基于水库分期汛限水位的研究设计分析

肇 磊

(辽宁省葠窝水库管理局，辽宁 辽阳111000)

0 前 言

从分期频率与年频率之间的关系看，当前分期汛限水位法未能达到指定防洪标准，而通过优化设计后，在不降低水库防洪标准的条件下，依据分期设计洪水调洪计算结果，优化分期汛限水位的模型和算法，发现这种模型通过略降低主汛期汛限水位，能够取得可观的防洪效益，且大幅度抬高了讯末期的汛限水位，进而提升了水库汛期的兴利性，可最大限度利用洪水资源［1］。下面本文以本溪桓仁桓龙湖水库为例阐述这一情况。

1 水库概况

本溪桓仁桓龙湖是辽宁省最大的水库，距桓仁县城6 km，水库沿线长81 km，水域面积3 200 hm2，库容量34.6 亿m3。该水库涉及到的各项防洪参数如下表1. 倘若汛限水位达到99 m，则水库容量可达到15.6 m3，并且洪水库容的预留时期在每一年的6—8月。

本溪范围内的降水量时空分布不均衡，且每年的旱涝灾害接连不断，加之当地电力负荷情况不良，桓仁桓龙湖水库作为辽宁省最大水力发电厂，不可避免地产生防治洪水与有效发电的矛盾。当防洪水库较安全时，用分期汛限水位法管理水库汛期的运行，可借助洪水资源调节防洪与发电之间的矛盾，有重要作用［2］。本溪桓仁桓龙湖特征参数见表1。

表1 本溪桓仁桓龙湖特征参数

本文重点研究分析水库6—9月的调度，现将其分成6月、7月1日—7月20日、7月21日—8月31日、9月4个时间段，计算出各段时间内的洪水。通过认真分析可知水库汛限水位在94 ～106 m适宜。水库的主要作用是发电，故在优化设计过程中重视这一点。在每年汛期，该水库初始水位一样，预定好不同分期的汛限水位，利用模型测算出入库流量带来的发电效益。具体指的是①分期期限内一年平均发电量;②总获水量，因为水库平均水头约为40 m，根据9 m3/kW·h公式将消耗的水资源转化成电能，进一步推算出汛限水位不同时获得的发电效益。

但必须注意需要将6月初、9月末的总水量差转化成电能后再计算，若片面考虑总水量忽视水头不同，故在计算发电效益时不包括汛末水位导致的水能变化。依照调洪演算具体要求，9月份汛限水位宜＜102 m。鉴于优化设计过程中牵涉的4个变量目标复杂，必须用Powell 算法得出一定范围内的最优解，具体优化设计图如图1。

图1 分期汛限水位优化设计图

2 分期汛限水位优化设计模型

汛期水位不但是调节防洪与水利关系的重点，还对库内引水位抬高、泥沙淤积、水库淹没指标等密切相关，故需要参考各种方案的计算结果具体的工程开发条件进行全方位比较分析以后选择。防洪目标以不降低防洪标准为基础，以兴利效益最大化为目标，得出分期汛限水位优化设计目标函数即:

其中:fk(X)k =1.2.3 表示不同目标数值，X 表示分期汛限水位方案，n 表示目标值个数。

2.1 约束条件

运用水库汛限水位设计，以不降低水库防洪标准为基准，加入约束条件通过分期频率计算出年频率，确保不降低年防洪标准。按照不同防洪要求，设计出的防洪标准分为一级或者设计与校核两级。其中防洪保护对象可以分成:①自身防洪能力差;②确保防洪对象安全的各相关方;③受到严重的洪水威胁需自保。

在防洪过程中，必须考虑都的防洪标准为:①库区淹没;②下游河道安全的洪流量，分成几级控制;③确定是永久性水工洪水，用原来设计汛限水位计算出年最大设计洪水量，实施定量估计。将分期汛限水位优化设计约束条件表示为:

式中:Rk(X)表示防洪标准，用风险率%表示，它的估计率标准数值用独立组合式表示;R0为事先预定的防洪标准;X0表示原防洪风险概率。

2.2 计算风险率

如果将汛限水位当成调节水位，设计出在某一频率条件的调洪力度，调洪所需的出库流量最大数值。水位，若将与汛限水位相应的防洪标准风险概率设定为数值P。给出在不同频率段的洪水流程变化曲线，其和临界流量保持一致，采用试计算方法估计汛限水位在各种防洪标准条件下的防洪风险概率，在明确某一汛限水位以后，利用各汛限水位防洪风险概率插值计算出防洪风险概率。

3 结果分析

1)优化设计防洪标准，在给年防洪标准的情况下进行优化计算，分析不同组合条件下的分期汛限水位设计结果可知:不管采用哪一种组合方式，得到的汛限期间水位都有以下几点表现:洪水每年频繁出现，其中洪水量最大主要集中在7月21日—8月31日时间分期内，这段时期汛限水位最低，6月的汛限水位最高。

2)比较分析独立组合与保守组合可知，在7月21日—8月31日时间分期内，保守组合与独立组合相比，汛限水位约降低0.1 m，发电效益降低500 000 kW·h。进一步推理可知保守组合可能会降低水库效益，有一定的保守性，能够保证水库达到预定防洪标准，但是独立组合则不然。

3)将报告设计作为基础进一步优化设计。按照报告中分期汛限水位设计方案，用独立组合预测风险概率，并将其当作约束条件不断优化设计，得出结果。①在各个分期中，7月21日—8月31日期间的设计洪水数值最大，优化设计得出的分期汛限水位方案在7月21日—8月31日期间内水位运行降低2.0 m的条件下，能够取得防洪效益。而在未降低水库防洪标准的情况下，6月份与7月1日—7月20日的汛限水位分别提升3.2 ～2.2 m。比较各个不同分期获得防洪水利效益，降低汛限水位主要在主汛期，在一定程度上可提升分期汛限水位高度。②在7月21日—8月31日期间可能损失部分电能，此时在6月，7月1日—7月20日会得到最大限度补偿，优化设计后在6—9月的发电量和原来设计相比增加幅度达到1.54%，符合水库防洪标准，进一步提高了水库经济效益。

［1］邓辉. 万家寨水库汛期防洪调度风险分析［J］. 水资源与水工程学报，2008，19(05):61－64.

［2］何晓燕，黄金池. 对水库汛限水位动态控制风险分析的认识［J］. 大坝与安全，2010(06):27－30.