水库防洪调度问题探讨.pdf

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1、第 31 卷第 1 期1998年 2 月武汉水利电力大学学报J.Wuhan Univ.of Hydr.&Elec.Eng.Vol.31 No.1Feb.1998水库防洪调度问题探讨陈惠源陈森林高似春(水力发电工程学院)摘要阐明了水库防洪调度的基本任务,揭示了水库调洪过程涉及的若干基本问题,分析了防洪补偿调节及错峰调度方式的应用条件,提出拦蓄洪尾运用方式的风险分析方法,并探讨防洪优化调度与实时调度相联系的途径.关键词防洪;风险分析;优化调度;实时调度中图法分类号T V 212.531水库防洪调度的任务我国幅员辽阔,自然地理和气候条件千差万别.根据形成原因洪水分为 1:暴雨洪水、融雪洪水、冰凌洪水

2、、溃坝洪水、风暴潮等.在我国发生最频繁、影响最大的是暴雨洪水.水库是防洪系统的重要组成部分,它是调控洪水的重要防洪工程措施;水库防洪调度及其相关的水情自动测报是防洪非工程措施的重要组成部分.必须清楚地了解水库在流域防洪体系中的地位和作用,才能做到着眼于全局,搞好水库的防洪调度工作.在水库的规划设计阶段,根据水库水工建筑物等级及下游防护对象的重要性,分别确定水库安全标准和下游防洪标准,然后根据研究选定的防洪调度方式,确定水库的防洪特征水位.在管理阶段,水库防洪调度的任务是 2:(1)以设计阶段制定的防洪调度方式为依据进行洪水调节,在发生水库安全标准设计洪水时,保障大坝安全;在发生下游防洪标准设计

3、洪水时,使下游防护对象不受灾.(2)遇超大坝安全标准洪水,应力求在保大坝安全的前提下,尽量减轻下游的洪水灾害.(3)遇一般洪水,应在执行防洪调度规则的前提下,合理调度,充分发挥水库的综合利用效益.2防洪调度的基本问题设坝址至防洪控制点区间洪水很小,可忽略.对于给定的相应于下游防洪标准的入库洪水,可按下游河道安全泄流量采取固定泄流的防洪调度方式(如附图所示).借助于这一基本调洪方式,可以将水库调洪过程划分为三个阶段,并可以借此引伸出防洪调度涉及的基本问题 3.附图水库基本调洪方式图中 ab 段可称为初泄段.设洪水起涨时库水位处于防洪限制水位 Z限,这一阶段水库继续维持Z限,流量来多少,泄多少.本

4、阶段必须切实做好雨情观测、信息传递,适时作出洪水过程的预报,为下阶段调度作好准备.与本阶段调度有关的问题是前期的预报预泄.根据可靠的水文预报,如上、下游站的相应水位或相应流量预报,或是降雨径流关系预报,可利用预报预见期提前预泄即将来临的入库流量.预报预泄的结果可以在洪水来临之前腾空一部分水库容积,从而可以降低水库的调洪最高水位.bc 段为洪水调蓄阶段.水库必须选择适当的防洪调度方式,有计划地控制水库泄流量.当洪水小于或相当于下游防洪标准洪水时,水库应有效地拦蓄超下游河道泄流能力的洪水流量,确保下游防洪安全;当出现超下游防洪标准洪水时,水库应及时改为保障大坝安全的调度方式.这一阶段的防洪收稿日期

5、1997-04-02陈惠源,男,教授,从事水资源开发与利用研究.调度涉及如下的基本问题.首先,必须根据下游防洪保护对象及坝址至防洪控制点的区间洪水的具体情况,研究选择合适的防洪调度方式.如果区间洪水较小,可以根据下游堤防及河道的情况确定其允许泄量,水库可按此泄量控泄.若存在具有不同防御能力及不同重要性的防护区,可以研究采用分级控泄的方式,实行大水多泄、小水少泄,即对于较大的洪水应适时加大泄量,只保护更重要的防洪保护区.许多有下游防洪任务的水库,往往存在较大的区间洪水未得到控制,而且坝址洪水与区间洪水的组合情况一般都比较复杂,因此水库防洪调度中必须研究对区间洪水采用补偿调节或错峰的调度方式.其次

6、,与上述防洪调度控泄方式相联系,必须研究控泄的判断条件.从水库调洪规则上讲,必须以洪水的量级作为控泄的条件,例如辽宁省某水库的控泄方式为:10 年一遇洪水,控制下泄流量不超过 50 m3/s;20 年一遇洪水,不超过 100 m3/s;百年一遇洪水不超过 200 m3/s;超百年一遇洪水敞泄.在洪水的实际发生过程很难对洪水量级作出判断,必须通过分析研究,寻求适合水库自身条件的某些指标作为判断条件,如可用库水位、入库流量、一定时段的降雨量或累积净雨量等,作为洪水量级及其相应泄流量的判别条件.在洪水发生过程中,应随着信息的更新和指标值的增大,及时逐级加大下泄流量.必须指出,以上某些判别指标实际上隐

7、含着利用水文预报及其预见期,如降雨量指标利用洪水预报中的降雨径流关系;入库流量的指标主要反映洪水过程的峰量关系.与库水位指标相比,采用这类指标作为下泄量的判别条件,可提前加大泄量,具有减少调洪所需容积的效果;但实用中必须考虑到存在预报误差,应留有余地.附图中 cd 段属库水位达到调洪最高水位之后的蓄洪量消落阶段,应在不影响土坝坝坡稳定及下游河道堤防安全的前提下,尽快使库水位回降到防洪限制水位.对于具有防洪、兴利重叠库容的水库,每年汛末必须判断和掌握收水时机,汛末最后一场洪水的退水段应适时下闸蓄水.此外,还涉及到拦蓄洪尾,减少弃水,增加水能利用效益的问题,这显然属于风险调度的范畴,有待探索.以上

8、按水库调洪过程的阶段划分,分别列举了各个阶段需研究的基本问题,显然还有一些问题未予列举,如分期洪水调度问题等.3补偿调节与错峰调度水库至下游防洪控制点之间常存在较大的未控区间,当发生洪水的过程尚未判明出现超下游防洪标准洪水时,水库应视区间流量的大小控泄,使水库泄流量与区间洪水流量的组合不超过下游防洪控制点的允许泄量.这种调洪方式称为补偿调节.显然这是一种理想的调节方式,它可以在下游防洪安全的前提下充分利用河道的泄流能力,最大限度地减小所需的防洪库容.实现这种理想的调度方式要求在作面临时刻的泄洪决策时,必须确知将与此刻水库泄流遭遇的区间流量,否则无法确保二者的组合流量不超过防洪控制点的允许泄量.

9、区间主要支流水文站若能较好地代表区间流量,且代表站流量至防洪控制点的传播时间不短于水库泄流至防洪控制点的传播时间;或是具有精度较高的区间水文预报方案,且其预见期不短于水库泄流至防洪控制点的传播时间,这些是可能考虑补偿调节的条件.此外,实施补偿调节时还必须充分考虑区间代表站流量或预报流量的误差,以及泄洪闸门不可能完全按补偿调节的要求过于频繁的操作.这些限制了上述理想的补偿调节的完全实现.显然还必须要求与下游防洪标准洪水相应的区间洪峰流量小于防洪控制点的允许流量,否则即使水库完全不放水也无法防止下游发生洪灾.许多承担下游防洪任务的水库往往由于下游区间情况较复杂不可能考虑上述的补偿调节,而采用某些经

10、验性的控泄方式,如常见的错峰调度方式.其做法是在洪水发生过程的某一时刻水库限泄,甚至于完全不泄水,并在一段时间内维持这种限泄状态,以避免区间洪水与水库泄流的组合流量超过防洪控制点的允许泄量.采用错峰方式必须合理确定错峰的限泄流量,以及选择判别开始错峰和停止错峰的指标.一般可以根据下游防洪标准洪水相应的区间洪峰来确定水库限泄流量,即应使其限泄流量不大于防洪控制点允许泄量与区间洪峰流量的差值.常用库水位(有时也用入库流量)作为判断开始错峰的指标,采用这类指标隐含着考虑水库入库洪水与区间洪水涨洪过程具有同步性趋势;另外也有采用区间时段雨量为判断指标.必须在充分分析水文规律的基础上合理确定指标值.可以

11、根据两种不同的情况分别提出终止错峰43第 1 期陈惠源等:水库防洪调度问题探讨的条件.一种情况是已不需继续错峰,其条件是区间洪水洪峰已过,并开始消退;另一种情况是库水位已达到防洪高水位,应及时终止错峰,改为按保障大坝安全要求的方式泄流.与补偿调节方式相比,错峰调度要求水库在错峰阶段只按规定的固定泄流量下泄,不能充分利用河道的泄洪能力,需要较大的防洪库容.从现行管理体制上讲,水库管理机构主要负责水库控制流域上的雨情与水情观测、信息传递及水情预报,下游区间测站一般由水文站网系统管理.后者的观测手段及通讯条件一般远差于前者,不少水库目前尚未编制区间洪水预报方案.由此可见,必须从 报汛站网的布设、水情

12、传递、洪水预报方案的编制等方面的改善入手,有效利用区间的雨情、水情测报信息,以期达到提高补偿调节或错峰调度的防洪减灾效果.4拦蓄洪尾风险调度的探讨水库规划设计中确定各种防洪特征水位及其相应的防洪库容(或调洪库容)的依据是考虑出现大坝安全标准相应的特大洪水及下游防洪标准相应的大洪水.实际运行中大量出现的是一般年份的常遇洪水,对于这类洪水显然用不着预留像设计中确定的防洪库容那样大;换言之,对于这种年份实际上可以提高防洪限制水位,即减少预留的防洪库容,以便提高水库的兴利效益.实现这种想法的前提条件是必须有可靠的长期预报,预先准确地知道当年将会发生的洪水量级,而这是目前尚不能做到的.相对于设计中确定的

13、防洪限制水位而言,提高汛限水位就是超防洪限制水位蓄水,或简称超蓄.鉴于发生洪水的大小不能预知,那么超蓄运用将伴随着增加大坝安全威胁及下游洪水灾害的风险;另一方面超蓄将提高运行水头及水量利用率而增加兴利效益.可称前者为风险损失,后者为风险效益.这种超蓄运用方式属于风险调度的范畴.风险调度可行性的论证首先是要做好风险损失及风险效益的分析计算,尽可能为其提供量化指标;其次,更重要的是应研究和提出切实可行的降低风险损失的措施,为其可行性的论证提供有利的条件.适时拦蓄洪尾,减少弃水,增发电量属于一种超蓄运用方式.按调度规则要求,洪水调度过程处于出现调洪最高水位之后的消落阶段,应在合理维持水库下泄流量的前

14、提下,尽快让水库水位回降到汛限水位.与此相比,上述拦蓄洪尾维持大发电回降到汛限水位的历时明显增长.增长的消落期由于处于程度不同的超蓄状态而存在加大洪灾的风险,或是说它属于具有一定风险的超蓄运行期.拦蓄洪尾回蓄水位越高,超蓄运行期越长,遭遇大洪水而加大洪灾风险的机遇越大.另一方面,超蓄运行期水库水位是一个逐渐消落的过程,该过程的洪灾风险是一种递减的动态变化过程.对于这种比较复杂情况的风险分析有如下两种途径可供参考采用.第一种途径是模拟运行分析.以水库历年汛期流量资料为输入,按规划设计调度方式及拦蓄洪尾调度方式分别进行长系列模拟运行操作,其成果可供探求风险表达时使用.此途径的缺陷是实测资料往往不可

15、能含有多个稀遇的特大洪水可供分析.第二种途径是基于设计洪水的分析.例如以迁赔水位、防洪高水位、大坝正常运用水位及大坝非常运用水位相应频率的洪水为对象,按拦蓄洪尾运用方式分别对各种洪水进行调洪计算,以对比风险调度增加的风险损失.这种分析途径的缺陷是很难合理确定风险调度方案中一场洪水的起调水位.以第二种途径成果为对象说明如何分析某一拦蓄洪尾回蓄水位方案的风险损失.风险是在一定时空条件下发生的非期望事件.这种事件发生的概率为风险率,事件发生后造成的不良后果属于风险损失.例如,可以将水库投入运行后下游防洪保护区遭受淹没作为非期望事件.规划设计中要求控制此类事件的发生概率不得超过下游防洪标准相应的频率,

16、可以借用风险的概念将 它当成非期望事件的风险.对于设计方案而言,此类事件具有与其风险率相对应的洪灾损失概率分布.同理,对于拦蓄洪尾方案同样可以表达出其风险率及其相应的洪灾损失概率分布.显然,由于后者处于超蓄方式下调洪,其结果与前者相比风险率及洪灾损失均有所增加.可以用风险率的增量及风险损失期望值的增量来描述拦蓄洪尾方案产生的风险.至于风险效益,可以结合模拟运行分析途径,利用长系列模拟运行的结果计算各种方案的兴利效益,如对于水电站而言,可以推求各方案的多年平均发电量.任一拦蓄洪尾运用方案与设计方案多年平均发电量之差即为该方案的风险效益.拦蓄洪尾运用方式研究的另一重要内容是基于上述风险分析探求可能

17、降低风险的措施,可以认为改善和开拓水文气象预报手段是有助于降低风44武汉水利电力大学学报1998险的主要措施.由前述可知,拦蓄洪尾运用方式的风险主要产生于超蓄运行期,合理利用各类预报的预见期及时开展预泄,可以有效地降低下一场洪水到来前的运行水位而减小风险.水文预报一般有较高的精度,但预见期较短;利用气象方面的降雨预报可以增长预见期,但其精度较差.可以根据预报信息采取逐时段调整泄洪决策的方法,争取增长预泄时间及加大预泄量,以达到降低风险的目的.5防洪优化调度与实时调度水库优化调度是指将水库的运行调度问题通过数学表达建立其数学模型,并采取某种优化技术寻求水库运行调度模型的最优决策过程(或称为最优解

18、).将一场洪水当成确定性过程,通过模型软件解算,可求出防洪调度的最优决策过程.随着防洪优化调度建模原理和解算技术的研究进展,目前关注的焦点已开始转移到如何将防洪优化调度用于实时调度.由上述模型解背景可知,最优解是在确定性洪水过程的系统输入条件下给出的,其决策过程只对这场预知的洪水有指导意义.实时运行中不可能准确预知未来的洪水过程,因此防洪优化调度无法直接给出切合于将发生的洪水的决策指导.解除这种困扰的有效作法是以洪水预报为依托,结合产汇流预报作业的实施,调用优化调度模型对预报洪水过程求解,以此指导水库调洪预报调度决策;随着过程的演进,一当接收到新的降雨量信息,又可以根据新信息开展洪水预报作业,

19、给出新的洪水过程预报,用优化调度模型寻求其相应的更新决策过程.循此渐进,直至该场洪水的降雨过程结束,从而完成一场洪水过程逐次渐进的实时调度.这种防洪实时优化调度的途径是建立防洪决策支持系统时可参考使用的作法 4.以上的讨论实际上只局限于水库的防洪目标,综合利用水库必须兼顾到其它兴利目标,特别是对于一般年份的常遇洪水,更必须适当强调兴利的目标.为了兼顾常遇洪水及综合利用要求,必须重视改进洪水预报(包括水文气象预报),并在对洪水量级有较可靠估计的基础上,开展多目标决策的防洪调度研究.参考文献1长江流域规划办公室,河海大学,丹江口水利枢纽管理局.综合利用水库调度.北京:水利电力出版社,1990.2李

20、钰心.水资源系统运行调度.北京:中国水利水电出版社,1995.3张永平,陈惠源.水资源系统分析与规划.北京:水利电力出版社,1995.4大连理工大学,国家防汛抗旱办公室.水库防洪预报调度方法及应用.北京:中国水利电力出版社,1996.Discussion on Dispatching Problems of Reservoir Flood ControlChen HuiyuanChen SenlinGao Sichun(College of Hydroelectric Engineering)AbstractT he basic task of the reservoir flood cont

21、rol dispatching is described.Some basic problems re-lated to the reservoir flood control dispatching are revealed.The applied conditions for compensationregulating flood control and for dispatching forms of avoiding flood peaks coincidence,are analyzed.Arisk analysis method for operation patterns of storing flood-tail is presented.T he ways for cooperatingflood control optimum dispatching with real-time dispatching are also discussed.Key wordsflood control;risk analysis;optimum dispatching;real-time dispatching45第 1 期陈惠源等:水库防洪调度问题探讨