棉花滩水库动态汛限水位研究初探

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【摘要】水库采用静态汛限水位运行，未充分利用气象预报、水文预报信息，因而不能充分发挥水库的兴利功能。为了提高洪水资源利用率，棉花滩水电站开展了水库动态汛限水位研究，文中介绍了主要研究内容、方法、成果。

【关键词】棉花滩;水库;汛限水位;动态

1、项目背景

国家防汛抗旱总指挥部于2005年5月31日了《水库汛限水位动态控制试点工作意见》（以下简作《意见》），并组织开展了12座试点水库开展汛限水位动态控制研究工作，通过科学研究和行政审批调整了汛限水位或对汛限水位实施动态控制，取得了明显的社会效益和经济效益。基于本公司需求和国家政策支持，公司决定开展此项研究工作。

2、项目必要性和可行性分析

2.1必要性。棉花滩工程以发电为主，并承担下游一定的防洪任务，电站担任电网调频调峰任务。开展此项研究，能够妥善处理防洪与兴利之间的矛盾，在不影响防洪安全的前提下，提高电站的发电效益。

2.2可行性。棉花滩大坝运行状况良好，各项监测指标正常，经安全鉴定为一类坝;公司专门设置一个班组管理大坝、一个班组负责水库调度，人员充足，技术力量较强，制定了完善的规程、制度，管理水平较高;公司建设了水情自动测报系统，运行稳定，洪水预报精度可靠。具备了开展此项工作的基础条件。

3、水情自动测报系统及洪水预报方案评定

水情自动测报系统：评定指标有畅通率、故障次数、误码率。参照有关规定作出硬件指标是否符合要求的评价。各水库均建设了水情测报系统，且运行良好，各种指标均能够达到要求。洪水预报方案：依据《水文情报预报规范（SL250―2000）》，评定指标：确定性系数、洪峰流量场次合格率、峰现时差合格率、洪峰预报时效性系数、洪量场次合格率、水量平衡系数。计算预报误差与允许误差比，据此进行评定，预报精度满足规范要求。

4、设计洪水复核

设计洪水复核是汛限水位复核的基础工作。复核工作按照《水利水电工程设计洪水计算规范SL44-2006》进行。需要注意的是，一、水库蓄水后的坝址洪水资料，应进行换算和一致性处理，以与蓄水前洪水系列保持一致性。二、复核应采用多种方法、多种途径，经过综合分析比较后，选用最为合理的结果作为最终成果。棉花滩水库分别采用上下游站面积内插法、上游站与坝址面积比法、下游站与坝址面积比法三种方法计算，经过误差分析、综合比较，不同的汛期分期洪水分别采用最为合理的计算结果作为最终成果。

5、下游防洪目标设计洪水分析、防洪标准复核

棉花滩水库承担下游防洪任务，由于防洪目标（断面）设计洪水、防洪标准变化，直接影响水库的防洪调度，因此需算下游防洪断面及区间设计洪水，并调查、分析防洪目标防洪标准变化情况。计算坝址、下游防洪断面和区间设计洪水地区组成。根据设计洪水规范按水量平衡原理，水库、下游及区间设计洪水组成分两种情况组合：一、坝址、下游防洪断面发生同频率洪水，区间发生相应洪水。二、下游防洪断面、区间发生同频率洪水坝址发生相应洪水。成果应选用对水库防洪最不利地区组合。下游防洪目标的防洪标准复核，主要复核有无新的防洪工程建成，已有防洪工程是否能够达到原来的设计标准，防洪标准有无变化。

6、汛限水位复核

采用上述的设计洪水复核成果，根据洪水的时间分布规律及当地气象规律，结合数理统计方法，尝试对汛期进行分期，分别对各分期各种频率的设计洪水进行调洪演算，确定各分期汛限水位。棉花滩流域由于暴雨成因的不同，将汛期分为主汛期（前汛期）和次汛期（后汛期）。

7、动态汛限水位研究

7.1确定动态汛限水位上限值。分别采用以下三种方法，并进行综合，确定动态汛限水位的上限。预报调度法：利用洪水预报的洪峰和洪量，在不改变水库防洪标准确保水库及上下游防洪安全的前提下，改变水库洪水调度弃水条件、保坝敞泄条件等判别条件，确定新的汛限水位，作为动态控制上限值，静态汛限水位作为下限值。预泄能力约束法：利用天气预报和洪水预报的预见期，按照洪水起涨到下游安全泄量时库水位必须降至静态汛限水位的要求，预见期内按下游河道安全泄量进行泄洪，确定汛限水位动态控制上限值。上述两种方法相结合：考虑短期洪水预报，在有效预见期内，利用水库的泄流能力，在满足下游防洪安全前提下，根据短期实时洪水预报和降雨预报信息，上浮或下调预见期内的汛限水位，控制汛限水位在规划的可行约束域内。上浮的水位在遭遇设计洪水、流量起涨到下游河道安全泄量时降回到静态汛限水位，以确保水库和下游防洪安全;若预报洪水量级小于设计洪水，则根据预报改变调度判别条件，进行预报调度。

7.2制定动态汛限水位实际操作方案。（1）涨水段动态控制方案。研究实时调度工作中如何具体开展汛限水位动态控制。在涨水段，按照现有调度方案，可以在入库流量小于某限制流量时浮动汛限水位（该限制流量≤安全控制泄量，该值越小则越偏安全），当入库流量大于此限制流量时，使用静态汛限水位控制。对比以下三种操作方案：方案一、防洪效益最大为目标：当已知有降雨发生，则按安全泄量控泄，腾空库容至汛限水位。此法优点是能够确保防洪安全，缺点不能充分利用洪水资源。方案二、弃水最小为目标：有降雨发生，则逐步加大控泄流量至安全控泄流量，库水位逐渐降低。当来水流量等于安全控泄流量时，此时控泄流量亦为安全控泄流量，此时的库水位恰好降至汛限水位。此方案遇到小洪水时能充分回蓄，小洪水是大概率事件，因此节约了水资源，但从防洪角度来说是不利的。方案三、分级差量控制法：洪水涨水是有一定变幅特性的过程，逐渐上涨、逐渐消退的过程，在预报有洪水来临时，逐渐加大泄流至安全控泄流量，在洪水流量达到限制流量（≤安全控泄流量）时腾空库容至静态汛限水位。方案三是方案一和方案二的折衷方案。可根据需要进行过权衡比较，选择合适的方案。（2）退水段回蓄控制。结合拟合退水曲线和预报洪水过程曲线，进行回蓄控制。回蓄水量ΔW=W动-W静，W动和W静分别为动态汛限水位上限值对应的蓄水量、静态汛限水位对应的蓄水量。统计设计洪水各频率区间洪水相应流量退水洪量，可得到退水洪量W退=f（Q退，Qm），其中Q退为退水流量，Qm为洪峰流量。退水段流量应为天然入库流量扣除发电流量后的“净入库流量”，退水洪量也应是扣除发电用水量后的“可蓄水量”。实际工作时，可按照洪峰流量，进行分级差量统计。

8、风险评价

一方面，动态汛限水位方案存在不确定性。编制方案所依据的资料以及方案本身都是存在误差的，如气象、水文、水力、建筑物施工误差、观测资料、风浪影响等。另一方面，动态汛限水位方案应用于生产实际的调度操作存在不确定性。由于实时的洪水都是非典型的一般洪水，不可能完全恪守依据典型洪水过程。调度要符合设计的调度原则，又要根据实际发生而又未能准确预知的洪水，兼顾上、下游的要求，兼顾防洪、兴利效益，适时控制洪水蓄、泄过程。在防洪调度中，受信息采集及传输、入库洪水预报系统、人力管理操作等因素影响，实际调度与设计情况下的精确调度也有一定偏差。汛限水位的影响因素众多，因此需要从多个方面来综合分析论证。（1）设计洪水计算的不确定性影响分析;（2）汛期分期设计洪水和分期汛限水位与水库防洪标准之间的关系分析;（3）不同典型洪水过程的影响分析;（4）水库上游库区移民淹没线的影响分析;（5）水库防洪风险定量分析。

9、结束语

本文所介绍的研究方法，只是在动态汛限水位研究工作中使用较为普遍的方法，并不是全部;所解决的问题是动态汛限水位在技术上的合理性论证，由于水库的防洪调度是法规性很强的工作，研究成果要应用于调度实践，还需要解决法律上、行政程序上的合规性问题。希望本文能起到抛砖引玉的作用。