上犹江水库汛限水位动态控制运用探讨

摘 要：由于水库的调节能力有限，严格按照“汛限水位静态控制法”进行调度运用，一方面造成洪水期水资源没有得到充分合理利用，水资源浪费极大，水库在汛后常不能蓄至正常兴利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常无水可用。文章以上犹江水库为例，分析水库实行汛限水位动态控制的必要性和可行性，以及探讨控制运用方法。

关键词：汛限水位；动态控制；水库运用

前言

水库汛限水位动态控制是指水库在汛期，根据实时雨、水情，利用预报成果，在不降低水库防洪标准，确保水库、上下游地区防洪安全的前提下，按照经科学论证并经有关部门审批的水库汛限水位动态控制方案确定的控制范围对汛限水位进行浮动的调度过程。

水库汛限水位关系到水库防洪安全、发电综合效益高低、地区供水安全保证程度。从发电角度看，汛限水位越高，发电效益越好。从供水角度看，汛限水位越高，城镇工业和生活用水、下游灌溉和航运越能保证。但从防洪角度看，汛限水位越高，意味着水库调节库容越小，对水库的防洪不利。那么如何协调这一矛盾关系？在实际运用中，可通过对汛限水位进行动态控制管理来处理好这一矛盾。

上犹江水库在多年的实际调度中，认真遵照上级防汛指挥部门的调度命令，严格按照批复水库调度规则运行，电站自投产以来已累计发电约100多亿kW・h，同时还一定程度地改善了上犹江防洪、航运、灌溉及城市供水等条件，经济和社会效益显著。但多年运行实践也暴露出以下问题：由于水库的调节能力有限，严格按照“汛限水位静态控制法”进行调度运用，一方面造成洪水期水资源没有得到充分合理利用，水资源浪费极大，水库在汛后常不能蓄至正常兴利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常无水可用。特别是近年来随着社会经济的发展，下游通航和最小生活取水流量正不断加大，综合用水矛盾日益突出。为加强洪水管理，科学利用洪水资源，依照国家防总下发的《水库汛限水位动态控制试点工作意见》，上犹江水库，应当在总结几十年调度经验的基础上，根据当地中小洪水与设计洪水或特大洪水出现的规律，结合水文气象预报信息，充分利用现有水情自动测报、洪水调度自动化、气象卫星云图、计算机网络等现代化先进技术，改变常规的调度方法，实施水库汛限水位动态控制，提高水库重复库容利用率。

1 工程概况

上犹江水电站位于上犹江中游上犹县境内，坝址控制流域面积2750km2，占上犹江流域面积的60%。枢纽是以发电为主，兼有防洪、航运、城市供水和渔业等综合效益的大型水利枢纽工程，总库容8.222亿立方米，正常蓄水位198.4m，相应正常蓄水位库容7.212亿立方米，兴利库容4.71亿立方米。大坝为混凝土重力坝，坝顶高程202.5m，最大坝高67.5m，坝顶总长153m。大坝100年一遇设计洪水位199m，1000年一遇校核洪水位200.6m。枢纽工程主要建筑物包括大坝、发电厂房和泄洪建筑物等。溢流坝段总长80m，设5个溢洪闸门，最大泄量4940m3/s。

水库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，流域各地开始进入雨季，先后发生暴雨。多年平均降雨量1650mm，主要降水集中在4～9月，占年降雨量的70%，其中尤以4～6月最为集中，占年降水量的43%，占整个汛期4～9月的62%。由于降水成因不同，洪水形成差异，4～6月夏汛期主要为峰面降雨洪水，7～9月秋汛期主要为台风降水引发的洪水。最大月降水量517.9mm（1968年6月），一日最大雨量为126mm，三日最大雨量224mm。降水主要为冷锋、气旋、低压、高压边缘、台风、高空低压、切变线及西南低涡等天气系统造成，其中冷锋过境时发生的降水机会最多，气旋所致的降水持续时间最长，量也较多；4～6月南岭静止锋和稳定的切变维持，7～9月从福州至汕头之间登陆而向西北方向移动的西太平洋台风，均会在流域造成强度大、历时长的暴雨，对水库影响最大。

水库流域内径流主要由降水形成，冬季雪水极少。实测多年平均流量为82m3/s，平均径流系数54.6%，径流年内分配极不均衡，4～9月占年总来水量的73.1%，其中4～6月占年来水量48.3%，年平均流量变幅达118.9m3/s，其中1961、1973、1975年为特丰年型，1963、1965、1971年为特枯年型。

水库洪水系暴雨形成，由于降水成因不同，洪水形成差异，夏汛期（4～6月）洪水主要受锋面降水影响，洪水峰高量大，秋汛期（7～9月）主要受台风降水影响，峰量次之。坝址最大洪峰流量3560m3/s，最小流量8.29m3/s。据统计，水库洪峰大于500m3/s的洪水中，径流量大于50mm的大洪水占31.9%，径流量小于20mm的小洪水占13.2%，径流量介于二者间的中洪水占54.9%，因此水库实测洪水以中小洪水为主。此外，锋面雨形成的洪水占60%以上，台风雨形成的占16%，其余24%为其他天气系统降水形成。洪水过程大多陡涨陡落，极不对称，涨洪历时仅达数小时，而退水段可长达七天以上。

水库汛期为4月1日至9月30日。原调度规则中4月1日至6月10日为主汛期，主汛期汛限水位196.50m，相应库容6.426亿立方米；6月11日至9月30日为秋汛期前，汛限水位198.4m，相应库容7.212亿立方米。2003年省防汛抗旱总指挥部对汛限水位进行了调整：4月1日至6月20日为主汛期，主汛期汛限水位195.50m，相应库容6.022亿立方米；6月21日至9月30日为秋汛期前，汛限水位197.7-198.4m，相应库容6.924-7.212亿立方米。

2 水库汛限水位动态控制的必要性

水库分期汛限水位静态控制运行不大科学合理，使水库不能发挥其最大的综合利用效益。从水库静态法控制原理上分析，其应用理念是全汛期始终必须预防设计标准的小概率洪水事件发生，满足水库设计的防洪安全要求，也即是认为汛期水库随时都可能发生大洪水，汛限水位必须严格控制在设计的限制水位以下，才能确保水库及下游安全。这样一来，常造成水库空库迎汛和度汛，后期若未发生洪水，则影响水库蓄水兴利。

上犹江水库历年汛期起止日期变动不大，洪水出现规律较明显，汛期洪水多呈单峰型，遇连续降雨亦有部分双峰型。水库从汛限水位到正常高水位之间库容，汛限水位为195.5m时为1.22亿立方米（若汛限水位为196.5m时为0.79亿立方米），在多年的实时调度中，按照汛期分期的汛限水位，不考虑面临时刻实际与预报的水雨情，只要水库水位超过汛限水位便要弃水，致使一些年份形成“汛期弃水，汛后不能蓄至兴利水位”的局面，洪水资源浪费较大，如果在汛期采用动态控制措施，将此防洪兴利结合库容在两次洪水之间，用于兴利，则所取得的效益是十分可观的。以2000年～2010年的水库调度情况为例（成果见表1），可看出“静态法控制”控制时水量损失及可得用的弃水量。

表1 水库最大可利用弃水分析表

从表1可看出，采用“静态法控制”进行洪水调度，水库来水无论偏丰，或是偏枯，汛末均无法将水流蓄满，即使是2002年分别在6、8月份出现了两次集中降水过程，但汛末库水位仅蓄至196.74m，而后由于10月份的大洪水才使水库蓄满。这也说明库水位从主汛期限制水位到正常蓄水位之间，存在一定的调蓄空间，而且也从另一角度说明主汛期和后汛期之间，不可能是跳跃性的，二者之间应当有一个合理的转换期，而在这个转换期内，可考虑进行库水位动态控制，在这个转换期和相应的空间内，对库水位进行合理调蓄。由此，可提高水库的蓄满率，并能充分利用防洪库容，进一步减少弃水，而用于兴利。

3 水库汛限水位动态控制研究的可行性

3.1 上犹江水库实施汛限水位动态控制的条件

上犹江水库大坝自蓄水运行以来，经历了1961年、1973年、1975年、1992年、1997年及2002年等特丰水年运行，又经历了1963年、1965年、1967年及1971年特枯水年的运行；经受过七次超设计洪水位的考验，其中最高洪水位超过200m的有三次，即200.265m（1970年）、200.245m（1973年）和200.03m（1994年），均未发现异常现象。大坝在一至三轮安全定检中，均评定大坝为一类正常坝。水库现有洪水预报方案在预见期6-12小时内达到甲级。水库泄洪闸门控制灵活，闸门起闭时间短，正常情况下可在10分钟内完成闸门的起闭，水库的泄洪能力极强，预泄能力大，主要受下游河道允许预泄流量约束。具备完善且运行稳定的水库水雨情自动测报、洪水预报调度系统，全流域信息收集到预报方案作出只需10分钟左右的时间。管理机构健全，技术力量雄厚，与上级防汛部门联系畅通，防汛通讯预警系统已建成投运。因此，上犹江水库实施汛限水位动态控制的软、硬件条件是具备的，应当尽快开展研究工作，编制切实可行的水库运行方案并予以实施。

3.2 汛限水位动态控制方法

上犹江水库汛限水位动态控制，可按照主汛期和秋汛期分成两个阶段，那么相应的主汛期水位动态控制的区间可在195.5m～197.7m之间选择，秋汛期则可在198.4m～199m之间选择。

汛限水位动态控制可采用下面的方法：

（1）应用预泄能力约束法，即有效预见期内预泄能力计算的预蓄水位作为动态控制汛限水位上限。这种方式主要受水库的泄洪能力、下游河道的安全泄量和有效预见期等的约束，要求安全性较高，一般不考虑降雨预报信息。

根据历年洪水资料统计分析，上犹江水库洪水主要为二十年一遇以下的频率，约占历年洪水的80%，建库后出现了最大洪水频率约为五十年一遇。那么，根据设计洪水过程，洪水从起涨到出现下游安全泄量1390m3/s的时间约为12～24小时。

按起调水位195.50m，起涨前基流假定为100m3/s，不同的预见期和预泄量，库水位控制情况见表2。从表2可说明，水库在洪水起涨前预泄，可腾出1～2m的库容（约8000万立方米），也即是说，在一次洪水过后，正常情况下可以超蓄1～2m运行，后期视来水情况采用不同方式消落水位，可保证水库安全的前提下，多利用8000万立方米的水量。

（2）预报调度方式及其规则确定方法。其核心是在满足水库本身及上、下游防洪标准与要求的原则下，通过调节不同防洪标准频率设计洪水过程，寻求判断水库遭遇洪水的量级，改变泄流量的判断指标（或称调洪规则）及相应的汛限水位值。以此水位作为汛限水位动态控制约束域上限值，原设计的限制水位为约束域下限值。这种方法要求采用较“坝前水位或实际入流”等判别标准更为超前的参数，作为判别遭遇洪水量级及改变泄流方式的指标，如气象降雨预报、实时的降雨量、累积净雨量及峰前流量等。基于这一特点，水库预报调度方式选择前期信息作为水库洪水的差别指标，就有可能达到提前均匀泄流，需要防洪库容较小的效果。

（3）统计分析法。即考虑年内洪水时序变化规律，尽量使年度预报向实时调度靠近，进行连续滚动确定各时期的控制上限水位。每当汛期发生一场洪水后，要求根据面临时刻以后发生不同频率洪水的规律，随实时高度的进程给出不同的汛限水位动态控制域值。

3.3 汛限水位动态控制方法分析及效益估算

上犹江水库降雨和来水具有较为明显的分期特性，假设主汛期按照目前防汛部门下达的汛期限制水位195.5m为动态控制的下限，以原汛限水位196.5m为上限，秋汛期限制水位动态控制范围仍执行197.7～198.4m，如果汛期在上述分期控制范围内，在每次洪水的退水段通过实施“预蓄预泄”等调度方法动态控制，充分利用该结合库容发电兴利，将取得较大的经济效益，且有利于水库蓄水，提高水库蓄满率。

（1）主汛期一次洪水动态控制发电效益估算。195.5～196.5m之间库容：40.45×106m3，假定基流为100m3/s，耗水率9m3/kW・h，计算的发电量为300万kW・h～750万kW・h，平均为525万kW・h。

（2）秋汛期一次洪水动态控制电效益估算。197.7～198.4m之间库容：28.85×106m3，假定基流为100m3/s，耗水率9m3/kW・h，计算的发电量为210万kW・h～530万kW・h，平均为370万kW・h。

上述估算仅从一个假定作出的，如果通过分析认证，能够提高各分期控制水位的上限，同时为了下游防洪，可适当提高防洪高水位到198.8m，将汛限水位至198.8m之间库容用于下游防洪，并采取相应的科学调度规则，则取得的发电效益将更大。

4 结束语

实行汛限水位动态管理，一是可以少弃水，由于超过正常汛限水位的水不用立即泄洪，可以有效提高单位的经济效益；二是可以抬高发电水头，提高水能利用率；三是由于提高了汛限水位，增加了库容，可以提高预防旱灾的能力。但是汛限水位控制新理念及其假定的科学性需要经过一定时间的实践检验，随着水雨情信息采集系统的全面建设，洪水预报方法研究的发展及气象部门降雨预报精度的提高，相信汛限水位控制理论和实际应用将趋于更加完善。

参考文献

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作者简介：蒙在京，高级工程师，江西中电投峡江发电有限公司水工车间主任，一直从事水工技术管理工作。