考虑洪水预报情况下刘家峡水库汛限水位研究

李永清，杨敏慧，姬生才，王进学，曾需要

(1.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃永靖 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

汛限水位是协调水库防洪与兴利效益矛盾的关键[1]，因此水库汛限水位控制是汛期提高洪水资源利用率的重要途径[2]。经多年的研究和实践，水库汛限水位研究已有较大的发展，已由单一固定汛限水位控制、分期固定水位控制到汛限水位动态控制阶段[3]。目前，国内学者已对汛期超汛限水位运行进行了大量研究[4-7]，且对洪水预报情况下汛限水位进行了研究[8-11]，但研究对象多为单个水库，对2个或多个水库联合调度的研究相对较少。

黄河龙羊峡水库具有多年调节性能，刘家峡水库具有年调节性能。目前，黄河上游梯级水电站的运行是在龙～刘两库联合调度运行的格局下进行的，特别是梯级洪水调度。龙羊峡～刘家峡水库的原洪水联合调度方案是在未考虑洪水预报条件下，在龙羊峡水库设计汛期限制水位2 594.00 m、刘家峡水库设计汛期限制水位1 726.00 m的基础上，并将汛期限制水位作为洪水调节的起调水位，进行洪水调节计算确定各水库的洪水位与相应的防洪标准。龙羊峡水库防洪库容大，而且实际运行中龙羊峡水库并非每年汛前都达到汛期限制水位，汛前水位低于黄河水利委员会(简称：黄委会)允许的汛期限制水位2 588.00 m，也就是说运行水位至汛期限制水位之间有一定的空闲库容，可帮助刘家峡水库存蓄上游洪水而减小其入库洪量，为刘家峡水库汛期超汛期限制水位提供可能。此外，如果考虑洪水预报，合理安排龙羊峡～刘家峡水库洪水联合调度方案，可进一步提高刘家峡水库汛期限制水位，增加汛期发电效益。因此，本文将在考虑洪水预报条件下，研究刘家峡汛期最高可运行水位，以期增加汛期发电效益。

1 基本资料

1.1 洪水典型与地区组成

为了提高下游刘家峡、盐锅峡、八盘峡等梯级水电站的防洪标准，在兴建龙羊峡水电站的任务中承担了协助下游已建水电站提高度汛标准。在设计中对黄河上游洪水采用了1964、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。

1.2 库容曲线

(1) 龙羊峡水库库容曲线

龙羊峡水库采用原设计天然库容曲线，见图1。

图1 龙羊峡水库水位库容曲线图

(2) 刘家峡水库库容曲线

刘家峡水库库容曲线采用2004年实测库容曲线，见图2。

图2 刘家峡水库水位库容曲线图

1.3 泄水建筑物泄流能力曲线

(1) 龙羊峡水电站

龙羊峡水电站泄水建筑物水位～流量关系见图3。

图3 龙羊峡水电站泄水建筑物水位～流量关系图

(2) 刘家峡水电站

刘家峡水电站泄水建筑物水位～流量关系见图4。

图4 刘家峡水电站泄水建筑物水位～流量关系图

2 洪水预报初步方案

2.1 黄河上游洪水特性

黄河上游大洪水主要由大范围降雨形成，黄河上游暴雨中心多集中在吉迈～玛曲区间、玛曲～唐乃亥区间的南段一带，次中心在洮河或湟水流域。唐乃亥以上降雨量较丰，植被较好，多沼泽和草原，滞洪作用明显，为黄河上游的主要产洪区；唐乃亥～循化区间为相对干旱区，汇入水量很少；循化～上诠区间的洮河、大夏河流域为黄河上游第二个暴雨区，加入水量较多[11]。

黄河上游洪水涨落缓慢，历时较长，一般一次洪水过程约40 d左右，峰量关系对应较好。大水年份汛期早，洪次相对较多。汛期为6-9月，洪水大多出现在7-9月，通常7月份洪水峰型相对较尖瘦，9月份洪水峰型较肥胖。

2.2 洪水预报初步方案

根据黄河上游洪水特性，唐乃亥以上地区是黄河上游主要产洪区，龙羊峡水库防洪库容大，可有效削减唐乃亥以上洪水洪峰流量；循化～上诠区间为黄河上游第二暴雨区，加入水量较多，而循化～上诠区间洪水则需要刘家峡水库进行调蓄，削减洪峰以满足刘家峡下游防洪对象防洪要求。

基于黄河上游洪水特性，本次洪水预报初步方案主要对龙刘区间洪水提出预报思路。若采用实时短期洪水预报，需收集整理龙刘区间的气候、洪水、地貌、人类活动等流域基本特征，确定龙刘区间洪水预见期，选择合适的产汇流模型，再根据历史水文资料率定洪水预报模型参数，结合模拟计算结果与实测流量误差，对洪水预报模型进行修正，进而可以依据观测降雨等资料进行实时短期洪水预报。若采用中长期洪水预报，可采用成因分析法，首先对预报因子(大气环流、下垫面等因素)与预报对象(龙刘区间洪水)之间的物理联系分析，从中挑出具有一定物理意义的预报因子，再挑选出预报因子与预报对象之间的相关性好、且各因子之间相互独立的预报因子，最后基于挑选的预报因子，选择中长期预报模型(可采用基于时间序列分析的中长期预报模型或者现代新发展的中长期预报模型，如人工神经网络、灰色系统分析)进行预报。

上述洪水预报初步方案是针对龙刘区间洪水预报提出的设想，考虑到龙刘区间尚未建立系统的水情自动测报系统，所以本次刘家峡水库超汛限水位的运行水位计算是在假定洪水预报预见期1 d和3 d下进行研究的。

3 洪水预报下龙羊峡～刘家峡水库的洪水联合运行设计

随着黄河上游龙～青河段水电规划的24级水电站陆续建成，龙～刘两库联合防洪调度的任务：确保龙羊峡、刘家峡水库大坝自身安全，保证已建水电站和兰州市在各自防洪标准内度汛安全，在保证防洪安全前提下，最大限度地实现洪水资源化。

3.1 控制泄量

目前刘家峡水库仍承担下游盐锅峡、八盘峡及兰州市3个防护对象的防洪任务。刘家峡水库在满足自身防洪安全条件下，为保证上述下游各防护对象达到预定的防洪标准，即使在考虑洪水预报条件下，宜采用固定控制下泄流量的方式进行调洪，其各级泄量控制如表1。

表1 刘家峡水库各级控制流量表

根据1983年开展的黄河上游河段防洪规划，龙羊峡水库按照二级控泄：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。

3.2 初拟洪水预报下龙、刘两库联合防洪调度规则

在考虑龙刘区间洪水预报预见期1 d和3 d条件下，研究龙～刘两水库联合调洪规则，即如何确定在调洪中各时段龙、刘两水库的下泄流量。

(1) 刘家峡水库下泄流量

刘家峡水库位于龙羊峡水库的下游，各防护对象的防洪要求是通过刘家峡水库控制下泄流量来实现的，即兰州市、八盘峡水电站、盐锅峡水电站3个防护对象的防洪标准分别为100年一遇、1 000年一遇、2 000年一遇。研究确定刘库控制下泄流量分别为4 290 、4 510、7 260 m3/s，是根据各防洪对象的安全泄量与区间相应频率洪水的洪峰流量之间关系而定的(见表2)。

表2 龙刘区间不同频率洪水洪峰流量表

若以QB表示刘家峡水库的入库洪水流量，以qB表示刘家峡水库下泄流量，则在考虑龙刘区间洪水预报情况下，刘家峡水库t时段的泄量初步按以下规则确定：

1)在龙刘区间洪水未达到洪峰流量前

① 当QB,t<4 290 m3/s时，按入库洪水流量下泄，即qB,t=QB,t；

② 当4 290 m3/s≤QB,t<4 510 m3/s时，控泄4 290 m3/s，即qB,t=4 290 m3/s；

③ 当4 510 m3/s≤QB,t<7 260 m3/s时，控泄4 510 m3/s，qB,t=4 510 m3/s；

④ 当7 260 m3/s≤QB,t时，控泄4 510 m3/s，即qB,t=7 260 m3/s。

2) 龙刘区间洪水达到洪峰流量

按不同洪水等级控制最大泄量和泄水建筑物泄流能力中较小者泄量进行下泄，若泄水建筑物泄流能力泄量大于洪水等级控制最大泄量，则按洪水等级控制最大泄量下泄流量；若泄水建筑物泄流能力小于洪水等级最大泄量，则按泄水建筑物泄流能力下泄流量。

(2) 龙羊峡水库下泄流量

龙羊峡水库下泄流量采用原设计成果。

4 考虑洪水预报下刘家峡水库超汛限水位计算与分析

(1) 计算条件

1) 起始水位龙羊峡水库：2 588.00 m(汛期限制水位)。

刘家峡水库：1 729.00、1 730.00、1 731.00、1 732.00 m。

2) 汛期限制水位龙羊峡：2 588.00 m；

刘家峡：根据计算条件推求。

表3 考虑洪水预报条件下刘家峡水库汛期超汛限运行水位成果表

3) 在满足已建水电站及兰州市防洪要求前提下，考虑龙刘区间洪水预报预见期1 d和3 d两种情况，即预见期为1 d时，以当天入库流量与预报未来1 d的入库流量中较大的流量，按照考虑洪水预报条件下龙刘联合防洪调度规则进行下泄洪水流量。预见期为3 d时，根据预报未来3 d的入库流量，若3 d中存在2 d入库流量超过一定洪水等级，则以当天入库流量与预报未来3 d中2 d入库流量超过的流量中较大的流量，按照考虑洪水预报条件下龙刘联合防洪调度规则进行下泄洪水流量，若3 d中仅有1 d入库流量超过一定洪水等级泄量，则按照当天入库流量进行判断下泄流量。

(2) 计算结果与分析

在考虑龙刘区间洪水预报条件下，龙羊峡水库在起调水位2 588.00 m正常运行情况下，刘家峡水库汛期超汛限运行各调洪成果见表3。

由表3可得：

在未考虑洪水预报条件下，龙羊峡水库按照黄委会允许的汛期限制水位2 588.00 m，刘家峡水库可抬高汛限的运行水位最高为1 730.00 m；在考虑洪水预报预见期1 d条件下，刘家峡水库可抬高汛限的运行水位最高为1 731.00 m；在考虑洪水预报预见期3 d条件下，刘家峡水库可抬高汛限的运行水位最高为1 732.00 m，进而说明在考虑洪水预报条件下，可进一步抬高刘家峡水库汛期运行水位。

在龙刘水库联合调度基础上，考虑洪水预报、龙羊峡水库起调水位2 588.00 m及刘家峡起调水位在1 729.00～1 731.00 m时，龙羊峡调洪计算得出最高水位基本相同，但刘家峡水库汛期可提高水位最高为1 731.00 m，也进一步说明即使在考虑洪水预报条件下，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。

(3) 洪水调节过程

根据考虑洪水预报条件下刘家峡水库汛期超汛限运行水位计算最高洪水位对应的洪水过程，入库洪峰在第18天出现，所以，本次以刘家峡水库汛期起调水位1 731.00 m为例绘制洪水过程前20 d在未考虑洪水预报、考虑洪水预报预见期1 d和3 d三种情况下洪水调节后水位变化，见图5～9。可以看出，在龙羊峡水库按照黄委会允许的汛期限制水位2 588.00 m，考虑洪水预报情况及刘家峡起调水位1 731.00 m条件下，经龙刘联合防洪调度，计算得到刘家峡水库最高洪水位相比预报前降低，进而说明在考虑洪水预报条件下，可进一步抬高刘家峡水库汛期运行水位。

图5 刘家峡水库起调水位1 731.00 m下洪水调节后水位变化(P=1%)图

图6 刘家峡水库起调水位1 731.00 m下洪水调节后水位变化(P=0.1%)图

图7 刘家峡水库起调水位1 731.00 m下洪水调节后水位变化(P=0.05%)图

5 刘家峡水电站汛期超汛限水位运行的效益分析

根据黄河龙羊峡～青铜峡河段梯级水电调节计算原则与方法，考虑供水、灌溉、防洪、防凌等综合利用要求，分别按照刘家峡水库汛期不同运行水位1 727.00、1 728.00、1 729.00、1 730.00、1 731.00 m进行长系列梯级径流补偿调节计算，进而得出刘家峡水库在不同汛期限制水位的年发电量。刘家峡水库汛期不同超汛限水位年发电量见图10。

图8 刘家峡水库起调水位1 731.00 m下洪水调节后水位变化(P=0.01%)图

图9 刘家峡水库起调水位1 731.00 m下洪水调节后水位变化(PMF)图

图10 刘家峡水库汛期不同超汛限水位年发电量图

由图10可得，刘家峡水库汛期运行水位为在1 727.00～1 731.00 m时，每抬高1 m水头可分别增加发电量0.173亿kWh、0.173亿kWh、0.125亿kWh、0.091亿kWh。若按刘家峡水电站目前上网电价0.15元/kWh计算，刘家峡水电站主汛期运行水位抬高1、2、3、4 m时，分别增加年收入达260万元、519万元、707万元、843万元。

6 结 语

在确保黄河上游梯级安全度汛及满足刘家峡下游盐锅峡水电站、八盘峡水电站、兰州市防洪标准的前提下，龙羊峡水库汛期限制水位2 588.00 m，经龙～刘两库联合防洪调度，在实施调度中刘家峡水库汛期有可超汛期限制水位运行的条件，但刘家峡水库必须留有一定的防洪库容以调节龙刘区间洪水。

根据龙～刘两库联合调洪计算结果：在满足已建水电站及兰州市防洪要求前提下，龙羊峡水库按照黄委会目前允许的汛期限制水位2 588.00 m，在不考虑洪水预报条件下，刘家峡水库汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 730.00 m；在考虑洪水预报预见期1 d条件下，刘家峡水库汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 731.00 m；在考虑洪水预报预见期 3 d条件下，刘家峡水库汛期限制水位由1 727.00 m最高可提升至1 732.00 m，而且刘家峡水库汛期运行水位在1727.00～1731.00 m时，每抬高1 m水头均可增加发电量，按刘家峡水电站目前上网电价计算，刘家峡水电站主汛期年收入均可增加，具有一定的经济效益。