瓯江流域大型水库连通联合调度探析

2019-06-25郑雄伟张真奇

水利规划与设计 2019年6期

王霞，郑雄伟，张真奇

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002)

1 研究的背景及意义

人多水少，水资源时空分布不均是我国的基本国情水情，随着经济发展，水资源供需矛盾愈发突出。我国建设了大量的水库和跨流域调水工程。连通特大水库群联调工程体系已成为水资源调控的主要手段，研究连通特大水库群联调问题已经成为国家的重大战略需求，目前这一领域的理论研究滞后于工程需求。

河库连通条件下库群优化调度问题特点主要体现在其复杂性、规律性和风险性。库群调度最关键的三个科学问题①连通下径流补偿与库容补偿机理分析；②连通下多目标协同竞争机制分析；③连通下多源预报信息可利用性分析[1]。

水库连通工程通过渠道、隧洞、管涵等工程措施将水库连通，统筹调配水资源，增强丰枯互补、相机调度的灵活性，提高供水保证率，增加供水量。同时具有移民占地影响小、供水覆盖范围广等诸多优势[2]。

1.1 流域概况

瓯江是浙江省第二大河，流经丽水、温州两个地市，注入东海，流域面积18100km2。小溪为其最大支流，流域面积3574km2。

为治理瓯江流域水患危害，流域先后建成大型水库2座，总库容55.83亿m3；中型水库28座，总库容8.44亿m3。这些水库对保障城市防洪安全，供水安全，改善水生态水环境，满足当地电力需求发挥了较好的作用。

1.2 流域大型水库概况

紧水滩水库位于瓯江干流丽水市上游。控制集水面积3234km2，占瓯江流域总面积15.3%。水库正常蓄水位184.00m，正常库容10.35亿m3，设计防洪库容1.46亿m3，设计洪水位190.29m，校核洪水位为192.70m，总库容为13.93亿m3，电站总装机容量300MW[3]。

滩坑水库位于丽水市下游，瓯江支流小溪上。坝址以上流域面积3330km2，占小溪流域总面积的93%。水库正常蓄水位160.00m，相应库容35.2亿m3；梅汛期限制水位160.00m，台汛期限制水位156.50m，防洪高水位161.50m，防洪库容3.5亿m3；校核洪水位169.15m，总库容41.9亿m3。电站总装机容量600MW[4]。

1.3 问题及设想

瓯江流域的洪水主要由梅雨暴雨和台风暴雨形成，中上游受梅雨控制，中下游(包括滩坑水库所在的小溪)受台风暴雨控制，洪水灾害较频繁[3]。根据紧水滩水库初步设计报告(1980)所述，水库防洪保护丽水市和碧湖平原。水库采取固定泄洪调度方式，在保证大坝防洪安全和不改变库区上游龙泉县城(现龙泉市)自然状况的基础上适当削减20年一遇洪水和5年一遇洪水，以减轻当时的丽水县城(约4万人)和碧湖平原的洪水灾害。

丽水市城区人口规模现状已达40余万人，按《丽水市城市总体规划(2016—2030)》，丽水市城区规划常住人口至2030年达到70万人，防洪标准为50年一遇。但现状防洪能力仅为20年一遇[5]。如何进一步提高紧水滩水库防洪能力，又不减弱其原有供水、发电功能，值得研究。本文提出了连通紧水滩、滩坑两座大型水库，瓯江流域大型水库连通联合调度位置示意图如图1所示。利用两库洪水成因差异，在不增加滩坑水库防洪压力的前提下，将流域上游紧水滩水库无法控制的部分洪水引入滩坑水库进行调节，以减轻丽水市的防洪压力，同时提高流域洪水资源化利用程度。

图1 瓯江流域大型水库连通联合调度位置示意图

2 两库连通联合调度的可行性

2.1 库容补偿特性

滩坑水库集水面积是紧水滩水库的1.21倍，兴利库容是紧水滩水库的3.88倍；从调节性能看，滩坑水库是多年调节水库，而紧水滩水库是不完全年调节水库。两者对比见表1。从两库的库容特性差异看，滩坑水库可对紧水滩水库进行库容补偿。

2.2 水文补偿特性

紧水滩水库形成洪水主要受梅雨影响；滩坑水库主要受台风影响。对比分析两库水文情势，其径流年内分配比例如图2所示。

图2 两库径流年内分配比例图

项目紧水滩水库滩坑水库滩坑水库/紧水滩水库备注集水面积/km2276133301.21/多年平均入库水量/亿m331.537.81.20/总库容/亿m313.9341.93.01/正常蓄水位/m184160/紧水滩水库可自流分洪引水至滩坑水库主汛期梅汛期台汛期//汛限水位/m184156.5//兴利库容/亿m35.4821.263.88/库容系数0.170.56//水库调节性能不完全年调节多年调节//

(1)选取1951—2015年长系列逐日水文径流过程中的丰水年份，对比分析两库洪水遭遇：两库年径流相关系数达0.85，相关性尚可。因此，从洪水遭遇的可能性方面分析丰水年份的径流情况，紧水滩水库典型丰水年份统计10年，年平均流量与多年平均流量比值平均为1.50倍，而滩坑水库相应年份对应的比值仅为1.31倍，滩坑水库对应的数值要偏小19%。紧水滩水库来水较滩坑水库偏丰。

(2)两库径流年内分配不均情况对比：两库都是5—6月份的来水量较大，但其所占年径流的比重有明显区别，紧水滩水库5—6月径流占多年平均径流的比重为42.4%，而滩坑水库仅34.8%，两者相差约8%。此外滩坑水库台汛期发生洪水的概率明显比紧水滩水库大，如滩坑水库8—9月份的来水量可占到多年平均径流量的19.7%，而紧水滩水库仅为10.2%，两者相差约10%，这反映了紧水滩水库梅汛期来水量较大，滩坑水库台汛期来水量较大。

(3)两库多年平均最大来水月份(6月)的径流特性对比：紧水滩水库前十位的6月份来水占年径流量的比值约35%，而滩坑水库约28%，由此，紧水滩6月份易发生中等到特大级别的洪水，而滩坑水库易发生中等到小级别的洪水，两者同频率遭遇概率较小。

(4)统计紧水滩水库发生大洪水期间，滩坑水库对应发生的洪水：选取历史上紧水滩水库发生的前10场大洪水分析，当紧水滩水库发生重现期超过5年一遇的洪水时，遭遇滩坑水库的洪水均不到5年一遇，平均情况下仅2～3年一遇，且前10场暴雨中有50%的概率遭遇滩坑水库不到2年一遇的洪水[6]。

2.3 水库调度运行

2.3.1实际调度运行

紧水滩水库于1986年6月正式下闸蓄水，滩坑水库于2008年4月正式下闸蓄水。统计分析两库建成后遭遇的历史洪水，紧水滩水库2008—2014年，年均弃水1.52亿m3；滩坑水库自2008年以来每年的梅汛期(对应紧水滩水库的主汛期)，最高水位大多在150～153m之间运行，低于梅汛期汛限水位160m。

选择紧水滩水库2008—2014年实际发生的排前四场的大洪水，见表2，分析紧水滩水库有弃水的同时，滩坑水库是否有空间承纳紧水滩水库弃水。

表2 2008—2014年紧水滩水库实测前四场最大洪水相应滩坑水库情况统计表

综上述，滩坑水库均有能力承泄紧水滩水库的洪水。

2.3.2两库弃水遭遇分析

紧水滩水库设计正常蓄水位和汛限水位都是184m，按流域规划对其要求，应分期蓄水，主汛期为梅汛期，汛限水位182m。本文按紧水滩水库分期蓄水工况和滩坑水库设计工况分别分析两库的弃水遭遇。

滩坑水库无弃水而紧水滩水库有弃水的情况共发生87次(紧水滩水库完全可向滩坑水库分洪)，两者同时产生弃水37次(紧水滩水库可适度向滩坑水库分洪)。

由两库特性、水文情势、两库调度运行对比，两库连通联合调度具备一定可行性。

3 两库连通联合调度的方式及效果

3.1 两库连通联合调度的方式

水库联合调度计算较为复杂。从调度目标划分，水库联合调度包括发电为主或以供水为目标的库群联合调度，防洪为主的水库群错峰洪水拦蓄调度。从水库群的性质划分包括串联、并联和混联水库群的联合调度[7]。

本文以长约22km的引水隧洞连通两并联库。以200、400、600m3/s的引水规模比选流域防洪和洪水资源化利用效果。

为分析洪水资源化利用的效果，建立两库连通联合调度模型，模拟两库长系列逐日径流调节过程。模型目标如下：

(1)两库连通联合调度洪水资源化利用率尽量高

(1)

式中，W95%max—95%保证率下紧水滩水库和滩坑水库年最大供水量，m3；Wi.J95%—95%保证率下第i月紧水滩水库供水量，m3；Wi.T95%—95%保证率下第i月滩坑水库供水量，m3。

(2)两库连通联合调度弃水量尽量小

(2)

式中，Wqmin—紧水滩水库和滩坑水库年均最小弃水量，m3；Wq.i.J—紧水滩水库第i月最小弃水量，m3；Wq.i.T—滩坑水库第i月最小弃水量，m3；n—统计序列年系列长度。

模型约束条件是：①滩坑水库主汛期水位低于156.5m，非主汛期水位低于160m时，紧水滩水库可向滩坑水库弃水；②紧水滩水库向滩坑分洪时不会造成滩坑水库新的弃水；③紧水滩水库按不大于最大分洪规模向滩坑水库分洪。滩坑水库利用紧水滩水库弃水增加水资源供给或发电。

为分析两库连通联合调度对瓯江干流防洪效果，采用非恒定流方法，建立瓯江流域一维水利计算模型。模型目标是尽可能提高瓯江干流的防洪能力。通过河网模型的建立，全面反映干流、主要支流及其相互连接，并将河网水系与工程设施构成一个防洪体系。模型通过“2014820”洪水和2005年“泰利”台风洪水进行率定和验证。

采用多重优化解法求解上述模型，分析两库连通联合调度的洪水资源化利用和对丽水市的防洪效果。

3.2 两库连通联合调度的效果

3.2.1洪水资源化利用效果

紧水滩水库现状调度多年平均弃水量约1.99亿m3。紧水滩水库提前以200、400、600m3/s预分洪至滩坑水库，腾出库容；不会增加滩坑水库新的弃水，不会增加滩坑水库上下游防洪压力，但可减少紧水滩水库弃水量，增加滩坑水库入库水量。

以洪水资源化为例，紧水滩水库提前预分洪，分洪600m3/s至滩坑水库，年均增加利用紧水滩水库设计弃水量约0.76亿m3。两库连通联合调度年均增加利用紧水滩水库设计弃水量统计见表3表。

表3 两库连通联合调度年均增加利用紧水滩水库设计弃水量统计表

注：滩坑水库增加入库水量即为紧水滩水库减少的弃水量

3.2.2流域防洪减灾效果

紧水滩水库对丽水市城市防洪控制断面开潭断面处进行防洪补偿调度。当库水位超过5年一遇洪水位，低于20年一遇洪水位时，控制坝下最大泄流量不超过2700m3/s，同时按开潭水利枢纽断面流量不超过9900m3/s控制；当库水位超过20年一遇洪水位，低于50年一遇防洪高水位时，按开潭水利枢纽断面流量不超过11900m3/s进行补偿调节，以保城区防洪安全。通过城市防洪能力复核分析，开潭水利枢纽断面现状过流能力为9900m3/s，防洪能力为20年一遇。

本文以1969年、1970年、1973年和2014年四场典型年设计洪水分析两库连通联合调度效果。

由于实时分洪，工程规模较大，投资较大。为挖潜紧水滩水库的防洪能力，使滩坑水库能充分利用紧水滩水库的弃水，在实时分洪的基础上，进一步分析，拟采用分洪隧洞规模为600m3/s，洪水来临前期，通过分洪隧洞进一步降低紧水滩水库起调水位至180m或以下，利用挖潜紧水滩水库的防洪库容提高紧水滩水库的防洪能力。

以典型年设计洪水分析紧水滩水库和滩坑水库连通联合调度。选取1969、1970、1973、2014年的20年一遇和50年一遇的典型年设计洪水，分析紧水滩水库和滩坑水库连通联合调度的效果。

四场典型年设计洪水中，当发生20年一遇的洪水时，紧水滩水库以180m起调，错峰调度，并向滩坑水库分洪600m3/s，可使紧水滩水库下游流量均小于9900m3/s，上游库区水位低于20年一遇水位。四场典型年2%洪水不同方案效果统计见表4。

50年一遇的不同典型年洪水中，每场典型年洪水均需要两库连通联合调度。

紧水滩水库182m起调，补偿调度，丽水市超设防水位历时较长；紧水滩水库182m起调，为最大限度保障丽水城区安全，错峰调度，库区上游龙泉市高水位持续时间较长；紧水滩水库182m起调，错峰调度的同时，向滩坑水库分洪规模600m3/s，库区上游龙泉市高水位持续时间减少，但库区水位仍较高；紧水滩水库利用分泄水量至滩坑水库的有利条件，可将起调水位降低至180m，可减少下游的受淹历时，降低上游库区龙泉市水位至20年一遇以下。如需上下游减灾效果更好，需加大分洪规模，但投资会相应大幅度增加[8]。