龙滩水库分类洪水防洪调度规则研究

马志鹏，王 森，李善综，邹华志

(1. 珠江水利科学研究院，广州 510611；2. 水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州 510611； 3. 水利部珠江水利委员会技术咨询中心，广州 510611)

珠江按年径流量为我国第2大河流，流域受大气环流、地形、台风等影响，汛期降雨量多、持续时间长，且众多的支流呈扇状分布，洪水易同时汇集到干流形成大洪水，导致区域洪涝灾害频发，严重制约了区域经济社会的可持续发展[1]。近年来，随着流域梯级水利枢纽以及沿岸堤防工程的大规模开发与建设，逐步形成了“堤库结合、以泄为主、泄蓄兼施”的防洪工程体系[2]，在抵御特大洪水、降低洪灾方面发挥了重要作用。但是，随着流域社会经济发展、区域极端气候频发等形势变化[3]，区域防洪安全保障仍然面临着巨大的挑战，主要体现在：①流域洪水复杂多变，西江主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江等，干支流洪水遭遇组成复杂，洪水类型多(按时间可分为主汛期和后汛期，按空间可分为中上游型、中下游型、全流域型)且存在互相转变的可能；②流域控制性工程防洪能力有限且空间分布不均匀，现状干流防洪工程库容仅占规划的55%，而且已建的防洪控制性水库龙滩位于上游，中下游无控制性工程进行调控；③骨干水库龙滩原调度规则为20世纪80年代设计，调度规则中未考虑洪水预报因素，同时近年来流域水文情势发生较大变化[4-6]，原调度规则适应性还有待强化。因此，如何科学、合理地利用优化技术手段提高流域防洪能力，是亟待研究和解决的关键科学问题。

针对上述流域防洪调度存在的问题，考虑到流域防洪控制性工程龙滩水库调度规则精细化程度不足的缺点，从调度可操作性和实用性出发，本文将不同量级的龙滩及控制断面梧州的预报流量信息纳入调度规则中作为判别条件，构建自识别控泄方式，拟定了包含预报变量和控泄变量的分类洪水调度规则一般形式；以梧州断面场次洪水集加权平均削峰最大为优化目标，将预报变量和控泄变量进行离散组合，通过不同类型场次洪水集模拟调度，选取最优变量组合，形成分类洪水调度规则。实例研究表明，优化的分类洪水防洪调度规则能有效适应不同类型洪水，调洪效果显著。

1 分类洪水调度规则

1.1 调度规则一般形式

考虑到流域洪水类型按时空分布特点可分为主汛期中上游型、主汛期中下游型、主汛期全流域型、后汛期中上游型、后汛期中下游型以及后汛期全流域型6类，在流域防洪控制性工程龙滩水库原调度规则的基础上，纳入不同量级的预报流量和控泄流量提高调度规则的精细程度，并针对每类型洪水拟定表现形式相同的调度规则。

(1)龙滩原调度规则。龙滩水库现状调度规则主要以梧州断面实测流量作为控泄的判别条件，在7月15日前保持50 亿m3的防洪库容，7月15日以后可以回蓄，但在8月仍预留30 亿m3的防洪库容；当龙滩水库蓄满库容时，龙滩水库按入库流量泄水。现状防洪调度规则见表1。

表1 龙滩水库现状调度规则 m3/s

(2)分类洪水调度规则一般形式。根据现有预报技术的精度和预见期，结合人工实践经验，调度规则的优化考虑3 d内的梧州和龙滩的洪水预报，并重点对涨水期进行识别调度。拟定的分类洪水调度规则一般形式见表2。

1.2 自识别防洪调度模型

针对拟定的分类洪水调度规则的一般形式，将调度规则中作为判别条件的预报信息以及控泄信息构造为约束条件，构建自识别防洪调度模型，并以梧州断面场次洪水集模拟调度的加权平均削峰最大为优化目标。

表2 龙滩水库分类洪水调度规则一般形式 m3/s

1.2.1 优化目标

(1)

1.2.2 约束条件

水量平衡：

(2)

水位约束：

(3)

自识别控泄约束：

(4)

马斯京根演进约束：

(5)

非负条件约束：上述所有变量均为非负变量(≥0)。

1.3 优化流程

(2)初设α=1；其中α∈(1,2,…,6)；β=1，其中β∈(1,2,…,6γ)。

(4)若β=6γ，则进入步骤(5)，否则，设置β=β+1，返回步骤(3)。

(6)若α=6，则计算结束，否则，设置α=α+1、β=1，返回步骤(3)。

优化流程见图1。

图1 分类洪水调度规则优化流程Fig.1 The flow chart of the optimal process of the classified flood control rules

2 成果检验

2.1 优化成果

表3 分类洪水调度规则优化参数 m3/s

2.2 调洪计算

采用流域“49.7”、“88.9”、“94.6”、“98.6”、“05.6”等典型大洪水对龙滩分类洪水调度规则进行检验。典型洪水调洪效果见表4，调度过程见图2～图6。

表4 典型洪水调洪效果 m3/s

图2 “49.7”洪水200 a一遇调度过程Fig.2 The operation process of “49.7” flood (frequency:0.5%)

图3 “88.9”典型洪水调度过程Fig.3 The operation process of “88.9” typical flood

图4 “94.6”洪水200 a一遇调度过程Fig.4 The operation process of “94.6” flood (frequency:0.5%)

图5 “98.6”洪水200 a一遇调度过程Fig.5 The operation process of “98.6” flood (frequency:0.5%)

图6 “05.6”洪水200 a一遇调度过程Fig.6 The operation process of “05.6” flood (frequency:0.5%)

2.3 结果分析

根据表4计算结果统计，与原调度规则相比：对中上游型洪水的削峰值的影响范围为-300～800 m3/s，对全流域洪水削峰值增加约400 m3/s，对中下游型洪水削峰增加约1 200 m3/s。因此，分类洪水调度规则对全流域型洪水、中下游型洪水普遍改善，而对于中上游型以改善为主，但也存在削峰降低的可能，主要受限于龙滩的防洪库容，存在提前用完库容的可能。

从图2～图6中可以看到，调度过程中根据自识别策略逐时段调整洪水控泄方式，实现调度决策的动态自识别。对于“49.7”200年一遇洪水，自识别策略准确判断出中上游型洪水，与原方案基本保持一致，但由于龙滩防洪库容有限，在龙滩断面洪水尚未完全退去的情况下提前用完防洪库容，梧州断面削峰4 700 m3/s。而对于“88.9”典型洪水，与原方案相比，自识别策略将防洪库容主要用于拦蓄洪峰洪量，削峰改善明显，但随着洪水量级增大，从第1入库洪峰开始拦蓄洪水，提前动用了有限的防洪库容。因此，对中上游型洪水的调洪效果受制于防洪库容的大小。对于“94.6”200 a一遇洪水，自识别策略下梧州断面削峰4 100 m3/s，比原规则增加了削峰400 m3/s，同时，由于自识别策略还考虑了龙滩断面的入库流量，对双峰型洪水(见图4中虚线圈所示)也进行了控泄，充分利用了龙滩防洪库容。对于“98.6”200 a一遇洪水，原调度方案梧州断面只削峰200 m3/s，通过分类洪水规则，龙滩控泄2 000 m3/s，梧州断面削峰1 400 m3/s，大幅提高了削峰量，而对于“05.6”200 a一遇洪水，调洪效果同样非常显著。

3 结 语

随着流域防洪安全需求越来越强烈，在流域防洪能力有限的情况下，如何挖掘防洪潜力以实现防洪保安，一直是雨洪资源化利用领域的热点问题。本次研究针对流域洪水类型复杂、现状防洪能力有限等调度难点，以提高流域防洪能力为目标，建立了自识别防洪调度模型，优化了骨干水库分类洪水防洪调度规则。实例研究表明，该调度规则对中上游型洪水以改善为主，不同程度地改善了全流域型、中下游型洪水的调洪效果，具有较强的实用性强和可操作性。

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