水库调洪有效计算方法探讨

[法国]M.安图内斯

水库调洪有效计算方法探讨

[法国]M.安图内斯

2010年的特大洪水对中国、巴基斯坦和尼日尔造成了较大影响;2011年澳大利亚和巴西也发生了特大洪水。因此,有必要及时回顾大坝发挥的防洪作用。法国电力公司对法国和智利几座水库的防洪调控作用进行了分析研究,并对研究结果以及几座水库各自的特点和优劣势进行了比较。

水库调度;调洪计算;计算方法

在多数国家,河流附近地区人口增长较快,而该区域又面临着洪水的威胁,为此各国政府和社会要求提高大坝运行的安全水平。在这种情况下,鉴于洪水可能造成全国性的或地区性的破坏影响,当务之急是进行洪水管理。当前的重点是,除了优化水库实时调度之外,要制定并实施更好的规划,并协调与公共安全有关的各个部门的行动;更准确地说,对于大型水库,可通过提高水库拦蓄洪水的能力,优化防洪管理参数,有可能会减轻洪水对下游的影响。

本着这一目的,法国电力公司(EDF)对智利和法国几个重大关键方案的防洪管理调度程序的可能改善措施开展了研究。本文讨论的主要问题是:

(1)在洪水入库前,如何安排水库预泄;

(2)运用水库正常运行水位之上的附加库容;

(3)在水库受到洪水显著回水曲线影响时,对坝前水位进行可能的适应性调整。

EDF已对3座坝开展了研究:1座是位于法国阿尔卑斯山南部的谢尔邦松坝(Serre-Poncon),另2座则是位于智利比奥比奥(Biobio)河上的拉尔科(Ralco)坝和位于安第斯(Andean)河上的拉佩尔(Rapel)坝。这些工程都具有相似的特征:水库总库容为12～13亿m3,坝高为130～140 m。虽然由于谢尔邦松地区的人口密度较高,下游的种种限制使水库似乎更难管理,但拉尔科的洪水相对更严重(其最大入库流量达10 000 m3/s,而谢尔邦松仅为1 300 m3/s)。对水库预泄的优点和缺点的评估,着重于大坝安全管理和水文预报置信水平间的紧密关系。

研究的第2个重要问题与洪水期间水库调度的组织机构(Organisation of the manoeuves)有关。防洪安全管理的原则,是仅利用坝址处直接和局部观测的数据——水位及其逐时变化。EDF负责调度的所有工程都使用这个原则,调度人员可以借用相当简单的算法来计算洪水的逐时演变。拉尔科坝也是应用同样的基本原理。

另外,有2个工程都短暂地应用了正常蓄水位之上的附加库容。在必要的时候,通过调节水库的附加库容,可以提高洪水调控能力。当洪水的严重风险过去之后,将在洪水结束时,再将水库拦蓄的洪水下泄到下游河道,这样就不会增加洪峰的流量。

1 工程及背景

1.1 谢尔邦松坝

谢尔邦松坝建于1955～1960年。水库总库容为13亿m3,工程位于迪朗斯(Durance)流域。该坝为多用途大坝,主要用于峰荷发电、灌溉、饮用水源、旅游以及防洪。

迪朗斯流域上游的水文情势主要取决于瓦桑(Oisans)地区的冬天降雪和秋季降水,条件非常恶劣。

1.2 拉尔科坝 /潘戈坝

拉尔科坝 /潘戈坝水利枢纽是智利最重要的水利枢纽之一,由智利国家电力公司(ENDESA)负责运营和调度。

工程处在比奥比奥河的上游,距洛杉矶市120 km。比奥比奥河流域面积为24 000 km2,工程大约控制了其上游流域面积的20%。作为流域关键性的控制工程,拉尔科坝水库的总库容为12亿m3,控制着上游5 400 km2的流域面积。水库设计洪水入库流量为6 700 m3/s,百年一遇洪水流量为4 320 m3/s。

潘戈坝在紧靠拉尔科坝的下游,形成了一个库容为0.65亿m3的尾水水库。这两个工程的总水头大约是300 m。

根据智利政府的新规定,拉尔科坝的主要作用是调控流域洪水,允许为削减洪峰流量而进行预泄。

1.3 拉佩尔坝

拉佩尔坝水利枢纽也是智利最重要的枢纽,由智利国家电力公司负责运营和调度。

拉佩尔工程距圣地亚哥城120 km,在安第斯河上形成了一座水库。鉴于拉尔科坝位于其上游,因而拉佩尔坝下游的面积还不到流域面积的5%,也就是,说拉佩尔坝实际上在防洪方面能够发挥的作用不是很大,仅仅只对一个位于大坝和海洋之间的村庄可以起到防洪保护作用。

拉尔科坝的初步设计洪水流量为10 000 m3/s,千年一遇洪水流量为12 400 m3/s(流域面积大约为13 600 km2)。

水库上部的水面较宽,而水库下部是很窄的峡谷。这一特定的水库形状,在其后半段形成了一个非常明显的回水曲线。水库中心与坝前水位之间有50 cm的水位差。

2 水库预泄

智利新规定要求关键性的控制工程需提前启动洪水管理程序,在洪水入库前应进行预泄,预降水库水位,而法国法律则禁止此类调度。这一预防措施是基于水文气象站和模型预测所提供的成果。

为了应对智利新规定的要求,EDF和智利国家电力公司已进行了联合研究,以采用最有效的方式进行拉尔科坝的预泄管理。

2.1 初期警戒阶段

仅根据对洪水的定量预测即进入警戒的第1阶段。通常,除了洪水发生急剧变化的时段以外,智利国家的现有条件允许进行精确的周预报。

在此阶段,水库的调度应优先考虑国家的电力供应。根据这一准则,并考虑到风险分析,水库预期的蓄水和气象公报结果的严重程度,允许水利枢纽排放最大的流量。

第1种方法是可以维持水库的“正常调度模式”,同时增加水库预防性的自由库容。即便是不可靠的气象预报,也不会诱发大坝下游的特殊风险。例如,拉尔科电站每天可以产生0.16亿m3的自由库容,相应地,库水位每天下降约1 m。

2.2 预测阶段

根据流域上游水文测量设备记录的数据,通过模型即可以预测随后96 h的洪水过程。这样就可以对洪水量做出首次评估,根据该评估结果和水库中的蓄存水量,即可计算出预泄水量。

如果预测中存在较大的误差,却仍采用以上方法来执行计划,那么就有可能引起严重的人为洪水。而且,当预测期比较长,或不是很了解流域内的水文特征时,风险还会增大。另外,积雪的存在可能使计算复杂化。

缩短预测期可大大提高预测精度。就拉尔科坝而言,鉴于流域的整体情况,可靠的预测期不能超过24 h。在如此短的时间框架内,水库需提前排放大量的水,这就意味着在洪水入库之前,会增加下游的风险。

另一方面,尽管96 h的洪水过程的预测可靠性要差得多,但它可以显著减小预泄流量,同时也可保证水库下泄相同的水量。

为了减小下游的人口、财产可能会受到的风险,并考虑到调度者的责任,可以选择第2个方案,即在洪水入库之前,先腾空水库。这样,当水库下泄时,就不会给下游造成破坏性的风险。已开展了这方面的专项影响评估,以评估大坝和下游首次汇流之间的最大可接受的流量。

2.3 结 论

在智利现行的法律范围内,对于预防性调度机构来说,可以考虑采用2种调度模式,以限制洪峰流量可能造成的不利影响。

(1)在7 d气象公报的基础上采用洪水初期警戒措施,允许用最大的流量发电,并将其输送到国家电网,同时保持正常的调度模式。

(2)依据流域上游水文测量设备提供的测量资料和数据,预测水库的预泄水量。考虑到该预测有可能产生较大误差的风险,因而应对水库预泄流量强加一些严格的限制条款。

3 洪水期短暂利用附加库容

3.1 EDF的主要防洪安全指令

设想对可应用于EDF负责调度的水电工程,尤其是谢尔邦松水电站的通用防洪管理原则作适当的修改,以使其也能同样适用于拉尔科和拉佩尔水电站的防洪管理。

谢尔邦松坝的通用防洪指令是基于出流量有规律地定时增加,以平衡水库的入流和出流,从而使水库保持满库。定期对洪水的调度量进行计算,以使水库在洪水期过后也能保持蓄满状态。

为了获得可靠的当地实测的水库入流量,应在坝前定时观测水位的变化(Δ H)。根据坝前水位的变幅和已知的泄流量,即可以计算出水库的入流量。

假设水库的入流量为常数,而出流量为定时增长,那么可以在图上用一条抛物线表示。如果入流量改变,则出流量的增长也会发生变化,这时调度人员就可以绘制一系列的收敛抛物线,根据绘制的这些抛物线,可对洪水演变状况进行评估。

这些原则已考虑到在定期观测水位变化的基础上建立洪水演算指令。出流量增长步长的选择用图上的点表示,这些点代表某一时刻的实际情况(库水位增长,水位),这种情况与图上该点下面最近的抛物线有关。

3.2 谢尔邦松坝的特点

谢尔邦松坝在法国迪朗斯流域的防洪中起到了关键性的作用。尤其是,该大坝的防洪任务是推迟并尽量削减洪峰,以便提高流域下游的防洪标准。迪朗斯河与无调控的比齐(Buech)河汇流的洪水给下游带来了很大的风险,特别是下游的锡斯特龙(Sisteron)镇。

洪水期允许短暂利用水库中附加高2 m的库容。通过临时扩大库容,可以达到防洪作用,也可以将其当作是对一般防洪调度计算方法的补充。谢尔邦松坝有自己的调度管理系统,当库水位超过正常最高水位时,能使水库内的水体缓慢下泄,这样可以保持水库入流和出流间的平衡。当洪水消退,入库流量大幅下降时,调度要求库水位缓慢下降,以使水流能通过电站厂房内的涡轮机,而不是由溢洪道排放。只有当洪水消退而无危险存在时,水库才可以接受需要的超额水量。

在执行洪水期利用水库的附加库容进行临时性拦蓄洪水措施时,必须基于以下条件:即除了进行环境、社会和行政管理的评估以外,还必须对大坝的稳定性和库岸状况进行详细的研究。

3.3 拉尔科电站对相关原则的适应性

拉尔科坝同谢尔邦松坝特征的类似,对控制比奥比奥河流域的洪水能够起到关键性的作用。然而,其坝址处的应力状态和溢洪道的自然特征,使得水库附加库容的水层高度限制在0.50 m以内,库容相应增加 0.16亿 m3,蓄水水位在 725.0～725.5 m范围之间。

逐步利用附加库容,可实时观测和记录最高水位,并作为洪水动态的函数。入流量增加很快的洪水趋向于在725.5 m水位左右;而入流量增加较缓慢的洪水,则即使是相同的洪水量,也只会使用该附加库层的一部分。

由图1可以看出,通过预降库水位和利用部分附加库容 (在这种工况下,库水位最高到725.22 m),水库拦蓄的洪峰水量。洪水期水库的最大出流量远低于入库的洪峰流量。

图1 预降库水位和利用部分附加库容拦蓄的洪峰水量

4 防洪调度回水曲线

就拉佩尔水电站来说,大坝位于流域的下游,不要求其能够减缓洪水。从这点来看,也就不需要利用水库的附加库容。

与拉尔科坝相比,拉佩尔水电站的调洪计算规则因其他原因而进行了专项研究。拉佩尔水库形态所具有的特殊性,使其上游库区宽阔,河流坡度比较平缓;而下游库区则狭窄、陡峭,为岩石峡谷。当洪水流量足够大时,就会在下游库区形成明显的回水曲线。可以观察到,在特大洪水期间,水库的中心区域与坝前的水位差大约为50 cm。

当入流量增加时,现有规则(基于水库调度人员的经验)。已考虑了在进行水库调洪计算时降低参考水位的这一变化。

为制订防洪规则而进行的研究,试图采用相同的基础来解决问题,以便得到对谢尔邦松坝和拉尔科坝都适用的指令。但引进了新的概念,这种新概念是考虑简单地改变参考水位来进行洪水管理。

这种适配方法的原则是建立在测站稳定入流量和实测回水曲线之间关系的基础上。然后将水位差值结合到调洪计算曲线图中,以求得一个新的瞬时水位参考值,这样也给调度人员提供了一组以新水位参考值为依据的曲线。拉佩尔坝的调洪计算是每小时迭代计算一次,相应水库调度更新一次。

如果参考水位为常数,则只需观测坝前的水位;反之,在调洪指令要求变化的参考水位的地方,则还需观测水库中部的水位。

最后,为了保证参考水位持续平稳地下降,有可能采用合理的精度水平来考虑短期预测入流量(提前6 h)。在缺少这些数据的情况下,则会采用瞬时入流量的数据以恢复控制,而不会致使控制中断。

邱训平 译自英刊《水电与大坝》2011年第1期

山 松 校

TV697.11

A

1006-0081(2011)10-0032-04

2011-06-06