水库汛限水位动态控制研究

孔德财，潘 杰

(1.黑龙江省水文局，哈尔滨150001;2.黑龙江农垦水利工程建设监理咨询有限公司，黑龙江萝北154243)

1 概述

当前，大多数水库承担着防洪、灌溉、供水、发电等任务，并成为防洪体系的主体。汛期限制水位(简称汛限水位)作为水库防洪安全的重要技术指标，是整个汛期调度运用的基础。

水库汛限水位关系到水库的防洪安全、地区供水安全保证率、发电综合效益。从供水与发电等兴利的角度看，汛限水位越高，效益越好，但从防洪的角度看，汛限水位越高，意味着水库的调节库容越小，对防洪越不利。若水库调节性能低，天然来水充沛，共用库容很容易蓄满，防洪与兴利的矛盾就小，反之防洪安全和兴利蓄水的矛盾十分突出。

在固定的汛限水位调度下，汛期水库弃水量大，洪水资源不能得到有效利用，特别是对于多年调节水库，由于前一年弃水过多，翌年遇到严重旱灾时，容易造成用水紧缺，严重时制约国民经济的发展。因此改变固定汛限水位的水库调度方式，实行汛限水位动态调控已经成为水库运行管理的新要求。

水库汛限水位动态控制有2种措施:①分期抬高汛限水位;②实时动态汛限水位控制。

2 分期抬高汛限水位

河流的洪水主要来源于降水，而降水本身在时间、空间上的分布是有一定规律的，具有明显的季节性，特别是北方地区河流的洪水常发生在7、8月份，6、9月份相对较少。以黑龙江省为例，6、7、8、9月份降水分别占全年降水的17%、25%、21%和12%，嫩江、松花江干流年最大洪峰流量出现在7、8月份的次数占总次数的63.4% ～68.8%，其它支流占70%～84.6%。根据这个规律，黑龙江省水库一般将汛期分为2或3个阶段，分别确定其汛限水位，在汛期的后半段把水库的汛限水位抬高，逐渐减少防洪库容，增加为兴利蓄水的库容，为第二年提供足够的兴利水量，满足供水、发电、灌溉以及其它应急项目的需要。

分期抬高汛限水位的方法步骤为:

1)汛期分期的确定。常用的方法有成因分析法、数理统计法等，有的省份已有公认的划分标准。

2)分期汛限水位的确定。包括分期推求设计洪水、初选各分期洪水调度方式及调度原则、选择调洪计算方法、初步确定汛限水位方案、进行调洪演算、综合分析以最终确定分期汛限水位、上报批准等步骤。

例如，某水库按500 a一遇洪水标准设计，5000 a一遇洪水标准校核。设计洪水位313.96 m，相应库容为8.36亿m3;校核洪水位315.47 m，相应库容为9.95亿m3;坝顶高程为316.00 m，防浪墙顶高程为317.00 m。该水库汛期控制运用的主要任务是:保证大坝工程绝对的安全，兼顾保证下游城市和农田安全。该水库各频率洪水的计算成果见表1。

表1 水库各频率洪水的计算成果表

根据水库设计入库洪水和典型年可推求其调洪演算结果，见表2。

根据水库当前运行情况，进一步确定其分期汛限水位，见表3。

3 实时动态汛限水位控制

实时动态汛限水位控制以现代气象预报、洪水预报和计算机技术为基础，是真正意义上的汛限水位动态控制，目前全国已有少数水库进行过试点，本文将从理论上对其可能性和实现条件加以探讨。

3.1 汛限水位动态控制的可能性分析

表2 调洪演算成果表

表3 水库分期汛限水位表

3.1.1 短期降雨预报技术的发展和普及使汛限水位动态控制成为可能

近年来，短期降雨预报发展很快，用户可以根据需求得到各种类型的气象产品，如天气云图、台风路径等等，接收方式也从原来单一的传真发展到卫星、网络等多种手段，实时性和准确率大大提高。水文气象预报模型一般有2种型式:①水文预报模型非动力耦合的降雨定量预报模型，通过人工干预相结合;②与水文实时预报模型耦合的降雨定量预报模型，两模型成为有机整体，实现气象物力信息的接收和处理，将于定量预报到流域出口断面洪水过程的自动预报。

3.1.2 洪水预报技术的发展是汛限水位动态控制的基础

短期洪水预报技术广泛应用于水库来水预报中，并已取得了良好效果。特别是水文预报模型的迅速普及，使得预报计算机化广泛推广，如新安江模型、大伙房流域模型、水箱模型、河北模型、陕北模型等等。此外，洪水预报的实时校正技术也不断发展，并逐步应用于实际工作中，洪水预报的精度有了明显改善。

3.1.3 现代技术的飞速发展为汛限水位的动态控制提供了技术保证

软件技术、数据库技术、面向对象的编程技术、自动控制技术、通信技术等现代科学技术广泛应用于各个领域，大大减轻了工作负担，提高了工作效率。在水库中应用最广、最有效的水雨情自动测报系统，其稳定性、准确性和实时性足以满足实时预报的需要，软件技术和数据库技术的应用使得水文、气象耦合预报，历史信息分析等原本复杂的工作变得简单。

3.1.4 水库的除险加固和堤防工程的建设是汛限水位动态控制的前提

水库的预泄、防洪能力关系到水库能否实行动态汛限水位。如果在实行汛限水位动态控制时，根据天气预报，将有明显的降雨过程，那么水库就要进行预泄，使水库水位降到汛限水位以下，以腾出库容;或者在此过程中有突发性洪水，根据水库现有泄洪能力确定能否安全度过洪水的袭击，防止洪水漫过大坝出现险情。因此，实行汛限水位动态控制的一个基本要求是水库必须达标，病险库自身尚且难保，更不要说动态控制问题了。1998年以来，国家加强了对水利的投入，随着水库除险加固、堤防达标工程的逐步展开，越来越多的水库满足了汛限水位动态控制的前提条件。

3.2 汛限水位动态控制风险因素分析

水库汛限水位动态控制的实质属于风险调度范畴，控制的水位是在规划的汛限水位上下浮动。影响动态控制汛限水位的因素，包括入库洪水预报、降水预报的预见期、预报精度、各项预报的误差分布、水库预泄能力、下游河道允许最大泄量。误差分布是利用降雨进行汛限水位动态控制的基础，若风险率满足大坝自身安全的要求，便可以进行动态控制。对于一些大型水库，汇流时间较长，洪水预报的预见期也长，精度高，更加为动态控制提供了可能。

但我们必须认识到气象因素变化的复杂性。人类对气象的认识远未达到非常准确和万无一失的程度，理论计算和实际情况还存在一定的差距，洪水和气象是密切相关的，出现时间的偶然性很大，可能提前也可能错后。因此，首先要研究汛期内各时段降雨的成因，分析各类指标在一年内的变化，即集中程度、季节变化、出现频率等。

其次，要使短期洪水预报方案达到甲等水平，计算分析流域短时期降雨量和短期洪水过程预报的精度(包括不同预见期的精度)、洪峰时间、洪峰流量及洪量;分析预报误差的弥补措施和误差影响安全的程度等。

此外，水库水雨情自动测报系统运行的可靠性、站点布设对场次降雨的控制程度、选取典型洪水的代表性等等，也需要逐一分析论证。

4 结语

要实现雨洪资源的有效利用，往往不是一座水库能够单独完成的。目前，水资源丰富的河流大多已进行了梯级开发，水库汛限水位的动态控制已不仅仅局限于一座水库，而是梯级水库的综合调度问题，同时还要综合考虑下游的防洪任务、区间防洪来水的错峰要求(允许最高库水位、河道安全泄量)等，要在防洪安全前提下保证兴利蓄水。

［1］ 林瑜杰.基于横山水库汛限水位动态控制运用的分析［J］.黑龙江水利科技，2007，35(3):5-7.

［2］ 刘卓也，芦晓峰，魏玉成.水库防洪调度研究［J］.安徽农业科学，2007，35(3):939-942.

［3］ 孙庆伯，刘秉泽，马训，钱学伟.黑龙江省历史大洪水［M］.哈尔滨:黑龙江省人民出版社，1999.