汛限水位动态控制的条件及最适应时间分析

王金河

(黑龙江省农垦总局建三江分局水务局，黑龙江建三江156300)

1 引言

各水库由于调节性能、洪水特性不同，需分析出各自不同的汛限水位动态控制条件及最适宜时间。通过许多调节性能较高的大型水库实践，通常”洪水总量”是汛限水位动态控制的必要条件，简称“洪水总量控制”条件。当序水位处于汛限水位动态控制域内，泄流开始大于入流且闸门具有控制能力，使具有汛限水位动态控制的充分必要条件。从防洪安全角度，基于汛限水位是水库迢迢设计洪水的起调水位及其调洪过程中水位变化特性，实施“汛限水位动控制”的时间，不应该“一边降雨一边涨洪”的库水位上升时期，基于大量调洪计算的统计规律，水库最高水位出现在峰后的某一时段，所以汛限水位动态控制的充分必要条件发生的最适宜时间一般在本次洪水的退水阶段，即本次洪水的库水位开始下降到下次暴雨洪水起涨前的时期，这一时期越长汛限水位动态控制的效益越大。

汛限水位动态控制的条件从最适宜时间分析目的之一，是抓住汛限水位动态控制方案实施的关键时机，便于集中研究与此时期的汛限水位动态控制有关的安全与经济问题，如降雨预报信息可利用的有效时间、预泄能力、预报失误的弥补措施与风险等问题;另一方面为选择洪水预报方案可利用标准提供依据。如水冲调节性能较高，设计的防洪指标受洪水总量或3～7 d或更长时间洪量控制，则实施汛限水位动态控制所选择的洪水预报(或退水预报)方案可利用标准应该是总量预报误差最小，或洪量预报合格率最高(达到甲级水平)。若能依据较多的预报样本分析出总量预报误差分布，也可用小概率误差对防洪安全影响程度来衡量预报方案的可利用性。如水库调节性能较低，设计的防洪指标受洪峰控制，则所选择的洪水预报方案可利用标准应该是峰或峰现时间误差最小，不过这类水库汛限水位动态控制的风险较大，应慎重从事。

2 汛限水位动态控制的必要与充分条件的描述

若依据面临时刻t0的实际水位Z0、未来预报的入、出库水量信息，判别决策t时刻是否具备“汛限水位动态控制”的必要与充分条件，则只要“面临时刻水位的库容量”与“未来预报的入库水量扣除正常消耗量的余量”之和将达到“汛限水位动态控制域”内泄流大于入流且水库闸门具有控制能力，便具备汛限水位动态控制的充分必要条件。可用推理式描述:

式中:Z0为面临时刻Z0水位;Win为未来预报的t0－t期间入库水量;Wout为未来的正常消耗水量;Zd－、Zd+分别为汛限水位动态控制域的下限与上限水位;Zt为处于汛限水位动态控制域内。时刻水位，V为序容;Q(t)为水位开始下降的t时入库流量;q(t)为t时刻的泄流量;q(Zt)为对应Zt的泄流能力;ok为具备汛限水位动态控制的充分必要条件。上述的判别准则适用于本次暴雨落地且洪水起涨时。

若不考虑洪水预报信息，仅以面临时刻t0的实际水位Z0、入流Q(t0)、出流能力q(Z0)信息为判别依据，则“汛限水位动态控制”必要与充分条件，是指面临时刻t0的实际水位已进入“汛限水位动态控制域”内，泄流开始大于入流且水库闸门具有控制能力，便具备汛限水位动态控制的充分必要条件。

不难看出，当本次洪水按照防洪调度规则调度的最高库水位将处于“汛限水位动态控制域”之外，即库水位低于汛限水位功态控制的下限或高于汛限水位动态控制的上限时，便不具备实施汛限水位动态控制的必要条件。前者只有等下次洪水抬高库水位(多年调节水库的供水期未，若库水位消落较低时发生洪水，则常常如此)，后者需按照调度规则调度，等待库水位降落到“汛限水位动态控制域内”、泄流大于入流且水库闸门具有控制能力的条件形成。

3 汛限水位动态控制的条件及最适应时间分析

3.1 “洪水总量起控制作用”的分析方法

洪水总量起控制作用的分析，常是依据设计洪水及调洪成果资料，计算峰及量所占调洪库容的比值进行的。

1)摘录水库不同频率设计洪水成果，即1～6 h洪峰量与1～7 d或更长到15 d、30 d洪量，设计频率洪水P%的调洪最高水位Z设计及其相应的库容量，汛限水位Zd及其相应的库容量。

2)据式(2)计算各设计频率洪水的调洪库容量

式中:VP%调洪为设计频率洪水 P%的调洪库容量;P%为0.01%、0.2%、1%;V(ZP%)为设计频率洪水P%的调洪最高水位ZP%所相应的库容量，查水位库容关系求得;V(Zd)为汛限水位Zd所相应的库容量，亦查水位库容关系求得。

3.2 “汛限水位动态控制的最适宜时间”分析方法

当库水位进入汛限水位动态控制域内且开始下降，若下降过程的某时刻库容量加退水余量(已扣除正常用水)可充填兴利库容，则该时刻为汛限水位动态控制最适宜的起始时间。

实际上，由于各水库洪水特性、调节性能及重叠库容大小差异，防洪调度方式及其规则不同，暴雨发生的连续规律不同，所以“汛限水位动态控制最适应的起始时间”分析结果亦不同。就某一水库而言，每场洪水退水不同则分析的结果也不同，但受上述的主要特性约束，差异不大，分析中一个平均的最适宜的起始时间对决策者只有重要参考价值。

最适宜的起始时间分析方法基本有两种，即顺时序分析法与逆时序分析法，前者是从适宜的起始时间计算至退水末，判断能否将兴利库容充满;后者是假定退水末兴利库容可充满，反求适宜的起始时间。

3.3 实例

勤得利水库应用建库后5次调洪最高水位进入汛限水位动态控制域内且有弃水的实际洪水调度过程，按照上述方法步骤分析了汛限水位动态控制最适宜的起始时间。如表1。

表1 勤得利水库发生弃水的洪水调度分析表

表1中的数值基本是实际暴雨、水位值及由水位库容关系查求的库容量、洪水过程推求的时段峰、洪水总量或退水量、涨水时段及最高水位的滞峰时段。根据水库洪峰与最高水位发生的时间关系，选6 h、24 h两个汛限水位动态控制起始时间方案。

综合分析各场洪水的tk时间，最后从防洪安全计，按照起始时间尽量晚的原则选择勤得利水库汛限水位动态控制最适宜起始时间(tk)为峰后第24 h。从分析比较过程看，用洪水资源利用量最大原则选定tk也是可以的。

[1]曹永强.汛限水位动态控制方法研究及其风险分析[J].大连理工大学学报，2003(4).

[2]周惠成，李伟，张弛.水库汛限水位动态控制方案优选研究[J].水力发电学报，2009(8).

[3]徐刚，董晓华，杜发兴，翟谨.基于混合智能算法的三峡水库汛限水位动态控制研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2009(4).