沂沭河上游水库群补偿调度能力研究

2019-05-28张凤翔赵艳红钟平安

水力发电 2019年12期

张凤翔，马莹，赵艳红，钟平安

(1.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局，江苏徐州 221018；2.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098)

0 引言

沂河、沭河均为山区性河道，洪水峰高流急，上游水库的调度运用对沂沭河防洪安全影响较大。由于沂沭河控制断面的洪水由区间来水和水库放水两部分组成，且区间来水是不可控的。因此，通过上游水库群补偿调度，可使得各水库泄流和区间来水过程在防洪控制断面叠加所形成的洪峰最小。国汛[2005]8号《沂沭泗河洪水调度方案》对沂沭泗河大型水库的运用作了原则性规定，要求跋山、岸堤、许家崖、青峰岭、陡山等水库在沂沭河汛情紧张时，尽量为下游河道错峰[1]。然而，对沂沭河上游水库是否具有错峰能力以及如何开展错峰调度研究甚少，沂沭河上游水库也均未实施错峰补偿调度。本文将沂沭河分成沂河与沭河两部分进行研究，选取沂河临沂站以上许家崖、岸堤、跋山、唐村、田庄5座大型水库，沭河大官庄枢纽以上青峰岭、陡山、沙沟、小仕阳4座大型水库为研究对象，对水库群基于汛限水位的补偿能力进行分析，为水库优化调度提供理论支撑。

1 沂沭河情况简介

沂河、沭河是淮河流域沂沭泗水系的2条主要河道，均发源于淮河流域东北部的沂蒙山区，两河相距20 km，平行南下。河流上游山区峰高坡陡，每逢暴雨，山洪暴发，沿程叠加，峰高流急，极易形成灾害。沂沭河流域气候特征介于黄淮之间，暴雨成因主要是黄淮气旋、台风及南北切变，长历时降雨多数由切变线和低涡接连出现造成，降雨年际变化大，年内分布不均衡，洪水多发生在7月～9月[2]。

目前，沂沭河防洪工程体系主要由水库、河湖堤防、控制性水闸、分洪河道及洪水应急处理区等组成，骨干河道中下游防洪标准基本达到50年一遇。沂河临沂断面以上有许家崖、岸堤、跋山、唐村、田庄等5座大型水库。沭河大官庄断面以上有青峰岭水库、陡山水库、沙沟水库、小仕阳水库四座大型水库。水库基本情况见表1。

表1 沂沭河上游大型水库基本情况

表2 沂河水库调蓄作用分析成果

注：表中括号内数字为峰现时间。

2 水库消峰效果分析

沂沭河水系兴建了大量水库、闸坝等工程，改变了水流的自然条件，实测洪水资料不能反映天然情况。本文采用马斯京根法进行河道洪水演算[3]，对沂河临沂、沭河大官庄天然洪水进行还原。通过对控制断面洪水的还原可计算出水库对各场次洪水的调蓄作用大小，一定程度上反映了水库对以往洪水的错峰补偿效果。计算结果见表2、3。由于所研究的水库兴建于1959年以后，所以对1963年、1974年、1993年3年的洪水进行分析。

由表2可知，水库对沂河临沂断面的削峰作用明显。由表3可知，1963年、1974年水库对大官庄断面的削峰作用明显；1993年由于水库来水较小，大官庄洪峰主要由区间洪水形成，水库对大官庄站的削峰作用不明显。

本文采用洪峰贡献率[4]来对比水库的调蓄作用。洪峰贡献率为洪峰出现时，水库放水的流量占总洪峰流量的比例。有水库状态下的洪峰贡献率相对于无水库状态下的洪峰贡献率越小，说明水库对洪水的调蓄作用越大，削峰补偿的效果越好。各水库洪峰贡献率见表4、5。

表3 沭河水库调蓄作用分析成果

注：表中括号内数字为峰现时间。

表4 沂河水库调蓄作用对比

表5 沭河水库调蓄作用对比

由表4、5可知，沂河岸堤水库、跋山水库调蓄作用较大，许家崖水库调蓄作用相对较小，唐村水库调蓄作用较差。沭河青峰岭水库、小仕阳水库调蓄作用较大，陡山水库调蓄作用相对较小。沂河和沭河的区间流量占总洪峰流量的比例很大。其中，临沂所占比重45.24%～98.54%，大官庄所占比重45.50%～100.00%。

3 洪水同步性分析

3.1 遭遇度模型构建

本文采用遭遇度来衡量水库入库演算到控制断面所形成的洪峰与区间洪水演算到控制断面所形成的洪峰相遇的同步程度。遭遇度是反映将一场洪水各控制点洪水经过洪水演算至同一控制断面后，洪峰出现重叠情况的一个指标，具体计算如

(1)

式中，r为遭遇度，0

3.2 洪峰同步性分析

(1)沂河洪峰同步性分析。沂河洪峰同步性分析主要考虑岸堤、跋山、许家崖3座水库入库洪水演算到临沂所形成的洪峰与临沂以上区间洪水的洪峰遭遇度，以及各水库洪峰之间的遭遇度。唐村水库由于集水面积小，演算到临沂的洪峰非常小，相比临沂的洪峰流量可忽略不计，沂河洪峰同步性分析不予考虑。计算结果见表6。由表6可知，沂河1963年洪水、1993年洪水岸堤水库与跋山水库遭遇度均大于0.5，所以沂河应考虑将岸堤水库、跋山水库进行联合调度，将2水库洪水错峰。沂河1963年洪水岸堤水库、许家崖水库与区间洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水许家崖水库与区间洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水许家崖水库与区间洪水遭遇度大于0.500，应考虑水库与区间的错峰。

表6 沂河上游水库与控制节点洪峰遭遇度计算结果

注：岸堤、跋山、许家崖指的是岸堤、跋山、许家崖水库入库流量演算至临沂的洪水过程；大区间指的是临沂以上除了水库集水面积外的大区间；临沂天然洪水指的是无水库情况下临沂的天然洪水。

表8 沂沭河洪水遭遇度计算

(2)沭河洪峰同步性分析。沭河洪峰同步性分析主要考虑青峰岭、小仕阳、陡山3座水库入库洪水演算到大官庄所形成的洪峰与大官庄以上区间洪水的洪峰遭遇度，以及各水库洪峰之间的遭遇度。1993年小仕阳水库来水很小，沭河洪峰同步性分析不予考虑。计算结果见表7。由表7可知，沭河1974年洪水青峰岭水库与小仕阳水库遭遇度大于0.500，所以沭河应考虑将青峰岭水库与小仕阳水库进行联合调度，将两水库洪水错峰。沭河1963年洪水青峰岭水库、小仕阳水库与区间洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水青峰岭水库、小仕阳水库、陡山水库与区间洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水各水库与区间洪水不遭遇，应考虑水库与区间的错峰。

表7 沭河各水库与各控制节点洪峰遭遇度计算结果

注：青峰岭、小仕阳、陡山指的是青峰岭、小仕阳、陡山水库入库流量演算至大官庄的洪水过程；大区间指的是大官庄以上除了水库集水面积外的大区间；大官庄天然洪水指的是无水库情况下大官庄的的天然洪水。

(3)沂河、沭河洪峰遭遇度分析。沂河、沭河的洪峰同步性主要考虑临沂洪峰与大官庄洪峰的同步性。计算结果见表8。由表8可知，沂河、沭河除1993年洪水遭遇度大于0.500外，其余6场洪水遭遇度均小于0.500，可知2条河流洪水洪峰遭遇的概率为较小(P=14.3%)。

3.3 沂河、沭河洪水量级同步性分析

洪水量级的大小通过径流深反映[5]。沂河、沭河洪水量级同步性分析选取临沂和大官庄两个控制断面7场历史大洪水数据，洪量均取2日洪量。计算结果见表9。

表9 沂沭河洪水量级计算结果 mm

由表9可知，除1974年以外，沂河临沂站来水均远大于沭河大官庄站来水；因此，沂河的防洪任务重于沭河，应着重考虑沂河上游水库对临沂站的错峰补偿调度。

表10 沂河各场次洪水水库补偿调度结果

4 水库群补偿能力分析

4.1 补偿调度模型建立

补偿调度的目标为在保证水库最高水位与调度期末水位约束的前提下，使防洪控制断面的最大过水流量最小[6]。如图1所示，水库A至防洪区B的区间入流为QB(t)，B处的安全泄量为qB，为保证B处的防洪安全，则水库A放水应满足：qA(t)≤qB-Q区(t-τ)，τ为区间来水汇集到B的汇流时间与水库放水传播到B的传播时间之差。

当τ>0或τ+t预≥0时(t预为洪水预报的预见期)，可以实施完全补偿调节，使B断面泄量控制为qB；当τ<0或τ+t预≤0时，可以结合预报预见期实施错峰调度。

图1 水库群补偿调度示意

约束条件：

(1)水库最高水位约束为Zt≤Zm(t)，Zt为t时刻水库水位，Zm(t)为t时刻容许最高水位。

(2)调度期末水位约束为Zend=Ze，Zend为调度期末计算的库水位，Ze为调度期末的控制水位。

(3)水库泄流能力约束为qt≤q(Zt)，qt为t时刻的下泄量，q(Zt)为t时刻相应于水位Zt的下泄能力。

(4)出库变幅约束为|qt-qt-1|≤qm|qt-qt-1|为相邻时段出库流量的变幅，qm为相邻时段出库流量变幅的容许值。

4.2 基于汛限水位起调的补偿调度

选取1963年、1974年、1993年典型洪水计算水库补偿潜力，将所有水库的起调水位统一设为汛限水位，把水库的防洪高水位设为控制水位，只要水库调度期最高水位不超过防洪高水位，水库不放水，尽可能为区间洪水错峰。根据补偿调度模型对选取年洪水进行错峰调度。计算结果见表10、11。

由表10、11可知，除1963071821号洪水岸堤水库、跋山水库、小仕阳水库放水，1974081306号洪水跋山水库、青峰岭水库、小仕阳水库、陡山水库放水，1993080419号洪水许家崖水库放水外，其余洪水各水库均可不放水。对于水库放水的情况，可进行水库错峰调度，使得水库放水在临沂、大官庄处的峰现时间与区间洪水在临沂、大官庄处的峰现时间错开。

表11 沭河各场洪水各水库补偿调度结果

沂河临沂站、沭河大官庄站洪峰出现时，各水库基于汛限水位补偿调度放水的流量见表12、13。

表12 沂河上游水库错峰补偿调度效果分析

由表12、13可知：对于沂河临沂站天然洪水不超过12 500 m3/s、沭河大官庄站天然洪水不超过2 000 m3/s的情况，各水库起调水位只要为汛限水位，水库在不放水的情况下洪水期的最高水位也不会超过防洪高水位，各水库可拦蓄洪水期来水为下游河道控制断面错峰。对于临沂站天然洪水超过12 500 m3/s，大官庄站天然洪水超过2 000 m3/s的情况，通过补偿调度，各水库出库洪峰与控制断面洪峰错开，对控制断面的削峰效果很明显。