白溪水库预报预泄调度方案探讨.doc

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研究的主要任务白溪水库位于宁波市宁海县境内的白溪中下游官山峡谷地段，距宁海县城29km，坝址集水面积254km2，是一座以供水、防洪为主，兼顾发电、灌溉等综合效益的大（II）型水利枢纽工程。水库于2000年9月经过蓄水安全鉴定后于同年10月18日下闸蓄水。白溪水库建成以来，一直未经受大洪水的考验，而2005年连续受“海棠”、“麦莎”、“卡努”三场强台风洪水考验，暴露了原水库控制运用规则中的一些问题，特别是原调度规则不便于指导水库对面临洪水的实际调度，使水库下游遭受了一定的洪灾损失。利用水库蓄洪或滞洪是防洪工程措施之一。当水库有下游防洪任务时，它的主要作用是削减下泄洪水流量，使其不超过下游河道的安全泄量。预泄调度可以通过短期气象预报的降水情况，有针对性地对水库实行预泄，在台风洪水来临前将库水位预降至汛限水位以下的某一水位，以腾出更多的防洪库容，更好地拦蓄洪水，削减最大下泄流量，提高下游保护对象的防洪能力。待洪峰过后，将库水位蓄至汛限水位，不致于影响水库汛期的兴利功能。本次预泄调度方案研究首先针对20年一遇、50年一遇、100年一遇的设计洪水进行预泄方案研究，分析不同频率的设计洪水合理的预降水位（预泄起调水位）、预泄水量及预泄时间，合理地控制最大下泄流量，以达到更好的防洪效果。同时，为便于水库调度的实际操作，针对气象预报的不同量级暴雨进行预泄方案研究，分析各量级暴雨的不同典型洪水，拟定合理的预降水位（预泄起调水位）、预泄水量及预泄时间，合理地控制最大下泄流量，以达到更好的防洪效果。最后，在预泄调度情况下进行汛后超蓄方案分析。2 预泄调度模型预泄调度模型体现大水大放，小水小放的优点。当短期洪水预报比较准确可靠时，它可以保证预泄的可靠性，防止由于预泄过度导致水库水位难以恢复的消落。经典的预泄模型是根据流域平均汇流时间或者预报模型提供的预见期，确定一个计算预见期，在其它条件允许的前提下，面临时刻的放水等于时刻的预报入流，即 （1）预泄模型是一种折中的非优化调度方式，它没有确定的目标函数，但在调节计算时需要考虑以下条件限制：水库最高水位约束 （2）式中：为时刻水库水位，为时刻容许最高水位。下游安全控制泄量约束 （3）式中：为时刻水库下泄流量，为时刻容许下泄量。水库泄流能力约束 （4）式中：为时刻水库的下泄流量，为时刻相应与水位的下泄能力。泄流变幅约束 （5）式中：为相邻时段下泄量的变幅，为相邻时段泄流量变幅的容许值。图1 预泄调度示意图3 预泄调度规则及控制条件3.1 预泄调度规则及流程图根据以往气象预报的经验，目前宁波地区台风暴雨预见期基本可以达到24小时，因此，本次预泄调度计算以24小时为预见期。当预降水位确定后，预泄水量也就基本确定了，在区间洪水较小的情况下，预泄时间越长，预泄流量就越小，最佳的预泄时间是预泄结束时入库流量与预泄流量基本接近；预泄流量与预泄时间内的入库流量也是相关联的，预泄流量需要抵消入库流量对预泄水量的影响，预泄时间内的入库流量越小，预泄流量就可以越小，则越有利于将库水位降得更低。由此也说明，在入库流量较小的时候抓紧时间预泄对于保护水库安全和减轻下游防洪压力是非常有利的。预泄调度规则及计算流程如图2所示，需要指出的是，调度规则中控制流量1、控制流量2和控制流量3分别反映20年、50年和100年一遇洪水对水库下游的防洪效果及对前童断面的最大补偿调节能力，控泄流量越小，表明预泄调度对减轻下游防洪压力的效果越明显。预泄调度情况下，要根据预降水位试算确定各级洪水对应的控泄流量，白溪水库原调度规则中20年、50年和100年一遇洪水的控制泄量分别为1340m3/s、2100m3/s和2900m3/s；本次试算50年一遇洪水的控泄流量时20年一遇控泄流量取现状调度原则的1340m3/s；试算100年一遇洪水的控泄流量时20年一遇、50年一遇控泄流量分别取现状调度原则的1340m3/s和2100 m3/s。图2 白溪水库预泄调度方案计算流程图3.2 调度控制条件（1）下游防洪控制断面及安全泄量若仅采用白溪干流下游的白溪水文站作为防洪控制断面，水库与下游防洪控制点区间面积较小，不能完全反映下游区间洪水过程。因此，本次洪水调度方案除考虑白溪水文站作为防洪控制断面外，同时拟将控制点下移，考虑到白溪水文站以下至汇合口区间有岔路、前童两镇为重点防护对象，所以选择靠近汇合口的前童作为防洪控制断面。根据前童上下游河道现状断面情况，通过水位流量关系曲线推算，拟定安全流量为1800m3/s。（2）水库最高水位控制水库最高水位控制以小于等于原设计的洪水位为原则，原设计20年、50年和100年一遇洪水分别为173.42m、174.20m和174.30m。（3）预泄时间有效预泄时间指开闸预泄到洪水入库后接近预泄流量的时间，与预泄时间内的入库流量和洪水预见期有关，需要分析计算确定。（4）预泄流量预见期内允许最大预泄流量按下游最低一级防洪目标的允许泄量确定，实际操作时需充分考虑水库至防洪控制断面区间来水情况，预泄能力同时受泄洪建筑物及库水位限制。（5）预泄后的起调水位预泄后的起调水位随着洪水频率的减小而降低，但预泄后的起调水位不能低于溢洪道的底坎高程。4 预泄调度方案分析洪水预泄调度方案分析针对水库设计洪水和不同暴雨量级洪水过程进行求解，运用预泄模型分析各种洪水的预泄时段数、预泄流量、预泄后的起调水位和水库最高控制水位之间的关系，计算过程中考虑下游防洪安全，与区间洪水进行补偿调节。设计洪水频率取P=5%、2%和1%，洪水过程线由三日暴雨产生，洪水起调从峰前第24h开始，汛限水位取170.0m。洪水调度控制条件：对于P=5%、2%和1%的设计洪水，水库最高控制水位分别为173.42m、174.20m和174.30m，预降水位分别按0m5.0m考虑。补偿调节考虑前童断面。不同方案的预泄调度计算结果见表1。4.1 20年一遇洪水对于20年一遇的洪水，如果不考虑预泄，通过调节能控制水库下泄流量不超过1340m3/s，相应前童断面最大流量为1590m3/s。如果考虑预泄，在控制水库最高水位不超过防洪高水位173.42m的情况下，若预降水位1.0m，水库可以控制最大下泄流量不超过1200m3/s，削峰49%，相应下游前童断面最大流量为1450m3/s；若预降水位2.0m，水库可以控制最大下泄流量不超过1070m3/s，削峰54%，相应下游前童断面最大流量不超过1320m3/s。水库预泄起调水位越低，可以控制最大泄量越小，对下游防洪越有利。鉴于20年一遇洪水洪峰相对不大，若继续预降水位，削峰意义不大。如果水库不考虑预泄，虽然可以保证水库自身安全，同时也可以达到下游防洪标准要求，但是当区间发生较水库更大的洪水时，预泄调度可以使水库有较大的防洪库容对前童断面进行补偿调节。综合上述分析对于20年一遇洪水推荐预降水位1.0m为佳，即预泄起调水位169m，预泄流量250m3/s，预泄时间8h，调度过程中控制水库最大下泄流量1200m3/s，最高洪水位不超过173.42m。推荐方案预泄调度过程见图3。4.2 50年一遇洪水对于50年一遇洪水，如果不考虑预泄，水库不能对下游的前童断面实行补偿调节。水库通过调节控制最大下泄流量为2100m3/s，水库最高水位不超过50年一遇洪水位174.20m，相应前童断面最大流量为2340m3/s。 如果考虑预泄和补偿调节，在控制水库最高水位不超过防洪高水位174.20m的情况下，若预降水位1.0m3.0m，水库可以控制最大下泄流量分别不超过1880m3/s、1590m3/s和1410m3/s，同时下游前童断面最大流量分别为2100m3/s、1780m3/s和1655m3/s，较不预泄情况下分别减小前童洪峰流量240m3/s、560m3/s和685m3/s。从以上结果可以很明显的看出预泄调度的效果，随着预降水位的增加，水库控泄流量减小，可以降低前童断面的洪水位，预降3.0m的方案效果较好。当水位预降4.0m时，水库可以控制下泄流量不超过1340m3/s，削峰54%，下游前童断面最大流量1650m3/s，比不预泄减小690m3/s，效果与预降3.0m的方案相差不大。因此，若按1800m3/s作为前童断面的安全流量，预降3.0m能将下游前童镇防洪标准提高至50年一遇，推荐该方案最佳，而且对下游水车断面的防洪极为有利。即预泄起调水位167m，预泄流量500m3/s，预泄时间12h，调度过程中控制水库最大下泄流量1410m3/s，最高洪水位不超过174.20m。推荐方案预泄调度过程见图4。4.3 100年一遇洪水对于100年一遇的洪水，如果不考虑预泄，水库不能对下游的前童断面进行补偿调节。水库通过调节控制最大下泄流量为2900m3/s，水库最高水位不超过100年一遇洪水位174.35m，相应前童断面最大流量3190m3/s。 如果考虑预泄，在控制水库最高水位不超过防洪高水位174.30m的情况下，若预降水位1.0m5.0m，水库可以控制最大下泄流量分别不超过2800m3/s、2550m3/s、2410m3/s、2380m3/s和2360m3/s，相应下游前童断面最大流量分别为3060m3/s、2785m3/s、2630m3/s和2600m3/s，较不预泄情况下分别减小洪峰流量130m3/s、375m3/s、560m3/s、590m3/s和610m3/s。从以上结果可以看出，水位预降4.0m时，预泄效果较明显。当水位预降5.0m时，水库的削峰和防洪效果与预降水位4.0m的方案相差不大，这是因为随着库水位的下降，水库的泄流能力减小，当入库流量急剧增大时，水库难以在24小时的预见期内将库水位预降至更低水位。因此，100年一遇洪水预降4.0m方案为佳，既保证水库安全，同时也减轻了下游防洪压力。即预泄起调水位166m，预泄流量650m3/s，预泄时间12h，调度过程中控制水库最大下泄流量2380m3/s，最高洪水位不超过174.32m。推荐方案预泄调度过程见图5。表1 设计洪水预泄调度方案成果洪水频率(%)洪峰流量(m3/s)预降水位(m)起调水位(m)预泄时间(h)预泄流量(m3/s)预泄水量(万m3)水库最大下泄流量(m3/s)水库最高水位(m)前童断面最大流量(m3/s)前童断面最高水位(m)5235101700001340173.44159035.16116982473201200173.42145034.982168103386351070173.42132034.80316712426950960173.42121034.664166124701270890173.42114034.565165125331585860173.42111034.522293901700002100174.23234036.16116983103201880174.20210035.842168104116351590174.20178035.413167124999501410174.20165535.2541661256812701340174.20165035.2451651264115851330174.20163035.211333901700002900174.35319037.29116983563202800174.32306037.112168104716352550174.32278536.753167125679502410174.32263036.5441661265012702380174.32260036.5051651271315852360174.32258036.485 汛末超蓄方案研究5.1 汛末超蓄的意义及风险根据浙江省大中型水库调度运用计划编制技术规定（试行稿）关于拦洪水尾巴短期超蓄运用问题的规定：凡水库具有可靠的预泄手段、气象预报，并有一定的预见期，能够在下次洪水来临前，按下游组合流量不大于河道安全流量将超蓄水量泄空的，可以考虑短期超蓄。汛后超蓄在汛末抬高了汛限水位，可以增加水库供水和发电效益；但是超蓄减少了防洪库容，必然加大了防洪风险，因此，有必要对汛后超蓄的风险性进行分析。要避免汛末超蓄带来的风险，首先要有准确的气象预报和足够的预泄时间；其次水库要有可靠的预泄手段。根据对以往气象预报的经验，目前台风暴雨预报已能达到一定的精度要求，同时预见期基本可以达到24h。那么，汛末超蓄的风险大小取决于水库在预见期内能否将库水位降至合适的位置，即不同超蓄水位方案在不影响下游安全情况将水位预降至汛限水位所需要的时间长短。5.2 考虑预报预泄调度的汛末超蓄方案研究超蓄后可能发生的洪水按设计洪水进行汛后超蓄方案风险分析。考虑水库淹没影响，初拟超蓄水位171m、172m、173m三个方案。可能的入库洪水分别为20年一遇、50年一遇和100年一遇设计洪水，预泄调度方案中对各频率设计洪水推荐的起调水位分别为169m、168m和166m。预见期24h，各方案超蓄状态下预紧急预降水位调度结果见表2。从表2可以看出，随着超蓄水位的抬高，要保证水库和下游安全所需预泄的水量也随之增加，相应的预泄流量亦增大。超蓄水位为171m、172m和173m时最大预泄流量分别为724m3/s、792m3/s 和855m3/s，即使考虑区间洪水也基本不会超过前童断面的安全泄量。三个方案预降水位所需的最长时间分别为12h、14h、16h，均在预见期24h以内，但时间越长，风险越大。若按开一孔闸门泄水，最大下泄流量不会对下游造成较大影响，将库水位降至170m所需要的时间更短。三个超蓄方案对应的最大预泄流量相差并不是很大，且基本能在下次洪水来临前预降水位至汛限水位或更低，因此，推荐汛末超蓄水位172m为佳。表2 汛后超蓄方案预泄调度结果入库洪水频率（%）超蓄水位（m）超蓄水量（万m3）预降水位（m）起调水位（m）预泄时间（h）预泄流量（m3/s）水库最大下泄流量（m3/s）水库最高洪水位（m）前童断面最大流量（m3/s）51713442169103511200173.421450172692312431173104641449921713443168125051590174.201780172692412590173104651465811713445166127242380174.32260017269261479217310467168556 结论和建议6.1 结论通过本次洪水预报预泄调度研究，有如下结论可供参考：（1）白溪水库初步设计阶段虽然考虑白溪水文站作为下游控制断面，但由于水库坝址白溪水文站的区间面积小，未进行补偿调节计算。水库分三级控制最大下泄流量，对频率为5、2、1的三级洪水进行控泄，对下游防洪起到了一定的削峰作用。（2）水库已经建成，各种设计水位不宜变动，要考虑与下游较大区间洪水进行补偿调节，受到了一定的限制。若采取有效的预泄手段，则可以对区间洪水进行补偿调节，并且能够进一步减小最大下泄流量，起到比原设计更好的防洪效果。（3）考虑预报预泄可以适当抬高汛末拦蓄水位，不仅可以增加水库供水量，同时可以增加发电效益。但必需注意的是在下一场洪水入库之前，将库水位尽快降至防洪限制水位。6.2 建议无论水库遭遇稀遇洪水，还是汛末超蓄，都要做好预泄调度，而要完成好预泄调度，需要做到以下几点：1、落实防汛昼夜值班制度，保证24小时有人值班，及时监测和收集气象预报，注意天气动态；发挥水库已有通讯设施的作用，加强水库水情自动测报系统的维护管理，确保水情信息的畅通，并实时监控水情雨情，并准确预报水库洪水情况。2、降水预报不仅要准确预报暴雨量级，而且还要对暴雨强度进行较准确的估计。在暴雨量相同的情况下，暴雨强度对形成的洪峰流量大小也有至关重要的影响。同时，对暴雨前期的降雨情形作必要分析，进而估算扣损量。3、降水预报在预报准确的前提下要尽可能增加预见期。预见期的长短对于预泄来说是非常重要的，预见期短则无法对洪水大小进行较准确地分析，如果遭遇的是大洪水则可能没有时间将库水位预降至较合适的位置；预见期长则有足够的时间对洪水进行准确分析，同时有足够的时间将库水位降至合适的位置，预泄流量亦不会太