（水利工程专业论文）公伯峡水电站施工渡汛研究.pdf

中文摘要 公伯峡水电站施工渡汛研究 摘要 本论文结合国家重点工程项目一公伯峡水电站的建设，以电站建设期施工渡汛为研究重 点，从实施出发，分析黄河上游气候特性和梯级水库群的实际运行状况，对施工渡汛中的主 要问题一洪水流达时间、区间洪水预报、控汛风险、汛期预警、龙羊峡水库在渡汛中的作用 等进行了比较全面深入的研究目的在于提出可用于实际的区间洪水预报方案和调度方法， 为公伯峡水电站施工期建设提供技术支撑。其主要研究成果如下： ( 1 ) 水量传播时间研究。洪水预报的预见期主要由水量传播时间决定，预见期的长短对施1 渡汛方案的制定有决定性作用。通过对贵德、循化、同仁水文站流量资料以及河道特性的分 析研究，得出不同流量在不同河道上的传播时间，归纳出区间洪水和干流洪水在施工期和运 行期的预见期。 ( 2 ) 预报模型和实时校正方法研究。分析公伯峡流域所处地理位置及该流域内的气象特征， 确定产、汇流模型采用超渗产流和瞬时单位线，河道汇流采用马斯京根法，实时校正法由卡 尔曼滤波和最小二乘法组成。 ( 3 ) 渡汛方案研究。分析区间洪水特性和黄河上游梯级运行特点，针对龙羊峡水库实际运行 状况，分析不同状态下的龙库运行方式对公伯峡水电站的施：f ：渡汛影响。通过龙羊峡水库合 理运行方式研究，确定公伯峡水电站渡汛方寨以及提高渡汛标准方案。 ( 4 ) 风险研究。通过对施工渡汛风险的主要因素、区间洪水特性、龙羊峡和李家峡水库的运 行方式等方面的分析和计算，得出龙羊峡水库不同运行方式下的风险率。 ( 5 ) 预警方式研究。围堰和导流洞作为渡汛的主要设施，其没有调节洪水的能力，只能对洪 水起到一定的滞洪作用。通过研究龙羊峡水库的不同运行方式和不同频率的区间洪水，以及 水量传播时间的研究，得出预警方案，当发生超标准洪水时，提前报警使施工损失降低到最 小。 关键词：施工渡汛，洪水预报，洪水调度，风险分析，预警 英语摘要 r e s e a r c ho ng o n g b o x i ah y d r 0 - p o w e rs t a t i o n c o n s t r u c t i o nd u r i n gf l o o dp e r i o d a b s t r a c t c 锄b i 皿e dw i i 山es i 鲫啪tp j t _ g 讲l g b o 】【i a1 9 r d r o - p o w e rs 龇i o nc o n 蛐m 甜o r - c m p h 私i z e d o nc o m ：仉l c 日o nd 面n gf 1 0 0 dp e d o do fp o w 盯s 协t i o nc o 惦仃1 j c n o i lp e r i o d ，t i l ec i i m a 士ec h 珊a c t e ro f 廿1 e u p s h mo f y b i i o wr i v 盯b a s j n 如d 廿l ep r a c d c eo p 删o n s t 勘eo f c a s c a d er e s e r v o 缸a r ea i l a i y 跫d ，s o m e p m b l e m si n 枷c t i 彻d u r i n gf 枷p e r i o ds u c h 丛n 0 0 dp r o p a g 砒i o nt i m e ，i n t e r v a ln 0 0 dd i s c h a 曙e f o r e c a s t ，c o n 咖c t i o n 血k n o o dp e r o dp r e a l a r ma n dl d n g y a n g x j ar e s e r v o i r sf u n c n o no nc o n m l l c t i o n o fg o n g b o x i aa r ea l s os t i 】d i e d ，w 淌曲a i ma tp r e s e m i r 培r e a li n t e r v a lf 1 0 0 df o r e c a s ts c h e m ea n d d i s p a l t c h i n gm e t h o d ，s o 踮t op m v i d et e c h n o i 晒c a ls u p p o r tf 曲g o n g b o 妇ah y d m - p 旧rs 诅i i o n c o 艇血u c t i o np e r i o d t h cl n a i n 删l 乜0 f t t i ep a p e ra n 粘f o n o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nn o o dp m p a g 鲥o nt i m e t h ep r e d i 吐i o np e r i o do f f l o o df o r e c a s ti sd e c i d e db yt h e n 0 0 d p r o p a g 撕0 n 石m c t oa 鲋te x 呲锄d i 乜s h o n e ro r l g e r p l a y 柚i i i l p 0 栅tr 0 1 e i nd e c i s i o no f c o n s 仇虻廿仰s c h c f 眦d u r i r i gn 0 0 d 叫0 d b 丛e d0 n 锄a l y 西n gd s c h a 曙ed a t ai ng u i d c ，x 咖_ t l u a t b n g r c n h y d r o l o 画cs t a t i o n 卸dr i v e rc o u r s ec i l a n 曲e r p m p a g a l i o n 廿m eo fd i 丘b r e md i s c h a r g pi i ld i n b 陀n tr i v e r c o u r s ei sp r e s 锄t e d ，卸dp r e d i 枷o np 耐o do fi n 帆a lf 1 0 0 d ，m a i ns n 铷n o o dd 谢n gc o n 咖c t i o n 锄d o p e r a t j o np c r i o da 诧q u j r c d ( 2 ) r e s e a r c h 佣f o r e c a s tm o d e la n dr e a l - t i m ec o r r c t i o nm e t l l o d s g e o 聊h yp o s i t i o na n d m e 岫o i o g yc h 娜t e ri ng o 咖) 【i aw a t e r s h e da r e 锄a l y z e d ，a c c o r d i n gt o w h i c ht h ee x c e s so f i t i f i l 仃撕o n 卸di i l s _ 【a r i t 醐u sl l i l i th y d r o 脚ha r el 】s e di nm n o f f 卸d 棚u e n c em o d d s ，a r i dm l i s l 【i n g u m m 嘶1 1 9m 砒0 di nr i v e rc o u r 砌i l c e ，k a l m 卸f i l t e r i n g 伯灿i q u e 卸d 】e a s ts q u a r em e 山o di n t - e a l t i i i l ec o n e c 6 蚰 ( 3 ) r e 湖毗o 咖c d 蚰s c h e m ed u r i n gf 1 0 0 f p 酬0 d 脚锄a l y z i n gi n t e m lf 1 0 0 d 如dc 私c a d e o p e 硼彻c t 咖啪t e l m c so ft t l eu p 蛐啪y b l l o wr j v 盯b a s j 也t h ei n n u 蛐c eo fl 0 n 目，a t l g 】【j ar c s e r v o i r o p e l 僦o nm o d ei nd i 疵呦ts 雠瞄o ng 0 n g b o 妇ap o w e rs t a 蛞o nc o n s 廿u 甜o nd 耐n gn 0 0 dp e r i o di s s t l l d i e d t h r o u g hs 协d y i n gl o 啦g a n g ) ( i a 糟s e r v o i rr e a n a b i e 叩啪d o nm o d e ，g o n g b o x i ah y d r o - 舯州e r s 诅t i o n sf 1 0 0 dp e r i o ds c h 锄e 叮l di m p r o v e m e 呲f i o o dp e r i o ds 协池ds c h e m ea 托e s t a b l i s h e di n 山i s p a p e l 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 4 ) r e s 哪ho n 血er i s k o nb a 辨o fa n a l ”i so fm em a i nf 狐o r so fc o 彤；仉l c t i o nr i s k ，i m e r v a l f 1 0 0 dc h a r t e l 郇啪吐o nm o d eo fl o n g y a n 鲥a 觚dg o n g b o ) 【i a 陀r v o i r s ，t h er i s ko fl o n 科锄g ) c i a r e 辩r v o - ri nd i f r e r e n t0 p e r a l i o nm o d ei sc s t i l i l 锄e d ( 5 ) r s r c ho np m a l a i mm o d e 1 1 l em a i nb u i l d i n g so f ”嚣i s i i n gf 1 0 0 ds u c h 船c o f r e r d a m 如d d j v c 商n l 肌c lw i 山o l i tm ec a p a c n yo ff 州n 仃0 lp l a yam i ei nf 1 0 0 dd 咖耐o n b ys n i d y i n go n d i f f b r e mo p e r a t i o nm o d e 锄dd j 丘b r e m m 幢r v a ln o o do fl o n g y 柚g ) 【i ar c s e r v o i r ，丛w e i l 拈t 1 1 en o o d p m p a g 撕o nt i m e ，p 陀a l 删s c h 哪ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a na l 锄i no r d e rt 01 0 w e rc o n s 仃1 l c t j o n i o s s e sw h e nf l o o di si ne x c e s so f 鲥加d a r d k e y s ： c o n s 仃u c t i o nd u r i r 培日o o dp e 订o dn o o df o r e c 鹬t 】 f 1 0 0 dd i s p a t c h i n g n s k 柚a l y s i s p 陀一a l a r i t l 概述 1 概述 1 1 项目背景及研究的目的和意义 黄河是我国第二大河流，蕴藏着丰富的水能资源，黄河上游龙羊峡至青铜峡段，全长 9 1 8 l 【m ，落差1 3 2 4 m ，规划修建大中型水电站2 5 座，总装机容量1 6 6 5 0 肼是全国水电开发的 富矿区己被国家列为重点开发的水电基地。目前，黄河上游已建成龙羊峡、李家峡、盐锅 峡、八盘峡、大峡和青铜峡七座大中型水电站，总装机5 7 3 3 矸，仅占可开发总容量的三分之 o 2 0 0 0 年1 2 月2 日，国家计委明确将黄河公伯峡水电站建设列为国家“十五”计划的“五 大一小”的开工项目之一：1 2 月2 0 日，国务院总理办公会正式通过该水电站的项目建议书。 公伯峡水电站是黄河上游水电滚动开发的第一个项目，优势明显，这座水电站建成投产后的 经济效益和社会效益将十分可观 公伯峡水电站因交通便利，坝区两岸场地平坦、开阔，天然建筑材料丰富，水库淹没损 失小，其建设效益居于国内同类电站前列，计划2 0 0 2 年2 月底实现截流，力争2 0 0 4 年底第一 台机组发电、2 0 0 6 年底实现5 台机组全发电。目前，公伯峡水电站“四通一平”己全部完成， 施工营地建设可基本满足主体工程开工需要该电站的建设不仅可以满足2 0 0 5 年之后西北地 区的电力需求。而且是当前扩大内需的最佳投资领域，对于开发青海省丰富的水电资源、增 加全省经济总量、带动青海省经济发展，促进“西电东送”有很重要的意义。 公伯峡水电站枢纽位于青海省循化、化隆两县交界处的黄河干流上，距西宁1 5 3 k m 。是黄 河上游龙羊峡青铜峡段规划中的第4 座大型梯级电站，总投资6 2 亿元，计划总工期6 年 半。坝址处多年平均流量7 1 7 3 s ，万年一遇入库洪水7 8 6 0 m 3 s 。枢纽主要任务是发电，兼 顾灌溉及供水等综合效益水库总库容6 2 亿_ 3 ，为日调节水库设计装有5 台3 0 万千瓦机 组，总装机容量1 5 0 0 盯，年发电量5 1 4 亿k - h ，属一等大型工程枢纽主要由河床钢筋混 凝土面板堆石坝、右岸为引水发电系统、左岸溢洪道及放空泄洪洞、右岸深孔泄洪洞等部分 组成坝项高程为2 0 1 0 ，最大坝高1 2 7 m 坝顶宽1 0 m ，坝顶长4 2 3 m ，坝顶设1 3 m 高混凝 土防浪墙。 黄河上游已形成龙羊峡与刘家峡两大水库联合补偿调节运行的格局，因此。上游梯级电 站无论从施工还是发电和防洪，龙刘两库联调对梯级水电站的开发和水资源综合利用管理都 西安理工大学工程硕士学位论文 极为有利。公伯蛱电站工程位于多年调节的龙羊峡水库和李家峡水库下游，因此其入库洪水 应由李家峡水库下泄流量过程组合相应的区间洪水求得。公伯蛱水电站施工期当遇到汛期来 水较丰的情况下，施工渡汛方案的确定和决策正确与否，不仅直接影响围堰的安全及其工程 施工的安全而且与工程的工期、投资、施工组织计划关系极大。在汛期，如何获取和利用 降雨信息，进行及时准确的洪水预报，以及充分利用上游龙羊峡和李家峡水库的调节作用。 尤其是黄河上游的“龙头”水库龙羊峡水库的巨大调节能力，在保证其自身安全和梯级 水库群安全渡汛的前提下，合理进行水库调度，确保公伯峡水电站安全施工渡汛是亟待解决 和值得研究的重要课题之一。 洪水的实时调度是建立在洪水实时预报基础上的。洪水调度与洪水预报的精度有密切的 关系，预报的精度越高，则实时调度的风险就越小，反之实时调度要承担比较大的风险。 黄河干流从李家峡到公伯峡的区间流域面积6 8 7 2 k m 2 。在该区间内除有隆务河以外，尚有 六条小支沟一般情况下，区间来水较少但在汛期，除隆务河有较大来水外，区间常出现 短历时高强度的局地暴雨，实测区间洪峰流量达1 2 8 0 m 3 s 。如果区间洪水与干流洪水遭遇， 洪峰流量叠加，将对公伯峡水电站施工防洪安全造成威胁。为了保证施工安全，考虑区间洪 水预报。上游龙羊峡和李家峡水库联合进行干流与区间洪水错峰调度。从区间洪水特性看， 常出现短历时、高强度的局地暴雨所导致的峰高量小的区间洪水，一般历时只有6 小时左右， 它与干流洪水往往是同频或超频组成，不利的组合将对公伯峡水电站工程施工、运行造成威 胁。 鉴于以上情况，对李家峡到公伯峡区间洪水做出准确的预报，并进行干流洪水与区间洪 水的联合错峰实时调度，将为公伯峡水电站的施工、运行具有重要的意义和生产实用价值。 1 2 洪水预报的国内外研究现状和发展趋势 水文预报是利用已有的水文气象资料，对未来河流水情变化进行预测。准确及时的预报 在抗洪抢险、工农业安全生产、充分利用水资源以及发挥水利措施的作用方面有重要意义。 水文预报按预报期可将其分成短期、中期和长期预报三种水文预报按其预报的项目又可分 为径流预报、冰情预报、沙情预报及水质预报。径流预报可分为洪水预报和枯水预报对于 短期洪水预报，是指根据实测降雨资料而得出的预报预见期将随预报方法的不同而异，其 在实用上是十分重要的。一般的短期水文预报常常不能满足生产的要求，需要将预见期加长。 然而，预见期加长了，预见期内的随机因素也增多了，从而预报精度就会降低，两者之间是 有矛盾的，如何协调这一矛盾，也是众多水文学家研究的一个重要课题。 2 概述 洪水的实时调度是建立在洪水实时预报基础上的与洪水预报的精度有密切的关系。预 报的精度越高，则实时调度的风险就越小，反之实时调度要承担比较大的风险。 实时联机预报是当今水文预报的一门综合新技术，是指利用水文遥测系统，实时收集流 域内的雨量和水位等信息并将信息直接输入计算机进行同步数据处理，作出预报这种预 报技术的特点是快速和准确，信息的收集、传递、数据处理和作出预报几乎是同时进行的， 因此增长了以有效预见期同时，由于利用迅速反馈的信息，可对预报进行实时校正，所以 又可提高预报精度 在水文预报系统中，近代流域水文作业系统所采用的预报方法而设置的。流域水文以水 文模拟为手段而建立起来的一种预报流域降雨径流的计算途径。由于模型输入输出量测误差、 模型结构对实际水文现象概括的羞等原因因此预报总可能出现误差。有系统偏差，也有随 机的偶然误差，为消除或降低预报误差，不断地完善和改进预报模型是重要的一个方面，另 一方面，也可以通过某种方法或手段来分析和预测误差的产生和变化规律，对预报模型计算 值进行逐时段的误差校正，或根据预报时刻前的实测值，对预报变量或模型参数进行最优估 值，期望获得预报发布值与即将出现相应的实测值误差为最小的结果，这就是“实时校正” 的概念。它是洪水预报系统的一个重要组成部分，也是现代洪水实时联机预报的一个重要环 节。 公伯峡水电站将建立水情自动测报系统，为进行实时洪水预报提供了条件，洪水预报模 型从六十年代至今得到了长足的发展。 水文模型按建模的技术分为水文物理模型和水文数学模型。流域水文预报模型属于水文 数学模型中的确定性的范畴。六十年代开始，水文学科领域中引进了数学模拟概念，把流域 上实际发生的暴雨洪水产汇流现象分别用数学方程( 如水量平衡、运动方程等) 来表达，并 通过计算机模拟来实现，即把流域上的降雨过程。模拟计算出流域出口断面的流量过程这 就是当前各种近代水文流域模型。目前，世界上有2 多种流域水文模型其中比较著名的 有：澳大利亚气象局模型( c 肼) ，法国海外科技研究办公室的模型( g i r a r d i ) ，日本国家防 灾研究中心的水箱i 、i i 型模型( t n k i 、t a n k i i ) ，罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型 ( i z - s s v p ) ，美国陆军工程兵团的径流综合水库调节模型( s s 腿) ，美国国家天气局的水 文模型( n 船h ) 美国国家天气局河流预报中心的萨克拉门托河流预报中心水文模型( s r f c h ) 一萨克拉门托模型( s a c r e n t o 模型) ，美国的斯坦福( s t f o r d ) 模型，原苏联水文气象中 心降雨径流模型( 删c ) ，意大利帕维亚大学的约束线性模型( c l s ) 和我国的新安江系列模型 西安理工大学工程硕士学位论文 等”“。 模型参数的定量估计是流域水文模型的重要组成部分，这在一定程度上决定了模型的拟 合精度。以往大多采用人工调试，通过人工的预报实践经验来最终判别拟合成果的优劣。随 着电子计算机的出现，从7 0 年代起，开始引进模型最优化参数的推求方法，目前这种途径已 达到实用水平模型参数的率定、优选是指提供给模型的研制者具有代表性的六年输入、输 出资料，调整参数是模型拟合实测资料最好，即达到最优化，并将最优的一组参数确定下 来。陆续出现的拟合方法有：图解显示法、相关分析法和目标最佳拟合法其中目标最佳拟 合法是优选模型参数的最有效方法。目标最佳拟合的准则常常具体化为一个目标函数，并使 其达到最小。通常采用的目标函数有误差平方和准则( 最小二乘法准则) 、误差绝对值和准则、 确定性系数准则和洪峰预报合格率准则四种。在优选模型参数时，必须根据具体情况选用一 种适宜的目标函数。现行的目标最佳拟合法的最优化技术有：概念性水文模型的最优化技术， 常用的有试错法、自动化优选法和人与计算机联合优选法三种；二是回归模型的最优化技术。 无论是线性回归模型、非线性回归模型，还是系统理论模型，一般均用最小二乘法求解模型 中的参数，其拟合优度可由确定性系数来量测。随着计算机的广泛应用，寻优技术也在不断 发展，计算机的自动寻优关键在于模型的数学结构和参数间的相互关系实践表明，解的多 值性和参数间的相关性一直阻碍着这种途径的发展。 关于模型的实时校正，历经半个世纪的发展，见诸文献的方法已经很多。众所周知，流 域水文模型是以水文模拟为主要手段而建立起来的一种流域降雨径流计算方法，由于模型输 入信息的量测误差、模型结构对实际水文现象概括的差距等原因在作业预报时，必然出现预 报值与实测值问的误差( 包括系统误差和随机误差) 。如何消除这些误差是人们一直探讨的课 题。以往多采用人工经验外延误差的方法，有时也能取得较好的效果。6 0 年代初期，在通讯 和自动控制中提出了维纳和卡尔曼( k a l m n ) 滤波技术由于它具有预测、滤波和平滑功能， 在7 0 年代引入水文预报系统，8 0 年代开始在国内也有应用目前又* 起一种自适应滤波模型， 其定义是：在缺乏对象和量测噪声的统计特性“和风的情况下，这种滤波模型能够给出对象 状态变量的精确估计值。它是在利用量测数据进行滤波的同时，不断的对未知的或不确切知 道的系统模型参数和噪声统计特性进行估计或修正以便改进滤波。应用于水文预报中的自 适应滤波模型主要是应用于缺乏资料时，流域的水文模型实时修正“” 1 3 施工渡汛和上游水库洪水调度 水库调度。亦称水库控制运用水库调度工作是根据水库承担的水利任务的主次及规定 4 概述 的调度原则，运用水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下有计划地对入库的天然径流 进行蓄泄，达到除害兴利、综合利用水资源、最大限度地满足国民经济各部门的需要为目的。 它是水库运行管理的中心环节，其主要内容包括：拟定各项水利任务的调度方式；编制水库 调度规程和年调度计划；确定面l 临时段( 月、旬) 水库蓄泄计划及日常实时操作规则等。它 是保障水库安全、充分发挥水库综合效益的最重要的环节。水库调度工作关系到国民经济各 部门的发展，调度得当，其增加的效益十分可观；如果调度失误，将造成十分严重的损失。 因此，水库调度工作具有十分重要的意义 水库调度始于2 0 世纪初，当时由于大量水库和水电站的兴建，促进了河川径流调节理论 的发展，开始应用经验的调度方法( 以实测水文要素为依据) ，利用水库对洪水和枯水进行调 节。1 9 2 6 年苏联莫洛佐夫提出水电站水库调配调节的概念，而后逐步发展形成以水库调度图 为指南的水库调度方法。这种方法至今仍被广泛采用。5 0 年代以来，由于现代应用数学、径 流调节理论、电子计算技术及其实时控制技术的迅速发展。使得以最大经济效果为目标的水 库优化调度成为研究热点之一尤其是以水电站和电力系统以经济运行为目标的水电站水库 优化调度的广泛深入研究，获得了许多开创性的科研成果。并在实际运用中取得了初步效果， 使水库调度理论、方法更趋完善和成熟。应用更加广泛取得的效益十分巨大 在河流上修建水工建筑物，施工期间往往与通航、筏运、渔业、灌j 既或水电站运行等水 资源综合利用的要求发生矛盾。水利水电工程整个施工过程中的施工导流，可以采取“导、 截、拦、蓄、泄”等工程措施来解决施工和水流蓄泄之间的矛盾，避免水流对水工建筑物施 工的不利影响，把河水流量全部或部分地导向下游或拦蓄起来，以保证干地施工和施工期不 影响或尽可能少影响水资源的综合利用施工导流的基本方法，大体上可分为两类：一类是 分段围堰法导流，水流通过被束窄的河床、坝体底孔、缺口或明槽等往下游宣泄；另一类是 全段围堰法导流，水流通过河床外的临时或永久的隧洞、明渠或河床内的涵管等往下游宣泄。 导流标准是选择导流设计流量进行麓工导流设计的标准导流设计流量是选择导流方案。 设计导流建筑物的主要依据 施工前，若能预报整个施工期的水情变化据以拟定导流设计流量，最符合经济与安全 施工的原则。但这种长期预报，目前还不很准确，不能作为确定导流设计流量的依据。 旌工期可能遭遇的洪水。是一个随机事件如果标准太高，不仅增加导流费用。而且可 能因其规模的太大以致无法按期完成。造成工程施工的被动局面 水电站施工渡汛，根据其上游是否己建有水库旋工渡汛可分两种情况： 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 1 )当河流上游未建水库时，水库施工要靠围堰抗御天然洪水，将造成施工围堰的设计 标准高，投资大、工期长等问题。 ( 2 )当上游有水库时，水库施工可以依靠上游水库的拦蓄洪水的作用，削减施工期洪峰， 因此围堰设计标准可以降低。投资小、工期短。在汛期上游水库的调度应积极配合下游电站 的施工完全服从下游电站施工渡汛的要求。 1 4 本研究的主要内容及特点 1 4 1 研究的主要内容 本研究主要是针对公伯峡水电站在施工期如何安全渡汛的关键技术问题进行研究的，其 主要内容包括如下几个方面： ( 1 ) 流达时间研究 流达时间是洪水预报中的一个关键参数。在施工期间。公伯峡水库基本没有回水，从李 家峡到公伯峡大约有7 6 公里，不同的流量级别有不同的传播时间，即流达时间。研究洪水流 达时间，对确定洪水预见期及上游水库错峰调度至关重要。 ( 2 ) 公伯峡水电站施工期洪水预报 针对公伯峡区间流域的地理特征和水文气象条件，结合水情自动测报系统，选择适宜的 产、汇流模型，对公伯峡水电站旌工期洪水进行预报。 ( 3 ) 施工洪水控制方案研究 根据公伯峡坝址施工期渡汛要求，研究龙羊峡水库单库洪水调度和龙、李两库联合洪水 调度，分析不同水文条件及水库运行状态下，龙、李水库错峰调度方案，为公伯峡旅工渡汛 及洪水控制提供决策依据。 ( 4 ) 施工渡汛方案风险分析 施工渡汛的风险主要来自于两方面：导流工程的风险和洪水不确定性风险。这两种风险。 前者是主观风险，后者为客观风险。本次主要研究由客观条件造成的施工渡汛风险 ( 5 ) 施工渡汛决策支持系统开发 为了使本文研究成果便于为公伯峡电站施工渡汛提供实时决策咨询，最终用于生产 实际，本文将开发研制操作简便、界面友善的旆工渡汛决策支持系统，系统包括旄工期洪水 预报子系统和防洪渡汛子系统。 1 4 2 研究的主要特点 6 概述 ( 1 ) 分析了黄河干流不同流量级的传播历时，为洪水预报预见期的估算提供参考， ( 2 ) 结合水情自动测报系统的水文站和雨量站的布设。采用分块产汇流洪水预报模型 并且采用最小二乘法和卡尔曼滤波法两种实时校正技术，用以提高洪水预报的精度。 ( 3 ) 研究龙、李两水库联合错峰调度方案，对公伯峡旆工期洪水控制意义重大 ( 4 ) 施工渡汛决策支持系统，面向工程实际具有报重要的生产实用价值。 1 5 研究的技术路线 根据研究内容，拟定本研究的技术路线如图卜1 所示。 一 图l l 研究技术路线图 ( 1 ) 根据贵德水文站和循化水文站的洪水资料，进行不同流量的洪水流达时间分析， 以此作为洪水预报汇流计算的依据 ( 2 ) 分析李家峡公伯峡流域的地理特征和水文气象条件研究和开发产汇流模型， 利用有限的水文资料，并参照相似流域，确定产汇流模型中的参数，进行公伯峡坝址洪水预 报 ( 3 ) 研究公伯峡水电站施工渡汛方案和龙羊峡水库控泄的方式，结合区间洪水预报 与龙、李两库联合调度，为制订公伯峡电站施工渡汛提供支持 7 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 渡汛方案随主、客观不确定因素的变化，存在一定的风险，不同的风险给施工 带来的危险和收益是不同的影响到施工方案的决策利用科学的方法对洪水风险进行分析， 对决策者把握施工的风险与利益，并科学决策有一定的参考和指导作用。 ( 5 ) 在上述研究的基础上。开发研制公伯峡电站施工渡汛决策支持系统，为施工渡汛 提供实时决策咨询信息，并为决策者提供服务。 8 公伯峡水电站概况及基本资科 2 公伯峡水电站概况及基本资料 2 1流域及公伯峡水电站概况 2 1 1 流域概况 黄河发源于青海巴颜喀拉山北麓各恣各雅山下的卡日曲，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内 蒙古、陕西、山西、河南、山东等九省区，于山东省恳利、利津两县之问流入渤海。干流全长5 4 6 4 i 咖， 流域面积7 5 2 4 4 3 k m 2 。 黄河上游由一系列纵横交错的河流、星罗棋布的大小湖泊、沼泽和草滩，位于高山之巅的冰 川雪源和埋藏于地下的潜水构成了一个完整而复杂的水资源系统，大部分河流穿行于海拔3 0 0 0 4 0 0 0 的高山峡谷之间，河道迂回曲折，流域植被率高水土保持良好，径流比较稳定。温度较 低，蒸发微弱，河流水量丰沛黄河流经星宿海、扎陵湖、鄂陵湖后，沿巴颜喀拉山和积石山之 间的谷地流向东南。当河水绕过积石山，到达四川若尔盖附近，白河、黑河两支流相继汇入，水 量显著增加。河流在此受岷山阻挡折向西北经甘肃玛曲，又回到青海，穿过4 0 i 【m 长的龙羊峡 峡谷后，进入贵德川，经阿什贡峡、松巴峡、李家峡、水地川进入公伯峡。 公伯峡坝址位于青海省循化县和化隆县境内的公伯峡峡谷出口段，距上游贵德水文站大约 1 4 0 6 l 锄，距上游李家峡水电站坝址大约7 6 l 【m 。在坝址上游大约2 2 k 处有支流隆务河汇入。在 坝址下游大约2 5 k 处有循化水文站。公伯峡多年平均流量( 1 9 1 9 1 9 9 0 年) 7 1 7 m y s 。坝址以上 流域面积1 4 3 6 1 9 j 【m 2 ，占黄河流域总面积的1 9 1 。，水量占全流域水量的4 7 ，处于黄河全流域 大面积产流最高和侵蚀模数最小的地区。 2 1 2 工程概况 公伯峡水电站是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中。接龙羊峡、拉西瓦、李家峡之后的第 四座大型梯级电站。枢纽位于青海省循化撒拉自治县和化隆回族自治县交界处，距循化县城2 5 蛔， 距西宁公路里程1 5 3 l 【m ( 直线距离9 5 k m ) 。 公伯峡水电站以发电为主，兼顾灌溉及供水水库正常蓄水位2 0 0 5 m ，正常蓄水位以下库容 5 5 1 0 。3 ，调节库容0 7 5 xl o l m 3 ，为日调节水库。电站装机容量1 5 0 0 h 保证出力4 9 5 5 ， 年发电量5 l | 4 1 0 啊h ，可改善下游1 6 万亩土地灌溉条件库区淹没耕地7 5 8 5 亩，迁移人口 5 3 4 0 人。该工程属一等大( i ) 工程。永久性挡水和泄水建筑物正常运用( 设计) 洪水标准为五百 年一遇，非常运用( 校核) 洪水标准为万年一遇或可能最大洪水，详见表2 1 。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 1公伯峡水电站主要指标表 序号及名称单位数量鲁注 一、水文 l 、藐域面积 全漉域 l 锄2 7 5 2 4 4 3 坝址以上 k r 1 4 3 6 1 9 2 、利用的水文系列年限 长 7 l 3 、多年平均年径流量 x l o l m 32 2 6 4 、代表性流量 多年平均流量 一s 7 1 7 设计洪水标准及流量( p = o 躺) 一s5 4 4 0 校核洪水标准及流量( p ：0 o i x ) 一s7 8 6 0 麓工导流标准及流量( p = 5 ) m 3 s3 5 1 0 现降低为2 0 0 0 5 、洪量 宴铡最大洪量( 4 5 天) 1 0 l m 1 2 3 设计洪量( 4 5 天) l o m 1 6 1 校校洪量( 4 5 天)l o l m 3 2 0 9 二、水库 1 、水库水位 正常蓄水位 2 0 0 5 0 设计洪水位2 0 0 5 0 校核洪水位 2 0 0 8 0 死水位2 0 0 2 0 极陧死水位 1 9 9 5 0 防洪限制水位2 0 0 5 0 序号及名称单位羹量备注 2 、正常蓄水位时水库面积时2 2 3 、回承长度5 3 4 4 、水库容积 总库容( 校桉洪水位以下)l o o 一6 2 调节库容( 正常蓄水位到死水位)l0 i m l0 7 5 死库容( 死水位以下) l o o 一 4 7 5 5 、调节特性日 三、下遣流量及相应下游水位 l 、设计洪水位时最大下谴蠢量t f s5 4 4 0 相应下游水位1 9 0 6 6 2 、校棱洪水位时最大下泄流量 i ，s7 4 9 3 0 公伯峡水电站概况及基本资料 相应下游水位 1 9 0 8 8 3 、电站最大引用流量 f s5 3 3 5 相应下游水位 1 9 0 2 1 4 、正常下游尾水位 1 9 0 0 2 5 、量低尾水位 1 8 9 9 1 四、工程效益指标 装机容量n 1 5 0 0 保证出力 啊4 9 2 多年平均发电量姗h 5 1 4 0 年利用小时数 h3 4 2 6 公伯峡水电站坝址位于已建成投入使用的龙羊峡和李家峡水库的下游，龙羊峡是一座多年调 节的巨型水库总库容达2 7 6 亿一。龙羊峡水电站与下游刘家峡水电站联合运行，将使龙羊蛱下 游的径流分配趋于均匀，不仅可增加公伯峡的发电效益，而且将大幅度消减公伯峡的入库洪水。 李家峡水库只具有日调节性能，调节能力较弱对改变径流的年内分配作用不大。但对短期洪水 具有一定的调节能力，在汛期，利用其进行洪水错峰调度，可以削减公伯蛱的入库洪峰。 公伯峡水电站枢纽主要由河床大坝，右岸引水发电系统，左岸溢洪道，放空泄洪洞及深孔泄 洪洞等组成大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高1 2 7 m ，坝顶长4 2 3 。电站进水口为混凝土重 力坝式，最大高度5 l 4 m ，后岸五条直径8 0 m 的外包混凝土明钢管，厂房位于坝下游右岸岸边， 装5 台单机容量3 0 0 m w 的水轮发电机组，开敞式开关站在右岸阶地上，以四回3 3 0 k v 出现接 入系统( 另预留回) 。泄水建筑物由一个深孔泄洪洞，放空泄洪洞及两个表孔溢洪道，最大泄量 分别为1 8 7 l 一，s ，1 1 9 0m j ，s 和4 3 9 4m s 。 枢纽除导流洞，深孔泄洪洞及放空洞外均为地面工程。主体工程土石方开挖1 0 7 4 7 万m 3 ， 混凝土1 1 8 0 万m 3 ，钢筋钢材4 4 5 万t 工程总工期七年。第五年底，第一台机组发电。工程静 态总投资4 7 3 亿元( 1 9 9 3 年水平) ，单位千瓦投资3 1 5 3 元凰w 2 2 气候特征 从大气环流来看，黄河上游是以高原季风引起的环流系统冬春季受北方冷高压的控制夏 季则主要处于大陆热低压的范围内，盛行气流偏南，水汽含量较多( 主要来自于孟加拉湾) 每 当热带暖湿气团深入遇北方冷气流抬升形成降水当太平洋副热带高压西伸，西风槽东移，在 付高西北侧外缘冷暖气流交汇时。形成西南东北向的切变线，还由于青藏高原的热力与动力作用 产生的低涡小槽造成降水：秋季( 九月) 西太平洋付高减退，蒙古高压形成与扩张但西南部 西安理工大学工程硕士学位论文 因低压槽的存在及冷峰面向南推移遇山势阻挡而形成降水，十月份蒙古高压逐渐扩张增强，降水 随之减少。 从降水地区分布来看，河源地区以玛多站为代表年降水量为2 8 0 ，向下游降水量逐渐递 增，吉迈玛曲区间年降水量6 0 0 m ，最大可达9 6 5 咖自玛曲以下降水量开始递减，唐乃亥 循化区间为黄河上游相对干旱区年降水量在2 0 0 3 0 0 m 之间，循化兰州区间降水量又有所增 加。 公伯峡坝址距循化气象站大约2 5 l 【m ，坝址各气象要素以循化气象站为代表站多年平均降水 量2 6 6 1 ，蒸发能力2 1 8 9 口( 2 0 0 m 蒸发皿资料) ，多年平均气温8 5 ，最大风速2 4 m s 。尖扎、 循化水文站气象要素见表2 2 。 表2 2 尖扎、循化站气象要素统计表 项目尖扎 蕾化 年平均降水量( m ) 3 5 0 ，92 6 61 年最大降水量( ) 5 1 5 5 最大日降水量( m ) 7 5 54 3 2 最长连续降水日数( 天) 1 09 年平均蒸发量( 衄) 2 0 9 22 1 8 9 4 多年平均气温( ) 7 88 5 绝对最高气温( ) 3 4 53 4 1 绝对最低气温( ) 一1 9 8一1 9 9 多年平均相对湿度( 5 0 15 4 最大相对湿度( ) 9 1 0 多年平均风速( _ s ) 2 ，93 3 历年量大风速( “s ) 2 4 02 4 0 年平均日黑时蠡0 i )2 6 2 鳓6 年平均雾日教( 天) 年平均雹日敦( 天)1 7 年平均雷暴日教( 天) 36 4 年最少雷暴日敦( 天) 5 2 年量少霄暴日数( 天) 2 1 年最早雷暴日敦( 月日) 3 2 年量迟置暴日数 1 0 2 6 1 2 公伯峡水电站概况及基本资料 年平均霜日数( 天) 3 1 2 年平均降雪日教( 天) 8 9 年平均积雪日数( 天) 7 6 最早初雪( 月日) 8 1 9 盎晚终雪( 月日) 6 1 0 2 3 径流特性 黄河上游千流主要有黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥、贵德、循化、上诠、兰州等水文站。上 述测站均为国家基本测站。观测系列较长，资料精度较高。本工程以坝址下游2 5 i c 处的循化水 文站为设计代表站。该站建于1 9 4 5 年，1 9 4 6 年开始有观测资料，1 9 4 9 年缺测，根据 黄河公伯 峡水电站工程初步设计重编报告，公伯峡水电站设计时径流计算采用1 9 1 9 1 9 9 0 年7 1 年系列 资料，包括了丰、平、枯三个部分，具有较好的代表性。经频率计算循化站年径流成果见表2 _ 3 和表2 4 。 表2 3 循化站年径流频率计算成果表 各种频率设计值( 隅) l 站名均值 c oc s c v 1 02 0 5 0 7 59 09 59 9 l 循化7 1 7 0 2 429 4 48 5 67 0 35 9 55 0 74 5 93 7 8 表2 4 循化站径流年内分配成果表 月份 7891 01 11 2l23456 i 多年平均流量( f 5 ) 1 4 2 21 2 2 31 3 2 71 0 9 35 7 72 7 82 1 61 9 92 5 93 6 75 9 49 7 8 l 占年水量的百分数( _ ) 1 6 6 h 3 1 5 51 2 96 7 63 32 52 3 3 0 4 36 91 1 5 2 4 洪水特性 黄河上游洪水主要由暴雨形成，洪水涨落较缓，历时较长，一次洪水过程平均4 0 天左右， 洪水一般为单峰型，峰量关系较好，另一种为七月份和九月份各出现一次洪峰的“七九”型双 峰洪水。在实测大洪水中，洪峰出现在七月份的洪水约占3 6 ，出现在九月份的洪水约占3 0 ， 七月份峰型尖瘦，九月份峰型肥胖。公伯峡设计洪水计算成果见表2 5 。 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 5 公伯峡设计洪水成果表 流量：一s ，洪量：亿m 各种频率设计值( p ) 项目均值 co o 0 0 l0 0 5o 10 2l251 02 0 洪峰 2 5 2 00 3 6 4鹋2 07 6 9 07 1 8 06 鹋05 5 2 04 9 9 04 2 8 03 7 3 03 1 6 0 流量 1 5 天 2 7 3 0 3 4417 8 97 4 015 7 35 2 34 5 23 9 73 3 9 洪量 4 5 天 晒1 0 3 342 1 8 41 7 21 6 l1 3 41 2 31 0 79 3 98 0 5 洪量 从区间洪水特性看，常出现短历时高强度局地暴雨所导致的峰高量小的区间洪水，一般历时 只有6 小时左右，它与干流洪水往往是同频或超频的组成。 2 5 水库泥沙 悬移质入库水量：由李家峡水库下泄、支流隆务河来沙及李公区间来沙三部分组成，见表 2 6 。 衰2 - 6 入库悬移质沙量表 入库沙量( l o t ) 来沙组合说明 运行2 0 年 运行5 0 年 李家峡下溏 1 2 61 6 5 根据李家峡水电站初步设计报告 支流隆务河 1 5 9 根据隆务河水文站1 9 5 “1 9 跖年实测资料 李盛区间 4 2 0 根据输沙模数( 丝2 ) 与集水面积推求 合计 57 4 4 推移质沙量主要来自李一公河段。根据贵德和循化两站袖测河床组成及水量因素分析估算， 该区间推移质输沙模数为7 3 傲m 2 ，求得李公区间推移质沙量为1 5 1 0 t ，其中李家峡至公伯峡 库尾区间为4 3 l o t 2 6 水库特征曲线 2 6 1 公伯峡库容水位关系曲线 表2 7 公伯峡水位库容关系曲线 l 高程 1 9 5 0l 卿1 9 7 01 9 8 01 9 9 02 咖2 5 i 库容( 亿i ，) o 4 80 8 01 2 61 9 5 29 94 5 15 5 0 4 公伯峡水电站概况及基本资科 2 6 2 公伯峡下游水位流量关系曲线 表2 8 公伯峡下游水位流量关系曲线 水位( - )流量( 5 ) 1 8 9 89 0 1 8 蚰船0 1 9 0 06 4 0 1 9 0 11 1 2 0 1 9 0 2l 胡0 1 9 0 3z 3 2 0 1 9 0 43 0 0 0 1 9 0 53 9 0 0 1 9 0 64 8 8 0 1 9 0 7 5 8 9 0 1 9 0 86 9 0 0 1 9 7 9 4 0 1 9 1 0