王 霞，鄭雄偉，張真奇

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 研究的背景及意義

人多水少，水資源時(shí)空分布不均是我國的基本國情水情，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源供需矛盾愈發(fā)突出。我國建設(shè)了大量的水庫和跨流域調(diào)水工程。連通特大水庫群聯(lián)調(diào)工程體系已成為水資源調(diào)控的主要手段，研究連通特大水庫群聯(lián)調(diào)問題已經(jīng)成為國家的重大戰(zhàn)略需求，目前這一領(lǐng)域的理論研究滯后于工程需求。

河庫連通條件下庫群優(yōu)化調(diào)度問題特點(diǎn)主要體現(xiàn)在其復(fù)雜性、規(guī)律性和風(fēng)險(xiǎn)性。庫群調(diào)度最關(guān)鍵的三個(gè)科學(xué)問題①連通下徑流補(bǔ)償與庫容補(bǔ)償機(jī)理分析；②連通下多目標(biāo)協(xié)同競爭機(jī)制分析；③連通下多源預(yù)報(bào)信息可利用性分析[1]。

水庫連通工程通過渠道、隧洞、管涵等工程措施將水庫連通，統(tǒng)籌調(diào)配水資源，增強(qiáng)豐枯互補(bǔ)、相機(jī)調(diào)度的靈活性，提高供水保證率，增加供水量。同時(shí)具有移民占地影響小、供水覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢(shì)[2]。

1.1 流域概況

甌江是浙江省第二大河，流經(jīng)麗水、溫州兩個(gè)地市，注入東海，流域面積18100km2。小溪為其最大支流，流域面積3574km2。

為治理甌江流域水患危害，流域先后建成大型水庫2座，總庫容55.83億m3；中型水庫28座，總庫容8.44億m3。這些水庫對(duì)保障城市防洪安全，供水安全，改善水生態(tài)水環(huán)境，滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨蟀l(fā)揮了較好的作用。

1.2 流域大型水庫概況

緊水灘水庫位于甌江干流麗水市上游?？刂萍娣e3234km2，占甌江流域總面積15.3%。水庫正常蓄水位184.00m，正常庫容10.35億m3，設(shè)計(jì)防洪庫容1.46億m3，設(shè)計(jì)洪水位190.29m，校核洪水位為192.70m，總庫容為13.93億m3，電站總裝機(jī)容量300MW[3]。

灘坑水庫位于麗水市下游，甌江支流小溪上。壩址以上流域面積3330km2，占小溪流域總面積的93%。水庫正常蓄水位160.00m，相應(yīng)庫容35.2億m3；梅汛期限制水位160.00m，臺(tái)汛期限制水位156.50m，防洪高水位161.50m，防洪庫容3.5億m3；校核洪水位169.15m，總庫容41.9億m3。電站總裝機(jī)容量600MW[4]。

1.3 問題及設(shè)想

甌江流域的洪水主要由梅雨暴雨和臺(tái)風(fēng)暴雨形成，中上游受梅雨控制，中下游(包括灘坑水庫所在的小溪)受臺(tái)風(fēng)暴雨控制，洪水災(zāi)害較頻繁[3]。根據(jù)緊水灘水庫初步設(shè)計(jì)報(bào)告(1980)所述，水庫防洪保護(hù)麗水市和碧湖平原。水庫采取固定泄洪調(diào)度方式，在保證大壩防洪安全和不改變庫區(qū)上游龍泉縣城(現(xiàn)龍泉市)自然狀況的基礎(chǔ)上適當(dāng)削減20年一遇洪水和5年一遇洪水，以減輕當(dāng)時(shí)的麗水縣城(約4萬人)和碧湖平原的洪水災(zāi)害。

麗水市城區(qū)人口規(guī)模現(xiàn)狀已達(dá)40余萬人，按《麗水市城市總體規(guī)劃(2016—2030)》，麗水市城區(qū)規(guī)劃常住人口至2030年達(dá)到70萬人，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。但現(xiàn)狀防洪能力僅為20年一遇[5]。如何進(jìn)一步提高緊水灘水庫防洪能力，又不減弱其原有供水、發(fā)電功能，值得研究。本文提出了連通緊水灘、灘坑兩座大型水庫，甌江流域大型水庫連通聯(lián)合調(diào)度位置示意圖如圖1所示。利用兩庫洪水成因差異，在不增加灘坑水庫防洪壓力的前提下，將流域上游緊水灘水庫無法控制的部分洪水引入灘坑水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減輕麗水市的防洪壓力，同時(shí)提高流域洪水資源化利用程度。

圖1 甌江流域大型水庫連通聯(lián)合調(diào)度位置示意圖

2 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的可行性

2.1 庫容補(bǔ)償特性

灘坑水庫集水面積是緊水灘水庫的1.21倍，興利庫容是緊水灘水庫的3.88倍；從調(diào)節(jié)性能看，灘坑水庫是多年調(diào)節(jié)水庫，而緊水灘水庫是不完全年調(diào)節(jié)水庫。兩者對(duì)比見表1。從兩庫的庫容特性差異看，灘坑水庫可對(duì)緊水灘水庫進(jìn)行庫容補(bǔ)償。

2.2 水文補(bǔ)償特性

緊水灘水庫形成洪水主要受梅雨影響；灘坑水庫主要受臺(tái)風(fēng)影響。對(duì)比分析兩庫水文情勢(shì)，其徑流年內(nèi)分配比例如圖2所示。

圖2 兩庫徑流年內(nèi)分配比例圖

項(xiàng)目緊水灘水庫灘坑水庫灘坑水庫/緊水灘水庫備注集水面積/km2276133301.21/多年平均入庫水量/億m331.537.81.20/總庫容/億m313.9341.93.01/正常蓄水位/m184160/緊水灘水庫可自流分洪引水至灘坑水庫主汛期梅汛期臺(tái)汛期//汛限水位/m184156.5//興利庫容/億m35.4821.263.88/庫容系數(shù)0.170.56//水庫調(diào)節(jié)性能不完全年調(diào)節(jié)多年調(diào)節(jié)//

(1)選取1951—2015年長系列逐日水文徑流過程中的豐水年份，對(duì)比分析兩庫洪水遭遇：兩庫年徑流相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85，相關(guān)性尚可。因此，從洪水遭遇的可能性方面分析豐水年份的徑流情況，緊水灘水庫典型豐水年份統(tǒng)計(jì)10年，年平均流量與多年平均流量比值平均為1.50倍，而灘坑水庫相應(yīng)年份對(duì)應(yīng)的比值僅為1.31倍，灘坑水庫對(duì)應(yīng)的數(shù)值要偏小19%。緊水灘水庫來水較灘坑水庫偏豐。

(2)兩庫徑流年內(nèi)分配不均情況對(duì)比：兩庫都是5—6月份的來水量較大，但其所占年徑流的比重有明顯區(qū)別，緊水灘水庫5—6月徑流占多年平均徑流的比重為42.4%，而灘坑水庫僅34.8%，兩者相差約8%。此外灘坑水庫臺(tái)汛期發(fā)生洪水的概率明顯比緊水灘水庫大，如灘坑水庫8—9月份的來水量可占到多年平均徑流量的19.7%，而緊水灘水庫僅為10.2%，兩者相差約10%，這反映了緊水灘水庫梅汛期來水量較大，灘坑水庫臺(tái)汛期來水量較大。

(3)兩庫多年平均最大來水月份(6月)的徑流特性對(duì)比：緊水灘水庫前十位的6月份來水占年徑流量的比值約35%，而灘坑水庫約28%，由此，緊水灘6月份易發(fā)生中等到特大級(jí)別的洪水，而灘坑水庫易發(fā)生中等到小級(jí)別的洪水，兩者同頻率遭遇概率較小。

(4)統(tǒng)計(jì)緊水灘水庫發(fā)生大洪水期間，灘坑水庫對(duì)應(yīng)發(fā)生的洪水：選取歷史上緊水灘水庫發(fā)生的前10場大洪水分析，當(dāng)緊水灘水庫發(fā)生重現(xiàn)期超過5年一遇的洪水時(shí)，遭遇灘坑水庫的洪水均不到5年一遇，平均情況下僅2～3年一遇，且前10場暴雨中有50%的概率遭遇灘坑水庫不到2年一遇的洪水[6]。

2.3 水庫調(diào)度運(yùn)行

2.3.1實(shí)際調(diào)度運(yùn)行

緊水灘水庫于1986年6月正式下閘蓄水，灘坑水庫于2008年4月正式下閘蓄水。統(tǒng)計(jì)分析兩庫建成后遭遇的歷史洪水，緊水灘水庫2008—2014年，年均棄水1.52億m3；灘坑水庫自2008年以來每年的梅汛期(對(duì)應(yīng)緊水灘水庫的主汛期)，最高水位大多在150～153m之間運(yùn)行，低于梅汛期汛限水位160m。

選擇緊水灘水庫2008—2014年實(shí)際發(fā)生的排前四場的大洪水，見表2，分析緊水灘水庫有棄水的同時(shí)，灘坑水庫是否有空間承納緊水灘水庫棄水。

表2 2008—2014年緊水灘水庫實(shí)測(cè)前四場最大洪水相應(yīng)灘坑水庫情況統(tǒng)計(jì)表

綜上述，灘坑水庫均有能力承泄緊水灘水庫的洪水。

2.3.2兩庫棄水遭遇分析

緊水灘水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位和汛限水位都是184m，按流域規(guī)劃對(duì)其要求，應(yīng)分期蓄水，主汛期為梅汛期，汛限水位182m。本文按緊水灘水庫分期蓄水工況和灘坑水庫設(shè)計(jì)工況分別分析兩庫的棄水遭遇。

灘坑水庫無棄水而緊水灘水庫有棄水的情況共發(fā)生87次(緊水灘水庫完全可向?yàn)┛铀畮旆趾?，兩者同時(shí)產(chǎn)生棄水37次(緊水灘水庫可適度向?yàn)┛铀畮旆趾?。

由兩庫特性、水文情勢(shì)、兩庫調(diào)度運(yùn)行對(duì)比，兩庫連通聯(lián)合調(diào)度具備一定可行性。

3 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的方式及效果

3.1 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的方式

水庫聯(lián)合調(diào)度計(jì)算較為復(fù)雜。從調(diào)度目標(biāo)劃分，水庫聯(lián)合調(diào)度包括發(fā)電為主或以供水為目標(biāo)的庫群聯(lián)合調(diào)度，防洪為主的水庫群錯(cuò)峰洪水?dāng)r蓄調(diào)度。從水庫群的性質(zhì)劃分包括串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)水庫群的聯(lián)合調(diào)度[7]。

本文以長約22km的引水隧洞連通兩并聯(lián)庫。以200、400、600m3/s的引水規(guī)模比選流域防洪和洪水資源化利用效果。

為分析洪水資源化利用的效果，建立兩庫連通聯(lián)合調(diào)度模型，模擬兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)過程。模型目標(biāo)如下：

(1)兩庫連通聯(lián)合調(diào)度洪水資源化利用率盡量高

(1)

式中，W95%max—95%保證率下緊水灘水庫和灘坑水庫年最大供水量，m3；Wi.J95%—95%保證率下第i月緊水灘水庫供水量，m3；Wi.T95%—95%保證率下第i月灘坑水庫供水量，m3。

(2)兩庫連通聯(lián)合調(diào)度棄水量盡量小

(2)

式中，Wqmin—緊水灘水庫和灘坑水庫年均最小棄水量，m3；Wq.i.J—緊水灘水庫第i月最小棄水量，m3；Wq.i.T—灘坑水庫第i月最小棄水量，m3；n—統(tǒng)計(jì)序列年系列長度。

模型約束條件是：①灘坑水庫主汛期水位低于156.5m，非主汛期水位低于160m時(shí)，緊水灘水庫可向?yàn)┛铀畮鞐壦?；②緊水灘水庫向?yàn)┛臃趾闀r(shí)不會(huì)造成灘坑水庫新的棄水；③緊水灘水庫按不大于最大分洪規(guī)模向?yàn)┛铀畮旆趾?。灘坑水庫利用緊水灘水庫棄水增加水資源供給或發(fā)電。

為分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度對(duì)甌江干流防洪效果，采用非恒定流方法，建立甌江流域一維水利計(jì)算模型。模型目標(biāo)是盡可能提高甌江干流的防洪能力。通過河網(wǎng)模型的建立，全面反映干流、主要支流及其相互連接，并將河網(wǎng)水系與工程設(shè)施構(gòu)成一個(gè)防洪體系。模型通過“2014820”洪水和2005年“泰利”臺(tái)風(fēng)洪水進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

采用多重優(yōu)化解法求解上述模型，分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的洪水資源化利用和對(duì)麗水市的防洪效果。

3.2 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度的效果

3.2.1洪水資源化利用效果

緊水灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度多年平均棄水量約1.99億m3。緊水灘水庫提前以200、400、600m3/s預(yù)分洪至灘坑水庫，騰出庫容；不會(huì)增加灘坑水庫新的棄水，不會(huì)增加灘坑水庫上下游防洪壓力，但可減少緊水灘水庫棄水量，增加灘坑水庫入庫水量。

以洪水資源化為例，緊水灘水庫提前預(yù)分洪，分洪600m3/s至灘坑水庫，年均增加利用緊水灘水庫設(shè)計(jì)棄水量約0.76億m3。兩庫連通聯(lián)合調(diào)度年均增加利用緊水灘水庫設(shè)計(jì)棄水量統(tǒng)計(jì)見表3表。

表3 兩庫連通聯(lián)合調(diào)度年均增加利用緊水灘水庫設(shè)計(jì)棄水量統(tǒng)計(jì)表

注：灘坑水庫增加入庫水量即為緊水灘水庫減少的棄水量

3.2.2流域防洪減災(zāi)效果

緊水灘水庫對(duì)麗水市城市防洪控制斷面開潭斷面處進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度。當(dāng)庫水位超過5年一遇洪水位，低于20年一遇洪水位時(shí)，控制壩下最大泄流量不超過2700m3/s，同時(shí)按開潭水利樞紐斷面流量不超過9900m3/s控制；當(dāng)庫水位超過20年一遇洪水位，低于50年一遇防洪高水位時(shí)，按開潭水利樞紐斷面流量不超過11900m3/s進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以保城區(qū)防洪安全。通過城市防洪能力復(fù)核分析，開潭水利樞紐斷面現(xiàn)狀過流能力為9900m3/s，防洪能力為20年一遇。

本文以1969年、1970年、1973年和2014年四場典型年設(shè)計(jì)洪水分析兩庫連通聯(lián)合調(diào)度效果。

由于實(shí)時(shí)分洪，工程規(guī)模較大，投資較大。為挖潛緊水灘水庫的防洪能力，使灘坑水庫能充分利用緊水灘水庫的棄水，在實(shí)時(shí)分洪的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析，擬采用分洪隧洞規(guī)模為600m3/s，洪水來臨前期，通過分洪隧洞進(jìn)一步降低緊水灘水庫起調(diào)水位至180m或以下，利用挖潛緊水灘水庫的防洪庫容提高緊水灘水庫的防洪能力。

以典型年設(shè)計(jì)洪水分析緊水灘水庫和灘坑水庫連通聯(lián)合調(diào)度。選取1969、1970、1973、2014年的20年一遇和50年一遇的典型年設(shè)計(jì)洪水，分析緊水灘水庫和灘坑水庫連通聯(lián)合調(diào)度的效果。

四場典型年設(shè)計(jì)洪水中，當(dāng)發(fā)生20年一遇的洪水時(shí)，緊水灘水庫以180m起調(diào)，錯(cuò)峰調(diào)度，并向?yàn)┛铀畮旆趾?00m3/s，可使緊水灘水庫下游流量均小于9900m3/s，上游庫區(qū)水位低于20年一遇水位。四場典型年2%洪水不同方案效果統(tǒng)計(jì)見表4。

50年一遇的不同典型年洪水中，每場典型年洪水均需要兩庫連通聯(lián)合調(diào)度。

緊水灘水庫182m起調(diào)，補(bǔ)償調(diào)度，麗水市超設(shè)防水位歷時(shí)較長；緊水灘水庫182m起調(diào)，為最大限度保障麗水城區(qū)安全，錯(cuò)峰調(diào)度，庫區(qū)上游龍泉市高水位持續(xù)時(shí)間較長；緊水灘水庫182m起調(diào)，錯(cuò)峰調(diào)度的同時(shí)，向?yàn)┛铀畮旆趾橐?guī)模600m3/s，庫區(qū)上游龍泉市高水位持續(xù)時(shí)間減少，但庫區(qū)水位仍較高；緊水灘水庫利用分泄水量至灘坑水庫的有利條件，可將起調(diào)水位降低至180m，可減少下游的受淹歷時(shí)，降低上游庫區(qū)龍泉市水位至20年一遇以下。如需上下游減災(zāi)效果更好，需加大分洪規(guī)模，但投資會(huì)相應(yīng)大幅度增加[8]。

4 結(jié)論

本文探討了甌江流域兩座大型水庫連通途徑、規(guī)模和聯(lián)合調(diào)度方式。通過建立兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型和流域防洪水利計(jì)算模型模擬分析，連通聯(lián)合調(diào)度兩座水庫，既減輕了甌江干流兩岸城鎮(zhèn)的防洪壓力，也降低了庫區(qū)上游的洪水位及高水位歷時(shí)；同時(shí)，洪水得到資源化利用，增加了兩庫總的水資源利用量。

連通水庫的聯(lián)合調(diào)度需結(jié)合洪水徑流預(yù)報(bào)精細(xì)化調(diào)度；因涉及水庫及上下游多方的效益，在實(shí)際調(diào)度中需要統(tǒng)籌考慮，權(quán)衡多方面利弊[9]；需研究汛期受水水庫壩前最高水位約束和兩庫聯(lián)合調(diào)度的防洪風(fēng)險(xiǎn)[10- 11]等。

表4 四場典型年2%洪水不同方案效果統(tǒng)計(jì)