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紫坪铺水库汛限水位动态控制初探

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第30卷第1期 2 0 1 1年2月 四川水力发电 VoI.30.No.1 Feb.,2 0 1 1 Sichuan Water Power 紫坪铺水库汛限水位动态控制初探 由丽华, 易瑞吉 (四川省紫坪铺开发有限责任公司,四川成都610091) 摘要:通过对紫坪铺水利枢纽的运行情况进行分析,指出了研究其汛限水位动态控制的必要性,并对水库汛限水位动态控 制管理运用中涉及到的几个关键问题进行了研究分析,论证了其汛限水位动态控制的可行性。在此基础上,提出了在不降 低枢纽原防洪标准的前提下,结合水情自动测预报系统功能,采用短时双泄洪洞联合泄洪的手段,将水库汛限水位提高至高 程858 m运行,预见期初步确定动态控制域上限为高程859.9 m。 关键词:汛限水位;动态控制;水情自动测预报系统;紫坪铺水利枢纽 中图分类号:TV697;TV12 文献标识码:B 文章编号:1001-2184(2011)01-0096476 l概述 见大旱,出现了现有水文资料记载以来的最枯流 量。但由于汛期严格控制汛限水位运行,在7月 随着社会经济的发展,洪涝灾害和水资源短 缺的问题同时并存,这对水库的防洪安全与供水 弃水达9 398.24 m 的情况下,进入8月后面对都 江堰灌区的大旱,出现了无水可用的局面,以至于 保障提出了更高要求,也使水库防洪与兴利之间 的矛盾加剧。在确保水库防洪安全的前提下,科 学地运用汛限水位,合理地利用水库防洪与兴利 为了缓解旱情而以打破水库安全运行方式的代价 向下游增供水量2.56亿m。,水位消落至821.17 m高程,已接近死水位运行。但最终却形成了既 未完全发挥水库的抗旱救灾作用,又严重影响了 电站的正常运行的局面。 基于以上原因,笔者开展了对紫坪铺水库汛 限水位动态控制可行性的研究。通过分析目前降 雨预报、洪水预报等预报精度,结合水库蓄水和泄 流能力,探讨研究了既能满足防洪要求,又可以充 “重叠”库容,是发挥水库综合利用效益,缓解我 国水资源紧缺与防洪减灾矛盾的有效手段之 一[1] O 汛限水位设置的目的是为了协调水库管理运 行过程中防洪与兴利之间的矛盾。传统的水库汛 限水位控制方法按规划设计要求不考虑预报,由 水位确定泄流量以控制库水位不超过汛限水位, 或超过后尽快回落到汛限水位。该设计理念将人 们的注意点集中于小概率事件上,时刻防御校核 洪水的发生。运行实践表明,用这种方式对水库 分利用洪水资源的优化调度方法,从而最终解决 了防洪与兴利之间的矛盾。 2水库概况及目前采用的汛期控制运用方式 2.1 紫坪铺水利枢纽工程 汛限水位进行硬性控制,并未有效的解决好防洪 与兴利之间的矛盾,且常常使水库丧失有利的蓄 紫坪铺水利枢纽工程位于岷江上游映秀至都 江堰河段,是一座以灌溉和供水为主,兼有防洪、 发电、环境保护和旅游等综合效益的一等大(I) 水时机,导致调洪过程受汛限水位约束而发生弃 水,洪水过后又无水可蓄,进而造成洪水资源的浪 费。此问题在综合性水利枢纽运行中表现的尤为 突出。 型水利工程,亦是都江堰灌区和成都市的水源调 节工程,同时也是成都地区的主要电源,担负着四 川电网的调峰重任,被列为我国实施西部大开发 的标志性工程之一,是四川省“十五”期间基础设 紫坪铺水利枢纽工程于2005年9月30日下 闸蓄水发电,投入运行几年来,工程的社会效益和 经济效益显著,但在水库汛限水位的控制上仍存 在较大问题。以2006年为例,7月平均入库流量 为701 m /s,接近常年水平;8月流域内遭遇了罕 收稿13期:2010—10-11 施建设的重点项目。 紫坪铺工程坝址以上控制流域面积2.26万 km ,多年平均径流量148亿131。,占岷江上游总量 的97%,控制上游暴雨区的90%,上游泥沙来量 囫Sichuan Water Power 由丽华等:紫坪铺水库汛限水位动态控制初探 2011年第1期 的98%;水库正常蓄水位高程877 Ill,死水位高程 如果发生的只是一场小洪水,对下游易造成较大 817 m,总库容11.12亿m ,正常水位库容9.98 亿m ,具有不完全年调节功能,可为都江堰灌区 l 400万亩(1 hm =15亩)农田灌溉提供水源保 证,同时向成都市提供城市生活及工业用水50 ITI /s,环保用水20 1TI。/s,年增环保用水3.15亿 的冲击;如果上游仍在发生强降水,则存在前期泄 流少、后期泄流大、水库水位易快速抬高的调洪结 果。另外,由于850 m高程汛限水位的严格, 汛期正常来水或小洪水(经常为2 a一遇)情况下 频繁开启冲沙洞或泄洪洞,严重影响泄洪设施的 ITI3。 2.2防洪标准 紫坪铺水利枢纽度汛标准采用P=0.1%洪 水设计,可能最大洪水(PMF)p=12 700 m /s校 核。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝,坝高156 m,坝顶高程884 131_。主汛期(6、7、8月)汛限水位 采用850 rn高程,设计洪水位871.20 m高程,校 核洪水位883.1 ITI高程。当水库水位不超过 861 6 n'l高程或入库流量不超过百年一遇洪水 时,水库以下游青城大桥断面1O年一遇过流量减 去区间洪水和区间分流量为控制下泄流量标准, 从而使下游防洪标准由10年一遇提升至百年一 遇;当水库水位超过861.6 In.高程或入库流量大 于等于百年一遇洪水流量时,紫坪铺水库以现有 泄流能力敞泄,防洪任务以保枢纽安全为主。 2.3 汛期调度运行方式 按设计要求,紫坪铺水库汛期采用固定汛限 水位法调度。不考虑具体年份来水情况以及流域 内实时水雨情信息,仅以水库水位(以及以水位 为基础推算出的入库流量)判断洪水标准和改变 水库下泄的指标。即汛期维持850 1TI高程运行, 当入库流量不超过1 100 Ill /s时,水库以发电泄 流为主,当入库流量超过1 100 11'1。/s时,开启冲沙 放空洞或一条泄洪洞,水库以不超过2 393 m /s 流量下泄,该流量为下游青城大桥断面10年一遇 洪水减去白沙河百年一遇洪水加上内江和沙黑河 引用流量,当水库水位超过防洪高水位时,不再限 制下泄流量,水库以冲沙放空洞、一条泄洪洞(本 工程共有两条泄洪洞,泄洪时互为备用)、溢洪道 (水库水位超过870 m高程时可以启用)以及两 台机组自由敞泄,直至水库水位回到汛限水位。 2.4现有汛期运行方式存在的问题 上述的汛期控制运行方式是以汛期随时准备 防PMF洪水做准备,唯一的控制标准为水库水 位,既使已获悉上游地区没有新的降雨或仍在发 生强降雨,都仍以水库实时水位做为防控标准。 使用寿命。 3 汛限水位动态控制的主要内容及关键问题 3.1 汛限水位动态控制的方法与运用 预蓄预泄法。该方法基于水库的泄流能力及 洪水预报和降雨信息,在有效的预见期内利用洪 水资源。岷江上游大洪水主要由暴雨形成,紫坪 铺水库的控制流域内地形跨越川西高原气候区和 川东盆地亚热带气候区,具有明显的大分区气候 特征。以威洲为界,其以上地区为高原来水区,预 见期长达10 h以上,峰型多为双峰或矮胖型;威 洲以下地区,随着向坝址处靠近,降雨量快速骤 升,尤其是近坝区为著名的鹿头山暴雨区,多年平 均降雨量达1 200 miD_以上,预见期较短,峰型呈 尖瘦的单峰或双峰,涨落迅速。 3.2水库预见期问题 结合一定的气象降雨预报信息,依靠水情自 动测报系统所采集的实时信息,对该流域开展预 报信息的实用性研究是汛限水位动态控制研究工 作的技术前提,目的是降低预报误差风险,进而为 汛限水位的动态控制提供信息支持,以制订出符 合预报信息预见期及其精度的调度方案。 紫坪铺水库建有覆盖全流域的水雨情自动测 预报系统,由2个中心站、9个水位雨量站、l8个 雨量站、2个水位站组成。通信组网全部采用神 州天鸿(北斗星)、手机短信(GSM)两种通信方 式。该自动测报系统自动化程度高,运行可靠、稳 定,完全实现了对水、雨情的自动采集、传输和处 理,建成后已使用近5 a时间。 紫坪铺预报模型3 h、6 h预报方案的合格率 为甲等,可运用于实际运行调度中。通过对历史 资料和近三年的预报资料进行分析得知,如果降 雨分布比较均匀,预见期一般可达7~9 h;如果降 雨发生在流域上游,则预见期可达10 h以上;如 果降雨发生在流域下游,预见期亦有3~5 h。考 虑汇流时间,保守估计预见期为5~8 h_3j。图1、 2、3为2007年、2008年及2009年预测值与实测 Sichuan WaterPower囫 第30卷总第142期 四川水力发电 201 1年2月 值比较情况,由图可见,其预见精度较高。根据分 日均流量/ ・S l400 l300 l200 ll00 l000 析,紫坪铺水利枢纽洪水预见期上限为10 h,下限 900 800 700 600 500 400 300 200 l00 O 1-1 l・31 3-2 4-1 5-1 5-31 6-30 7-30 8-29 9-28 10—28 I 1-27 12.27 图1 2007年预测值与实测值比较图 日均流量/in ・s l10O 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 l00 O 1-I 1-31 3-1 3-31 4-3O 5—3O 6—29 7.29 8—28 9.27 lO.27 1 1-26 12.26 图2 2008年预测值与实测值比较图 日均流量/m ・S l200 l100 1000 900 800 700 600 500 ^ 400 300 200 1OO O 1-1 1-31 3-2 4—1 5-1 5-31 6-30 7-30 8-29 9-28 10—28 11-27 12-27 图3 2009年预测值与实测值比较图 Sichuan wmer PoWeE 圜 由丽华等:紫坪铺水库汛限水位动态控制初探 201 1年第1期 为5 h。 3.3必备的工程措施 稍纵即逝的机会,将危害减至最小。对于汛限水 位的动态控制,信 皂、的畅通以及正确的决策就显 得尤为重要。 实现汛限水位动态控制的前提是必须确保水 库安全。因此,若要实现汛限水位的动态控制,工 程本身必须具备以下条件: (1)水库工程质量良好,无病险问题或已完 紫坪铺水利枢纽针对上下游复杂的运行环 境,成立了专门的水库调度中心负责水库调度、水 情采集预报以及防汛指挥工作,全年实行24 h值 成除险加固; (2)水库泄流设施具有足够的泄流能力; (3)水库下游河道具有一定的安全行洪能 力。 只有以卜主要条件具备,水库才能实行汛限 水位的动态控制,否则将会导致洪水来临时水库 自身和下游防护区的安全受到威胁,人为造成防 洪工作被动的局面。 紫坪铺水利枢纽工程情况为: (1)紫坪铺水利枢纽设计、建造质量好 投入 运行几年来,工程挡水、泄洪等没施运行状态良 好。作为世界上第一座经受过8级地震考验的百 米以_J-的面板堆石坝,经过震后应急除险和修复 加同,水利部水规总院分别于2009年3月和2009 年7月分别进行了安全评估和安全鉴定,认为大 坝基本处于稳定状态,修复后的面板防渗结构基 本恢复到震前水平,后续的修复加固工作仍在继 续进行,计划于2010年年底前完成。笔者研究的 方案宜在修复加吲工作全面完成后运用。 (2)水库的防洪标准按千年一遇洪水设计, 相应没计泄洪能力亦较强。主要泄洪设施包括: 电站水轮发电机组设计引用流量为4 X214 Ill /s; 冲沙放空洞设计泄流量为329 m /s;1#、2#泄洪排 沙洞设计泄流量均为1 530 m /s,校核泄流量为 1 660 m /s;溢洪道设计泄流量为825 m /s,校核 泄流量为2 445 Ill /s。 (3)水库F游安全行洪能力强。1998年以 来,成都市根据《成都市金马河(都江堰一新津段)防 洪整治规划报告》对沿河堤防进行了整治,大部分 堤防已经达到规划的二十年一遇设计防洪标准。 3.4必备的非工程措施 在水库的度汛工作中,非工程措施与工程措 施具有同等重要的地位。在遭遇洪水时,若因应 急预案制定不合理、对洪水形势判断失误以及决 策一} 的失误,极易造成人为的灾难。反之,英明的 领导、准确的判断、及时有效的措施往往会把握住 班,充分保证信息的有效传达。公司防汛组织机 构设置为三级,省防汛抗旱指挥部为一级指 挥调度机构,公司设防汛领导小组,公司防汛领导 小组下设防汛办公室,按照应急预案的等级分层 响应。在遭遇“5・12”大地震时,紫坪铺开发公 司应急反应指挥系统处乱不惊、稳定指挥、科学调 度、处置得当,在对外交通、通讯及供电全部中断 的情况下,震后短时闸内完成了窄启机组对下游 供水、黑启动发电机组为枢纽区供电、开启冲沙洞 及泄洪洞闸门以缓解上游来水对大坝的威胁等措 施,并于震后第五天即恢复r电站机组并网发电。 实践证明:紫坪铺开发公司的应急预案科学合理, 组织机构健全,公司员工的应急反应素质高。 4 汛限水位动态运行可行性分析 4.1 基于凑泄原理对水库安全下泄流量进行分 析 紫坪铺水利枢纽的防洪控制断面为下游金马 河河段首部——青城大桥,此断面10年一遇洪峰 流量为3 710 111 /s。水库与下游控制断面之间仅 有白沙河汇入,该河流属典型山区河流,集雨面积 有限,洪水过程暴涨暴落,洪峰历时短。 当流域遭遇百年一遇洪水时,水库安全下泄 流量=青城大桥断面安全泄量(3 710 m /s)+1O 年一遇洪水时内江分水流量(670 m /s)+10年 一遇洪水时沙黑河分水流量(100 m /s)一区问洪 水。其中区间洪水主要为自沙河洪水。 由以上关系可以看出,水库的安全泄量直接 取决于白沙河的洪水过程。原初设是按照白沙河 以百年一遇洪水与紫坪铺百年一遇洪水遭遇并且 在三日泄洪过程中始终以百年一遇流量持续下 泄,得出水库安全泄量为2 393 m /s,并以此作为 水库的单一安全泄量控制。此控制方式明显缺乏 合理性,浪费了水库的防洪资源。目前,紫坪铺水 利枢纽水情系统已覆盖白沙河流域,该流域气候 及产汇流特性均得到有效监控。紫坪铺距白沙河 口约1.5 km,杨柳坪站位于白沙河口上游,距白 Siehuan Water Power囡 第30卷总第142期 四川水力发电 2011年2月 沙河口约1.1 km。经对多场典型洪水进行分析 得知,紫坪铺至白沙河口与杨柳坪至白沙河口的 洪水传播时间相近,多在l0~12 min之间。故在 现有技术条件下,完全可实现凑泄调度。表l为 紫坪铺、杨柳坪(白沙河)设计成果。 表1 紫坪铺、杨柳坪设计洪水成果表 算,按下游10年一遇防洪标准下泄,三日过流量 为11.22亿m 。由此可见,安全控制泄量仍有很 大的调整余地。 4.2水库允许安全泄量的确定 按洪峰控制,取紫坪铺P=1%洪水过程线, 同比确定白沙河洪水过程线。假设在最不利情况 下,水库出库流量过程与白沙河P=1%洪水过程 叠加,并以青城大桥断面10年一遇流量,按凑泄 控制确定水库允许安全下泄流量过程线。图4为 紫坪铺与白沙河P=1%洪水过程线及水库安全 由表1中可知,既使遇到最不利情况,两站洪 下泄过程线。 水相遇,三日洪量叠加之和为8.59亿m 。经计 7000 6000 — 5000 、棚 4000 3000 2393 2000 l000 O 0 12 24 36 48 60 72时段/h 图4紫坪铺与白沙河尸=1%洪水过程线及水库安全下泄过程线图 由图4可以清楚地看到:除与洪峰遭遇时水 库下泄流量受限外,其余时段水库下泄流量均超 过原有设计标准2 393 ITI /s。按此过程线泄洪, 可以大大提高水库的泄洪能力,减小防洪库容。 4.3水库汛限水位的复核 表2主要特征水位成果表 以PMF洪水按校核洪水位高程883.1 nl反 推汛限水位。当库水位低于防洪高水位时,水库 允许下泄流量按与下游区间洪水组合的凑泄方式 确定。当库水位高于防洪高水位时,水库以保大 期水库仍按不超下游安全泄量方式泄洪;待库水 位超过防洪高水位高程866 m后,水库采用冲沙 放空洞、单条泄洪洞敞泄、两台机组参与泄洪的方 式;待水位超过870 m高程后,开启溢洪道;待水 位超过877 m高程后,开启备用泄洪洞,所有泄洪 设施敞泄。在PMF洪水发生时,调洪最高水位未 达到校核洪水位883.1 m高程,水库削峰作用明 显,最大下泄流量为6 454 m /s,整个泄洪过程安 全平稳,从而最大限度地保证了大坝和下游安全。 由此可见,汛期按858 in高程起调是可行的。 坝安全为首要目标,库水位达到877 m高程时,实 施1#、2#泄洪洞联合泄洪,所有泄洪设施敞泄。 综合各项条件,调洪演算结果见图5。 复核后水库汛限水位高程为858 1351,防洪高 水位高程为866.59 m。主要特征水位值见表2。 由表2可见,水库水位特征值经复核后均有 较大提高。由图4可见,当PMF洪水入库时,初 圃Sichuan Water Power 由丽华等:紫坪铺水库汛限水位动态控制初探 2011年第l期 流量/m ・S …-入库流量 …出库流量 一库水位 柏 ∞ 舳 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 0 0 12 24 36 48 60 72 时段/h 图5 PMF洪水调洪演算过程线图 4.4基于预见期内预泄控制水库水位的分析 水起涨前将水位消落至高程858 m,同时可根据 基于紫坪铺水利枢纽的现有条件,利用洪水预 水情预报信息及下游区问洪水监控情况,适当调 报和降水预报的有效预见期,按照洪水起涨前库水 整库水位,充分保证水库的运行安全。 位必须降至汛限水位的要求,根据下游河道安全泄 5 结语 流的能力,确定动态汛限水位控制上限值,并将汛 综上所述,通过对紫坪铺水库现有泄洪方式进 限水位作为动态控制下限值。有效预见期必须考 行调整,在不改变其防洪标准的前提下,将汛限水 虑信息的传递、决策、闸门操作所需的时间,即: 位提高至858~859.9 m高程之间实施动态控制运 +Tr< 行是安全的。同时,水库的灌溉、供水等社会效能 式中 为预泄至汛限水位所需时间;Tr为泄水 将得到进一步加强。此举对缓解都江堰灌区春灌 前的有关决策、预警和准备时间; 为洪水预报 用水紧张,缓解成都电网枯水期供电不足,合理利 作业完成到实际入库洪水起涨时问。踮 5 罟0g  5 盯 0 5  % 0 5 用洪水资源等方面具有重要意义和实用价值。 确定水位上浮值的计算方法的基本原理可表 参考文献: 述为: [1] 王本德,周惠成.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应 az≤ (Q出一Q人)× ] 用[M].北京:中国水利水电出版社,2006. [2] 王高英.汉中石门水库汛期水位实行动态控制的可行 Z.=Zo+△Z 性分析[J].西北水力发电,2007,23(4):120~122. 式中△z为上浮水位值增量;Q出为有效预见期 [3] 李玮,郭生练,刘攀.水库汛限水位确定方法评述与展 内的平均泄流量;Q 为预泄时段内的平均入库 望[J].水力发电,2005,31(1):66~70. 流量;Z 为汛限水位动态控制上限水位;Z。为下 [4] 刘攀,郭生练,王才君,等.三峡水库动态汛限水位与蓄水 时机选定的优化设计[J].水利学报,2004,36(7):86~91. 限水位。 [5] 高波,吴永祥,沈福新,胡四一.水库汛限水位动态控制 按以上公式,安全泄量Q B按2 393 m /s控 的实现途径[J].水科学进展,2005,16(3):406~411. 制,预泄阶段入库流量O 按汛期多年平均800 作者简介: m /s控制,计算得出紫坪铺水库汛限水位动态控 由丽华(1964一),女,山东蓬莱人,副总经理,教授级高工,学士,从 事水电站设计、建设及运行管理工作; 制的上限z 为859.9 ITI,以此水位作为汛期 易瑞吉(1981一),男,黑龙江鹤岗人,工程师,硕士,从事水库调度、 水位的浮动上限。在不考虑天气预报的前提下, 水情系统维护及行洪安全管理工作. (责任编辑:李燕辉) 依靠水情系统实时信息,在5 h预见期内,可在洪 -+”— ”— “+“+”+”+”+”+“+“+“+”+一+”+”+”+“+・・+-・+・・+”+”+“+“+”+ +・・+・・+・・+“十・・+”+・・+・・+・・+・-+ 柬埔寨王国斯登沃代一、二级水电站截流成功 2010年11月16日,柬埔寨王国斯登沃代一、二级水电站工程一期截流阶段验收会议在二级坝业主临时营地召开。 会议由柬埔寨斯拿沃代一、二级水电站工程一期截流阶段验收委员会委员、中国大唐集团海外投资有限公司工程部高级 主管宋新峰主持。四川二滩国际工程咨询有限责任公司作为工程监理方派出代表、与工程其他相关单位共同组成验收 委员会参加了截流验收。 Siehuan Water Power皿 

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