水库群联合防洪优化调度分析——以忠建河流域为例

袁延泰 刘远 金锴

1.湖北省潜江市水文水资源勘测局 湖北 潜江 433100

2.湖北省恩施土家族苗族自治州水文水资源勘测局 湖北 恩施 445000

水库防洪能力对于当地居民的生活质量有着重要的影响。为了确保流域内水库的防洪能力达到最佳状态，需要关注并采用多样化的手段来提升水库群的防洪能力。针对不同流域的实际情况，可以进行联合防洪优化调度，科学地管理和控制水库的运行，以提高其防洪能力，并降低周边县城的洪水灾害风险。通过这些措施，可以实现水库群与周边地区的良好防洪效应，使水库在防灾减灾方面发挥更大的作用。

1 水库群联合防洪优化调度概念

水库有着调节洪峰、储蓄洪水、减轻洪涝灾害的作用。一条河流的主线和支线都可以用来建造水库，这样能够将各区域的河流汇集在一起便于集中管理，这种现象也成为水库群。水库群可以联合调度，对流域内的水文、水利等进行协调调度，划分不同区域的任务。经过各区域水库统一协调，承担起水库管理工作。

2 忠建河流域概况

忠建河流域是一个山区性河流，其洪水特点为洪峰高量大、陡涨陡落。如果不及时采取防范措施，很容易导致洪水灾害。目前，忠建河河畔已建有两座中型水库，并且下游还有一座大型水库。从理论上来看，科学的水库调度可以减少洪峰流量，降低洪水影响。然而，目前存在的问题是各水库之间无法有效进行调度，导致预期的防洪效益难以实现。此外，还存在下游水库回水的问题，可能对城区造成影响。为了解决这些问题，需要建立水库群联合防洪体系，使所有水库共同参与到联合调度中，保障该区域的安全，提高现有的防洪能力。

2.1 流域自然概况

2.1.1 流域自然地理

忠建河是清江中游右岸的最大支流，自西南向东北，流经桐子营、中间河等乡镇，穿越数处峡谷，整体干流长度为120km，流城面积为1656km2，落差424m。其中，忠建河流域处于云贵高原延伸地带，最低点两河口356m，因地势陡峻，使得河流落差较大。河流呈现放射状分布，主支流有4条，流城内暗河、泉洞较多，林草茂密、植被覆盖性好。大量的森林覆盖率，对于调节洪水产生有利影响，有助于提升调蓄功能。

2.1.2 水文气象特征

忠建河流域属于中亚热带季风气候，地形与海拔因素影响，形成了山地气候。受到夏季和冬季分别受到海洋季风与西伯利亚气候影响，呈现冷暖气团交替，使得区域气候处于温和状态。根据近些年的降水资料显示，流城年平均降水为1505.1mm，降水集中在4-10月，7月份降水量最大。本流城位于暴雨区域，径流量大，因存在岩溶天坑，一定程度调节了暴雨径流，实际年径流与降雨量相比变化小。宣恩站实测年径流变化差系数为0.26，忠建河流域洪水由暴雨形成，洪水发生时，有明显的季节性、地域性特征。地势因素使得汇流时间短，暴雨出现时，洪水陡涨陡落，持续时间较短，通常为1-3d。宣恩站流量统计，忠建河流域最大洪峰流量在5-9月，7月洪水次数最多，9月洪峰最大，多发单峰、双峰型洪水。

2.2 水库防洪调度规程

2.2.1 流域梯级水库情况

忠建河是清江中游最大直流，流域面积1656km2，有着较多直流，各直流上均建有小型水电站。现有小型水库14座，总库容在400万m3左右。干流包括上述的中型水电站，各水库基本情况如下。

（1）桐子营水电站水库为忠建河流域的第一级电站，水库以发电为主，兼顾防洪、灌溉等工作。枢纽工程主要由主坝、引水隧洞等建筑构成。工程等级Ш级，工程为中型，采用100年一遇的洪水设计；（2）龙洞水电站水库，属于忠建河干流第二级开发，位于县城上游，为不完全年调节水库，集水面积735km2，是综合利用的中型枢纽工程；（3）东坪水电站水库，该水库位于中建河下游，距离上游位置有42km，控制流域面积1421km2，平均径流量为14.62亿m3；（4）官千水库位于宣恩县域境内，作为中建河右岸的一级主流，其流域面积为85.77km2，水库主要功能为灌溉，兼顾供水，设计的高度为58.0m，正常蓄水位为631m，水库总库容996万m3。

2.2.2 水库安全现状情况

当前，各水库在检查中，能够发现水建筑物总体状况良好，各处泄洪消能建筑物总体结构稳定，不存在缺陷。进水塔结构无明显异常，整体运行良好。临近的坝库岸处于稳定状态，水库稳定可靠。检测后发现水库防洪标准、渗流安全、抗震性能等均符合A级标准，金属结构安全性为B级，大坝工程质量符合标准。各建筑物运行也满足标准，为后期水库防洪优化调度奠定基础。

3 水库群联合调度方式分析

3.1 联合调度分析

将龙洞、桐子营水库串联在一起，水库功能单一，两水库调洪库容小，区间汇流时间段，水库错峰能力差。将两个水库联合在一起，能够确保水库自身防洪安全，充分利用水库调洪库容，限制防洪水位，不会影响水电站原有效益[1]。当前水库群联合调度理论成熟，针对下游有防洪任务要求的水库，可以采用补偿调节、固定泄洪等方式，根据水库距离防洪控制点距离合理选用，适宜采取调度。

3.2 桐子营与龙河调度方案拟定

想要切实发挥水库防洪效益，需要充分利用水库调洪库容。根据工程原有设计参数，采用预泄的方式，在洪水来临前，对库容进行调节。桐子营水库正常蓄水位618.00m，按照现行调度方式，100年一遇以下洪水无法达到调峰目的。想要发挥水库防洪效果，需要采用调度方案，预先预泄出一定库容，达到削减洪峰的目的。龙洞水库紧邻桐子营水库，水库容量566.87m，蓄水位550.00m，按照现有水位设计，应具有1647万m3的调洪库容。针对于水库串联更多是通过预泄获取，单一考虑水库容量空间或是各自获取的预泄库容。根据调洪原理可知，同样调洪库容，泄洪能力强则削峰效果好。

3.2.1 上游桐子营与龙河调度方案拟定

（1）联调技术方案

为了保证下游城区防洪安全，采用出库流量控制法，保证区域流量科学控制，对各水库最高水库优化。保证达到安全防洪目标，还能保证水库安全。根据水库入库洪水特征，以及遭遇的情况，采用典型洪水，对水库入库、河道区设计，建立防洪优化调度名。利用模型检测泄洪优化策略，直到满足要求调度方式。

（2）设计洪水

设计洪水是水利工程建设规模确定和管理的重要依据，设计洪水能够根据目标洪峰流量与时段洪量值，结合特定设计标准与防洪要求，使得洪峰特征与标准规定相等，从而对典型洪水过程线放大。

桐子营设计洪水按照入库水与出库流量区域相应频率叠加，采用公式：

（3）调洪原则

调洪安全第一，统筹兼顾的原则；防洪优化调度不应影响水库本身防洪安全。水库群联合调度，需要保证城区防洪安全的基础上，削减洪峰；水库设计洪水以下洪水，库水位不得超过设计标准；预泄过程中，泄流流量不得大于洪峰及下游城区安全流量。水库调洪可满足下游防洪安全时，则不采用预泄的方式；防洪调度应力求简单。

（4）调洪成果

不考虑区域流量，假设水库泄流能力足够大，采用削平头法控制水库下泄流量[2]。根据下泄最大流量与水库最高水位的关系，水库预留调洪库容最大峰量：

3.2.2 上游桐子营与龙洞联合优化调度方式

桐子营水库设计时，未能设计防洪库容，在保证水库正常使用且不影响其效益的情况下。采用预泄方式，获取调洪库容，发挥防洪效益。根据桐子营正常蓄水位，结合宣恩县城区安全流量，得知预泄流量加上龙洞水库区间，计算出桐子营说水库预泄期间流量不得超过800m3/s。根据本区域洪水预报经验以及预报方案分析，桐子营水库洪水水文预报通常在3h以上，确定预泄调度预泄有效下限为615.00m。想要进一步发挥联调防洪效益，需要考虑预报预泄，降低水库调水位，增加龙河水库库容。对此，根据组合分析，确定两个水库的优化方式如下。

表1 联合调度方式成果表

3.3 调度方式成果

根据上述调度情况，对联合调度进行分析。对不同起调水位的水库回水进行分析，并针对典型洪水进行分析。得出的结论为490.00m，按照宣恩城区现状防洪产生的影响，想要消除影响，必须采用洪水调度。结合城区防洪现状，应按照484.50m控制调水位（20年一遇及以上）；486.00控制预泄起调水位（10-20年）；487.00控制预泄起调水位（5-10年）[3]。

3.4 调度风险分析

根据当地的水文预报，对水库进行预泄，增加水库调洪流量。保证下游城区安全的同时，还应控制好流量，避免前期就将库容蓄满，影响后续调控，降低联合调度防洪效果。

4 联合调度方案

4.1 汛期时间以及汛限水位

汛期时间设定为4月15日-10月15日。

汛限水位设定为桐子营水库、龙洞水库、洞坪水库。

4.2 调度控制运用条件

库水位以及入库预报流量，是调度控制的关键条件。当遭遇设计洪水以下洪水时，库水位不得超过设计洪水位，遭遇校核洪水时，需要保证库水位不超出水位。宣恩县成城区设计按照这一标准设计，保证最大流量不超过城区安全流量，以水库回水不影响上游为条件。

4.3 防洪联合调度方式

4.3.1 桐子营与龙洞防洪联合调度

（1）桐子营

桐子营、龙洞防洪联合调度，根据下游城区安全流量，采用出库流量与分级控制，实行联合调度。根据设计标准，核准桐子营水库汛限水位，根据前期泄量和入库流量，在水位上涨时，加大闸门开度，提高控泄流量。控制20年一遇以下，根据设计水位监测，当临近最高限制水位依旧有上涨趋势，则加大泄量，按照来量进行控制，确保设计标准内的水位不超出水库设计水位；预报20-30年一遇以上洪水，则控制水位在615.00m，按照来量控制泄量，保证水位不超出设计标准。

（2）龙洞水库

流域20年一遇以下洪水，起调按照核准的汛限水位，超过后则采用预泄的方式，控制起调水位。调度方式为以起调水位控制，前期按照预泄量等入库流量控制。水位上涨则加大阀门开度，整体与桐子营水库操作一致。

4.3.2 洞坪水库

为了满足防洪调度要求，水库应维持在488m以内，将库水位降至488m以下。减少对上游防洪的影响，调度方式为开启单独泄放，维持库水位。水位上涨则加大泄量，水库最高水位保持在490.00m以内；5-10年一遇的洪水调度方式，则采用。不同年限的洪水调度，根据计算，将库水位预泄至不同设计水位。

4.4 应急调度方式

当遭受超标洪水以及特大自然灾害时，需要尽快上报。在防办指挥下启动防汛抢险预案，保证水库大坝安全。当来水超出工程泄洪能力，则运用现有建筑权力阻挡泄洪能力下泄，降低水库水位。水库受到地震影响，则需要采取有效措施降低库水位。利用紧急调度防止大坝持续恶化；对于地质灾害，则应暂时降低库水位运行，消除可能存在的堵塞隐患。

5 结语

综上所述，水库群联合防洪优化措施，实际操作起来难度较大，计算也是相对复杂的过程。需要充分了解河流流域实际情况，通过分析削峰错峰、梯级调度等方式，建立防洪调度模型，对模型求解，通过应用分析，将计算出的记过作为后续防洪的参考数据。根据完整的调查规划，削减区域内的洪水，提高水库抗洪能力，实现兴利效益最大化。