吴岭水库防洪调度运用研究

2018-05-22陈思翌杨启林

中国水利 2018年9期

陈思翌，杨启林

（1.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉；2.湖北省吴岭水库管理局，431800，京山）

吴岭水库坝址在湖北省京山县钱场镇吴岭村，位于汉北河支流东河上，总库容6785万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、城镇供水等综合利用功能的多年调节中型水利工程。吴岭水库灌区以吴岭水库为骨干水源工程，设计灌溉面积14.6万亩（1 亩=1/15hm2，下同），是湖北省重要的商品粮产地之一。

2001年1月湖北省水利厅组织专家鉴定吴岭水库大坝属三类坝，2001年8月武汉大学设计研究总院完成《湖北省吴岭水库除险加固工程初步设计报告（修改版）》（以下简称《加固初设》），洪水标准按100年一遇设计、1000年一遇校核。2002年12月水库除险加固工程正式开工，2004年12月项目主体工程全部完工并投入试运行。

2007年吴岭水库进入汛期之后，连续遭受了“5·31”“6·18”“7·1”“7·13”和“7·25”等 5 次强降雨袭击，其中“7·13”暴雨洪水给水库上下游造成了较严重的洪涝灾害，总经济损失约1.2亿元。

在2002年吴岭水库除险加固之前，水库正常溢洪道为开敞式无闸门控制，水库的防洪调度工作非常简单。除险加固之后，正常溢洪道改为有闸门控制，吴岭水库具备了真正意义上进行防洪调度的工程条件。《加固初设》中设计的洪水调度方式，基本沿用原无闸控制时的方式，属自由（敞开）泄洪方式。原防洪调度方式显然已不适用于除险加固之后的吴岭水库，需对水库运行指标进行分析研究，制定新的洪水调度方案。

吴岭水库自1962年竣工以来未曾遭遇特大暴雨洪水，在突然遭遇2007年汛期连续5次强降雨袭击、水库上下游遭受严重洪涝灾害损失的情况下，吴岭水库管理局亟须在如何科学合理地进行防洪调度、如何最大程度地减少洪灾带来的损失等问题上找到解决方案。因此，研究制定新的洪水调度方案，成为完善吴岭水库自身运行管理、协调吴岭水库及上下游各方利益、保障当地社会发展及稳定、避免爆发群体性事件的重要任务和关键因素。

一、水库防洪调度研究现状

目前，水库防洪调度研究多集中在综合利用、优化及合理调度水库等方面，主要包括综合利用水库常规调度、水库群优化调度、动态控制防洪限制水位（包括合理设置分期汛限水位）、重要水库综合利用调度等应用研究以及小流域削峰水库防治山洪灾害研究等。

水利部颁发的《综合利用水库调度通则》指出，水库防洪调度可视水库具体情况和需要，采用预泄、补偿调节、错峰调度等方式，并强调无论采用上述哪种预报调度方式，在实施时都要留有适当余地，以策安全。

20世纪50年代以来，随着系统工程的迅速发展与广泛应用，系统分析方法被引入水库群优化调度研究中。该方法是建立水库群防洪调度系统的目标函数、确定其满足的约束条件、用最优化方法求解，从而使目标函数取得极值的水库控制运用方法。经常采用动态规划法、线性规划法、非线性规划法、模拟模型法、多目标优化法、大系统分解协调法、模糊优化法、遗传算法、人工神经网络等。如邵东国（1996）建立了有模糊约束条件的防洪优化调度模型，提出了含罚函数的离散偏微分动态规划；Oliveira等（1997）使用遗传算法生成水库群系统的调度规则；缪益平等（2003）建立了水库调度函数的神经网络模型，并用该模型对湖南省凤滩水库调度进行了模拟。

传统的水库运行调度过于保守，整个汛期都以较低的防洪限制水位迎汛，导致水库在汛期不能多蓄水，而汛后又往往蓄水不足，造成来年春耕无水可用，加剧了水库防洪与兴利之间的矛盾。利用水库防洪限制水位调控洪水资源是处理水库防洪与兴利矛盾、实现洪水资源安全利用的重要技术途径，对缓解流域水资源短缺危机具有重要的现实意义。水库汛期分期方法分为定性分析法和定量计算法，其中定量计算法可大致分为统计分析法和聚类分析法两类。统计分析法是在对大量水文特征资料统计分析的基础上，得出特征指标在汛期内的分布规律，通过选取临界点将汛期划分为前汛期、主汛期和后汛期。近年聚类分析法研究较多，如刘克琳（2006）、张秀菊等（2008）均将Fisher最优分割法应用到水库汛期分期计算中，陈曜等（2009）以投影寻踪理论为基础，构造水库汛期分期投影寻踪模型用于潘家口水库汛期分期计算中。

重要水库的综合利用调度应用研究，常立足于具体工程的实际运行管理实践，着眼于解决具体利益纠纷和调度运用矛盾，应用性、针对性和实用性较强，如刘丹雅等 (2011)通过分析寻求不断完善三峡水库综合利用调度方式的路径，力求实现三峡工程效益最优，陈永明等（2008）提出增加新安江水库防洪库容的建议。

小流域削峰水库防治山洪灾害研究，主要立足于山区小流域受地形、地质和移民征地等条件限制和不适合兴建防洪水库的现实，研究水库既不拦蓄洪水又能滞洪削峰的调洪方式及其效益，如南京水利科学研究院（2009）进行滞洪削峰水库的防洪效益研究。

二、研究目标和思路

1.研究目标

针对水库溢洪道由无闸门控制改建为有闸门控制的变化，结合2007年水库遭受雨洪袭击时的调度运用情况，研究提出符合吴岭水库特点、可操作性强的水库洪水调度方案，为决策机构提供技术支持，为水库安全度汛服务。

2.研究思路

坚持“局部服从整体、整体照顾局部，兴利服从安全、安全兼顾兴利”的原则，注重对各项基础资料的调查、分析和复核，充分考虑多种影响因素和有关方面意见，在大坝安全和供水目标满足的条件下，注重发挥吴岭水库综合效益，兼顾上下游利益，注重防洪调度安全、可靠和方便操作。研究思路如下：

①针对吴岭水库2007年遭受雨洪袭击特点及调度运用情况，进行设计洪水复核，对造成较严重洪涝灾害的“7·13”暴雨洪水进行频率分析。

②测绘吴岭水库至下游京山县钱场镇8km行洪河道横断面，进行河道水面线计算，分析行洪河道安全泄量。

③调查库区围垦鱼池的情况。

④分析上下游灾情产生的主要原因，根据现实情况拟定对下游的防洪保护标准和吴岭水库洪水调度方式。

⑤分析闸门控制运用情况，初步拟定闸门操作方案和可行的洪水调度方案，反复调整、检查、再调整，使两者衔接。

⑥当考虑吴岭水库承担下游防洪任务时，在拟定的防洪标准下，需研究确定水库最大允许下泄流量、防洪限制水位、防洪高水位。三者相互关联，相互影响。考虑采取工程措施，则可以拟定不同的水库最大允许下泄流量；根据兴利与防洪效益，可拟定不同的防洪限制水位、防洪高水位。可先拟定防洪限制水位后确定防洪高水位，也可先拟定防洪高水位后确定防洪限制水位。本次根据不同的侧重点按两种思路都进行了方案研究，提出初步方案与各方交换意见。经过多次反馈和调整，在充分交换意见、统一认识后，形成各比较方案的最大允许下泄流量、防洪限制水位和防洪高水位。

⑦按照分层比较、逐层细化的方案比选思路进行比选，分析防洪限制水位、防洪高水位、分级控制泄量的设立和取值，提出推荐防洪调度方案，明确判别条件。

三、研究成果及应用

1.本次研究主要结论

（1）“7·13”暴雨洪水频率分析

从 72h 洪量看，“7·13”暴雨洪水重现期接近20年一遇；从24h洪量看，“7·13”暴雨洪水重现期接近 10 年一遇；从洪峰流量看，“7·13”暴雨洪水重现期超过30年一遇。来水洪峰流量大或时段洪量大，均将导致水库水位升高、下泄洪峰流量变大，造成洪涝灾害。根据对吴岭水库各频率洪水的调洪计算可知，时段洪量对该水库水位和下泄流量的影响程度大于洪峰流量。因此，综合降雨量、洪量和洪峰流量的频率分析，可认为“7·13”暴雨洪水重现期约10年一遇～20年一遇。

（2）水库下游河道安全泄量分析

吴岭水库下游河道现状安全泄量取值80m3/s，规划远期通过治理恢复至原设计安全泄量170m3/s。

（3）防洪限制水位分析

由于吴岭水库功能定位系以灌溉为主，兼有防洪、城镇供水等综合利用，因此防洪限制水位分析须侧重从兴利角度考虑，通过水资源供需平衡分析来研究防洪限制水位的设立。

通过灌区水资源供需平衡分析（逐年汇总后摘录缺水年份见表1）可知，如果在正常蓄水位以下设立防洪限制水位，则吴岭灌区灌溉保证率不足设计值80%，这将极大地影响水库灌溉效益，也影响吴岭水库除险加固工程和吴岭水库灌区续建配套与节水改造工程的预定效益。如果设立防洪限制水位61.80m，则防洪作用不大，因为相对正常蓄水位62.20m仅增加防洪库容312万m3；如果再继续降低防洪限制水位，则取61.00m要优于61.40m，因为两者的兴利效益相差不大。

考虑到吴岭水库功能定位系以灌溉为主，而灌区水资源供需相对紧张，加之水库除险加固一般不改变水库的兴利目标，更不会降低兴利目标，因此推荐不在正常蓄水位以下设立防洪限制水位，取防洪限制水位等于正常蓄水位62.20m。

（4）洪水调度方式

水库防洪调度须按照一定的蓄泄规则进行，这种蓄泄规则也称洪水调度方式。水库洪水调度方式分为3种基本类型：①自由（敞开）泄洪方式，②固定泄量方式（含分级控制泄量方式），③补偿凑泄方式（含错峰方式）。未承担下游防洪任务的水库一般采用第一种洪水调度方式；当水库承担下游防洪任务时，则要对大坝安全度汛及下游防洪要求一并考虑，采用后两种洪水调度方式，所拟定的调洪方式一般需包含统一、严格的判别条件。

拟定水库洪水调度方式，需根据水库承担的防洪任务、洪水特性等情况进行，应符合水库特点，并要求可操作性强。吴岭水库在除险加固前未承担下游防洪任务，洪水调度方式采用自由泄洪方式，简单且无争议。溢洪道改建为有闸门控制后，若仍采用自由（敞开）泄洪方式，将使下泄流量大于原无闸门控制方案，加之下游河道行洪能力有限，故2007年实际调度运行并未采用该方式。

吴岭水库下游防护对象有京山县的钱场镇，天门市的石河镇、黄潭镇等重要城镇，其防洪标准为10年一遇。吴岭水库除险加固前无闸门控制时，10年一遇最大下泄洪峰流量98m3/s，5年一遇最大下泄洪峰流量67m3/s。在河道安全泄量取值80m3/s、区间洪水按35m3/s（5年一遇相应洪水）考虑时，吴岭水库仅允许下泄45m3/s。

对于防洪保护对象距水库较近、区间洪水较小的情况，常采用固定泄量调度方式，该方式比较符合吴岭水库实际。若采用补偿凑泄方式，则对洪水预报调度的要求比较高，要保证洪水预报的预见期和精度，对水雨工情采集自动化程度和管理人员技术水平要求也较高。考虑到吴岭水库难以在短期内满足以上要求，且由于吴岭水库到下游城镇距离很近，一旦预报不及时、不准确或操作不当，将会给下游带来更大的灾害损失。可见采用补偿凑泄方式，既不符合吴岭水库实际，也增大了管理风险。

综合以上分析，拟定吴岭水库采用固定泄量调度方式（必要时可分级控制泄量），固定泄量的具体数值尚需通过方案比选进一步研究确定。

表1 各防洪限制水位方案的水资源供需平衡分析缺水情况对比表（水位单位：m；库容、水量单位：万m3）

表2 吴岭水库防洪调度方案汇总（水位、高程单位：m；库容、水量单位：万m3）

（5）防洪调度方案比选

按吴岭水库下游行洪河道安全泄量为 80m3/s、130m3/s 和 170m3/s，分析吴岭水库对下游的防洪保护能力。每种方案又可按不在或在正常蓄水位62.20m以下设立防洪限制水位进行研究。

以水库下游行洪河道安全泄量为80m3/s为例，首先研究对下游的防洪保护能力能否达到5年一遇标准。区间5年一遇相应洪水为35m3/s，故吴岭水库允许下泄45m3/s。通过调洪计算和坝顶高程计算，大坝顶部高程满足规范要求，表明该方案下吴岭水库对下游的防洪保护能力可达到5年一遇标准。区间10年一遇相应洪水为46m3/s，故吴岭水库允许下泄34 m3/s。计算表明，该方案下，吴岭水库对下游的防洪保护能力无法达到10年一遇以上标准。

在充分调查、分析和研究多种影响因素和有关方面意见后，提出了初步的洪水调度方案与各方交换意见，经多次反馈和调整，最后提出5种洪水调度方案供决策，见表2。

2.本次研究成果的应用

湖北省水利水电科学研究院以本次研究成果为依据，制定了吴岭水库调度规程，经湖北省水利厅批准执行；其中，按表2中方案③制定防洪调度方案，以方案④为基础制定现状（临时）防洪调度方案。

2016年入梅以来，湖北省连续遭遇强降雨，出现“98+”汛情灾情。2016年“7·19”强降雨带来吴岭水库历史上最大1h降雨量（76.6mm）、最大日降雨量（219mm）、最大3日降雨量（355.3mm）、最高洪水位（63.53m）、最大泄洪流量（153m3/s）。此次洪水约50年一遇，最大入库洪峰522m3/s，削峰率71%。

在湖北省防汛抗旱指挥部的正确领导下，吴岭水库管理局按照防“98+”洪水的工作要求，依据调度规程加强运行调度，成功应对强降雨，确保了水库工程安全度汛，保护了水库下游3个乡镇29.6万亩耕地、24.7万群众的生命财产安全。 ■

参考文献：

[1]湖北省水利水电科学研究院.湖北省吴岭水库调度规程[R].2009.

[2]湖北省水利水电科学研究院.湖北省吴岭水库灌区续建配套与节水改造工程可行性研究报告（审定本）[R].2006.

[3]湖北省吴岭水库管理局.吴岭水库2007年防汛抗洪工作总结[R].2008.

[4]湖北省吴岭水库管理局.吴岭水库7月13日暴雨受灾情况的报告[R].2007.

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[6]邵东国，朱星源，夏军，等.洋河水库防洪实时优化调度模型研究[J].水科学进展，1996（2）.

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