水库面对可能最大洪水时的应急调度优化研究

马 翔，由丽华，廖 宁，陈 旻，张陵蕾，李 嘉

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610065）

0 引言

受全球气候变化影响，极端洪涝灾害的爆发愈发频繁，造成了巨大的人员伤亡及财产损失［1］。我国是受洪涝灾害影响最严重的国家之一［2］，2021年，中国洪涝灾害造成5 901 万人次受灾，占全国自然灾害受灾人口总数的55%［3］。研究发现，在气候变化影响下，近年来洪水灾害在量级上不断刷新历史极大值［4］，这为水库防洪度汛带来了极大的不确定性与挑战。面对此类极端洪水，如何最大化利用水库的防洪能力，开展及时合理的应急调度，已然成为变化环境下的新命题。

可能最大洪水（Probable Maximum Flood，PMF）是指由各种最不利因素组合形成的洪水［5］，同时也是研究区域内最严重的洪水［6］。近年来，国内外学者围绕PMF 的精确推求展开了较多研究，如刘甜等［7］统筹了气候变化、土地利用、前期影响雨量等因素，构建了一种适用于变化环境下PMF 估算的新模式，并将其应用于怒江上游区域。吉红香等［8］针对无资料小流域河道提出了一种根据当地推理公式与洪峰流量经验公式估算PMF 的方法。CLAVET-GAUMONT J 等［9］指出，为应对PMF 等极端洪水事件，一般需要修改大坝的布置与结构，或优化其调度方案，以实现洪水风险最小化。然而，目前相关研究报道较少，缺少统一的、明确可参考的规范标准。

水库作为拦蓄洪水的主要工程措施，按一定重现期的洪水进行设计和调度。PMF 发生时，其洪峰流量可能与设计洪水之间存在数倍甚至量级的差异，运用常规调度规程对PMF 进行泄洪不仅会使水库下游面临极大的洪涝风险，甚至坝体和水工建筑物也将面临安全威胁。因此，对于已建水库而言，开展针对PMF 的应急调度方案研究，充分发挥泄洪建筑的作用，以非工程方式降低水库水位的同时削减下泄流量峰值，保障大坝及下游防洪目标安全，对于减轻PMF 造成的原生、次生及衍生灾害具有重要意义［10］。

以岷江上游不完全年调节水库——紫坪铺水库为例开展研究，其防洪保护区涵盖整个成都平原，具有极其重要的防洪地位和作用［11］。当运用紫坪铺水库常规调度规程面对PMF时，会产生过大的下泄流量，坝下流域的居民区和农田可能面临洪涝灾害威胁，水库下泄的高浊度洪水也将对下游城市的生活用水产生巨大压力［12］，同时坝体自身也可能面临安全风险。如何利用有限的库容实现防洪效用最大化，是水库应对极端洪水时需要解决的关键问题。因此，研究通过探讨不同调度方式及时机对入库PMF 的消解规律，提出一种非工程措施的应急调度方案，使得水库在面对PMF 时得以兼顾坝体与下游防洪安全，为其他水库调整优化调度规程提供参考。

1 研究方法

1.1 研究思路

为了最大化兼顾PMF 情景下的工程安全与下游防洪安全，本研究基于“以空间换时间”的调度思路，通过调整泄水建筑物的启闭时机与组合方式，对水库库容随洪水历程进行动态分配，在对比不同情境下的水库坝前水位与下泄流量后，得到经过优化的应急调度方案。研究方法流程如图1所示。

图1 方法流程图Fig.1 Flow chart of the method

1.2 模型建立及验证

为模拟紫坪铺水库在不同调度情景下库水位与下泄流量的变化，采用HEC-RAS 软件，基于紫坪铺水库实测地形建立了一维水动力模型。HEC-RAS 是由美国工程水文中心开发的河道水力计算程序，支持一维/二维水动力、泥沙和水质的模拟，国内外研究者常将其应用于河流水动力、洪水过程分析等领域。

HEC-RAS河道一维水动力学模型的控制方程为：

式中：Z为水位，m；Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；B为水面宽，m；Lq为单位河长的旁侧入流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2；x为沿河距离，m；Sf为水力比降；n为河道糙率系数；R为水力半径，m；S为水面比降。

采用紫坪铺水库2020年的实际调度过程对已建立的一维水动力模型进行率定。输入逐日的入、出库流量作为边界条件，计算得到库区水位线，并与实际坝前水位进行对比。经率定，关键参数糙率的取值确定为0.035，此时模型模拟的坝前水位变化过程与实际过程基本一致，如图2（a）所示，整体误差在0.1～0.86 m 之间，平均绝对误差0.41 m，均方根误差0.47。模型验证期为2021年，同样以逐日的入、出库流量作为边界条件输入模型，坝前水位计算结果与实际过程的对比结果如图2（b）所示，整体误差在-0.1～0.54 m 之间，平均绝对误差0.31 m，均方根误差0.46，模拟精度较高，说明经过参数率定，所建立的模型能够较好地反映紫坪铺水库的纵向水动力特征。

图2 紫坪铺水库一维水动力模型率定及验证结果Fig.2 Model validation and verification results

1.3 优化效果评价方法

以坝前水位、下泄流量及洪水削峰率、洪峰过境时间及库区沿程水面线等不同水库运行状态指标分析调度优化的具体效果。此外，为进一步分析优化效果产生的原因，从不同方案对水库防洪能力利用程度的角度出发，提出了水库防洪潜力的概念，具体定义为：

式中：Δi代表第i场洪水的防洪潜力；W总(t)代表水库总库容，m3/s；W用(t)代表当前时刻下水库已使用的库容，m3/s。防洪潜力表征了水库在某一时刻应对洪水的能力，Δi为0 时代表水库在该时刻已无剩余库容；Δi＜0 时代表水库在该时刻所需库容大于总库容，调度规程此时失效；Δi越大代表水库中可用库容占比越高，也即水库在此时应对洪水的能力越强。

2 研究内容与结果

2.1 研究区域概况

以位于岷江上游的紫坪铺水库为研究对象，紫坪铺水库是以供水、灌溉为主，兼具发电、防洪、生态环境保护等综合效益的大型水利枢纽工程，既是成都市及周围郊县自来水的主要水源，又担负着成都、德阳、绵阳等8 市41 县（区）的综合供水和成都地区防洪任务。紫坪铺水库控制流域面积22 662 km2，占岷江上游总面积的98%，水库总库容11.12 亿m³，其中防洪库容1.664 亿m³，水库下游防洪保护区涵盖2 市4 区1 县29 个乡镇，耕地4.05 万hm2。水库地理位置如图3所示，紫坪铺水库至青城大桥之间，有支流白沙河汇入，白沙河与紫坪铺同属著名的川西鹿头山暴雨区，暴雨多发于6-10月［13］。有关岷江流域暴雨空间分布的研究显示，流域洪涝灾害主要由暴雨所致［13］，因此紫坪铺水库在汛期面临着由于极端降雨所导致的特大洪水威胁。

图3 研究区域示意图Fig.3 Sketch of study area

2.2 保障目标与问题识别

紫坪铺水库的PMF 采用区间可能最大洪水与上游相应典型洪水组合形成，洪水过程如图4所示。一场PMF 在3日内的总入库径流量达到13.2 亿m³，洪水规模大于水库总库容11.12亿m3，约为水库防洪库容的8 倍。面对PMF 这类极端洪水时，水库调度的首要任务是确保大坝安全。根据紫坪铺调度规程，水库运行时的最高水位为校核洪水位883.1 m，因此在调度过程中坝前水位不得超过该值。其次，紫坪铺水库需要通过调度最大程度地减轻上游洪水对下游的威胁。紫坪铺水库的安全泄量为2 393 m³/s，在调度过程中应当尽可能地减小下泄流量超过这一安全泄量的幅度和时长。

图4 PMF过程图Fig.4 Diagram of probable maximum flood process

紫坪铺水利枢纽的主要泄水建筑物包括1 号、2 号泄洪排沙洞、冲沙放空洞、溢洪道以及由4 台机组组成的引水发电系统。按水库现行调度规程，从PMF 到达库区起始，控制四台机组、冲沙放空洞与1号泄洪洞开度进行泄洪；当水库水位超过防洪高水位861.6 m 时，关闭一半机组，并全开冲沙防空洞和1 号泄洪排沙洞，为保证大坝安全此时不控制下泄流量；当水库水位超过869 m 时，关闭全部机组，超过870 m 时开启溢洪道泄流。

为识别采用常规调度面对PMF 时可能存在的风险和问题，通过所建立的一维模型开展模拟。将PMF 流量过程作为入流边界，下游边界条件选择不同泄水建筑物组合情况下的水库水位流量关系，支流边界条件选择流量变化过程，模拟得到水库依据常规调度方案应对PMF 时坝前水位与下泄流量变化过程如图5所示。模型计算结果显示了常规调度失效点，而如何在避免失效的同时减轻对下游的安全冲击，是值得进一步讨论的。因此本研究将基于水库在常规调度规程下遭遇PMF 时的表现，对其做出优化调整，以期达到最佳度汛效果。

图5 现行调度面对PMF时坝前水位与下泄流量变化Fig.5 Water level and outflow of when current reservoir operation facing PMF

由图5 可以看出，在运用常规调度规程应对PMF 时，水库坝前水位将在洪水入库后的第39 h 起超过校核洪水位，下泄流量也大幅超过安全泄量。此时常规调度失效，坝体存在安全风险，水库下游也面临严重的洪涝灾害威胁。可见采用现行调度规程应对PMF 时存在着泄洪能力不够、泄洪时间过晚、滞洪库容利用不充分等问题，因此需要对水库调度规程进行优化，确定最优的泄洪设施启闭时间与组合方式，充分利用水库的防洪潜力，实现防洪库容随洪水历程动态分配，形成针对PMF 的水库应急调度方式。

2.3 调度优化原则

针对常规调度规程在应对PMF 时存在的问题，研究提出的调度优化原则为：第一，提前预泄，配合水文预报，在洪水初期利用发电机组等泄水设施提前消落水位，合理利用防洪库容；第二，加大泄量，适时开启泄洪洞增大水库下泄流量，充分利用其滞洪库容以消解过洪流量，确保大坝安全的同时将下游风险降至最低。

基于以上原则，对水库现行调度规程做出如下优化：首先，调整水库调度方式，在PMF 入库后以最大开度开启四台发电机组，对洪水进行提前预泄；开启2 号泄洪洞参与泄洪，以增大水库泄量。其次，在此基础上寻找最优调度时机，提前开始泄洪可以使水库有充分的时间和库容来应对洪水，但由于泄洪洞的过流流量受水头影响，水位较低时过流流量可能无法满足泄洪量的需求，同时过早泄洪也有可能造成过多不必要的弃水。鉴于此，研究基于所构建的水动力模型模拟泄洪建筑物在不同开启时机下的水库下泄流量与坝前水位变化规律，以此寻求最优的调度时机。

2.4 优化过程与结果

根据常规调度规定的起调水位，本研究设置的工况范围为850 m（起调水位）～870 m（开启溢洪道水位），每隔2 m设置一个起调情景，模拟得到的水库坝前水位与下泄流量的变化规律如图6所示。图6（a）中白色切片代表水库的下泄流量约束值，即安全下泄流量2 393 m³/s。整体而言，2 号泄洪洞在不同水位下开始泄洪对水库调度效果有显著影响，具体表现为：当坝前水位处于850～862 m 之间开启2 号泄洪洞时，由于低水头导致泄洪洞过流量较小，洪水入库后无法及时满足泄量要求，造成坝前水位在洪水来临的第30 h 左右大幅上涨并持续处于较高位置，同时水库下泄流量长时间超过下游安全泄量，对坝体与下游安全造成极大威胁；当坝前水位在866～870 m 之间开启2 号泄洪洞时，此时坝前水位已经达到较高位置，即使各泄水建筑物全力参与泄洪，坝前水位依旧有超过20 h 的时间维持在较高位置，下泄流量变化相对平稳但仍长时间处于安全泄量以上。

图6 不同启闭条件下水库下泄流量与坝前水位差异Fig.6 Differences in outflow and water level under different conditions

当坝前水位到达864 m 处开启2 号泄洪洞，此时在洪水历时过程中坝前水位始终保持在较低位置，且水库下泄流量变化平缓，说明该调度方案下各泄水建筑物的泄洪能力得到了充分利用，通过选择合理的调度时机实现了水库防洪库容动态分配。基于此得到优化后的应急调度方案如下：在PMF 入库时开启全部机组参与泄洪，同时开启1号泄洪洞和冲砂防空洞敞泄，在864 m处开启2号泄洪洞参与泄洪，在869 m 处关闭全部发电机组，在870 m处开启溢洪道泄洪。相较于现行调度，优化后的方案可以充分调用各泄水建筑物的泄洪能力，并基于调度时机的优化实现水库库容动态效益的更大化利用。

3 优化效果讨论

优化前后两种调度方案对PMF 的调度效果如图7所示。可以看出，原调度规程在洪水入库后的第39 h 时，坝前水位越过了校核洪水位，大坝安全遭受极大威胁，系统面临崩溃，模型模拟得到此时下泄流量已经超过下游安全泄量。优化后调度规程对水库下泄流量和坝前水位起到了更好的控制作用。坝前水位峰值为864.7 m，全程低于校核洪水位。同时，水库下泄流量峰值为3 140 m³/s，削峰率达74%，相比洪峰入库的时间延迟了21 h，远长于常规调度失效的9 h。优化方案对洪水过程实现了显著的坦化消解，降低了洪水对坝体安全的威胁，并减小了水库泄洪对下游河道造成的防洪压力。

图7 优化前后下泄流量与坝前水位对比图Fig.7 Comparison of discharge flow and water level before and after optimization

优化前后两种调度方案下的库区沿程水面线变化如图8所示。库区沿程水面线的变化是反映河道行洪能力的直观指标［15］，优化后的调度方案下，在PMF 过程中紫坪铺库区水面变化幅度较小，洪水过程中最高水位为864.7 m，最低水位为846.5 m，水位之差为18.2 m，水位相对稳定，度汛过程中不会发生显著波动；在运用原调度规程进行泄洪时，库区水面变化剧烈，在洪水入库后的30 h 起水位急剧抬升，最高水位将超过水库的校核洪水位883.1 m，造成调度规程失效，严重威胁大坝安全；对于水库而言，水位的剧烈变化将导致岸坡稳定性变差，岸坡局部或整体发生滑动，进而影响库周道路的安全与水库运行［16］。

图8 优化前后调度规程下水面线变化Fig.8 Change of water surface line before and after optimization

观察到在采用两种调度方案应对PMF 时，度汛效果存在显著差异，从防洪潜力Δi角度出发，分析不同调度方案对水库防洪能力利用程度差异如图9所示。在洪水起始至洪峰入库（30 h）的过程中，优化调度采用了提前预泄的策略，对比常规调度在第30 h 时额外腾留出了0.72 亿m³的库容，防洪潜力提高了0.07。洪峰入库后，常规调度下的防洪潜力迅速下降至第39 h时完全失效，这期间优化调度方案通过前期防洪潜力的累积，在拦蓄了3.3 亿m³的洪水之余，比常规调度多下泄了1.6 亿m³的水量后，防洪潜力仍剩余0.23。在此之后，由于洪水持续入库，优化方案下的防洪潜力也持续减小，在第40 h起水库开启2号泄洪洞加大泄量后防洪潜力得以回升，最终恢复至0.28 左右至洪水结束。

图9 两种调度方式下防洪潜力对比图Fig.9 Comparison of flood control potential under two plans

总而言之，优化后的调度方案体现的是“以空间换时间”的调度思路，即以前期适当的库容预留，实现了水库库容的合理动态分配，为水库充分泄洪赢得更多的时间。整个调度过程中，前期提前预泄仅多释放了0.72 亿m³的库容，并且其仅为洪峰入库后至常规调度方案失效期间（30～39 h）入库径流量的22%，但这一防洪潜力的预留有效地坦化了洪水峰值、延长了洪峰过境时间，减弱了洪峰入库过程中流量突增带来的泄洪压力，为洪峰入库后争取了二次调度措施启用的时机，从而为充分发挥泄水建筑物的泄水能力提供了足够的缓冲时间。

值得注意的是，优化调度后水库的防洪效果对于预见期内洪水预报信息有所依赖，随着水文预报技术的发展，结合预报信息开展水库实时防洪调度已得到了广泛应用［17］，更有利于发挥水库的兴利作用。同时地理信息系统技术、测雨雷达和卫星云图技术更多地应用于水文预报中，各时效预报的准确率都有很大提高［18］，优化后的洪水调度配合更加精确的水文预报可以有效提高水库的防洪效果。另外有研究表明，采用统计方法进行相似洪水识别，挖掘流域历史洪水数据，可以有效延长洪水预报预见期，为水库汛期预泄与调度工作提供指导［19］。因此，现有水文预报工作的发展可以为水库通过合理分配库容完成对PMF等极端洪水的调蓄提供充分的技术支持。

4 结论

针对水库在面对PMF 时常规调度规程无法保证安全泄洪的问题，开展了水库调度规程优化方法研究。通过优化配置泄水建筑物的启闭时机与组合方式，实现了随洪水历程对水库库容的动态分配利用，充分发挥水库的防洪潜力消解极端洪峰流量。以紫坪铺水库为例，原调度规程在面对PMF 时将失效，大坝安全存在极大隐患，研究对水库发电机组启闭时机与开度进行了优化，同时调整了泄洪洞参与泄洪的时机，进而规避了调度规程失效的风险，优化后的应急调度方案使紫坪铺水库能够应对超过自身防洪库容8 倍以上的PMF，泄洪过程中坝前水位始终稳定在校核洪水位之下，洪峰流量由12 200 m³/s 降至3 140 m³/s，削峰率达74%，确保大坝安全的前提下最大程度降低了水库下游洪涝风险，同时控制水位与流量变化过程平稳，提升了水库应对突发水文事件的能力。研究基于“以空间换时间”的调度思路，实现了水库库容动态分配的调度优化，可以为水库面对PMF 等极端洪水情景时实现多目标保障提供有效参考，对充分发挥水库的防洪兴利作用具有重要意义。