，因而青山水库汛期控制运用水位下限值确定为 21.5m。为减小下泄流量过大对下游河道的影响，水位23.16m 以上时控制下泄流量上限为 500m3/s，则三者工况预泄至 21.5m 所需时间分别为 19.5h、16.7h、14.1h。结合兴利功能发挥、预泄流量控制等因素，同时保留安全余度，汛期控制运用水位上限值确定为24.5m。根据青山水库流域降雨径流情况，将青山水库汛期细分为梅汛前期（4 月 16 日5 月 31 日）、梅前-梅汛过渡期（6 月 1 日6 月 10 日）、主梅汛期（6 月 11日7 月 10 日）、梅台过渡期（7 月 11 日7 月 15 日）、台汛期（7 月 16 日10 月 15 日）。主梅汛期降雨次数多、雨强大、持续时间长，降雨预报的预见期及准确性均受影响，给汛限水位动态控制带来一定难度，因而汛限水位动态控制上限值维持 23.16m。梅汛前期发生强降雨几率极小，根据 19612020年统计数据，三日雨量超 50mm 降雨仅发生 7 次，且最大降雨三日雨量不超过 150mm。台汛期暴雨通常由台风带来，目前对台风移动路径、降雨量、降雨时间的预报已较为准确，且预见期通常可达 7 天。这两个时期的降雨分布、预报水平等特点，为控制运用水位的动态管理提供了有利条件，从效益最大化角度，汛限水位动态控制上限值设为 24.5m。青山水库正常蓄水位为 25m，汛期控制运用水位上限为 24.5m，因而从非汛期进入梅汛前期，需相应降低库水位。自 4 月 11 日起，加大下泄流量（优先引水发电），至 4 月 16 日逐步降低库水位至 24.5m。确定汛期控制运用水位上、下限值后，按照预报无雨阶段、预泄阶段、拦洪阶段、退水阶段“四阶段”划分，综合考虑雨洪预报、防洪安全、泄流保障、资源利用等因素，通过不同量级降雨的入库洪量分析，研究确定汛期不同分期的汛限水位。3.3 效益分析 采用汛限水位动态控制的方式，可以合理利用水库防洪库容和兴利库容的重叠部分，有效解决防洪和兴利之间的矛盾，充分发挥洪水资源的利用率，增加水库的综合利用效益。同时，可以防范为了兴利而大量蓄水带来的大坝安全隐患、为了防洪而过度泄水带来的供水不足风险，通过不断完善洪水资源的管理措施来提升水库的优化调度能力，兼顾提升防洪、兴利能力。在保证水库防洪安全的前提下，实施汛限水位动态控制可以对洪水资源进行科学的管理，对缓解我国水资源贫乏和水资源供需不平衡等矛盾具有重大的意义1。3.4 风险分析 实施汛限水位动态控制，需要依靠精准及时的气象预报和洪水预报，而预报需要采集流域内水雨情数据，在此基础上进行预报，因此，数据采集仪器的精度、可靠度需要进行分析，考证其是否能满足工作需求。此外，目前对汛限水位动态控制风险影响因子的认识研究有限，水库管理者对于实时情况的掌握程度存在差异，使得汛限水位动态控制过程中不可避免地存在一定风险1。4 结语 为应对日益严峻的防汛形式，水库需科学做好天气预警洪水预报工作，研究科学利用雨洪资源，平衡好防洪和兴利需求，在确保水库大坝安全的前提下，通过汛限水位动态控制来提升防洪和兴利能力是一个较好的选择，但也对水库管理人员以及基础设施的建设提出了更高的要求。中国科技期刊数据库 工业 A-109-参考文献 1陈进佳.汛限水位动态控制及其风险分析D.昆明:昆明理工大学,2017.2陈竽舟,黄宇峰,朱晓莹.东苕溪中上游防洪治理新思路探讨J.浙江水利水电专科学校学报,2019(3):31.3叶萍,蔡红娟.杭州市青山水库防洪标准复核分析J.浙江水利水电学院学报,2015,27(3):4.4李响,郭生练,刘攀,等.考虑入库洪水不确定性的三峡水库汛限水位动态控制域研究J.工程科学与技术,2010,42(3):49-55.