丹江口水库汛期水位动态控制关键技术研究与实践

2019-09-10张俊闵要武段唯鑫

长江技术经济 2019年2期

张俊闵要武段唯鑫

摘要：随着南水北调中线工程的通水运行，丹江口水库防洪与蓄水矛盾、水资源供需矛盾日益突出。如何通过实时优化调度，在保障防洪安全并适度承担风险的前提下，增加洪水资源利用率，使水库尽量多蓄水，提高供水的保障程度，是丹江口水库迫切需要研究解决的问题。在总结前人研究的基础上，综合归纳水库实时操作的汛期运行水位动态控制关键技术，并以丹江口水库为例，研究提出了汛期阶段划分、提高供水保证率的库水位需求、汛期水位分阶段兴利动态控制指标、防洪调度指标等成果，编制实用的丹江口水库实时预报调度方案。通过2017年的应用实践表明，编制的实时预报调度方案能为保障丹江口水库防洪、供水、发电等综合效益的发挥提供有力技术支撑。

关键词：水库防汛;动态控制;实时预报调度;预报预泄

中图法分类号：TV697.13

文献标志码：A

DOI： 10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0213

丹江口水利枢纽是汉江综合开发治理的关键性水利工程，也是南水北调中线工程的水源工程，具有防洪、供水、发电、航运等综合效益[l]。随着南水北调中线工程的通水运行， “长江经济带”国家战略的实施，汉江流域内外经济社会持续快速发展，丹江口水库防洪与蓄水矛盾、水资源供需矛盾日益突出，新的治水形势和思路对其水资源综合利用提出了更高要求。如何通过优化调度，在保障防洪安全的同时，使水库尽量多蓄水，提高供水的保障程度，充分发挥水库综合效益，是丹江口水库迫切需要研究解决的问题。

在保障防洪安全并適度承担风险的前提下，精细预报、科学调度，合理利用水库防洪与兴利库容，实现汛期运行水位的灵活控制，是发挥水库综合利用效益，缓解水资源紧缺与防洪减灾矛盾的有效手段之一[2]。白21世纪初开始，国内学者聚焦解决水库汛期水位控制问题，开展了大量研究：邱瑞田等[3]于2004年首先提出水库汛限水位动态控制的新理念及其综合推理模式;任明磊等[4]研究了利用短期降雨预报信息进行水库汛限水位动态控制的实时调度方法;李响等[5]主要基于分期设计洪水调洪和预报预泄方法研究了三峡水库汛期不同分期水位控制运用方案;王本德等[6]研究了利用实时水雨情工情及短期雨洪预报等综合信息的汛期库水位实时动态控制方法;周新春等[7]探讨了大型水库中小洪水实时预报调度技术在三峡水库调度中的应用，实践表明该技术使得三峡水库在调度实践中不仅保障了防洪安全，也取得了显著的兴利效益。陈桂亚等[8]将水库运行水位动态控制调度定义为“在保证防洪安全的前提下，根据降雨和洪水预报信息，利用水库对中小洪水（小于20年一遇）进行调节，适当抬高水库短时的运行水位，以减小水库下游的防洪压力和提高水电站的发电、航运等综合效益”，并提出了把握洪水规律、依据预报成果对水库水位实施动态控制的技术路线和对调度结果进行风险分析评估的方法。

可见，经过多年的研究和实践，行业内水库汛期水位调度运用的观念有了很大的发展，已由单一固定汛限水位，发展到分期汛限水位，直至当前的汛期运行水位动态控制阶段，相关的水库汛期水位控制理论与方法已逐步完善。然而现有研究多聚焦于中小洪水的兴利调度，未将防洪调度纳入汛期水位动态控制的范畴，且在面临实时操作需求的技术细节方面还存有不足。

本文在总结前人研究的基础上，综合归纳水库实时操作的汛期运行水位动态控制关键技术，并以丹江口水库为例，研究提出了汛期阶段划分、提高供水保证率的库水位需求、汛期水位分阶段兴利动态控制指标、防洪调度指标等成果，编制实用的丹江口水库文时预报调度方案，为指导丹江口水库实时预报调度决策，更好保障丹江口水库防洪、供水、发电等综合效益的发挥提供有力技术支撑。

1汛期运行水位动态控制关键技术

汛期运行水位动态控制的主导思想是要利用一切可利用的预报信息，适度承担防洪风险，将库水位控制在一个安全经济域内，实现防洪安全和充分利用洪水资源的目标[9]。不同的水库入库洪水等级对应不同的防洪风险级别，因此可依据入库洪水量级界定汛期运行水位动态控制的范畴和调度类别（见图1）：水库下游防护对象补偿调度标准以下的洪水，无防洪需求，建议开展基于预报预泄的兴利调度，根据有效预见期内能预泄水量确定上浮水位幅度，并以确保大洪水来临前将库水位预泄至汛限水位为调度原则;下游补偿调度标准至20年一遇之间的洪水，有一定的防洪风险，开展以适度承担防洪风险兼顾兴利利用、为可能发生最不利洪水预留足够防洪库容为原则的防洪调度;20年一遇至水库设计标准之间的洪水，有较大防洪风险，建议开展以汛限水位起调、分级控制的防洪调度;水库设计标准以上洪水，参考设计防洪调度方式调度，以确保大坝自身安全为首要目标。

由汛期运行水位动态控制的主导思想和内容可知，在动态控制的过程中，涉及上浮、预报预泄、防洪、蓄水等不同调度的启动、界定和衔接以及风险防控等问题，关键技术应包括汛期阶段划分、预报信息可用性评估、动态控制指标分析、运用条件与实施步骤制定、实时风险控制等。

1.1 汛期阶段划分

流域的洪水一般由暴雨形成，具有明显的季节性变化规律，从入汛到汛末，洪水由弱变强，后又逐渐变弱，特定流域的汛期洪水往往呈现有较为固定的分期特征[10]。充分认识水库所在流域的暴雨洪水季节分期特征，将入库（坝址）洪水进行汛期阶段划分，可为汛期水位动态控制提供关键基础支撑。

主要采用径流特征统计分析，参考模糊分析、相对频率、变点分析、有序聚类分析等方法，统计坝址年最大洪峰散点分布、坝址最大N天洪量分布及多年日平均径流过程等特征，并综合流域气候特性、坝址与下游洪水的遭遇规律，对汛期阶段作初步划分，进行合理性分析后确定汛期各阶段。

1.2预报信息可用性评估

传统的水库调度只利用洪水的历史统计信息，时刻预防设计和校核等级的小概率洪水[11]。随着现代科技的不断发展，“长中短期嵌套、水文气象耦合”的预报技术，对未来一定时期内可能发生的洪水事件有较为可靠的预见性，这为汛期运行水位动态控制提供了前提条件。

水文气象预报的可靠性、及时性是确定预报预泄指标和运行水位实时控制的基础。因此，评估预报信息的可用性主要考虑两个方面：一是预见期长度，二是预报精度。

1.2.1有效预见期T

预报预见期决定了水库预泄的时段长，是水库预泄能力的约束之一，其主要约束条件是定量降雨预报的预见期、流域本身的产汇流特性和预报计算、调度决策及执行所需的时间，可由下式进行计算。

T=Tp+Th—Tn

式中：Th为降雨预报预见期，一般取短期降雨预报精度明显下降的突变时间点;Th为水库以上流域从强降雨开始至入库洪水涨至下游安全泄量Q安的汇流时间;Tw为包括信息采集与传输、预报制作、决策会商及闸门、机组操作时间等。

1.2.2预报精度

鉴于汛期运行水位动态控制的可利用信息包括降雨预报和水情预报，需分别评定预报精度。短期降雨预报精度分析，一般依据气象部门习惯，采用TS评分法进行评定，即量化不同等级降雨预报的准确率、漏报率和空报率，并分析发布某一量级降雨预报情况下实际发生降雨量的频率分布规律;中期预报则通过合格率统计来评估其对强降雨过程的把握程度;水库关注的水情预报精度主要包括入库洪水和水库下游防御对象两部分，参照《水文情报预报规范》对入库洪峰流量、最高调洪水位、下游控制站洪峰等要素进行预报合格率和误差统计。针对调度需求，对预报成果的不确定性进行分析评估，科学决策并进行风险控制。

1.3 动态控制指标分析

1.3.1 安全泄量

决定水库预泄能力的另一项约束是水库为防御下游保护对象的安全下泄流量。安全泄量是动态指标，主要受断面冲淤变化、水位流量关系变化以及水库大坝至下游防护对象之间的区间来水影响，确定防护对象的水位指标H（一般为警戒水位或保证水位）所对应的偏安全流量q区，考虑水库预泄遭遇不同区间来水q区后，综合考虑预报误差、河道沿程坦化等因素可确定水库的安全泄量，其数学描述为：

qout，t= f （Q安， q区，）一εq

式中：f（冰）为河道演算函数;εa为区间流量预报误差。

1.3.2上浮水位分析

预报预泄水位控制指标分析的基本思路是：一旦水库达到启动预泄的条件，水库在有效预见期T内以安全泄量AZ下泄，将库水位预泄至汛限水位，期间所能预泄的水量即为预泄能力，其对应的水位值即为汛限水位以上允许的上浮指标AZ，基本公式为：

式中：AZ为面临时刻to在汛限水位以上的浮动上限值;F[*]为预泄量对应的库水位转换函数;qin，t为有效预见期，内预报的入库流量过程;tcu为实施库水位实时动态控制的起始时刻，tcu= to+Tw，t0为作业预报依据时间;T满为入库流量从to时刻涨至满发流量的时间;εz为水位预报误差。一般而言，选取汛期各阶段发生的历史典型大洪水过程作为样本，将计算的△Z，进行综合研判即得到各阶段的运行水位上浮指标。

1.3.3 防洪控制指标

（1）中小洪水防洪补偿调度

为避免水库来水出现20年一遇以下洪水时，水库未足够承担防洪任务造成下游不必要的防洪压力，或水库参与防洪时库水位抬升过高造成水库自身过大的防洪压力，需分析设计水库在参与中小洪水防洪时的库水位控制指标。分析思路是：根据分阶段历史实况洪水过程成果，水库在防御中小洪水时需留足库容应对已发生该分段期内对防洪最为不利的洪水且最高调洪水位应考虑较小的库区回水淹没影响。根据水库防洪高水位和分段历史实况最大洪水在qout以上的超额水量，可计算不同分段内的最高容许起调水位：

z起=F[F（z防洪高）- W超]

（2）大洪水防洪补偿调度

当预报将发生较大洪水（20年一遇至下游设计标准之间）时，起调水位明确为汛限水位，但如何根据面临洪水确定补偿控泄流量，并掌握可能的最高调洪水位，直接关系风险控制和防洪效益，在《规程》的防洪调度方式制定时，无论从入库洪水量级还是补偿调节流量等的分级较为粗略，且过多考虑后期小概率设计洪水，给此类洪水的实时防洪调度操作指导作用有待提高，据此实施防洪调度的效益并不最优。

可根据入库洪峰、最大洪量及下游防护点洪峰等要素，将历史实况典型洪水进行量级划分，并根据下游防洪形势划分不同的防洪补偿控泄等级，对每场次洪过程均按现状T程条件、以汛限水位起调、充分参考补偿控泄等级、防洪效益较优且操作性较强为原则进行防洪模拟调度，经综合研判后归纳确定出各量级洪水Q补j的防洪调度操作指标（补偿控泄流量Q补j最高调洪水位Z调，j）。

1.4 启动条件与实施步骤

水库汛期运行水位动态控制实施的核心是根据可利用信息实时研判形势，完成防洪调度和兴利调度的切换，因此需明确两者的启动条件和实施步骤。

1.4.1启动条件

水库汛期运行水位动态控制实施的前提是充分利用水文气象预报信息，适度承担防洪风险，但不降低水库防洪标准，也基本不增加下游防洪负担。故启动条件应涵盖来水形势与预报预报信息、上下游防洪形势与需求，可概括为：

1.4.2 实施步骤

①当无防洪需求时，实施兴利动态调度，根据预泄能力实施分阶段水位动态控制，上浮水位不超分階段上限值;

②当有防洪需求、但有较大把握预报洪水仅为中小洪水时，根据防洪需求和库水位确定分级控泄流量，适当拦洪，但最高调洪水位不超该流量级最高容许水位;

③当预报有大洪水时，以汛限水位起调，参照实时防洪调度方案实施分级控泄调度;

④若入库洪水已转退，根据防洪形势、依据水文气象预报情况，确定库水位消落过程;若天气形势明朗，后期基本无雨，则消落速度可缓慢消落至浮动水位上限值，否则在不增加下游防洪压力的前提下尽快降至汛限水位;

⑤在实施兴利动态调度过程中，如预报发生变化，可能发生较强降雨或较大洪水，则中止兴利调度，转入以防洪调度为主，将水库尽快预泄至汛限水位甚至以下：

⑥汛末在保障防洪安全的前提下，与水库蓄水有机结合提高水库的蓄满率。

1.5实时风险控制

水库运行水位动态调度因降雨和洪水预报的预见期有限，且预报结果存在不确定性，必然存在一定的风险，实际操作时以动态控制的相关指标体系作为风险控制，视当前及预见期内水雨情变化情况及时、适度调整调度策略，同时通过加强监测和信息共享、提高预报预测能力、建立流域水库群联合调度机制等措施，提高风险防控能力。

2丹江口水库汛期运行水位动态控制研究

2.1丹江口入库洪水阶段划分

采用调查和实测（ 1929～2015）丹江口入库最大洪峰流量资料、1954～2015年分割的丹皇区间洪水资料和日流量过程资料，绘制年最大洪峰出现时间统计图、年最大洪峰流量散点图、日均流量过程图（见图2～图4）。

综合分析可知，丹江口水库汛期入库洪水的阶段特征显著，呈现明显的“三峰两谷”形状，同时考虑设计洪水的夏秋汛分期以及上游洪水和中游区间洪水的遭遇规律，可将丹江口水库汛期划分为6个阶段：夏汛主汛期（6月21日～8月5日）、夏汛末期（8月6日～8月20日）、秋汛前期（8月21日～8月31日）、秋汛中期（9月1日～9月15日）、秋汛过渡期（9月16日～ 30日）、末汛期（10月1日～15日）。

夏汛主汛期，汉江上中游洪水遭遇可能性较大;8月6日～9月30日，上中游来水遭遇可能性相对较低，特别是9月份遭遇概率低;末汛期，上中游来水遭遇的概率虽然较大，但丹皇区间主要以小量级的洪水为主。

3.2短中期降雨预报

收集2003～2015年降雨和洪水预报数据样本，对汉江预报信息可利用性进行评估。根据《长江水利委员会水文局流域面雨量预报标准》进行短期降雨预报评分统计，汉江流域24h、48h、72h的短期定量降雨预报平均为90.3分、87.7分、85.6分;统计发现中期f4～ 7d）汉江上游、中下游强降雨预报合格率分别为92.1%、70.4%;对丹江口入库洪水预报进行精度评定，洪峰流量平均预见期达24.7h，24h、48h的预报合格率分别为93%、88%，调洪最高水位预见期平均可达72h，误差在0.2m以内;皇庄站水情预报平均预见期为50h，48h、72h预见期预报合格率分别为90.5%、80%。

综上分析认为：汉江流域降雨预报有效预见期取2天，48h内预报未来无雨或小雨的情况下，发生大雨以上量级实况降雨的概率很低;中期预报能提前5-7天较好的把握汉江流域系统性降雨过程;汉江流域水雨情预报精度较高，为丹江口水库实时运行水位动态控制提供了有利条件。

3.3 需求分析与泄流能力

3.3.1 防洪需求分析

丹江口水利枢纽的防洪调度任务[10]是：在确保枢纽工程安全的前提下，与汉江中下游堤防、蓄滞洪区、民垸等联合运用，满足汉江中下游防洪要求;必要时分担长江中下游防洪压力。当汉江中下游遭遇1935年同大洪水（相当于百年一遇）时，通过水库拦蓄上游洪水，配合运用杜家台蓄滞洪区和中下游部分民垸分洪，确保汉江中下游防洪安全;当遇1935年以下洪水时，通过水库拦蓄上游洪水，减少杜家台蓄滞洪区和中下游民垸的运用几率。

根据《规程》，汉江中游皇庄河段为丹江口水库补偿调度目标，而下游主要水文站（沙洋、仙桃）是否超警超保、杜家台蓄滞洪区及民垸的启用与否是汉江中下游防洪形势评估的重要关注点。根据历史资料分析皇庄流量与中下游防洪形势的不同关系，丹江口对皇庄站的补偿调度可分为以下6个等级（见表2）：

3.3.2满足供水需求的丹江口水库水位运行指标分析

参考《南水北调中线一期工程可行性研究总报告》《丹江口水库调度规程》，通过需水分析和供水调度方式分析确定50%频率的典型年对应设计需求作为丹江口典型供水过程。以次年4月底消落至15 0m为条件，以旬的时间尺度，按供水1年、2年分别逐年逆时序递推计算1952年～2015年的分段库水位过程，选取95%的供水保证率推求各阶段的库水位控制指标，见图4。

综合分析可知：丹江口水库加高完成后，若要保证95%以上年份正常供水，在供水期末水位消落至死水位的情况下，6月21日、8月21日、10月初水位应分别保证在162m、164.5m、165m左右;若遭遇连续枯水典型年，需有1-2年水库水位能蓄至正常高水位，才能保证供水;总体而言，为保障后期供水，汛期运行水位有高于汛限水位的需求。

3.3.3 泄流能力分析

选取30场历史典型洪水分析发现，汉江上游发生强降雨到丹江口水库入库洪水涨至10 000m3/s平均有36h，偏安全考虑取24h。综合考虑降雨预报的可靠预见期为2天，丹江口水库预泄的有效预见期取3天。

采用皇庄控泄11 000m3/s（秋季取12 000m3/s）作为边界，选取历史典型洪水过程综合分析丹江口水库3天预见期的预泄能力可知：夏季洪水具备8亿m3以上预泄能力，折合水位Im左右，秋季洪水预泄能力在9-12亿m3，折合水位在l-1.5m;中期預报最大预见期7天，以主汛期丹江口入库、丹皇区间平均流量2 280m3/s、420m3/s为条件，可计算控制皇庄不超5 000m3/S的预泄能力约为14亿m3，偏安全取对应水位约1.5m。

3.4 丹江口水库实时预报调度方案

3.4.1 分阶段水位上浮控制指标

考虑丹江口水库入库洪水的阶段特征，在无防洪需求时，综合预泄、供水等因素，汛期运行水位可适当上浮，汛期水位分阶段浮动控制指标按表3。

3.4.2 预报预泄方案

1、若当前库水位高于浮动控制水位，当预报未来10天有降雨过程时，应立即将水位预泄至浮动控制水位，预泄方式为尽量控制皇庄流量不超过5 000m3/s，若情况十分紧急，可将目标流量增大至8 000 m3/S -

2、若当前库水位高于浮动控制水位，当预报未来3天有中等强度以上明显降雨过程（3天累计雨量大于30mm）时，应立即将水位预泄至浮动控制水位，预泄方式为尽量控制皇庄流量不超过8 000rm3/s，若情况十分紧急，可将目标流量增大至10 000 m3/S。

3、若当前库水位高于浮动控制水位，降雨已开始，未来又有加强趋势，预报预泄可按皇庄流量5 000～12 000m3/s控制，且不大于当时汉江中下游的安全泄量，尽快将库水位降至浮动控制水位，必要时将水位降低至汛限水位;

4、在预报预泄过程中，若已将水位降至浮动控制水位，强降雨尚未开始，上游来水未起涨，防洪形势不明朗时，可将水位暂时维持，并视水雨情发展继续预泄或转入蓄水。

5、当有特殊需要时，可根据防汛部门的意见适当调整丹江口控制水位指标。

3.4.3防洪调度方案

（1）中小洪水防洪调度

根据表2中汉江中下游补偿调度的不同皇庄控泄流量，以汛期各分段实况最不利洪水作为实施中小洪水拦洪后需要继续防范的洪水标准，计算按不同流量控泄的允许最高调洪水位，成果见表4。

当未来有持续降雨，难以判断洪水量级或发展趋势时，可逐步按照上述实时控制指标，根据所在汛期阶段和面临时段库水位级，分别按控制皇庄流量不超过8 000m3/S、10 000m3/s、12 000m3/s、16 000m3/s、18 000m3/S、20 000m3/S的目标进行拦洪调度，尽量减轻下游防洪压力，并根据来水情况适时转入大洪水或规程调度。

（2）大洪水防洪调度

将典型年洪水按入库洪峰及最大7d、15d、30d洪量及历史排位进行综合考虑，划分为不同洪水量级，根据3.3.1对中下游补偿调度的不同等级进行模拟调度，在综合《规程》的基础上，总结提炼丹江口水库的实时防洪调度控制方案，如表5所示。

当发生1954年、1998年型洪水，汉口水位较高，需要丹江口水库拦洪错峰时，根据实时水雨情和洪水预报，有充分把握保障枢纽及汉江中下游防洪前提下，可适当分担长江干流防洪压力。

4丹江口水库动态控制调度实践

以2017年秋汛为例介绍丹江口水库开展动态，制调度的实践情况，2017年秋汛期间丹江口水库，态控制调度过程如图5所示，表6列出了2017年，汛防洪调度的特征值统计。

2017年9～ 10月，副热带高压异常强盛、偏北，西风槽不断东移，加之冷空气南下，冷暖气流交汇，造成汉江上游发生3次明显降雨过程，大部分地区出现大到暴雨。受其影响，丹江口水库出现3次入库洪峰在17 000m3/s以上的洪水过程，年最大入库洪峰流量18 600m3/s，最大15d洪量110.3亿m3，为秋季10年一遇洪水。与此同时，丹皇区间出现多次涨水过程，最大洪峰流量7 000m3/S，最大7d洪峰流量23.2亿m3，超过秋季20年一遇;中下游干流多站水位大幅上涨并超警，最大涨幅超llm。

在秋汛期间，丹江口入库流量短期1～ 2d预报相对误差15%以内，洪峰量级预报最长预见期达lOd;提前4d预报中下游主要站超警，临近期洪峰水位预报误差在0.15m内。期间，丹江口水库以良好的预报为支撑，实施了水位上浮、错峰、削峰等动态控制调度，取得了显著的综合效益：在三次洪峰超17 000m3/s的洪水过程中，丹江口水库在确保防汛及工程安全的前提下实施拦洪削峰，最大出库流量8 040m3/s，3次洪水削峰率均在50%以上，最高调洪水位达到165.85m，累计最大拦蓄洪量47.8亿m3，降低了汉江中游干流主要站洪峰水位約2m，避免多站超保证水位，同时避免汉江下游分洪民垸和杜家台分洪区的启用，显著减轻了汉江中下游防洪压力，据不完全统计，防洪效益约7.04亿元;9～10月期间，陶岔、清泉沟供水量分别达12.89亿m3、2.53亿m3，超额完成了同期供水任务;汛末库水位蓄至历史最高的167m，不仅保障了大坝安全监测的条件，还为下一年的供水、生态效益发挥提供了良好基础。

5结论

本文针对汛期运行水位动态控制需求，研究并提出了实时操作层面的实用技术体系，并以丹江口水库为例，编制了实时预报调度方案，为保障丹江口水库防洪、供水、发电等综合效益的发挥提供技术支撑，得出以下主要结论：

一是水库入库洪水具有分期规律特性，且需经历发生发展的过程，可针对汛期不同分期和洪水过程不同阶段采取不同调度策略;

二是水文气象预报技术大幅提升，具有较为可靠的预见期与精度保证，对洪水发生有一定可预见性，为水库动态控制创造了条件;

三是水库有蓄水与防洪矛盾，可根据预报信息，统筹协调，适度承担风险，进行科学调度决策，保障防洪安全并充分发挥综合效益;

四是提出实用技术体系具有较好的普适性，可为水库的汛期运行水位动态控制实时应用提供参考。

参考文献：

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[3]周新春，闵要武，冯宝飞，李玉荣.大型水库中小洪水实时预报调度技术在三峡水库中的应用U]水文.2011， 37： 180-184.

[4]李响，郭生练，刘攀等.三峡水库汛期水位控制运用方案研究[J].水力发电学报，2010，29（2）： 102-107.

[5]任明磊，何晓燕，黄金池，李辉.基于短期降雨预报信息的水库汛限水位实时动态控制方法研究及风险分析U].水利学报，2013，43（）： 66-72.