提高水库汛限水位研究

孙立志，朱成立，张巧玉，张凌智

提高水库汛限水位研究

孙立志1，朱成立1，张巧玉2，张凌智1

（1．河海大学水利水电学院，南京 210098；2．河北浩川咨询有限公司，石家庄 050021）

针对北方大多数水库在主汛期由于汛限水位的制约经常发生汛期空库迎汛造成弃水，而汛后又无水可蓄，使得相当一部分雨洪资源不能得到很好利用的矛盾局面。在分析流域水情的基础上，结合水库汛期分期，在考虑水库大坝安全和下游防洪标准的前提下，运用数理统计法和多方案、多层次分析法对动态提高水库汛限水位的风险效益进行分析，最终给出不同汛限水位方案的风险和效益水平。通过对水库进行分期汛限水位研究，可知提高汛限水位在北方缺水地区实现洪水资源化的可行性和必要性。

汛限水位；防洪调度计划；上关水库

将汛期分期，实施分期汛限水位已成为中国北方有共用库容的大中型水库协调防洪兴利间矛盾的主要方法。如何制定各分期合理的汛限水位及相应的调度方式，目前仍缺乏较深入的研究，其难点在于如何确定分期后水库上下游防洪标准，或如何协调防洪与兴利间矛盾［1］。针对上述问题，开展了很多研究工作。刘攀［2］等提出优化设计分期汛限水位的模型与解法，通过降低主汛期汛限水位获得的防洪效益，换取前汛期、后汛期汛限水位的抬高。李林［3］等以潘家口水库为例，依据洪水预报与下游防洪要求，实行有序预泄和常规调度相结合的运行方式，对主汛期汛限水位实行动态管理。朱永英［4］指出了研究实时汛限水位动态控制的方法与应用的必要性，并阐述了水库实时预蓄预泄动态控制汛限水位的基本思想和数学表达。

在满足水库上下游防洪标准的情况下，增加水库蓄水量，提高水库的供水保证率，既是满足经济发展的需要，同时是洪水资源化［5］、实现人与洪水和谐共处的需要，也是科学治水新理念实践的需要。为更好地解决以上问题，笔者以上关水库为例，进行动态调整汛限水位和防洪调度运用计划研究。

1 水库概况

上关水库位于海河流域潮白蓟运河系沙河支流魏进河上。坝址位于河北省遵化市马兰峪镇原上关村东南的遵化、兴隆交界处。水库控制流域面积175 km2，是一座以防洪、供水、灌溉为主，且兼顾发电的中型水库。水库总库容为0．368 7亿m3，其中兴利库容0．244 2亿m3，死库容0．012 0亿m3。水库设计标准为100年一遇，校核标准为1 000年一遇。水库死水位121．80 m，汛限水位139．00 m，正常蓄水位143．00 m，设计洪水位144．94 m，校核洪水位148．09 m。

2 汛限水位调整的技术路线

本次研究本着如下思路进行：

（1）根据汛期内洪水（暴雨）在时程分配上有一个由小到大再由大到小的动态分布特点，结合水库调度分期，对水库进行分期汛限水位研究，除分析主汛限水位调整的可能性及调整幅度外，还分析后汛限水位提高的可能性。

（2）在进行水库汛限水位调整之后，通过兴利调节计算，分析和研究新的汛限水位条件和调度规则对上下游的风险影响及可能产生的供水效益，确定提高水库汛限水位的可行性。

（3）根据分期洪水调洪结果和水库允许最高洪水位，初步确定水库的分期汛限水位。

（4）采用瑞典圆弧法，对调整的主汛限水位进行渗流稳定分析，分析大坝风险。

3 动态提高汛限水位的可行性

3．1 现状汛期调度运行方式

“96．8”洪水以后，河北省水利厅统一划定7月10日至8月10日为主汛期；8月11日至8月20日为过渡期；8月21日至8月31日为后汛期。上关水库主汛期汛限水位控制在139．00 m；后汛期库水位控制在142．00 m；过渡期水位由139．00 m均匀过渡到142．00 m。当主汛期水位达到139．00 m时，用闸门控泄，来多少泄多少；入库流量达到20年一遇标准洪水时，溢洪道控制泄量500 m3／s，当库水位超过20年一遇洪水位，闸门全开，不再控泄。

3．2 分期设计洪水分析

3．2．1 主汛期洪水分析

水库设计洪水是影响水库汛限水位的主要影响因素。为验证上关水库设计洪水成果的合理性，本次在对水库历史洪水分析的基础上，对历次设计洪水重新进行了复核，复核内容主要包括水库流域特征参数复核、设计暴雨计算、设计洪峰流量及设计洪水总量复核。复核设计洪水成果见表1。

表1 上关水库原设计与本次复核设计洪水成果对比表Table 1 Com parison of latest re-checked and original designed flood results of Shangguan reservoir

由表1可以看出，延长暴雨系列后的新成果普遍小于原成果，其中各频率洪峰流量设计值与原成果比较，变化幅度在－9．4%～－11．9%之间；洪水总量与原成果比较，变化幅度在－4．7%～－11．0%之间。经过上述本次设计与原设计洪水成果对比分析，两成果相差不大；同时利用河北省现有实测流量资料与河流的洪峰流量模数图进行合理性验证，两成果均位于带状区内，说明计算成果合理。考虑到原成果在2002年6月已经通过省水利厅的审查，审查意见明确表示：“《河北省中型水库洪水及防洪标准复核报告》成果可用于水库工程管理和防洪调度，也可作为大坝安全鉴定的依据”。因此，本次从工程安全角度考虑，仍采用2002年复核的设计洪水成果。

3．2．2 过渡期和后汛期洪水分析

基于上述的分期安排，统计上关水库流域附近挂兰峪、马兰峪和石庙子站8月11日至8月20日过渡期暴雨及8月21日至8月31日后汛期暴雨系列。

分期设计洪水的计算仍采用与主汛期相同的计算方法，即按照实测面暴雨瞬时单位线法，上关水库分期设计洪水成果见表2。

表2 上关水库分期设计洪水成果表Table 2 Designed flood results of different stages during flood season

3．3 汛限水位分期控制研究

为在保证度汛安全的前提下最大限度利用汛期洪水，兴利除害，根据上关水库现状调度情况，结合分期洪水研究成果，对上关水库汛限水位进行分期调整。汛期时段划分仍以水利厅规定现状为准。

为科学确定汛限水位，分2种情况进行汛限水位研究。

方案1是保持20年一遇洪水控泄流量500 m3／s不变，确定不同标准洪水的最高洪水位；方案2是在水库遭遇10年一遇洪水时水库限泄500 m3／s，遇10～20年一遇洪水时适当加大泄量，使得20年一遇最高洪水位等于现状汛限水位下20年一遇最高洪水位或移民高程144．35 m。

3．3．1 方案1

（1）主汛限水位调整方案和调洪结果

现状主汛限水位为139．00m，本次调洪演算中，主汛限水位设置了139．00，139．50，140．00，140．50，141．00，141．20 m共计6个起调水位进行计算。

根据水库主汛期设计洪水过程线及水库水位-库容-泄量关系曲线，对重现期为20年、50年、100年、500年和1 000年的洪水进行调洪演算（表3）。

由表 3成果可以看出，即使在汛限水位141．00 m、水库遭遇100年一遇洪水的情况下，水库最高洪水位146．17 m，低于水库正常运用情况下允许最高洪水位147．50 m；水库在遭遇1 000年一遇洪水的情况下，水库最高洪水位148．04 m，低于水库非常运用情况下允许最高洪水位148．18 m；单纯从水库安全角度看，主汛限水位最高可调整到141．00 m。当水库遭遇20年一遇洪水的时候，按主汛限水位139．00 m起调，最高洪水位144．74 m；若执行141．00 m主汛限水位则最高洪水位为145．80 m，高于汛限水位139．00 m条件下的最高洪水位1．06 m。

（2）后汛限水位调整研究方案和调洪结果

根据后汛期设计洪水过程线，对重现期为20年、50年、100年、500年和1 000年的洪水进行调洪演算。起调水位设置2个方案，一是维持现状后汛限水位142．00 m不变，二是将汛限水位提高到正常高水位143．00 m。水库调洪演算详见表4。

表3 上关水库主汛期调洪成果表Table 3 Flood regulation results of Shangguan reservoir duringmain flood season

表4 上关水库后汛期调洪成果表Table 4 Flood regulation results of Shangguan reservoir during post-flood season

从表4可以看出，即使在后汛限水位143．00 m的情况下，水库在遭遇100年一遇洪水时，水库最高洪水位143．84 m，低于水库正常运用情况下的允许最高洪水位147．50 m；水库在遭遇1 000年一遇洪水的情况下，水库最高洪水位143．97 m，低于水库非常运用情况下允许的最高洪水位148．18 m；从大坝安全角度，后汛限水位最高可调整到143．00 m。

3．3．2 方案2

为了比较提高汛限水位后对水库上游移民高程及下游河道安全泄量的影响，本次还拟定了方案2，即10年一遇洪水控泄500 m3／s；10～20年一遇洪水按不控泄、控泄600 m3／s及控泄750 m3／s分别进行分析。主汛期汛限水位按139．00，140．00 m两个方案考虑。由于方案1中后汛限起调水位143．00 m的情况下校核洪水位只达到143．97 m，因此，方案2不再进行后汛限水位调节。主汛期洪水调节结果见表5。

从表5可以看出，当10年一遇洪水控制下泄流量为500 m3／s，超10年一遇洪水不控泄时，无论主汛期汛限水位为139．00 m还是为140．00 m，20年一遇洪水位均低于水库上游移民高程144．35 m，但20年一遇下泄流量较大（1 281．2～1 331．4 m3／s），相比较河道安全泄量500m3／s增加较多。当10年一遇洪水控制下泄流量为500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄600 m3／s时，无论主汛期汛限水位为139．00 m还是为140．00 m，20年一遇洪水位均稍高于水库上游移民高程。当10年一遇洪水控制下泄流量为500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s时，无论主汛期汛限水位为139．00 m还是为140．00 m，20年一遇洪水位均低于水库上游移民高程，同时对河道安全泄量500 m3／s，仅增大了250 m3／s，增加不多。

表5 上关水库主汛期调洪最高洪水位成果表（10年控泄500 m3／s）Table 5 Themaximum water level of flood regulation duringmain flood season（discharge 500 m3／s during once in a decade deluge）

3．3 大坝渗流稳定分析

本次稳定渗流计算采用瑞典圆弧法进行计算。计算公式如下：

式中：K为安全系数；W为土条重量；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力（向上为正，向下为负）；u为作用与土条地面的空隙压力；a为条块重力线与通过此条块地面中点的半径之间的夹角；c′，f′为土条地面有效应力抗剪强度指标；b为土条宽度；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。

本次渗流稳定计算采用河海大学大坝稳定计算程序。

Ⅲ级大坝在正常运用情况下，大坝的允许抗滑稳定系数为1．30。经计算，大坝渗透出逸坡降为0．02，允许出逸坡降为0．12，抗滑稳定系数为1．52，大于大坝允许抗滑稳定系数，因而在主汛限水位141．00 m、设计洪水位146．17 m条件下，大坝是稳定、安全的。

3．4 汛限水位调整后的供水效益分析

为了深入论证供水效益，我们对现状和规划2个水平年不同需水情况下的水库运行进行了兴利调节，得出不同水平年多年平均增加的供水量。各水平年水库按水利年采用长系列不完全年调节进行调算。每年共划分为15个时段，从9月份至次年5月份时段以月为单位进行划分，7月份划分为7月1日至7月9日、7月10日至7月31日两个时段、8月份划分为8月1日至8月10日、8月11日至8月20日、8月21日至8月31日3个时段。

为了比较效益，进行了现状调度策略下和调整调度策略下的兴利调节。本次调节计算中，现状调度策略（基准调度方案）的初汛限水位取139．00 m，主汛限水位139．00 m，后汛限水位142．00 m。调整调度策略下的主汛限水位3个：139．00，140．00，141．00 m。后汛限水位2个：142．00，143．00 m。总共设6个组合方案，详见表6。

从兴利调节成果来看：现状需水情况下，主汛限水位调整到140．00 m和141．00 m，后汛限水位相应提高到142．00 m和143．00 m，水库的多年平均蓄水量分别增加22万m3和64万m3，相应多年平均弃水量分别减少22万m3和64万m3；在规划水平年（近期）需水情况下，主、后汛限水位调整后水库的多年平均蓄水量分别增加18万m3和72万m3。

很明显，从兴利角度来看，汛限水位提高幅度越大，可控水量增加越多。同时，随着下游需水量增加，在相同的汛限水位条件下，可供水量也会增加。提高汛限水位后会取得更大的供水效益。

3．5 不同调整方案的综合评价与比选

由于防洪和兴利是矛盾的2个方面，因此，需要对各个方案进行综合平衡，比较分析，最终确定能够保证大坝本身安全，同时又能较多地增加供水量的方案。经过筛选，我们列出如下方案进行分析比较，见表7。

上述方案均能满足大坝安全。综合供水对下游河道行洪的影响和对上游淹没的影响分析，可以看出，主汛期水位以调整到140．00 m为宜，同时10年一遇洪水控泄500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s，对下游河道行洪增加压力不大，水库20年一遇最高洪水位低于上游移民高程，不会增加上游淹没损失，而且可以增加水库可供水量，因此，推荐主汛限水位提高到140．00 m，10年一遇洪水控泄500 m3／s，10～20年一遇洪水控泄750 m3／s，超20年洪水位水库敞泄；后汛限水位提高到142．00 m。

表6 上关水库各方案多年平均可供水量表Table 6 Average available water supply of each scheme 万m3

表7 上关水库汛限水位调整综合评价表Table 7 Comprehensive evaluation of lim ited water level adjustment in flood season

4 结 论

（1）通过分析防洪、兴利调节成果、水库大坝安全和水库上下游的防洪情况，水库汛限水位调整后，水库防洪调度运用方式：当主汛期汛限水位为140．00 m，库水位低于142．90 m（10年一遇）时，水库控制泄量500 m3／s；当库水位超过142．90 m，低于144．30 m（20年一遇）时，水库控制泄量750 m3／s；当库水位超过144．30 m时，闸门全开，不再控泄。过渡期（8月11日至8月20日）汛限水位由140．00 m均匀升至142．00 m；后汛期（8月21日至8月31日）汛限水位为142．00 m。

（2）与传统方法相比，本次笔者结合北方汛期洪水特点，通过多方案、多层次分析了提高汛限水位在北方缺水地区实现洪水资源化的必要性和可行性，为今后北方缺水地区水库提高汛限水位和调度运用方式提供了科学依据。

（3）笔者认为汛限水位研究和水库规划应在考虑提高汛限水位增加汛期蓄水量，实现洪水资源化的同时，兼顾对下游河道的生态需水和自然生态环境的影响，今后研究中应综合分析经济效益和环境效益，使其成果更能体现人与自然的和谐。

［1］ 周惠成，王福兴，梁国华．碧流河水库后汛期汛限水位及控制运用方式［J］．水科学进展，2009，20（6）：857－862．（ZHOU Hui-cheng，WANG Fu-xing，LIANG Guo-hua．Decision-making on Reservoir Flood Control Level and Its ControlManner in Post-flooding Seasons for Biliuhe Reservoir［J］．Advances in Water Science，2009，20（6）：857－862．（in Chinese））

［2］ 刘 攀，郭生练，肖 义，等．水库分期汛限水位的优化设计研究［J］．水力发电学报，2007，26（3）：5－10．（LIU Pan，GUO Sheng-lian，XIAO Yi，et al．Study on the Optimal Reservoir Seasonal Flood Control Water Level［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26（3）：5－10．（in Chinese））

［3］ 李 林，翁建平．潘家口水库主汛期汛限水位动态控制研究［J］．海河水利，2007，（1）：34－35．（LILin，WENG Jian-ping．Dynamic Control of its Control Manner in Limit-ed Water Level of Panjiakou Reservoir［J］．Haihe Water Resources，2007，（1）：34－35．（in Chinese））

［4］ 朱永英，袁晶蠧，王国利，等．实时预蓄预泄法汛限水位动态控制与应用［J］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008，27（4）：606－609．（ZHU Yong-ying，YUAN Jing-xuan，WANG Guo-li，et al．Real-time Pre-storage＆Pre-discharge Method of Dynamic Control Range of Reser-voir Limited Elevation and Its Application［J］．Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2008，27（4）：606－609．（in Chinese））

［5］ 胡四一，高 波，王忠静．海河流域洪水资源安全利用——水库汛限水位的确定与运用［J］．中国水利，2002，（10）：105－108．（HU Si-yi，GAO Bo，WANG Zhong-jing．Safe Utilization of Flood in Haihe River Basin［J］．ChinaWater，2002，（10）：105－108．（in Chinese））

［6］ 邱瑞田，王本德，周惠成．水库汛期限制水位动态控制理论与观念的更新探讨［J］．水科学进展，2004，15（1）：68－72．（QIU Rui-tian，WANG Ben-de，ZHOU Hui-cheng．New Idea for Controlling the Limited Elevation of Reservoirs in the Flood Season［J］．Advances in Water Science，2004，15（1）：68－72．（in Chinese））

［7］ 陈守煜．水资源与防洪系统可变模糊集理论与方法［M］．大连：大连理工大学出版社，2005．（CHEN Shou-yu．Theories and Methods of Variable Fuzzy Sets in Water Resources and Flood Control System［M］．Dalian：Dalian University of Technology Press，2005．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Analysis of Heightening Lim ited Water Level of Reservoir in Flood Season

SUN Li-zhi1，ZHU Cheng-li1，ZHANG Qiao-yu2，ZHANG Ling-zhi1
（1．College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2．Hebei Haochuan Consultative Corporation，Shijiazhuang 050021，China）

Restrained by flood limited water level，most reservoirs in North China discharge a substantive amount of water in order to vacate storage at flood season，while leaving littlewater for storage during post-flood season．As a consequence，a substantial partof storm-flood resources can’tbe utilized adequately．Based on analysis of drainage area，this article divides the whole flood season into different stages，and thus conducted risk benefit analysis on dynamically raising the limited elevation of reservoir under the premises of guaranteeing dam body safety and down-stream flood control security bymathematical statistics and multi-scheme，multi-level analysis．And finally the risk and benefit level of different limited elevation schemes is provided．Through the study on limited elevation of reser-voirs during different stages of the flood season，this paper demonstrates the feasibility and necessity of increasing the limited elevation of reservoirs to resolve the water shortage in North China．

limited water level；operation of flood control；analysis；shangguan reservoir

TV697．1

A

1001－5485（2011）03－0015－05

2010-03-30

孙立志（1980－），男，河北邢台人，助理工程师，主要从事水土资源规划的研究，（电话）15303312180（电子信箱）slz819029＠tom．com。