第３５卷第１１期 人民黄河 Ｖｏ１．３５．ＮＯ．１１ ２０１３年１１月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ ＮＯＶ．，２０１３ 【水文・泥沙】 大伙房水库汛限水位动态控制研究 李果峰 ，栾 策 ，祁天龙。，熊悦丁 ，庄益朋 （１．辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳１１０１６６；２．沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳１１０８６６； ３．辽宁省东水西调工程建设局，辽宁沈阳１１０１１６；４．辽宁省水文水资源勘测局阜新分局，辽宁阜新１２３０００； ５．葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁葫芦岛１２５０００） 摘要：为了充分利用汛期洪水资源，以大伙房水库为例进行了水库汛限水位动态控制研究。采用预蓄预泄法初步确定 汛限水位动态控制范围的方案，然后计算各方案相应的风险和效益指标，最后采用模糊优选模型确定合理的汛限水位控 制范围。结果表明：大伙房水库汛限水位动态控制的上限值为１２６．８ ｒｆｌ，下限值为原设计汛限水位１２６．４ ｍ，汛限水位动 态控制的中值为１２６．６ ｎｌ。 关键词：模糊优选模型；动态控制；汛限水位；大伙房水库 中图分类号：ＴＶ６９７．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０１３．１１．０１１ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｄａｈｕｏｆａｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｆｌｏｏｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌｅｖｅｌ ＬＩ Ｇｕｏ—ｆｅｎｇ ，ＬＵＡＮ Ｃｅ ，ＱＩ Ｔｉａｎ—ｌｏｎｇ ，ＸＩＯＮＧ Ｙｕｅ．ｄｉｎｇ ，ＺＨＵＡＮＧ Ｙｉ—ｐｅｎｇ５ （１．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｄａｈｕｏｆａｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８６６，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｅａｓｔ Ｗａｔｅｒ Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｔｕｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１ １６，Ｃｈｉｎａ； ４．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｕｒｖｅｙ Ｂｕｒｅａｕ Ｆｕｘｉｎ Ｂｒａｎｃｈ Ｂｕｒｅａｕ，Ｆｕｘｉｎ １２３０００，Ｃｈｉｎａ； ５．Ｈｕｌｕｄａｏ Ｐｉｎｇｓｈａｎ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｕｌｕｄａｏ １２５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｌｌｅｖｉａｔｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔａｋｅ ｆｕｌｌ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｆｏｏｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｏｏｄ ｓｅａｓｏｎ，ｉｔ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎ－ ｔｒｏｌ ｉｎ ｌｆｏｏｄ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｄａｈｕｏｆａｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．Ｉｔ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｐｒｅ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｏ ｔｅｎｔａｔｉｖｅｌｙ ａｓｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｏｆ ｌｆｏｏｄ ｌｅｖｅｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋｓ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｒｏｇｒａｍｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｆｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｄａｈｕｏｆａｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｌｆｏｏｄ ｌｅｖｅｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅ ｉｓ １２６．８ｍ，ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｌｏｏｄ ｌｉｍｉｔ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ １２６．４ｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍｅｄｉａｎ ｏｆ ｌｉｍｉｔ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｆｌｏｏｄ ｐｅｒｉｏｄ ｉｓ １２６．６ｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｅｖｅｌ；Ｄａｈｕｏｆａｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ 作为防洪与兴利的结合点，汛限水位的高低直接影响着水 涨，此阶段为水库预泄的主要时期；第二阶段为从洪水起涨到 库的防洪安全和兴利效益。进行汛限水位动态控制，并不是无 峰前水库下泄流量等于入库流量，此阶段由于入库流量小于水 地抬高或者降低汛限水位，而是要求在一个可以承担的风 库此时的最大下泄能力，因此水库还可以进行下泄以降低库水 险范围内，综合评价由汛限水位的抬高或降低所带来的风险与 位。以有下游防洪任务的水库为例，应用此方法确定汛限水位 效益，从而合理地确定汛限水位上下浮动的范围。笔者针对大 上限值时，主要由有效预见期、预见期内水库的人流、预见期内 伙房水库的特点，对如何选定一个适宜的汛限水位控制范围进 水库的泄流能力、确保下游安全的泄量等影响因素决定。具体 行了研究 步骤如下。 （１）有效预见期ｔ的确定。有效预见期按式（１）确定： １汛限水位动态控制范围的确定 ｔ＝ ｙ＋ｔｈ＋ｔ 一ｔ 一ｔＪ—ｔ （１） １．１汛限水位上限值的确定 式中：ｔ 为降雨预报的有效预见期；ｔ 为汇流历时；ｔ 为入库洪 水流量等于水库相应此时的最大下泄流量的历时；ｔ 为预报信 汛限水位动态控制的上限值为在洪水入库之前，水库在保 息传递时间； ；为预泄决策、调令传播时间；ｔ 为闸门操作时间。 证防洪安全的前提下所允许蓄至的最高水位。此值不应超过 （２）确定有效预见期内水库的入流。有效预见期内水库的 正常蓄水位，它的大小直接影响着水库的防洪安全。本文采用 入流有３种情况：情况（ａ）为水库在无任何前期降雨过程和洪 预蓄预泄法确定汛限水位动态控制的上限值。所谓预蓄预泄， 其基本思想就是水库有多大的泄流能力，就将水位上浮多少， 收稿日期：２０１２—１２－２４ 同时留有一定的余地。该方法将入库洪水过程分为两个阶段 作者简介：李果峰（１９８ｌ一），男，辽宁辽阳人，工程师，主要从事水利工程建 设与管理工作。 进行考虑：第一阶段为从水库接到降雨预报到库水位开始起 Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕａｎｃｅ１９８９＠１６３．ｃｏｍ 一・２８・ 人民黄河２０１３年第１１期 水过程的正常人流；情况（ｂ）为降雨已经开始后的人流情况， 考虑一部分峰前入库洪水过程，这一部分洪水过程可根据洪 水的涨洪规律，从历史洪水中或概化洪水过程中取一些不利 情况，在洪水的涨水段寻找一个流量ｑ，ｑ值应等于相应于原 汛限水位时水库的最大泄流量，从洪水过程线上ｑ所对应的 时刻ｔ 起逆时序截取时段长为有效预见期ｔ的洪水过程作为 入库洪水；情况（Ｃ）为本次洪水还处于退水段，但已开始关闸 蓄水，而此时又收到降雨预报，新的洪水开始入库，此种情况 的入库洪水过程的取值方法同情况（ｂ），通常情况下，情况 （Ｃ）为最不利情况。 （３）下游安全泄量的选择。安全泄量按下游防护区最低 防洪标准控制，适当考虑发生一定频率的区间洪水与水库泄流 的不利组合情况，防护点的安全泄量应当相应减小。 （４）确定有效预见期内水库的预泄水量。假定汛限水位上 限值为ｚ ，在由上述步骤确定的入流条件下，按设计的调洪规 则进行调洪计算，得出在有效预见期ｔ内水库的总下泄水 量 。 （５）汛限水位上限值的计算。由规划设计的汛限水位Ｚｎ 查水位一库容曲线，得到相应的库容值 ，计算Ｖ＝Ｖｏ＋ ，由 反查水位一库容曲线得出相应的ｚ值，若Ｚ＝Ｚ，，则假设的 就是所求的汛限水位上限值，否则继续假设试算，直到二者相 等为止。 １．２ 汛限水位控制上限值的风险分析 取不同的入库洪水过程和不同的预见期，按照上述方法进 行调节计算，可初步确定汛限水位控制上限值的若干个方案。 为了确定最终的上限值，需要对这些方案进行风险分析，从而 确定一个合理的汛限水位控制上限值。现行的主要方法有蒙 特卡洛法和频率分析法，由于蒙特卡洛法是将随机产生的洪水 总量按一定比例分配的，很可能产生不符合实际的洪水过程， 且计算工作量大，虽然可借助计算机进行模拟，但费时较长，因 此较少采用。 本研究采用频率分析法，假定由前述方法确定的若干个汛 限水位控制上限值为ｚ （ｉ＝１，２，…，ｎ），以此为起调水位，按照 规划的调度方式及规则，分别调节各种频率的设计洪水，求出 相应的调洪高水位ｚ （ 为各种频率设计洪水的序号）。以设 计洪水位（校核洪水位）为风险控制指标，由内插法求出以ｚ 为起调水位进行调洪计算所得的最高水位恰好等于风险控制 指标时的洪水频率，以此频率（Ｐ）作为起调水位为Ｚ 时的风险 率。此风险还可解释为，当水库的起调水位为ｚ 时，水库尚可 抵御频率为Ｐ的洪水，这可以为决策者提供在某一水位时水库 所具有的防洪能力。也可通过式（２）计算相对于设计洪水位或 者校核洪水位的相对风险率： Ｐｒ＝丁 （２） Ｐ Ｐ 式中：Ｐ 为相对风险率；Ｐ为设计（校核）水位所能调节的洪水 频率；Ｐ，为由上述方法计算的某水位的风险率。 １．３上浮汛限水位控制值的效益计算 （１）调蓄一次洪水的效益计算。方法一为按现行供水价格 计算，以提高汛限水位增加的库容乘以现行的单位供水价格， 即可得到抬高汛限水位所获得的效益；方法二为将抬高汛限水 位而多蓄的水量通过计算转化为电量，从而求出发电效益，以 此作为抬高汛限水位的效益。 （２）多年效益的计算。将选取的汛限水位值代替原汛限水 位，进行兴利调度的长系列调节计算，得出相应的效益指标值， 与原汛限水位的效益进行比较，以增加值作为此汛限水位的 效益。 １．４确定汛限水位上限值的方案优选方法 通过上述步骤计算出上述各方案的效益和风险，采用王本 德等 提出的模糊优选法对效益与风险进行比较，从而确定一 个合理的方案。 １．５汛限水位下限值的确定 汛限水位上浮是为了增加水库的兴利效益，相反，汛限水 位下调则提高了水库的防洪安全程度，相应的风险则是因汛限 水位降低而增大的水库后期蓄不足水的可能性。一般情况下， 不需要下调汛限水位，只有当预报将要发生超标准洪水时才启 用，因此在使用时应慎重。 在确定汛限水位下限值时，通常是从历史洪水系列中选取 一些中等量级的洪水，研究其退水规律，然后概化出一条退水 过程线，从此退水过程线上按照经验寻求某一流量Ｑ，自ｑ起 计算退水流量等于水库正常供水流量时这一时段内的洪水总 量 。由设计的汛限水位Ｚ０查水位一库容曲线得到相应的 库容值 ，计算Ｖ＝Ｖｏ—Ｗ，由 反查水位一库容曲线得出相 应的ｚ值，即为汛限水位控制的下限值，此值不应低于死水位。 ２实例分析 ２．１水库概况 大伙房水库位于辽河支流浑河中上游，控制流域面积为 ５ ４３７ ｋｍ 。坝址以上流域多年平均径流量为１５．１亿ｍ ，变差 系数为０．４９。该地区洪水主要发生在６ 月，洪水成因主要 是此期间内的大暴雨。 水库设计防洪标准为１ ０００ ａ一遇洪水，可能最大洪水（面 雨量５８０ ｍｍ）保坝。水库总库容为２１．８７亿ｍ。，防洪库容为 １１．８２亿ｍ ，兴利库容为１２．７６亿ｍ ，最高水位为１３８．８ ｍ（相 应库容为２１．８７亿ｍ ），正常蓄水位为１３１．５ ｍ（相应库容为 １４．３０亿ｍ ），防洪水位为１２６．４ １１３，死水位为１０８ ｍ（相应 库容为１．３４亿ｍ ）。 ２．２大伙房水库汛限水位动态控制范围的确定 ２．２．１有效预见期的确定 （１）考虑现有的降雨预报一般发布２４、４８、７２ ｈ预报，还有 ５ ｄ的天气趋势预报，且遇到大雨量级以上的预报不会出现漏 报情况，调度者结合卫星云图和经验通常会做出较准确的预 报，因此降雨预报的有效预见期取２４ ｈ。 （２）水库的汇流历时通常受降雨落区和土壤含水率的影 响，若土壤含水率大且降雨多落在集水区下游，则汇流历时短， 因此，为安全计，不计汇流历时。 （３）洪水起涨后至入库流量小于水库在此时刻的最大泄流 能力时，可根据下游的情况继续泄流，此时，由于入库流量小于 下泄流量，因此库水位处于下降状态。考查自建库以来的２９ 场洪水（洪峰流量大于１ ０００ ｍ ／ｓ），该时段取６ ｈ。 （４）洪水预报、制定决策、调令传递及闸门启闭等用时之和 －２９ ・ 人民黄河２０１３年第ｌ１期 取３ ｈ。 最终计算的有效预泄时间为２７ ｈ，为安全计，取２０ ｈ。 ２．２．２汛限水位的初步确定 从安全角度出发，仅考虑在涨水前利用有效预泄期将超蓄 水量泄出，在调洪前达到规划设计的汛限水位。根据水库历年 的实测资料，选取洪峰流量大于１ ０００ ｍ ／ｓ的部分洪水（无前 期洪水过程），截取涨洪前的入库流量过程进行调度计算，结果 见表１、表２。 表１预泄调洪结果ｃ１２７．０ ｍ起调） 表２预泄调洪结果（１２６．８ ｍ起调） 随着人流的增大，预泄水量呈减少趋势，而预泄后水位随 着人流的增加而增长，若取１２７．０ ｍ为汛限水位控制的上限， 则可为水库增加水量４５．４６×１０ ｍ３；若取１２６．８ ｍ为汛限水位 控制的上限，则增加的水量为３０．１５×１０ ｍ 。 ２．２．３风险和效益分析 水库主汛期的原规划设计汛限水位为１２６．４ ｍ（７月１１ 日＿８月１０日），８月中旬控制汛限水位为１２８．０ ｍ，之后按旬 逐步抬升，至９月下旬蓄至正常蓄水位（ｔ３１．５ ｍ）。因此，主汛 期不宜将汛限水位上限值抬至过高，自１２６．４～１２７．３ ｍ等间 距取值，以此作为起调水位，调节不同设计频率洪水，得出相应 的调洪最高水位，结果见表３。 以校核洪水位作为参照指标，从表４可以看出，原规划的 汛限水位１２６．４ ｍ调节频率为０．０１％的洪水时调洪最高洪水 位为１３７．３１ ｍ，即认为以１２６．４ ｍ为起调洪水位，其调洪高水 位超过校核洪水位的风险率为０．Ｏ１％。其他起调水位相应于 参照指标的调洪频率可通过内插进行计算。通过上述方法计 算出不同起调水位相应于设计洪水位所能调节的最大洪水，以 此确定各个起调水位的防洪风险率，结果见表４。 ．３０・ 表３不同起调水位的调洪最高水位 注：因设计资料保密，故仅提供示例数据，并非实际值；各频率设 水数据取自文献［６］。 表４不同起调水位的防洪效益和风险率 注：风险率１为以 风险率２为以设计洪 为参照指标。 以校核洪水位为参考指标，每个起调水位作为一个方案， 效益和风险指标的权重向量取（０．３，０．７），代人模糊优选模型 进行方案优选，计算各方案的相对优属度为（０．６９２ ３，０．６４８ １， ０．５８５ ０，０．５８８ ２，０．４９６ ２，０．４０４ ８，０．４０９ ４，０．３４８ ９，０．３０７ ７）， 按照优属度最大原则，应选择方案１为最优方案，对应的水位 为１２６．５，然而此水位接近原汛限水位，无实用价值，所以选定 方案４为汛限水位动态控制的上限值，即为１２６．８ ｍ。为安全 计，水库的汛限水位控制的下限取原设计汛限水位（１２６．４ ｍ）， 取汛限水位动态控制的中值为１２６．６ ｍ。 ３结语 洪水资源化就是在保证防洪安全的前提下，最大限度地利 用洪水资源。洪水资源化对水库提出的新要求就是要求调度 决策者在面对洪水时，为了多蓄洪水，必须打破传统汛限水位 的控制理念，在允许的风险范围内，动态控制汛限水位，从而以 一定的风险去换取更大的效益。通过对大伙房水库历史洪水 的综合评价与分析，提出ｆｒ汛限水位动态控制范围的确定方 法，确定了合理的汛限水位控制范围。 参考文献： ［１］王金河汛限水位动态控制的条件及最适应时间分析［Ｊ］黑龙江水利科 技，２０１１，３９（５）：１２ｌ一１２２ ［２］周惠成，李伟，张弛．水库汛限水位动态控制方案优选研究［Ｊ］．水力发电学 报，２００９，２８ Ｃ４）：２７—３２． ［３］曹永强．汛限水位动态控制方法研究及其风险分析［Ｄ］．大连：大连理 ：大 学，２００３． ［４］ 陈守煜，王淑英，王高英．用直接模糊统计试验确定汛期相对隶属函数的研 究［Ｊ］．水利水电科技进展，２００３，２３（１）：５—６． ［５］ 王本德，周惠成，程春田．水库预蓄效益与风险控制模型［Ｊ］．水文，２０００，２０ （１）：１４—１７． ［６］ 大连理工大学，国家防汛抗旱总指挥部水库防洪预报调度方法及应用 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９９６ 【责任编辑翟戌亮】
