洛河故县水库汛限水位设计与运用研究-论文

1 / 14 洛河故县水库汛限水位设计与运用研究（王玉峰 刘红珍 李保国 吴泽宁） 摘要 系统地论述了洛河故县水库汛限水位设计与运用研究的思路和技术架构，根据地区洪水规律，参照国内外设计洪水理论成果，通过对洛河上游暴雨洪水季节特征、分期规律以及洪水的形成及传播规律研究，提出了故县水库的分期设计洪水成果；结合目前黄河下游防洪对策以及小浪底水库建成投入初期运用的情况，围绕黄河下游防洪工程体系的运用原则，重点分析了不同分期故县水库合理的汛限水位，并对水库运行的防洪风险和蓄水效益进行了分析评价，为发挥故县水库的最大综合利用 效益和提高该地区水资源承载能力提供了有力的技术支撑。 关键词 分期洪水 分期点 模糊数学 汛限水位 兴利效益 1 项目背景及目的意义 随着经济社会的不断发展，水资源作为重要的战略资源，供需矛盾日益尖锐，旱涝问题日益突出，对水库的防洪安全与供水保障要求也日益提高。因此，在确保水库防洪安全的前提下，合理调节水库防洪与兴利库容，是提高我国水资源承载能力的有效手段之一。就黄河流域而言，降雨时空分布极不均匀，大量的水资源以洪水形式出现，使得来水与用水存在严重不平衡，汛期大量洪水被迫排泄入海，洪水过2 / 14 后随之而来的是干 旱缺水，既存在洪水灾害严重问题，又存在水资源紧缺问题。因此，开展已建水库的汛限水位研究，确定合理的汛限水位，充分发挥其防洪兴利效益就显得十分必要。 本研究主要是针对洛河故县水库在防洪与兴利中存在的问题，在新的防洪形势和水文条件下，以确保水库防洪安全为前提，合理利用水库防洪与兴利库容，提高故县水库的蓄水能力、雨洪利用率和该地区水资源承载能力，使水库更好地为国家经济建设服务。通过对故县水库汛限水位的研究，使有效利用当地雨洪资源成为可能，这不仅可以减轻洪水灾害，同时也可增加可利用的水资源量，为水资源的可持续利用及 国民经济可持续发展创造条件。 技术路线 在理论与实践相结合的基础上，综合运用流域水文学、水文气象学、模糊数学、洪水风险分析等理论，采用统计分析、随机模拟、调度仿真相结合的多种手段，对洛河故县水库汛限水位进行综合分析研究。研究过程注重理论与实际情况相结合，通过对洛河流域暴雨洪水发生的季节特性和分期规律研究，以及对历史调查洪水和实测洪水的统计分析，提出更合理可靠的分期设计洪水成果，为更好的发挥故县水库的综合利用效益奠定基础。根据分期洪水的研究成果，结合小浪底水库投入初期防洪运用后黄河下游新的防洪形势，突3 / 14 出新思路 、新方法和新技术的应用，充分吸收以往研究成果和经验，重点分析不同时期水库的防洪限制水位，通过多方案分析比较，合理地确定水库的调度运用方式，并对水库运行的防洪风险和蓄水效益进行分析评价，为发挥故县水库的最大综合利用效益和提高该地区水资源承载能力提供理论依 据和技术支撑。 流域及工程概况 域暴雨洪水特性 洛河是黄河 下最大支流，流域总面积 1881年平均降雨量为 600 8007 10 月约占 60%以上，汛期多以暴雨形式出现，往往形成较大洪水。 洛河流域的暴雨分为盛夏经向型和盛夏纬向型，暴 雨次数较为频繁，具有集中、量大的特点。前汛期对故县库区影响较为严重的均是盛夏经向型暴雨，后汛期主要是纬向雨型，前、后汛期暴雨的差异与大气环流季节转换密切联系，分期明显、特征不同，这为有效利用当地雨洪资源奠定了基础。 洛河流域的洪水是黄河中游“下大洪水”的重要组成部分，其洪水主要由夏季降雨所形成，大洪水和特大洪水主要集中在 7、 8 两月，具有峰高量大、历时短、陡涨陡落的特点。就水库来说，前汛期防洪任务较重，后汛期由于洪水峰4 / 14 低量小，其防洪压力明显小于前汛期，这使得有效利用汛期洪水资源成为可能。 故县水库位于洛河上中游河南省洛宁县境内，控制流域面积 570一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电的综合利用水库。水库大坝按千年一遇洪水设计， 遇洪水校核，坝型为混凝土重力坝，坝顶高程 553m，最大坝高 125m，总库容 12 亿 库设计洪水位 常蓄水位 限死水位 495m， 计发展农田灌溉 102 万亩，提供工业供水5m3/s，装机容量 6 万 计年发电量 1。 该工程 1978 年动工兴建， 1980 年 10 月截流， 1991 年 2月下闸蓄水， 1994 年元月通过竣工验收， 1996 年 10 月通过大坝安全鉴定。故县水库是黄河下游防洪工程体系的骨干工程之一，承担着黄河下游及洛河中下游的防洪任务，并为本地区的灌溉、供水、发电发挥着巨大的作用。水库防洪运用分近期和远期两个阶段，近期正常运用汛限水位 510m，蓄洪限制水位 548m，蓄洪库容 期正常运用汛限水位 洪限制水位 548m，蓄洪库容约 目前故县水库主汛期 7 9 月份汛限水位为 524m，距远期正常运用汛限水位 有 右的库容，同时，由于坝址以上非汛期来水较小，如果水库汛期不能多蓄5 / 14 水，汛后经常面临无水可蓄的被动局面，严重浪费了洛河有限的宝贵水资源，不能充分发挥水库设计的灌溉、供水和发电效益，使防洪与兴利产生较大的矛盾。 分期洪水研究 期洪水分期点的选择 分期点的选择是做好汛期分期设计洪水的前提，是研究各分期合理汛限水位的基础。本次应用常规统计方法和模糊数学理论对故县水库的汛期洪水进行了分期研究，并从气象成因等方面进行了论证，全面深入地分析了故县水库汛期洪水的分期特性，合理地确定了水库汛期洪水的分期点。 常规统计分析 实测洪水资料分析：通过对长水站的洪水资料统计分析发现，该站大洪水洪峰多发生在 7 月 15 日至 8 月 5 日之间，洪峰流量大于 000m3/s 的洪水在 7、 8 月份出现频次占 83%，9、 10 月份仅占 17%，实测洪峰在 000m3/s 以上的洪水有 3次，全部发生在 7、 8 月份。这说明峰高量大的洪水只出现在 7 月 10 日至 8 月 10 日之间， 9、 10 月份大洪水发生的几率和量级要小得多，也就是说，从实测洪水资料看故县水库的汛期可按 8 月 10 日为界分为前、后汛期。 实测水量资料分析：通过对长水站 6 10 月逐旬水量的统计分析可知 ， 6 月各旬和 10 月下旬水量均比其它旬显著减小，同时，各旬均值有两个峰分别位于 7 月中旬至 8 月上旬6 / 14 和 9 月中旬至 10 月上旬，两峰之间的低谷为 8 月下旬。也就是说，从旬水量变化看故县水库的汛期可以分为两期，即7月上旬至 8月中旬为第一期，月下旬至 10月中旬为第二期。 历史资料记载和调查洪水考证：根据河南府志、伊洛河流域内 12 个县的县志、水经注释等历史资料记载及调查考证，伊洛河及三花间历代较突出大水记明发生日期或可初步推算出日期的有： 223 年、 1761 年、 1898 年、 1931年等历史洪水。从各次历史洪水洪峰发生日 期看，最早的为1898年 8月上旬洪水，最迟的是 1761年 8月 16 17日洪水，即选择 8 月 20 日作为前、后汛期的分期点是合适的 2。 糊数学理论分析 3， 4 本次主要根据长水站历年 7月上旬 10月中旬逐旬的最大三天水量进行分析，首先将原始资料标准化并计算样本之间的相似系数，组成相似矩阵，进一步改造为模糊矩阵及分类关系矩阵进行具体分类。从分析结果看， 8 月中、下旬之间有一个模糊分界，也就是说分期点可以定为 8 月 20 日。 象成因分析论证 洛河流域的雨季是由大范围雨带进退所决定，从我国雨季的出现时间 看， 5 月上旬起雨带位于南岭附近，下旬到达两湖地区； 6 月下旬至 7 月上旬大雨带主要位于长江流域，并扩张至黄淮地区； 7 月下旬雨带北跳至 34N 以北， 8 月上、中旬达最北位置，洛河流域的暴雨主要发生在这个时期；7 / 14 8 月下旬西副高开始南退西伸， 36N 以南的黄河三花间进入秋雨期，直到 10 月上旬结束。 综合上述分析，故县水库的汛期可按其洪水特性及气象成因不同可分为前、后汛期，选取 8 月 20 日作为分期点具有一定的稳定性，是比较合理的。 分期洪水的峰、量系列由各分期时段内选取的最大峰、量值组成，分期选样适当跨期 但以不超过 10 天为限。资料系列长度为 1951 1997 年共 47 年，年最大及前汛期系列考虑 1898 年历史调查洪水，后汛期考虑 1909 年历史调查洪水。 频率洪水分析采用皮尔逊型曲线，按照目估适线法进行计算。各分期设计洪水成果见表 1，从表中可以看出，前汛期成果与年最大成果接近，后汛期洪水均值约为年最大的60%左右，各频率洪水设计值为年最大的 65%左右，具有明显的分期特征。 汛期防洪限制水位分期控制研究 期防洪运用方式研究 小浪底水库的建成运用，对解决黄河下游的洪水危害将起到至关重要的作用，但对于小浪底到 花园口区间的洪水仍不能完全控制，该区间洪水主要来自伊洛河，因此，故县水库防洪运用的思路应以削减本流域洪水为目标 5。 前汛期 8 / 14 根据故县水库的防洪任务及要求，经过多方案分析，确定前汛期故县水库应同时满足洛河下游及黄河下游的防洪要求。首先按控制泄量不超过 1 000m3/s 运用，当预报花园口洪水流量达到 1000m3/s 且有上涨趋势时，水库关闸停泄； 当库水位达到蓄洪限制水位 548m 时，开闸泄洪，若此时花园口洪水流量仍在 10 000m3/s 以上，控制蓄洪限制水位，按入库流量泄洪，否则根据干支流水库联合运用的退水顺序，按控制花园口 10 000m3/s 运用，直到库水位回落到汛限水位。 汛期 后汛期三花区间洪水相对较小，对黄河下游防洪安全威胁不大，故县水库只承担本流域下游防洪任务，即首先控制泄量不超过 1 000m3/s，同时保证 5 年一遇洪水位不超过正常蓄水位 20 年一遇洪水位不超过 库水位达到蓄洪限制水位 548m 后，水库改变运用方式，按入库流量泄洪或敞泄滞洪运用。 次选定的防洪运用方式与原设计对比分析 原设 计的防洪运用方式是在黄河下游没有防洪要求时，若库水位达到 20 年一遇洪水位，水库开闸泄洪。也就是说，对于仅为洛河流域发生的大洪水， 20 年一遇洪水位 48m 之间的防洪库容不能利用，这个结论显然不尽合理。本次将洛河与黄河下游的防洪要求视为一个9 / 14 整体，把 548m 同时作为满足洛河与黄河下游防洪要求的蓄洪限制水位，这种运用方式能够较好的拦蓄上游洪水，减轻下游洪水灾害。 前汛期 本次拟定了 530m、 532m、 汛限水位方案，各典型调洪计算结果见表 2。从 表中可以看出，汛限水位 5 近正常蓄水位； 20 年一遇洪水位 原设计 年一遇洪水位 548m，比设计洪水位 遇洪水位 校核洪水位 此可见，受正常蓄水位的限制，故县水库前汛期的防洪限制水位最高可达 汛期 后汛期主要受水库正常蓄水位和移民水位的影响，汛限水位最高达 限水位的分析确定 按照原设计要求，故县水库在小浪底水库建成后可转入远期防洪运用，为洛河和黄河下游防洪保留 5 亿 右的蓄洪库容，要使蓄洪库容保持不变，汛限水位抬高后蓄洪限制水位也应相应抬高，但由于大坝溢洪道堰顶高程为 532m，闸门最高挡水位为 548m，抬高蓄洪限制水位必须进行泄洪建10 / 14 筑物闸门的改建。鉴于工程竣工验收及大坝安全鉴定报告均评价 “ 工程施工和设计优良 ” ，现阶段不宜进行工程改建，即蓄洪限制水位受溢洪道闸门高度控制不能超过 时，由于复核后设计洪水的减小，汛限水位适当抬高后不会对下游防洪产生影响。综合考虑，前 汛期推荐 530m 作为防洪限制水位，可增加兴利库容 汛期建议仍采用原设计 为防洪限制水位。 水库防洪调度运用风险分析 险目标与风险因素 6 故县水库汛限水位的抬高，增加了水库兴利效益，但同时也增加了水库防洪的风险。根据故县水库的防洪目标和运用要求，确定保障大坝安全、库区移民和洛河下游防洪安全、库区耕地防洪安全为水库防洪运用风险分析目标。 导致故县水库防洪调度风险的不确定性因素是多方面的，有客观因素，也有主观因素，如规划设计所依据资料的可靠性与代表性，泄水建筑物的泄流状况， 洪水预报手段，调度方案的制定及调度操作实施程序等，这样的不确定因素 非常多。因此，在风险分析中同时考虑导致水库调度风险的所有不确定性因素，几乎是不可能的。本着为确定防洪限制水位提供依据的目标要求，重点选择洪水典型选择、洪水预报误差和水库调度指令滞时等三个方面的不确定性因素，研究水库的防洪调度风险。 11 / 14 7 在水库防洪调度过程中，洪水预报误差和调度滞时是同时存在的，为了反映二者同时作用对水库调度的影响，视洪水预报误差和调度滞时为相互独立的随机变量，将随机模拟的洪水预报误差与调度滞时，以 及随机抽取的洪水典型进行随机组合，模拟生成 1 000 场次洪水过程。 对各场次洪水按相应频率洪水的调度规则进行水库模拟调度，得到各汛限水位防洪目标破坏与否的风险估计结果。对于预报来水为 20 年一遇洪水时，当汛限水位为 524m、 530m 时，水库相应的防洪目标有不同程度破坏，但风险率较低，分别为 预报来水为 5 年一遇洪水时，汛限水位各方案水库防洪运用的目标均未破坏，也就是说，基本不存在风险。 从大坝安全来说，故县水库大坝为混凝土重力坝，坝顶高程 553m，且由于水库在 原设计及校核洪水位下的泄流能力分别为 10 150m3/s、 1280m3/s，比复核后千年一遇、 遇设计洪峰流量 810m3/s、 1000m3/s 分别大 140m3/s、480m3/s，因此，在水库泄水建筑物正常运用的情况下，即使考虑来水过程、洪水预报和洪水调度存在一定风险，大坝的防洪安全也是有保障的。 总的来看，在洪水典型、洪水预报和调度滞时等不确定性因素的共同影响下， 5 年一遇洪水水库调度运用的防洪目12 / 14 标都可以保证， 20 相当于重现期 606 年，防洪目标破坏的风险 率较低，也就是说，故县水库按 530m 汛限水位进行防洪运用是比较安全的。需要说明的是，故县水库防洪调度的风险主要来源于洪水预报，在水库实际防洪调度过程中洪水预报是要进行实时校正的，以使洪水过程的预报误差尽可能减小，因此，上述风险率的计算结果是比实际偏大的。 兴利效益分析 通过对故县水库的兴利效益分析，抬高汛限水位对提高水库的效益比较明显，水库蓄满率明显提高，高到 530m，水库蓄满率提高 30%以上。 从电能指标来看：对于 7、 8 月份汛限水位 524m、 30m 方案，保证出力分别 为 年平均发电量分别为 kWh 、 kWh 和 kWh ，汛限水位不同方案发电量将增加 300 万 kWh 。 从供水效益比较：对于规划灌溉面积 102 万亩，汛限水位 524m、 530