刘家峡水库汛限水位动态控制研究

沈利平，贾怀森，姬生才，王进学，高承众

(1.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂,甘肃省永靖县 731600;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

汛限水位作为防洪与兴利的结合点，其高低直接影响着水库的防洪安全和兴利效益[1]。水库汛限水位动态控制是洪水资源利用的主要方式之一[2]，目的是根据各种实时信息，结合水库蓄水和泄流能力，研究既能满足防洪要求，又可充分利用洪水资源的可操作性调度方法[3]。目前，中国水库汛期超汛限水位运行研究主要集中在单个水库[4-8]，而对2个或多个水库联合调度的研究相对较少。

黄河龙羊峡、刘家峡水库是分别具有多年调节、年调节性能的大型水库。黄河上游梯级水电站的运行是在龙羊峡-刘家峡两库联合运行的格局下进行的，特别是梯级洪水调度。黄河上游唐乃亥以上降雨量较丰，是黄河上游的主要产洪区，而龙羊峡防洪库容大，可有效对唐乃亥以上汛期洪水起到削减作用，为刘家峡汛期抬高运行水位提供了条件。因此，本文对刘家峡水库动态汛期限制水位运行进行研究，以期为水库汛限水位动态控制提供技术基础，提高汛期发电量，增加电站发电效益。

1 龙羊峡、刘家峡水库的运行实践

1.1 龙羊峡水库的运行实践

龙羊峡水电站位于黄河上游龙-青河段的最上游，是黄河梯级规划的第一座大型龙头水电站，总装机容量1 280 MW，具有多年调节能力。龙羊峡水库死水位2 530.00 m，设计汛期限制水位2 594.00 m，黄河水利委员会(简称：黄委会)目前允许的汛期限制水位2 588.00 m，正常蓄水位2 600.00 m，校核洪水位2 607.00 m。

龙羊峡水库自1988—2015年水库月初运行水位过程见图1，龙羊峡水库1988—2015年水库汛期7、8、9月平均水位过程见图2。由图1、2可知，龙羊峡水库自1988年正常运行以来，由于2005年前黄河上游来水持续偏枯，龙羊峡水库的运行水位长期偏低，在汛期限制水位以下尚有较多的库容可以存蓄洪水。尽管2005年底水位接近正常蓄水位，但2006—2015年的10 a间，龙羊峡水库7、8、9月3个月初平均水位分别为2 575.86、2 581.39、2 583.33 m，低于汛限水位2 588.00 m。另外，龙羊峡水库属多年调节水库，即使今后上游来水正常，从运行特性和水库特性分析，水库每年汛期运行水位不可能均达到汛期限制水位，从实施调度的角度来说，龙羊峡水库有一定的空闲库容可为刘家峡水库在汛期超汛期限制水位运行所用。

图1 龙羊峡水库1988—2015年水库月初运行水位过程图

图2 龙羊峡水库1988—2015年汛期7、8、9月平均水位过程图

1.2 刘家峡水库的运行实践

刘家峡水电站位于甘肃省

永靖县境内的黄河干流，扩机后总装机容量1 690 MW，具有年调节性能。刘家峡水库死水位1 694.00 m，设计汛期限制水位1 726.00 m，黄委会允许的汛期限制水位1 727.00 m，设计正常蓄水位1 735.00 m，校核洪水位1 738.00 m。

刘家峡水库1988—2015年水库月初运行水位过程见图3，刘家峡水库1988—2015年水库汛期7、8、9月平均水位过程见图4。由图3、4可知，刘家峡水库在龙羊峡水库投产以后汛期7、8、9月平均水位别为1 719.95、1 721.77、1 724.27 m，较汛期限制水位1 727.00 m分别低7.05、5.23、2.73 m；汛期7、8、9月最高水位别为1 729.45、1 731.36、1 733.39 m，汛期有超汛限水位1 727.00 m运行记录。因此，刘家峡水库在龙羊峡水库投入运行后已有多次超汛期限制水位运行的经验。

综上所述，综合“1.1 龙羊峡水库的运行实践”与“1.2 刘家峡水库的运行实践”，而且目前黄河水利委员会允许的龙羊峡水库汛限水位为2 588.00 m，比原设计汛限水位2 594.00 m降低6 m，增加防洪库容21.56亿m3；而允许的刘家峡水库汛限水位为1 727.00 m，比原设计汛限水位1 726.00 m抬高1 m，减少防洪1.58亿m3，但龙羊峡和刘家峡两库净增防洪库容19.98亿m3，总防洪库容比原设计防洪库容增加约30%，均为研究抬高刘家峡水库汛限水位提供了有利条件。

2 龙羊峡-刘家峡水库的原洪水联合运行设计

2.1 防洪对象

龙羊峡-刘家峡两库联合防洪的保护对象是龙羊峡水电站设计确定的防洪对象，即龙-刘区间已建梯级水电站、盐锅峡、八盘峡及兰州市。

图3 刘家峡水库1988—2015年水库月初运行水位过程图

图4 刘家峡水库1988—2015年水库汛期7、8、9月平均水位过程图

2.2 洪水与地区组成

黄河上游洪水采用原龙羊峡设计的1964年和1967年2种典型，洪水地区组成采用1964、1967年典型比例分配放大和按照上、下游同频、区间相应2种地区组成，黄河上游典型洪水和地区洪水共组成4种洪水过程。

2.3 控制泄量及泄量判别方式

(1) 刘家峡水库

刘家峡水库承担下游盐锅峡、八盘峡及兰州市3个防护对象的防洪任务，防洪标准分别为2 000年一遇、1 000年一遇、100年一遇。为保证刘家峡水库下游各防护对象达到预定的防洪标准，在不考虑洪水预报的情况下，只能采用固定控制下泄流量的方式进行调洪，见表1。

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司(简称：西北院)有关专家通过对黄河上游洪水涨落特性的分析，研制了一套既安全可靠，又能及时判别泄量跳级的判别图，见图5。

图5中有2组线，其中以虚线表示的3条垂直线分别是频率为1%、0.1%、0.05% 的最大日平均流量，若调洪中某一时段的流量位于某一频率最大日平均流量线的右方，则说明刘家峡水库的天然入库流量已超过该频率的最大流量；另一组线是以实线表示的曲线，是对应于3种频率的洪量判别线，若某一时段的洪量位于某一频率洪量上侧，则说明刘家峡水库的天然入库洪量已超过该频率的最大洪量。采用判别图进行泄量判别，同时考虑了流量和洪量，二者同时超过标准才加大泄量，实际上大大提高了对下游防护对象的防洪安全程度。

(2) 龙羊峡水库

在1983年开展的黄河上游河段防洪规划以后确定的龙羊峡各级控泄流量：1 000年一遇及以下洪水时，控制最大下泄流量不超过4 000 m3/s；超过1 000年一遇洪水直至可能最大洪水，均控制最大下泄流量不超过6 000 m3/s。

表1 刘家峡水库各级控制流量表

龙羊峡采用入库流量的大小作为判别指标。当天然入库流量超过1 000年一遇洪峰流量7 040 m3/s时，则认为龙羊峡的洪水已超过1 000年一遇标准，允许最大下泄流量由4 000 m3/s跳级至6 000 m3/s。

2.4 龙羊峡-刘家峡水库联合防洪调度规则

龙羊峡、刘家峡两库采用联合防洪调度，既要保证刘家峡水库下游各防护对象达到预定的防洪标准要求，又要保证龙羊峡、刘家峡两水库自身的防洪安全。在满足上述防洪安全的条件下，尽可能使龙羊峡、刘家峡两水库的防洪库容之和较小及两库的调洪库容都得到较充分的利用，以减少龙羊峡预留的调洪库容。确定龙羊峡-刘家峡两水库联合调洪规则，即确定在调洪过程中各时段龙羊峡、刘家峡两水库的下泄流量，按照2.3节中泄量判别方式进行控制下泄流量。

图5 龙羊峡-刘家峡两库联合调洪时刘家峡 水库泄流量判别图

3 刘家峡水库汛期超汛限水位的计算与分析

3.1 计算条件

随着黄河上游龙-青河段规划的24级水电站陆续建成，2015年以后黄河上游防洪任务相对简单，龙、刘两水库按原洪水联合运行设计进行防洪度汛，所以在不考虑洪水预报条件下，龙羊峡、刘家峡的控制泄量、泄量判别方式及联合防洪调度规则同原洪水联合运行设计一致。

龙羊峡、刘家峡两库计算的起调水位及龙羊峡汛期限制水位等计算条件见表2。

表2 龙羊峡、刘家峡水库联合调洪计算起始条件表

3.2 计算结果

在不考虑洪水预报条件下，根据龙羊峡-刘家峡水库联合防洪调度规则、泄量判别方式等，对黄河上游1964年和1967年典型洪水及地区组成设计洪水进行调洪计算。在满足安全度汛情况下，龙羊峡水库正常运行期刘家峡水库汛期超汛限运行调洪成果见表3，刘家峡水库在起调水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m时对应的PMF洪水过程调洪结果见图6～8。

图6 刘家峡水库起调水位1 728.00 m时调洪过程图

图7 刘家峡水库起调水位1 729.00 m时调洪过程图

由表3可看出，龙羊峡水库按照黄委会允许的汛期限制水位2 588.00 m，刘家峡水库在起调水位1 728.00、1 729.00、1 730.00 m条件下，调洪计算得到的刘家峡最高水位均在刘家峡校核洪水位1 738.00 m以下，但刘家峡水库在起调水位1 731.00 m条件下，调洪计算得到最高水位1 738.90 m，超过水库校核洪水位。所以，可以认为刘家峡水库可抬高汛限的运行水位最高1 730.00 m。另外，龙羊峡水库起调水位2 588.00 m及刘家峡起调水位在1 728.00～1 730.00 m时，龙羊峡调洪计算得出最高水位差异较小，但刘家峡水库汛期可提高水位最高为1 730.00 m，说明龙羊峡防洪库容再大，也无法控制龙-刘区间洪水，刘家峡水库为调节龙羊峡-刘家峡的区间洪水，必须留有一定的防洪库容。

表3 刘家峡水库汛期超汛限运行水位成果表

图8 刘家峡水库起调水位1 730.00 m时调洪过程图

因此，龙羊峡水库汛期限制水位2 588.00 m，为刘家峡水库汛期超汛限水位运行提供了条件。龙羊峡水库防洪库容大，且运行水位低于汛期限制水位，运行水位至汛期限制水位之间的空闲库容可以拦蓄部分小洪水，减少龙羊峡的下泄流量，亦为刘家峡水库汛期超汛限水位运行提供条件。

4 刘家峡水库汛期超汛限水位运行效益计算

黄河上游龙羊峡-青铜峡段已形成龙羊峡-刘家峡两库联合调度的格局，在确保现状用水及防凌安全条件下，对全梯级合计出力的等出力进行水利计算。

根据1919—2000年径流系列，分别对刘家峡水库汛期不同运行水位的发电量计算，刘家峡水库汛期不同超汛限水位年发电量见表4。

表4 刘家峡水库汛期不同超汛限水位年发电量表

由表4可见，如果按现在刘家峡水电站上网电价0.15元/kWh计算，刘家峡水电站主汛期运行水位抬高1、2、3 m时，则刘家峡水电站可增加发电量0.173亿、0.346亿、0.471亿kWh，按现行上网电价计算，分别增加年收入达260万、519万、707万元。该收入不需要增加投入，其效益是比较显著的。

5 结 语

黄河上游梯级水电站运行是在龙羊峡-刘家峡两大水库联合运行的格局下进行的，尤其是梯级洪水调度。龙羊峡水库防洪库容大，且汛期运行水位至汛期限制水位之间的空闲库容可以拦蓄部分小洪水，减少龙羊峡的下泄流量，而且刘家峡水库在龙羊峡水库投入运行后已有多次超汛期限制水位运行的经验，均为刘家峡水库在汛期抬高运行水位提供了基础。

在满足龙刘安全度汛、梯级水电站及兰州市防洪要求的前提下，在龙羊峡水库汛期限制水位2 588.00 m、校核洪水位允许达到2 607.00 m、以及不考虑洪水预报的条件下，刘家峡水库汛期超汛限水位运行的最高水位为1 730.00 m，而且，可满足刘家峡水库需预留一定的防洪库容调节龙羊峡-刘家峡的区间洪水的要求。另外，刘家峡水库汛期超汛限运行可增加刘家峡水电站的发电量，以提高3 m计算，可多得电量0.471亿kWh，增加发电收入707万元。

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