流域联合调度方式下大岗山水库汛期调度方案研究

朱艳军，陈在妮，徐雨妮，牛文静

（1.国能大渡河流域水电开发有限公司，成都 610041；2.长江水利委员会水文局，武汉 430010）

0 引 言

大渡河位于青藏高原东南边缘向四川盆地西部的过渡地带，是长江流域岷江水系最大支流、我国规划开发的十三大水电基地之一［1-3］。大渡河干流规划建设“3库28级”梯级水库群，干流开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运、灌溉等［4-8］。随着以瀑布沟水库为代表的具备一定调节能力的水库群陆续投产，流域整体防洪能力逐渐增强。但随着上下游水库的投产，河道的水文特性改变，以及多业主电站独立运行［9，10］，使得单库规划设计之初的调度运行方式不利于防洪能力的充分利用和水资源的综合开发［11，12］。因此，亟需针对具备调节能力的水库开展联合调度方式下的防洪调度方案研究，为流域总体防洪库容的充分利用和梯级水库汛期运行调度管理提供有利的技术支撑和指导。

1 研究对象

大岗山水库位于大渡河中游上段，四川省雅安地区石棉县境内，系大渡河干流水电规划的第15 级水库，其梯级拓扑结构如图1所示。坝址距下游石棉县城约40 km，距上游泸定县城约72 km。坝址控制流域面积62 727 km2，占大渡河总流域面积81%。水库校核水位1 132.73 m，设计水位1 125.7 m，正常蓄水位1 130.00 m，相应库容7.29 亿m3，汛期排沙运行水位1 123.00 m，死水位1 120.00 m，调节库容1.16 亿m3，总装机容量2 600 MW，总库容7.62 亿m3［13］，2015年建成投运。水库下游无具体防洪对象，不承担防洪任务。

图1 大渡河流域梯级水库群拓扑结构示意图Fig.1 Topological structure of cascade reservoirs in Dadu River Basin

2 现行调度方式分析

2.1 现行调度方式

大岗山水库主要防洪任务为在确保工程自身防洪安全，且不增加工程防洪风险的前提下，应根据防洪调度规则尽量兼顾下游防洪需求。

根据大渡河流域汛期划分标准，大岗山水库6-9月为汛期，5、10月为平水期，1-4月、11-12月为枯水期。其中，汛期6-9月排沙运行时水库水位控制在排沙运行水位1 123 m 运行；非汛期，水位控制在1 120～1 130 m运行。

大岗山水库汛期现行防洪调度方式主要为：防洪起调水位为1 123 m，当洪水入库后，逐步增开闸门，使坝前水位维持在1 123 m 运行；当泄洪能力小于入库洪水时，按水库泄洪能力泄洪，库水位升高。当入库洪水小于200年一遇洪峰流量7 510 m3∕s 时，水轮机按最大发电流量过流；当入库洪水大于7 510 m3∕s，且洪水浑浊、漂浮物较多时，机组不过流［14］。

2.2 实际调度中存在的问题

（1）大渡河流域电站为多业主开发管理，尚未建立统一联合调度机制，不利于流域整体防洪能力的发挥和洪水的资源化利用。

（2）随着气象水情预报技术的发展，现有调度规则是基于原有水情预报技术编制，导致洪水资源利用率较低，无法协调兴利和防洪之间的矛盾。

3 汛期调度方式

大岗山水库汛期调度方式的研究主要包括防洪调度方式研究和实时调度方式研究。防洪调度方式是针对水库在梯级水库群联合防洪背景下设置的调度方式；而实时调度方式是针对水库汛期来水较小时，在保证防洪安全的前提下，利用具有一定精度和预见期的水文气象预报信息，合理控制水库运行水位，以提高水能资源利用效率和工程运行效益的调度方式。两种调度方式互为补充，在不提高水库防洪风险的前提下，尽可能兼顾下游的防洪任务，不仅有利于进一步保障流域内人民群众的生命财产安全，也有利于洪水资源利用和提高流域水资源的综合利用效益。

3.1 指标计算

3.1.1 调洪指标

为研究大岗山水库的防洪调度方式，本节主要介绍控泄流量和最高调洪水位2类调洪指标的计算。

（1）控泄流量。考虑到大岗山水库防洪调度时，应在不增加工程防洪风险的前提下，尽量兼顾下游防洪需求，因此，大岗山水库的控泄流量不因造成石棉站超保证水位。由于石棉站保证水位854.4 m，相应流量6 500 m3∕s，且大岗山水库至县城河段区间多条一级支流汛期流量总和约1 000 m3∕s。因此，汛期大岗山水库预泄流量控制在5 500 m3∕s 以内，基本能兼顾下游防洪安全，具体调度根据防汛主管部门调令进行控泄调整。

（2）最高调洪水位。最高调洪水位则是在确保不降低水库设计标准的前提下，水库拦蓄洪水过程可以使用的最大调节库容对应的水位。针对联合调度下大岗山水库最高调洪水位的研究，本节主要考虑大岗山水库以上两个具备调节能力的主要水库，即猴子岩水库和长河坝水库。由于3 个水库建设运行时间不同，设计阶段的防洪调度方式未能充分考虑水库面临的调度情势的变化，因此水库原定运行方式尚有可优化空间。为实现大岗山水库防洪调度方式的优化，需要根据水库设计资料，针对设计∕校核洪水进行重新演算，以确定大岗山水库最高调洪水位。根据上述思路，提出演算步骤如下：

①资料核定分析：根据水库设计资料，明确其设计∕校核标准，并核定水库特征水位，尤其是设计∕校核洪水位计算的起调水位及调洪过程，及库区土地线、移民线计算的相关标准。

②洪水过程计算：选择水库最不利典型年，根据水库的设计∕校核洪水标准和设计参数，计算其对应的洪水过程，并确定上下游水库同典型年、同频率下的洪水过程。

③区间流量计算：根据梯级水库群各库洪水过程，考虑传播时间影响，计算各水库区间流量过程。

④梯级调洪演算：根据洪水过程和区间流量，针对梯级水库群自上而下依次进行调洪计算，在上游水库因泄洪能力不足而被动抬高水位的情况下，改变待求水库的起调水位并承接设计∕校核洪水过程，分别获得相应最高调洪水位，在确保最高调洪水位等于设计洪水位、校核洪水位的情况下，该起调水位即为联合调度下水库为减轻下游防洪压力可运用到的最高调洪水位。

⑤指标判别分析：将遭遇设计∕校核洪水过程时水库为减轻下游防洪压力可运用到的最高调洪水位进行比较分析，若其均小于正常蓄水位，则以计算所得水位中较小值作为水库调整后的最高调洪水位；若其均大于等于正常蓄水位，则以正常蓄水位为水库调整后的最高调洪水位；若一大一小，则以计算所得水位中较小值作为水库调整后的最高调洪水位。

按照上述分析步骤，考虑上下游的一致性，采用大岗山1 000年一遇设计洪水和5 000年一遇校核洪水进行梯级水库群联合调度计算，并基于指标判断分析，确定梯级水库群联合防洪调度下，大岗山水库最高调洪水位为1 125.7 m，计算结果详见表1。

表1 大岗山水库最高调洪水位计算成果表 mTab.1 Flood routing results of Dagangshan reservoir

3.1.2 动态控制指标

为研究大岗山水库的实时调度方式，本节主要介绍最大安全泄量和运行水位浮动2类动态控制指标的计算。

（1）最大安全泄量。考虑到汛期大岗山水库需兼顾下游石棉站的防洪需求，因此，大岗山水库的预泄不应造成石棉站水位超警。由于石棉站警戒水位853.51 m，相应流量5 480 m3∕s，且据上文分析大岗山～石棉区间洪水流量约1 000 m3∕s，从而可以确定大岗山水库的最大安全泄量为4 480 m3∕s。

（2）运行水位浮动指标。运行水位浮动指标需要根据大岗山水库坝址历史长系列来水情况，分析径流季节性变化规律，并根据大岗山水库水文气象预报有效预见期和水库下游河道安全泄量，确定大岗山水库在不同来水情况下的预泄能力，从而推求水库运行水位动态控制方案。根据上述思路，提出演算步骤如图2所示。

图2 运行水位浮动指标计算流程图Fig.2 Calculation flow chart of the dynamic operation index of the Dagangshan reservoir

根据上文阐述的分析计算流程可得：①基于汛期浮动水位应不增加下游防洪压力、不降低水库防洪标准的考虑，大岗山水库汛期运行水位动态控制的启动条件主要包括石棉站水位低于其警戒水位、大岗山水库入库流量小于4 480 m3∕s，且可预见期内最大入库流量不大于4 480 m3∕s 等；②大岗山水库气象、水文预报的有效预见期分别为72 h 和6 h，从偏安全的角度考虑，本研究采取6 h 水文预报有效预见期对大岗山水库水位浮动指标进行分析，采用72 h 气象预报有效预见期对预泄时机进行控制；③基于对大岗山水库运行期间（2016-2020年）入库洪水过程涨落指标的统计分析，洪峰流量涨至4 480 m3∕s 以上的次洪过程的起涨流量基本在2 000 m³∕s 以上，且洪水6 h 涨率在180～1 530 m3∕s。根据上述分析结果，在来水平稳和上涨两种入库流量模式下，依据大岗山水库最大安全泄量以及其水文气象预报有效预见期，采用改进预泄能力约束法［15］，可计算不同来水模式下有效预见期内水库的预泄能力，并推求水库最高可上浮的水位，计算结果详见表2。

表2 上游不同来水情势下按4 480 m³/s控泄大岗山水库最高上浮水位Tab.2 The highest water level of Dagangshan reservoir under different inflow scenarios when the discharge is controlled at 4 480 m3/s

3.2 汛期调度方案

3.2.1 防洪调度方式

（1）若入库流量大于5 500 m3∕s 且小于最大下泄能力时，按照5 500 m3∕s 控制，库水位最高拦蓄至1 125.7 m 后按入出库平衡控制；若入库流量大于最大下泄能力，原则上按照最大下泄能力控制，并通知相关单位和部门，提前采取有效措施。

（2）当库水位达到正常高水位1 130 m时，采用敞泄方式。

3.2.2 实时调度方案

（1）总体原则。以不降低水库防洪标准（水库参与防洪的起调水位为排沙运行水位），也基本不增加下游防洪压力为前提；以大洪水来临之前将水库水位预泄至排沙运行水位为条件，由防汛部门根据防洪形势、实际来水以及预测预报情况进行机动控制，当不需要大岗山水库进行防洪调度时，利用水库部分库容，发挥水库的综合效益，当需要大岗山水库进行防洪调度时，以服从防洪调度为原则。

（2）启动条件。①当前入库流量小于4 480 m3∕s且未来12 h内大岗山入库洪峰流量小于4 480 m3∕s，或出现过较大洪水但入库流量已退至4 480 m3∕s以下且天气形势明朗、12 h内仍处于退势。②石棉站水位低于警戒水位。③在可预见时间（6～12 h）内，大岗山上游和大岗山至石棉区间无明显的强降雨过程，无发生较大洪水的可能（即大岗山最大入库流量不会大于4 480 m3∕s，且下游区间发生大洪水的可能性很小）。④在考虑预见期降雨的情况下，并且大岗山水库超蓄水量在72 h 预见期内预泄至排沙运行水位后，石棉站水位低于警戒水位。

（3）控制指标。以利用水文气象预报进行预报预泄，确保大岗山水库能及时降至排沙运行水位，减少水库弃水，发挥水库的综合效益为原则，运行水位按以下指标控制：①当入库流量小于等于2 000 m3∕s 时，库水位运行区间可控制在1 120～1 128 m，如遇电网调峰、调频等需求，可短时突破1 128 m，最高不超过1 130 m。②当入库流量大于2 000 m3∕s 且小于等于3 000 m3∕s 时，库水位运行区间可控制在1 120～1 126 m，如遇电网调峰、调频等需求，可短时突破1 126 m，最高不超过1 128 m。③当入库流量大于3 000 m3∕s 且小于等于4 480 m3∕s 时，库水位运行区间可控制在1 120～1 124 m。④当预报入库流量增加，需要降低库水位时，相机启动预泄，控制出库流量不大于4 480 m3∕s的前提下尽快将库水位降至目标水位，可视具体情况，协调上游水库预泄时间和预泄流量。

3.3 典型洪水演算

3.3.1 防洪调度

本节利用历史典型洪水过程、不同设计频率洪水等，采用上述防洪调度方式开展调洪计算，以验证所提调度方式的合理性和可行性。本节选择典型年1981年9月洪水过程及由该典型年计算的百年一遇、20年一遇洪水过程和2018年7月、2020年6月典型洪水过程进行验证。部分计算成果如图3所示。

图3 2020年6月典型洪水过程对应各库调度过程线Fig.3 Operation of cascade reservoirs in Dadu River Basin according to the inflow process of“2020.6”

由图分析可知，针对2020年6月典型洪水过程，在流域联合调度方式下，采用本文所提的防洪调度方案，大岗山水库最高调洪水位在1 125.7 m左右，削减洪峰流量530 m³∕s，一定程度上减轻了下游石棉断面的防洪压力。

3.3.2 实时调度

本节针对大岗山水库2016-2019年实况来水过程进行分析，分别采用“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 场洪水过程，根据当前和预见期内来水情况，在拟定的水位动态浮动方案的基础上开展调洪计算，以验证所提实时调度方案的合理性和可行性。方案风险评价标准为：在来水涨至4 480 m3∕s 前，若大岗山水库可以最大不超过水库安全泄量的出库流量将浮动水位预泄至排沙运行水位，则运行水位动态控制方案不存在运行风险；反之，则存在一定的风险。计算成果如图6所示。

由图分析可知，针对“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 场洪水过程，在拟定的水位动态浮动方案的基础上，大岗山水库均能在入库流量涨至4 480 m³∕s 前，以最大下泄不超过4 480 m³∕s 的出库流量，将浮动水位预泄至1 123 m。此外，由于“1992.6”和“2018.7”两场洪水洪峰量级均超5 500 m³∕s，采用本研究提出的防洪调度方案进行拦洪后，最高调洪水位分别为1 124.34 m 和1 123.03 m，且洪峰过后能以不超5 500 m³∕s 的出库流量快速将水位下降至1 123 m。由此可以说明：大岗山水库采用此水位动态浮动方案运行，水库工程自身安全有保障，且在来水较大时，根据本研究提出的防洪调度方案，大岗山水库可发挥有效的拦洪错峰作用。进一步分析可知，依据该运行水位动态控制方案对“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”3 场洪水过程的调度，大岗山水库的发电量较原调度方案分别增加0.06、0.06、0.09 亿kWh。由此可以说明：汛期开展实时调度可有效提高大岗山水库的经济效益，有助于实现洪水资源化利用，增发清洁能源电量，减少碳排放量。

图4 “1992.6”、“2018.7”、“2020.6”来水情况下大岗山水库实时调度过程图Fig.4 Operations of Dagangshan reservoir under the inflow scenarios of“1992.6”、“2018.7”、“2020.6”

4 结 论

以大渡河流域大岗山水库为研究对象，开展了汛期大岗山水库实时调度方式研究。首先，通过分析大岗山水库现行调度方式，明确了现存主要问题和需求，然后针对大岗山水库面临的不同调度需求，分别提出了针对防洪需求的调洪指标和针对较小来水情况下的动态控制指标计算方法，并基于此制定了大岗山水库防洪调度方式和实时调度方式，最后通过典型洪水过程的演算分析，验证了所制定方式的合理性和有效性，能够为大岗山水库汛期实时调度运行提供可行的技术指导，为类似具备调节能力的水库的运行管理提供可靠借鉴。 □