上游水库实际调度对桓仁水库入库洪水影响分析

王彦文 邹 浩 李宗伟

(1.长春工程学院,吉林 长春 130000;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130000)

马海波等[1]对甬江流域奉化江上游大型水库群防洪联合调度进行了研究,研究成果为甬江流域洪水调度方案提供了技术支撑,为其他类似流域水库群的防洪联合调度研究提供了参考;金兴平[2]以2020年长江洪水为例,分析了水工程调度对洪水防御的作用,得出结论:水工程联合调度措施对防洪减灾效益显著;陈桂亚等[3]分析了金沙江流域水库群调度对川渝河段的防洪作用影响,金沙江水库群首次大规模联合运用,实施了拦洪、削峰、错峰调度,发挥了巨大的防洪作用;尚文绣等[4]将水库调度对水文情势的影响从多因素复合影响中分离出来,采用定量分析方法,研究了小浪底水库调度对黄河下游水文情势的影响;李小平等[5]对丰满水库优化调度对下游防洪影响进行分析,优化了丰满水库不同时段调度方案,提高了下游两岸堤防的防洪标准;游中琼等[6]选择五河上7座调节性能较好的控制性水库,运用长系列径流调节计算方法,定量分析了各水库现状调度方式对下游河道及鄱阳湖区流量、水位的影响。上述研究说明多水库调度运行对下游水库水文情势影响显著,因此进行相关研究十分必要。

浑江流域现有大型水库1座,中型水库9座,小型水库47座。桓仁水库是浑江中下游控制性水库,也是浑江流域唯一一座大(1)型水库工程,本文针对桓仁水库上游中小水库调度对下游水库影响的问题,结合浑江流域水利工程分布的特殊性,分析了上游4座中小水库调度对下游桓仁水库入库洪水的影响。

1 研究区域概况

1.1 桓仁水库概况

浑江蜿蜒曲折,河道多急滩哨口,坡度大,桓仁以上平均比降为0.943%。桓仁水电站位于辽宁省桓仁满族自治县桓仁镇上游约4km处,控制流域面积10364km2,占浑江流域面积的67.2%。

桓仁水库为年调节水库,水库死水位290.0m,相应死库容13.8亿m3;正常蓄水位300.0m,相应库容22.0亿m3。水库调节库容8.2亿m3,调洪库容12.6亿m3,总库容34.6亿m3。大坝按1000年一遇洪水设计(相应库水位308.7m),10000年一遇洪水校核(相应库水位310.8m)。浑江流域水系、主要测站及蓄水工程概况见图1。

图1 浑江流域水系、主要测站及蓄水工程概况

1.2 桓仁水库上游水库概况

桓仁水库以上现有小型水库工程共41座,总库容0.48亿m3,占上游各类水库总库容的18.5%,兴利库容0.27亿m3,占上游各类水库兴利库容的18.5%,小型水库资料条件相对较差,无短时段运行资料;桓仁水库以上现有7座中型水库,其中湾湾川、龙港位于浑江干流,水库调节性能为无调节和日调节,对洪水的调蓄能力很小,本次不考虑其对洪水调蓄的影响,西北岔水库正在建设中,无实际运行资料;上游的桃园、三家子、曲家营、英额布4座水库总兴利库容0.97亿m3,占桓仁水库以上各类水库总兴利库容的66.4%,合计总库容1.27亿m3,占桓仁水库以上各类水库总库容的48.8%,各水库调节性能较强、均为年调节水库,其调度运行对桓仁水库入库洪水的影响在桓仁水库以上各类水库中具有一定的代表性。各水库工程特性见表1。

表1 4座水库工程特性

1.3 流域内洪水概况

2010年7月底、8月底浑江流域发生了2场较大洪水,第一场发生在7月28日—8月3日,桓仁水库最大入库洪峰7840m3/s,第二场发生在8月27日—9月2日,最大入库洪峰3970m3/s。

本文选取以上两场洪水,分析不同洪水量级及时间分布条件下,上游4座中型水库的实际调度对桓仁水库入库洪水的影响。

2 桓仁上游水库实际调度情况

根据实测洪水资料,对上游4座水库洪水调度过程作详细分析。上游4座中型水库在2010年两场洪水下的调度成果见图2和图3。

图2 2010年7月28日—8月3日洪水期间桓仁上游4座水库调度过程(一)

图3 2010年8月27日—9月2日洪水期间桓仁上游4座水库调度过程(一)

2.1 2010年7月28日—8月3日洪水期间水库调度

桃园水库入库洪峰流量1724m3/s,最大出库流量1563m3/s,水库调蓄削峰比为9.3%、错峰35min。涨水期间水库蓄滞洪水,洪峰过后水库降低水位。主洪水期总体蓄水量增加68万m3;7天过程(7月28日0时—8月4日0时)蓄水量由4429.5万m3降至1685.6万m3,蓄水量减少969.7万m3。

三家子水库入库洪峰流量312m3/s,最大出库流量249m3/s,水库调蓄削峰比为20.2%,无错峰作用。整个调度过程中,初期水库在汛限水位附近运行,洪峰期间水位抬升。洪峰过后库水位回落。主洪水期(7月31日—8月2日)洪峰期间水位由148.0m降至145.5m。总体蓄水量减少166万m3。

曲家营水库入库洪峰流量836m3/s,最大出库流量633m3/s,水库调蓄削峰比为24.3%,无错峰作用。整个调度过程中,库水位在洪峰期末由正常蓄水位升至最高水位587.55m,洪峰过后库水位降至585.77m;7天过程蓄水量减少229万m3。

英额布水库入库洪峰流量1163m3/s,最大出库流量748m3/s,水库调蓄削峰比为36.7%,无错峰作用。整个调度过程中,初期水库在汛限水位附近运行。洪峰期间出库流量小于入库流量,水位由460.82m升高至464.97m,洪峰过后,至本期末库水位降至460.28m。主洪水期总体蓄水量减少93万m3。

2.2 2010年8月27日—9月2日洪水期间水库调度

桃园水库入库洪峰流量458m3/s,最大出库流量321m3/s,水库调蓄削峰比为29.9%,错峰7h。整个调度过程中,初期库水位相对较低,洪水过程中水库拦蓄了部分洪量使库水位抬升到正常蓄水位附近,后有少量弃水,库水位略低于正常蓄水位。主洪水期(8月29日—8月31日)蓄水量增加528万m3。

三家子水库入库洪峰流量187m3/s,最大出库流量203m3/s。整个调度过程中,洪水初期库水位已超汛限水位,在出现第一个洪水过程时加大出流,库水位回落到汛限水位以下,之后拦蓄来水,使库水位在9月初蓄至正常蓄水位附近。7天过程(8月27日0时—9月3日0时)蓄量增加169万m3。

曲家营水库入库洪峰流量198m3/s,最大出库流量187m3/s,水库调蓄削峰比为5.6%,无错峰作用。整个调度过程中,出库流量基本按入库流量控泄,库水位维持在正常蓄水位附近运行。7天过程蓄水量减少62万m3。

英额布水库入库洪峰流量144m3/s,最大出库流量95.7m3/s,水库调蓄削峰比为33.5%,无错峰作用。整个调度过程中,出库流量多小于入库流量,库水位逐步抬高。7天过程蓄量增加188万m3。

2.3 洪水调度小结

浑江流域的大洪水主要集中在7月中旬至8月中旬,在该期间的洪水过程中,各水库的出库流量过程随着入库流量的增减而同步增减,但在涨水过程中出库流量一般小于入库流量、在退水过程中出库流量一般大于入库流量,致使水库调度呈现明显的峰前拦蓄、峰后弃水的特点,形成了一定的滞洪、错洪作用。且在退水过程的末期,库水位一般会退至较洪水初期更低的水位,使整个洪水期内蓄水量有所减少。

9月浑江流域的来水量较小,为保证枯水期兴利需求,水库一般会在8月下旬9月初拦蓄洪水的尾部流量过程,使库水位恢复到相对较高的位置。该期间的洪水调度中,出库流量仍然随着入库流量的增减而同步增减,且峰前过程仍以拦蓄为主,峰后退水段的前部仍以弃水为主,但退水末期变为拦蓄水量,使退水期末库水位恢复到较高的位置,整个洪水期内蓄水量有所增加。

3 上游水库调度对桓仁水库入库洪水影响分析

桃园、三家子、曲家营、英额布4座水库位置较分散,到桓仁水库的洪水传播时间各不相同,根据各水库至桓仁水库入库断面河道距离,参考各水文站实测流速资料,估算4座水库到桓仁水库的洪水传播时间,见表2。

依据上游4座水库2010年2场洪水调度运行资料,利用河道洪水演算中的滞时演进法[7],考虑洪水传播时间,将各水库出入库洪水过程,分别演进到桓仁水库,各水库出入库流量差值即为对桓仁水库的调蓄影响值。再利用水量平衡法,结合桓仁水库实测入库流量,还原出上游4库调蓄影响后各时段的桓仁水库入库过程。

3.1 2010年7月28日—8月3日洪水

7月28—30日桓仁水库入库流量缓慢增大,本期内4库的调度,使整个过程平均增大桓仁水库入库流量1.4m3/s、增加入库水量35.3万m3。

7月31日—8月2日为桓仁水库主洪水过程,7月31日0—11时4库的调度使桓仁水库入库流量有所增大,平均增大值106m3/s;7月31日12—22时为桓仁水库入库洪水的主要涨水时段,上游水库的调度对桓仁水库入库流量最大削减流量达997m3/s(7月31日19时);8月1日2—23时为桓仁水库入库洪水的退水过程,上游4库的调度对桓仁水库入库流量影响以增大为主,平均增大值175m3/s、最大增加503m3/s。

8月3日为桓仁水库入库洪水退水尾部,上游4库的调度使桓仁水库入库流量增大,平均增大值94.9m3/s,最大增加200m3/s。

在7月28日—8月3日7天洪水过程中,上游4库的调度运行使桓仁水库入库水量增加1306万m3,其中峰前量减少2145万m3,峰后量增加3451万m3;7月31日—8月2日最大3天洪水过程中,上游4库的调度运行使桓仁水库入库水量增加495万m3,占桓仁水库同期来水量的0.62%,峰前以削减入流为主,最大削减流量997m3/s,峰后以增大入流为主,最大增加流量503m3/s。

上游4库出入库流量演进到桓仁水库的组合流量过程见图4,4库调蓄对桓仁水库入库流量的影响过程见图5,桓仁水库实测入库流量和还原上游4库影响后的桓仁水库入库流量过程见图6,4库调度对桓仁水库入库洪水的影响见表3。

图4 上游4库出入库流量演进到桓仁水库的组合过程(2010年7月28日—8月3日)

图5 上游4库调度对桓仁水库入库流量影响过程(2010年7月28日—8月3日)

图6 桓仁水库实测入库和桓仁水库上游4库影响后的入库过程(2010年7月28日—8月3日)

表3 4库调度对桓仁水库入库洪水的影响成果(7月28日—8月3日)

3.2 2010年8月27日—9月2日洪水

8月27—28日桓仁水库入库流量缓慢增大,本期内4库的调度,在前期削减桓仁水库入库流量,后期略增加桓仁水库入库流量,整个过程平均减小桓仁水库入库流量16.2m3/s、减少入库水量280万m3。

8月29—31日为桓仁水库主洪水过程,8月29日0时—8月30日4时为峰前段涨水段,上游水库的调度对桓仁水库入库流量最大削减170m3/s(8月30日4时);8月30日5—7时为桓仁水库洪峰时段,上游4库对桓仁水库入库洪峰有削减作用,平均削减值91.7m3/s;8月30日8时—8月31日为桓仁水库入库洪水的退水段,上游4库的调度对桓仁水库入库流量仍以削减为主,最大削减值241m3/s。

9月1—2日为桓仁水库入库洪水的退水尾部,上游4库的调度整体增大了桓仁水库入库流量,平均增加值30.0m3/s,最大增加82.6m3/s。

在8月27日—9月2日7天洪水过程中,上游4库的调度运行使桓仁水库入库水量减少670万m3,其中峰前量减少690万m3,峰后量增加20万m3;在8月29—31日最大3天洪水过程中,上游4库的调度运行使桓仁水库入库水量减少907万m3,占桓仁水库同期来水量的1.43%,其中峰前量减少409万m3,占桓仁水库同期来水量的1.43%,峰后量减少498万m3,占桓仁水库同期来水量的1.48%,洪峰附近时段以削减流量为主,最大削减值为241m3/s。

上游4库出入库流量演进到桓仁水库的组合流量过程见图7,4库调蓄对桓仁水库入库流量的影响过程见图8,桓仁水库实测入库流量和还原上游4库影响后的桓仁水库入库流量过程见图9,4库调度对桓仁水库入库洪水的影响见表4。

图7 上游4库出入库流量演进到桓仁水库的组合过程(2010年8月27日—9月2日)

图8 上游4库调度对桓仁水库入库流量影响过程(2010年8月27日—9月2日)

图9 桓仁水库实测入库和桓仁水库上游4库影响后的入库过程(2010年8月27日—9月2日)

表4 4库调度对桓仁水库入库洪水的影响成果(8月27日—9月2日)

4 结 论

本文以浑江流域2010年两场大洪水为背景,结合流域内桓仁水库及其上游中型水库特殊位置分布特点,分析上游4座中型水库实际调度对下游桓仁水库入库洪水的影响,得出以下结论:

a.浑江流域洪水期间桓仁水库上游水库在单库洪水调度过程中具有明显的峰前拦蓄、峰后弃水的特点,致使桓仁水库的入库洪水过程发生较明显改变,总体而言,在桓仁水库入库洪水的涨水期及峰后短期内以削减来水量为主,且峰前段削减量值较大。

b.本文以桓仁水库为例,基于其流域水利工程分布特点,结合大量水文资料,以详细数据分析了上游4座水库调度运行对桓仁水库入库洪水的影响。为下游水库洪水预报及应急预案编制提供数据支撑,并为同类型中小型水库调度运行对下游水库入库洪水影响分析提供参考。