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五强溪水库汛期水位动态控制运用研究
彭才德
( 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院, 长沙410014) 　

关键词: 汛期限制水位预报预泄分期调度水库控制运用五强溪水库
摘要: 沅水的洪水特性分析与降低五强溪水库汛期限制水位的防洪作用及其对电站的影响分析表明, 五强溪水库主汛期防洪限制水位由设计的98m降低到94-96m运行, 对电站的发电运行有较大的影响, 而所能增加的防洪作用有限。计算表明, 经过预报预泄在洪水预见期内可将五强溪水库起调水位降低3-5m, 可起到同样的防洪作用。为此提出, 在实际运用中应结合气象水文条件并考虑预报预泄措施, 对水库实行分时段汛期水位动态控制运用, 这样可更好地协调防洪与发电的矛盾。
五强溪水电站位于沅水下游沅陵县境内, 坝址控制流域面积83800km2, 占沅水流域面积的93%, 坝址多年平均流量2040m3/s, 年径流量643亿m3。工程开发任务以发电为主, 兼有防洪和航运等综合效益。水库正常蓄水位108m, 相应正常蓄水位库容30.5亿m3, 设计预留防洪库容13.6亿m3, 防洪限制水位98m, 设计预留时间为5月至７月, 与凤滩水库设计预留的防洪库容2.8亿m3联合运用, 在下游尾闾河道安全泄量 0m3/s条件下, 可将沅水下游尾闾地区的防洪标准提高到20年一遇。大坝10 一遇设计洪水位111.62m, 100 一遇校核洪水位114.70m。电站装机容量120万kW, 保证出力25.5万kW, 多年平均年发电量53.7亿kWh。枢纽主要建筑物包括大坝、 发电厂房、 泄洪和通航建筑物等。大坝为混凝土重力坝, 坝顶高程117.5m, 最大坝高87.5m, 坝顶总长724.4m。溢流坝段总长249.75m, 设9个开敞式溢流表孔、 1个中孔和5个底孔。表孔堰顶高程87.80m, 弧门尺寸19×23.3m( 宽×高) , 中孔进口底板高程76m, 孔口尺寸为9×13m, 底孔尺寸3.5×7m, 进口底部高程67m。船闸布置于左岸岸边, 厂房布置于右岸坝后。
1沅水洪水特性分析
沅水流域属亚热带季风气候区, 气候温湿多雨。一般每年3月下旬到4月初, 沅水流域各地陆续进入雨季, 先后发生暴雨。由于高空低槽、 低涡、 切变线等西风带系统和地面冷锋或静止锋的作用, 6月至7月份常发生大面积、 长历时、 高强度的暴雨, 形成本流域大洪水。如1969年、 1970年、 1995年、 1996年、 1998年、 1999年大洪水等。1766年、 19 等历史大洪水也大多发生在6月或7月。五强溪坝址1925至1999年( 缺1945年, 1946年) 年最大流量各月发生频次见表1。从表1可见, 5月至7月份发生大洪水的次数占总数的80.8%, 6月至7月份发生次数占总数的61.6%, 且洪峰流量大于30000m3/s以上的大洪水大都发生在6月至7月( 见表2) 。
表1五强溪年最大洪水各月发生情况表
项目
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
合计
出现次数( 次)
4
14
20
25
8
1
1
73
出现机率( %)
5.5
19.2
27.4
34.2
10.9
1.4
1.4
100
注: 统计年份为1925年至1944年, 1947年至1999年。
表2五强溪坝址不同流量各月发生情况表
洪峰流量( m3/s)
各月出现某洪峰流量的次数/次
5月
6月
7月
8月
9月
10月
≥30000
0
2
6
0
0
0
≥25000
0
4
8
1
0
0
≥ 0
0
7
13
4
0
1
注: 统计年份为1925年至1944年, 1947年至1999年。
由于季风进慢退快, 导致8月前后洪水特点有较大差别, 6月和7月的洪水一般峰高量大、 历时长, 洪水过程多呈复峰型; 进入8月以后的洪水, 一般峰高量小、 历时短, 洪水过程多呈单峰型。
2水库洪水调度方案
沅水水量丰富, 年径流量达643亿m3, 在长江各大支流中仅次于岷江, 且汛期洪水峰高量大, 来势凶猛, 因而五强溪水库设计预留的13.6亿m3防洪库容作用有限。由此, 设计拟定的五强溪水库防洪调度原则为: 在库水位108ｍ以下, 按满足尾闾防洪要求调度, 即五强溪水电站为下游拦洪, 控制尾闾河道流量不超过 0m3/s, 防洪标准相当于20年一遇; 当库水位达108ｍ后, 按大坝防洪要求调度, 即超过20年一遇的防洪标准后, 五强溪水库不再为下游专门拦蓄洪水, 水库按来量控制下泄。
沅水支流酉水位于沅水流域的北面, 凤滩水库位于酉水的下游, 坝址控制流域面积17500km2, 占酉水流域面积的95.1%, 其设计的防洪任务主要是配合五强溪水库为沅水下游尾闾地区防洪。根据流域暴雨的走向, 对同一场洪水而言, 酉水流域暴雨形成的洪水洪峰一般先于干流浦市以上降雨形成的洪峰到达沅陵。另外, 由于凤滩水库洪水直接泄入五强溪水库, 经过五强溪水库调节后, 对于一次洪水过程, 起关键作用的是洪量, 而不是洪峰。因此, 凤滩与五强溪联合防洪调度应立足于使酉水洪峰尽快经过凤滩大坝, 并在五强溪下游允许泄量情况下尽快泄放, 不宜过早拦洪, 以腾空库容迎接后续洪水的到来。
3降低五强溪汛限水位的作用及其对电站的影响
1996年大洪水后, 湖南省政府有关部门从防洪角度出发, 规定五强溪水库主汛期防洪限制水位由设计的98m降低到94m至96m运行, 对电站的发电运行有较大的影响, 而所能增加的防洪作用有限。
3.1降低汛限水位增加防洪库容的有效性分析
五强溪水电站的泄洪建筑物、 水轮机组的额定水头等都是按设计确定的汛期限制水位98m条件设计的, 五强溪溢洪道堰顶高程87.80m。如降低汛限水位, 因堰顶水头降低, 相应泄洪能力降低, 当五强溪汛限水位由98m降至96m、 94m时, 总泄流能力大幅下降, 分别下降了3489m3/s和6495m3/s( 见表3) 。
表3五强溪水库降低汛限水位相应泄洪能力情况
汛限水位( m)
9表孔+5底孔+中孔泄流量(m3/s)
增加调洪库容( 亿m3)
98
14716
0
96
11227
1.8
94
8221
3.48
注: 表中未包括发电流量, 每台机组的额定发电流量为627m3/s( 共5台机组) , 调洪计算中考虑留有一定余地, 平均按2500m3/s计。
对五强溪水库20年一遇、 50年一遇和1 一遇洪水情况按最大控制泄量( 削峰率相同) 分析不同汛限水位对最高调洪水位的影响, 结果列于表4。
表4五强溪水库调洪成果

洪水标准
最大控制泄量(m3/s)
不同汛限水位下的最高起调水位/m
( 与设计的差值)

98m(设计)
97m
96m
94m
20年一遇
0
107.99
107.96
107.94
107.92

0
-0.03
-0.05
-0.07
50年一遇
26000
108.97
108.95
108.95
108.94

0
-0.02
-0.02
-0.03
1 一遇
28000
110.64
110.63
110.63
110.63

0
-0.01
-0.01
-0.01

由于沅水洪水来势迅猛, 大洪水历时长( 可达7日至11日) 且多为复峰, 洪量大( 实测记录中五强溪7日洪量最大119亿m3, 11日洪量最大为154亿m3) , 五强溪水电站应主要是防洪削峰、 错峰, 而不是以拦蓄洪量为主。由于受制于水位低时泄洪能力严重不足, 大洪水时因降低汛限水位而增加的防洪库容大部分为无效拦洪( 可由河道安全下泄) , 对整场洪水的调节作用很有限。分析表明, 降低汛期防洪限制水位至98m以下, 对于 一遇以下的中小洪水有一定的蓄滞洪作用, 而对于20年一遇及以上洪水的作用不大。如发生20年一遇以上的大洪水、 特大洪水, 降低汛限水位到96m至94m基本不影响水库最高调洪水位; 而对于一般的小洪水, 对防洪虽有一定的作用, 但此种情况无需水库降低汛限水位即可满足要求。
3.2降低汛限水位不利于发电机组的高效稳定运行
五强溪水电站设计选定的水轮机额定水头为44.5m, 设计考虑在汛限水位98m时机组满出力基本不受阻, 如汛限水位从98m降至96m, 电站机组容量受阻8万kW; 水位从98m降至94m, 电站机组受阻容量达16万kW, 使汛期发电量损失较大。而且汛限水位过低, 发电机组长时间处于低水头、 高耗水率的运行区, 不但发电损失较大, 还会使机组空蚀、 振动加剧, 影响机组的安全稳定运行。
4五强溪汛期限制水位动态控制运用
4.1水情自动测报系统
五强溪和凤滩水库的水情自动测报系统建于1995年和1993年, 控制了安江至五强溪26000km2和酉水17500km2流域面积, 占五强溪以上流域面积的52%, 共建遥测雨量站70个、 水位雨量站13个、 中继站8个、 中心站2个, 实现了雨水情遥测、 水情联机预报和水库调度方案联机制作等功能。经过近 的实际运行检验, 各系统的畅通率大于96%, 水文预报合格率大于92%, 系统反应速度为8min, 可满足实施调度运行要求, 在20世纪90年代的几次大洪水调度中发挥了关键作用。水情自动测报系统为五强溪水库实施预报调度和汛期水位动态控制运用创造了条件。
4.2预报预泄能力分析
由于暴雨分布不同, 洪水大致可分为中上游型、 中下游型、 全流域型等类型。四种类型洪水的预见期分析和五强溪水库的预泄能力估算见表5。计算表明五强溪水库具有很强的预泄能力, 当遇到上游型、 中上游型、 中下游型和全流域型大洪水时, 具备在洪水预见期内经过预报预泄将起调水位分别降低约3~5m的能力, 能够起到降低汛限水位的防洪作用。
表5五强溪水库的预报预泄能力估算表
洪水类型
上游型
中上游型
中下游型
全流域型
洪水预见期(h)
17
12
6
10
平均预泄流量(m3/s)
11400
12600
14400
13200
入库基流(m3/s)
3000
3000
3000
3000
平均可预泄流量(m3/s)
8400
9600
11400
10200
可预泄的水量(亿m3)
5.14
4.15
2.47
3.67
可达到的起调水位(m)
92.6
93.6
95.4
94.1

因此, 利用建立的水情自动测报系统, 在预报将发生较大洪水的预见期内进行预报预泄, 能够有效地降低实际的起调水位, 取得较大的综合利用效益。但在实际运用中要根据当次洪水的预报成果慎重决策预泄汛限水位以下库容的程度, 以避免水库回蓄困难。要着重注意如下几点:
( 1) 当预报预测未来可能有特大暴雨时, 能够采用预泄腾空库容, 适当降低库水位( 至设计的汛限水位以下) , 而不宜不论天气状况与水情趋势, 硬性要求降低水位。
( 2) 由于每年的雨季开始和结束时间或早或迟, 应根据流域的水文气象统计规律和中长期天气预报, 结合水库的预泄能力, 适时地分期抬高水库运行水位, 拦蓄洪尾。
( 3) 流域水文气象特性在时间和空间上具有较大的差异, 应根据分期洪水特点确定汛期控制水位与时段, 动态控制运用。
( 4) 雨水情瞬息万变, 宜建立分级调度机制, 以尽量提高调度的实时性和预见性。
4.34、 5月份水库控制运用水位
1925年以来的实测水文资料表明, 5月份多为中、 小洪水, 大洪水发生时段主要是6、 7月份( 占85%以上) , 历史上出现的大洪水也都在6、 7月份。根据史志文献查阅考证及历史洪水调查与实测资料分析, 自1189年以来, 沅水出现40000m3/s级的特大洪水有日期记载的共5次( 1189年、 1571年、 16 、 1766年、 1996年) , 都出现在6月中旬至7月中旬, 多为全流域性洪水; 20世纪内出现30000m3/s以上的大洪水共10次( 19 、 19 、 1926年、 1931年、 1933年、 1935年、 1995年、 1996年、 1998年、 1999年) , 也都出现在6月中旬至7月中旬。因此沅水流域防洪的重点是6、 7月份。
因为5月底以前沅水洪水大都在 0m3/s以下, 小于沅水尾闾安全泄量( 20500m3/s至24000m3/s, 洞庭湖二期治理全面完成后为23000-26600m3/s) ; 4月份洪水出现机会更少, 量级也更小。而且该时段一般不与长江洪水遭遇, 受洞庭湖水位顶托影响较小, 安全泄量较大, 防洪形势相对缓和, 有时该时段还会出现较长时间的降雨间歇期, 如1999年和 的5月份均出现长达半月无雨期, 电站将因缺水而影响正常运行。故从防洪和发电统一考虑, 该时段能够适当抬高水库运行水位。因此, 初汛期4月份可不考虑限制水位运行( 设计汛期限制水位也不包括4月份) , 水库可在108m以下任何级水位运行, 以利于发电调度; 5月份则可考虑留有一定的防洪调蓄余地, 考虑抬高水位至102m左右运行, 但在5月底以前应将库水位逐步消落至98m。在实施调度中, 还可根据气象水文预报, 如城陵矶水位较高或预报将有较大洪水发生时, 听从省防汛指挥部统一调度, 在入库洪水到来之前, 经过预报预泄在短时间内降至98m及以下水位。
4.4、 6、 7月份水库控制运用水位
沅水流域位于北纬26°～30°、 东经107°～112o, 在长江梅雨锋系的主要雨带之中, 因而常出现范围广、 强度大、 历时长的暴雨。梅雨环流形势的共同特点是500hPa高纬度地区存在阻塞形势, 在东亚东经110°附近有梅雨大槽, 而西太平洋副高与青藏高压分别在其两侧, 梅雨的稳定和强弱与西太平洋副高( 脊线) 的位置有密切关系, 梅雨一般出现在6月中旬到7月中旬, 最早6月初开始, 最迟7月下旬结束, 一般每年最后一次梅雨形成该年的最大洪水。500hPa图上西太平洋副高( 在东经115°～120°) 的位置, 在北纬25°以南时多雨, 6月平均在北纬20°附近, 第一次到达此位置时叫”入梅”, 稳定跳出北纬25°叫”出梅”, 即梅雨季节结束, 主雨带移至黄淮和华北。沅水流域出现大面积强暴雨的一个重要条件, 就是西太平洋副高位于北纬20°～25°, 春夏之交西太平洋副高第一次到位时间为6月初到中旬。如果热带环流很强或高纬度阻塞高压较弱, 梅雨季节会提前结束, 或出现”空梅”, 即没有大的强暴雨, 将可能出现干旱。
沅水流域防洪最危险的洪水是梅雨洪水, 长江梅雨锋系是其主要成因, 这类洪水多为峰高量大, 且容易与长江干流洪水遭遇。沅水汛期洪量占湘、 资、 沅、 澧四水洪量的45%至55%, 近代的六个大水年中都与长江干流洪水严重遭遇。
从以上分析能够看出: 沅水6-7月份进入主汛期, 洪水峰高量大, 并常与长江、 洞庭湖洪水遭遇, 因防洪形势严峻, 水库需控制在汛期限制水位98m运行, 并可考虑结合预报预泄措施, 从而达到进一步降低起调水位的目的。
还应强调的是, 对于7月份的水库调度非常关键, 7月份水情复杂多变, 一方面是大洪水出现的主要时期, 另一方面又是洪枯期的过渡月份, 对于来水较枯的年份, 如7月份水库不蓄水, 8月份水库就难以蓄满或者无水可蓄, 对电站枯水期出力影响很大, 需灵活掌握蓄水时机。如前述分析能够看出, 大凡沅水在7月下旬发生大洪水, 必是长江梅雨期延长, 长江上、 中游洪水遭遇, 因而在长江和洞庭湖7月份的水位水情上都会比较明显地表现出来, 天气形势500hPa图上西太平洋副高压脊的位置在北纬25°以南, 实际发生于7月下旬的如1931年、 1954年和1998年等均属于此类情况。对于这类洪水, 在7月中旬从当时的水情和天气形势是基本上能够认识或预料的。还有一部分干旱年, 属于”空梅”或梅雨季节提前于7月上旬结束的情况, 如1941年、 1956年、 1959年、 1961年、 1972年、 1978年、 1981年、 等年份, 在500hPa图上西太副高已跳到北纬25°以北, 旱象已露端倪, 应考虑提前于7月中旬开始适当蓄水。因此, 7月份情况非常复杂而且特殊, 是五强溪水库防洪发电调度的关键月份, 气象、 水情和水库调度部门应逐日分析和交流情况, 密切监视大范围天气趋势, 监视流域雨情、 水情, 加强通讯, 一旦”出梅”应即决策蓄水。不宜一成不变地控制汛限水位至月底, 而应根据实际情况适时决策, 实行动态控制运用, 以达到趋利避害、 取得电站最大综合效益的目的。
4.58月份及以后的水库控制运用水位
8月开始进入后汛期, 虽然该时段也时有洪水发生, 但洪水量级大多较小, 且持续时间不长, 往往是单峰形, 峰高量小, 而且和长江洪水遭遇不密切, 危害较小。如果为此而延长汛限水位时段, 电站要承受很大的发电损失, 经济上是不合理的, 因而设计上也未考虑限制水位。因此, 进入8月后应加强预报, 及时蓄水。考虑到洞庭湖的总体防洪形势需要以及发电调度蓄水要求, 经综合分析, 8月上旬宜控制在102m左右, 中旬控制在104m至106m, 至下旬可蓄至水库正常蓄水位108m。
5结语
设计确定的水库汛期限制水位是根据多年水文统计规律分析得出的, 是综合性的参数, 实际运用中应结合气象水文条件考虑分时段实行动态控制运用, 可更好地协调防洪与发电的矛盾, 更充分地发挥水库发电、 防洪等综合利用效益, 五强溪电站近几年的实际运行也表明, 实行汛期水位分时段动态控制运用是完全可行的, 且效果显着, 应推广应用。
参考文献
［1］ 林干, 魏敏文, 李侠, 符乐林, 曹希尧, 彭才德等, 湖南省大型水库防洪调度研究［M］, 北京, 中国电力出版社, 。