长洲水利枢纽汛末蓄水策略探讨

长洲水利枢纽汛未蓄水策略探讨侯贵兵;徐爽;廖小龙;张丽娜【摘要】针对汛末水库防洪与兴利之间的矛盾以2016年长洲水利枢纽汛末蓄水调度为例,在分析西江流域汛末洪水分布特点及汛末蓄水主要制约因素的基础上，采取预报预泄等调度技术，提出了汛末蓄水方案，并进行了防洪风险及效益分析.结果表明在防洪风险可控的前提下，对汛末洪水实施风险管理，合理利用部分洪水资源，发挥水库工程综合效益具有显著的作用.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷)，期】2017(038)009【总页数】5页(P15-19)【关键词】汛末蓄水;预报预泄;洪水资源化【作者】侯贵兵;徐爽;廖小龙;张丽娜【作者单位】中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510610;水利部珠江水利委员会防汛办，广东广州510611;中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州I510610;水利部珠江水利委员会水文局，广东广州510611【正文语种】中文［中图分类】TV737汛末蓄水是水库运用过程中的关键阶段，开始蓄水时间及蓄水方式的选择直接关系到水库效益的充分发挥。在工程设计阶段，为确保防洪安全，水库往往在整个汛期采用固定的汛期限制水位度汛，但这种运行方式常造成汛末不敢蓄水，汛后无水可蓄的现象，在一定程度上影响了水库综合利用效益的发挥。随着水情预测预报技术的发展，江河洪水预报的精度和预见期不断的提高，洪水调度技术也更加精细，为开展汛末蓄水调度提供了条件。在确保防洪安全的前提下，采用预报预泄等调度技术开展汛末蓄水调度，适时适度拦蓄部分洪水资源兼顾枯水期水资源需求，是解决防洪与兴利矛盾的有效途径。近几年长洲水利枢纽开展了多次汛末蓄水调度实践，取得了显著的效益。本文以2016年长洲水利枢纽汛末蓄水为例，在分析西江流域汛末洪水分布特性的基础上，结合水情预测预报研究长洲水利枢纽汛末蓄水方案，并进行防洪风险及效益分析。长洲水利枢纽位于浔江下游河段，是一座以发电为主，兼顾航运、灌溉等综合效益的大型水利枢纽工程，工程投入运行后，在发电、航运、灌溉等方面发挥了良好的综合效益。坝址控制集水面积308600km2，占西江控制站梧州站以上集水面积93.6%，多年平均流量6120m3/s。水库正常蓄水位20.6m，相应的水库库容为18.6亿m3，汛期运行水位18.6m，相应的水库库容为15.2亿m3，死水位18.6m，死库容为15.2亿m3。电站非汛期为日调节水库，汛期为径流式电站，无调节功能。近年来，枯季受上游来水偏枯、河道地形变化加剧等因素影响，珠江河口咸潮上溯明显增强，严重威胁珠江三角洲地区供水安全，长洲水利枢纽作为枯水期珠江水量调度西江主要调控节点，发挥了重要的压咸补淡作用。如果11月份进入枯水期开始蓄水势必会减少长洲下泄流量，可能对下游径流产生不利影响。长洲水利枢纽汛末提前蓄水将缓解枯季来水不足、调水压咸动态径流补偿。水库下游梧州是西江航运干线的重要控制节点，汛末提前蓄水对改善枯季库区航运条件方面具有重要作用。同时长洲水利枢纽汛期实施汛末蓄水后可有效减少弃水，抬高发电水头，增加电站发电效益。因此，开展长洲水利枢纽汛末蓄水工作是十分必要的。2.1库区淹没对汛末蓄水的制约长洲水利枢纽地处郁浔平原，为广西主要产粮区之一，在实际调度过程中水库回水不宜超过水库原设计淹没范围。根据《广西长洲水利枢纽可行性研究报告》，长洲水利枢纽工程水库干流淹没回水线按以下标准确定：土地淹没线采用汛期运行水位m，敞泄流量21000m3/s及以下各级流量推算的沿程回水尖灭点连线和正常蓄水位20.6m为起始水位按非汛期（11月至次年4月）5年一遇洪峰流量为11800m3/s推算回水线组合的外包线；人口迁移线采用汛期运行水位18.6m，敞泄流量21000m3/s及以下各级流量推算的沿程回水尖灭点连线和正常蓄水位m为起始水位按非汛期（11月至次年4月）20年一遇洪峰流量为18100m3/s推算回水线组合的外包线。水库蓄水和消落期间水位剧变对库岸稳定可能不利影响，应控制水库水位日变幅，保持平稳过渡。2.2下游防洪对汛末蓄水的制约长洲水库下游梧州市河东堤现状防洪能力为10年一遇（安全泄量为44900m3/s）、河西堤现状防洪能力为30年一遇（安全泄量为48500m3/s），西江两岸其他一般城镇、乡村堤防现状防洪能力为10~20年一遇。水库预泄过程中，应控制下游流量不增加下游防洪压力。2.3航运对汛末蓄水的制约航运水位变幅要求下游水位最大时变幅不大于1m,调度过程中应保持水位平稳过渡。交通部珠江航务管理局以及广西航运部门要求近期将梧州断面航运基流提高到1600m3/s，调度过程中应不小于该流量以保障航道畅通。2.4发电对汛末蓄水的制约汛期电站最大发电流量7450m3/s，当入库流量大于16300m3/s时机组停止发电。3.1汛末洪水特性分析西江流域较大洪水的出现时间，一般自每年的4月开始，至10月结束。每年5-9月为暴雨洪水的集中季节，其中以6—8月最盛，特大暴雨洪水多发生在6、7月。进入9月份以后，流域暴雨洪水逐渐减小。采用1952—2015年实测洪水资料对西江流域控制站梧州站汛末（9—10月）洪水进行分析，最大流量分布机率见表1。从西江流域9—10月份洪水特性分析成果看，在统计的57a梧州站9—10月份最大洪峰中，有24场发生在9月份上旬，占42.1%（表1），最大洪峰流量42500m3/s（1988年），其中大于11800m3/s（非汛期5年一遇）的有13场；有10场发生在9月份中旬，占15.8%，最大洪峰流量14900m3/s（1964年），其中大于11800m3/s的有5场；有10场发生在9月份下旬，占17.5%，最大洪峰流量25100m3/s（1958年），其中大于11800m3/s的有7场；有13场发生在10月份，占22.8%，最大洪峰流量为21100m3/s（2015年），其中大于11800m3/s的有9场。采用长洲坝址1959—1998年、2008—2015年日均流量过程分析流量大于11800m3/s（非汛期5年一遇）的天数（表2），9月上、中、下旬日平均流量大于11800m3/s的几率分别为42.1%、29.2%和16.7%，10月份的几率为18.7%。以上数据表明，进入9月中旬以后，长洲入库流量大于11800m3/s的几率明显降低，出现天数明显减少。3.2预泄能力分析a）有效预见期。随着气象预报、实时水文预报技术和水文信息的收集、传输、贮存、处理技术的日趋成熟和广泛应用，水文预报的水平也越来越高。本次汛末蓄水方案在水情预报的基础上，通过预报预泄调度确保下游及水库防洪安全，预报期和预报精度是直接影响水库能否实现较大洪水来临前预泄到汛期限制水位的主要因素。进入后汛期后，西江流域降雨主要为台风雨和具有稳定天气系统的华西秋雨，流域洪水的可预测性明显较主汛期增强。采用中短期水文预报技术，可提前3~5d较准确地预报大洪水和特大洪水，为优化长洲实时调度提供了技术依据。本次计算有效预见期采用3d。由于西江流域集水面积大、天气系统复杂，且洪水受众多工程调控影响，长洲入库洪水水情预报存在预报误差的风险，考虑到长洲入库洪水主要来自红水河、柳江、郁江等上游地区，洪水演进时间有1~2d，结合近几年预报调度实践，认为长洲启动预泄的时间一般情况是有2d，因此在考虑洪水预报误差时按照2d预报期进行计算分析。预泄能力分析。长洲为径流式电站，不承担流域防洪任务，电站在汛限水位18.6m时的泄流能力达21000m3/s，在入库流量大于16300m3/s就逐步敞泄，至入库流量大于21000m3/s时，电站43个闸门完全敞泄。因此，长洲的预泄时机主要需根据库区防洪安全确定。采用一维非恒定流动库模型进行库区腾空时间分析，在控制库水位日变幅不大于1m/d时，考虑2d之内坝前水位从19.6、20.1与20.6m回落至18.6m相应的库区水位回落时间为2.6、3.2和3.7d。根据9、10月份入库洪水涨率分析，长洲入库洪水涨率最大的是1988年洪水，最大1d洪水涨率为5680m3/(s・d),最大2d洪水涨率为10100m3/(s・2d),最大3d涨率为14900m3/(s・3d),但在流量小于21000m3/s之前，洪水涨率情况为：最大1d洪水涨率为5680m3/(s・d),最大2d洪水涨率为7970m3/(s-2d),最大3d涨率为9400m3/(s-3d)。因此，为保障库区安全，力争在入库流量达到21000m3/s之前预泄至汛限水位，综合考虑上游洪水涨率与水库腾空时间，长洲坝前水位应该在预报入库流量在11800m3/s时就必须下降到18.6m。因此，根据长洲库区腾空时间、洪水涨率以及以往汛末蓄水实践，且考虑长洲入库洪水涨率太大对洪水预报精度的影响，建议长洲预泄时机为：预报长洲3d后入库流量大于11800m3/s，且水情继续上涨时，水库预泄至18.6m运行。3.3汛末提前蓄水时机选择2016年9月8日8:00,天生桥一级、龙滩、百色3座水库总蓄水量198.29亿m3，有效蓄水99.88亿m3，有效蓄水率为51%，上游骨干水库蓄水不足，9月份骨干水库将以蓄水为主，一定程度上削减长洲水利枢纽入库洪水（图1）。依据水情部门预测，9月平均入库流量为6500m3/s，预计长洲入库将有一次小的洪水过程，9月13日出现洪峰流量约10000m3/s，之后退水，9月15日将要退水至满发流量7450m3/s以下。因此，考虑到进入9月中旬以后，洪水出现的几率和量级均明显减小，大于流量11800m3/s的几率明显降低、天数明显减少，结合当前上游水库蓄水情况及水情预报成果，起蓄时间考虑拦蓄这次小洪水过程的尾巴，9月中旬在退水过程择机蓄水。3.4汛末提前蓄水方案拟定在总结以往调度经验的基础上，结合汛末洪水分布特点以及水情预测成果，在风险可控的情况下，拟定长洲水利枢纽汛末蓄水按分时段控制。考虑拦蓄这次小洪水过程的尾巴，9月中旬在退水过程择机蓄水，9月30日前长洲水利枢纽坝前水位允许在18.6~19.6m之间运行，10月份长洲水利枢纽坝前水位允许在18.6-20.6m之间运行。预报可能受台风影响，水库预泄至19.6m运行；预报3d后入库流量大于11800m3/s、且继续上涨时，水库预泄至18.6m运行，退水阶段视后期来水预报适时回蓄。3.5汛末提前蓄水方案调度效果分析结合历史洪水规律、前期天气背景及2016年西江流域水文预测成果，选择2011年作为典型年分析汛末提前蓄水方案调度效果，其中长洲入库9月1-13日流量过程采用2016年实测过程，9月14—20日采用中短期水情预测成果，9月21日至10月31日采用2011年实测过程。本场次洪水共有两个小的洪水过程，在调度实施过程中结合水情预测情况进行滚动优化调度，考虑长洲入库具有3d的有效预报期，根据预报9月18日长洲入库开始小于机组满发流量7450m3/s,15日开始减少出库拦蓄洪水尾巴，平均减少出库800m3/s，水库蓄水至19.6m运行；10月1日后按照调度方案长洲水库可蓄水至20.6m，但根据水情预报10月3日起长洲入库将大于满发流量7450m3/s，10月1日起长洲按照开始加泄，平均加泄流量800m3/s，于10月3日预泄至汛限水位18.6m运行；根据水情预报10月15日起长洲入库将小于满发流量7450m3/s，12日开始减少出库拦蓄洪水，平均减少出库1320m3/s，水库蓄水至20.6m运行。具体调度过程见图2。由调度过程可知，长洲水库按照汛末蓄水调度方案执行，在洪水到来之前能够及时预泄至汛限水位18.6m运行，在洪水过程结束前可及时拦蓄洪水资源，充分发挥水资源利用效益（图2）。4.1汛末蓄水防洪风险分析由于汛末（9—10月）尚处于汛期，后期影响降雨的大气环流的发展仍存在较大不确定性。因此，西江上游和中下游后期来水预测仍存在较多不确定性，西江干流发生较大洪水的可能性仍然存在。根据实测水文资料分析，汛末（9—10月）梧州站流量大于11800m3/s的洪水有36场，洪峰大于多年平均洪峰流量的洪水仅有1场，为1988年，梧州洪峰流量42500m3/s，略大于10年一遇洪水。1988年典型洪水属于汛末洪峰流量与涨率均较大的不利年型洪水，防洪风险以1988年典型洪水为例进行分析。4.1.1对下游防洪影响分析。按照3d有效预报期计算，预报3d后来水大于11800m3/s开始预泄，长洲在梧州流量量级较小的情况下就已经预泄至汛期运行水位18.6m，预泄过程梧州最大流量为15000m3/s，远小于梧州洪峰流量42500m3/s，不会形成下游人造洪峰，基本没有加重下游防洪压力。考虑洪水预报误差，按照2d有效预报期计算，与长洲预泄3d调洪过程相比，预泄过程梧州最大流量为16000m3/s，除了长洲预泄流量增大、加泄期间梧州流量稍微有增大外，调洪后梧州洪峰流量均小于实测洪水，不会形成下游人造洪峰，基本没有加重下游防洪压力。4.1.2对库区防洪安全的影响分析。按照拟定长洲汛末蓄水方案最高运行蓄水位为20.6m,从偏安全考虑，本次统一按照蓄水位20.6m分析其对库区防洪影响。此外，为安全起见，增加水情预报失误条件下长洲预泄时间只有2d的情况，拟定以下3个计算工况：①原设计工况，长洲坝前初始水位18.6m，按设计调度规则运行；②3d腾空工况，长洲坝前初始水位20.6m，预报3d后入库流量大于11800m3/s、且继续上涨时，水库经3d时间预泄至18.6m；③2d腾空工况，长洲坝前初始水位20.6m，由于预报失误，在长洲2d后入库流量将大于11800m3/s时，水库经2d时间预泄至18.6m。本次针对拟定的3种工况，采用一维非恒定流量动库模型分析1988年典型洪水库区洪水位变化情况。与原设计方案相比，本次汛末蓄水方案可能出现的3d腾空工况与2d腾空工况库区洪水的壅高情况分析如下。a） 在准确预报长洲入库流量时，在长洲入库流量大于11800m3/s之前，长洲坝前水位经3d预泄至汛限水位18.6m,第3天库区水位比原设计方案最大壅高，长洲一藤县段为0.07~0.12m，藤县一桂平段为0.03~0.08m，桂平以上段小于0.03m,第3.5天库区水位回落到原设计方案相应的水位。b） 在水情预报失误时，提前预泄时间缩短，预泄时间只有2d，在长洲入库流量大于11800m3/s之前，长洲坝前水位经2d预泄至汛限水位18.6m,第2天库区水位比原设计工况最大壅高，长洲至藤县段为0.16-0.22m，藤县一桂平段为0.02~0.16m，桂平以上段小于0.02m,第2.5天库区最大水位壅高不大于0.02m,第3天库区水位回落到原设计方案相应的水位。c） 从库区水位回落分析成果，准确预报长洲入库流量时，基本上能在入库流量达11800m3/s时将库区水位回落到原设计方案水位，但在预报失误时，长洲一藤县段库水位壅高较大，为0.16-0.22m，藤县以上段壅高较小，但是均低于库区征地移民回水线。而藤县以下段土地征地回水线是受坝前水位20.6m和入库流量11800m3/s工况控制，其水位均在20.6m以上，因此该段水位略有壅高不会造成大的防洪风险。d）根据长洲现有防洪工程设防标准可知，长洲库区堤防与护岸的防洪标准为10~20a，而本次计算分析采用土地淹没线进行控制预泄，其洪水标准是5年一遇，且提前蓄水后库区最高水位没有变化，也远低于堤防设计水位，因此提前蓄水不会对库区防洪工程的防洪安全造成大的不利影响，因此库区防洪风险总体是可控的。4.1.3对大坝安全影响分析长洲水利枢纽工程等别为I等，大坝等永久性主要建筑物级别为2级。大坝设计洪水标准为100年一遇，设计洪水位28.21m；混凝土坝校核标准为1000年一遇，校核洪水位30.88m,土石坝校核标准为2000年一遇，校核洪水位为31.68m。根据水库汛期设计运行方式，当入库流量大于21000m3/s时，43孔泄洪闸门全开，水库水位基本恢复到天然状态。汛末提前蓄水后，若发生设计标准洪水和校核标准洪水，按长洲调度原则一旦流量大于21000m3/s,43孔闸门全开，河道恢复天然状态，将不会影响设计洪水位、校核洪水位，大坝安全得以保证。建议汛期加强大坝及相关建筑物的监测及安全检查巡视。4.1.4对其他因素的影响分析根据《广西长洲水利枢纽可行性研究报告》，最小通航流量为1600m3/s，为保证下游防洪和航运安全，要控制水库预泄流量，使下游水位时变幅不超过1m。拟定方案按预报3d来水大于11800m3/s时开始预泄，加泄流量为1200m3/s，下游水位时变幅小于1m，提前蓄水期下泄流量不小于最小通航流量，因此不会对航运安全产生不利影响。4.2汛末提前蓄水效益分析a） 汛末蓄水对枯季径流的补偿作用。按照珠江委水文局对长洲坝址的径流长期预测成果，2016年11月至2017年2月长洲入库流量在1800m3/s左右。如果11月份以后才开始蓄水势必会减少长洲下泄流量，长洲水利枢纽汛末提前于9月份中旬蓄水后，预测9月份平均入库流量为6500m3/s，因此水库蓄水过程仍能保障下泄流量大于1800m3/s。蓄水过程对下游的用水影响较小，长洲水利枢纽汛末提前蓄水后可以提高水库的蓄满率，为枯季调水压咸储备水源，改善枯水期对下游径流补偿作用；至9月8日，上游天生桥一级、龙滩、百色3座枯水期珠江水量调度骨干水库总有效蓄水量99.88亿m3，有效蓄水率51%，蓄水严重不足，长洲水利枢纽作为水量调度西江主要调控节点，提前蓄水利于长洲发挥〃压咸”作用，减轻珠江口咸潮入侵给工业生产和人名生活带来的不利影响，有利于满足澳门、珠江三角区居民的用水要求。西江航运干线横贯中国的广西、广东两省（区），连接两省（区）首府，沿线有南宁、梧州、肇庆、佛山、广州等重要工业城市，西江航运干线及其3条西南水运出海通道是珠江流域承东启西的运输大通道。其中，上游腹地深入到广西、云南、贵州等矿藏资源丰富地区，下游可通达珠江三角洲及港澳等东部经济发达地区，在促进西南地区资源开发与外运、密切流域经济联系等方面发挥着重要的支撑保障作用。梧州是西江干流航线的重要控制节点，长洲汛末提前蓄水后可以改善库区的航运条件，蓄水后为枯水期调节航运流量储备了水源。b） 汛末蓄水增加的发电效益。按照汛末提前蓄水调度方案调度，在预测来水条件下，电站发电量增加0.83亿kW-h;平均发电水头在9、10月份分别增加了0.94m和2.00m，长洲水利枢纽电站机组的平均发电水头在9、10月份分别为8.84、12.43m,处在机组高效出力区，提高了水电站的发电效率；电站减少弃水2.56亿m3,增加了发电用水量。长洲水利枢纽在对西江流域暴雨洪水特性充分认识的基础上，结合流域水文、气象长、中、短期（实时）预测预报，采取预报预泄等调度技术，在确保防洪安全的前提下，对汛末洪水实施风险管理，合理利用部分洪水资源，在发挥水库工程综合效益方面取得了良好的成效。结合近几年长洲水利枢纽开展汛末蓄水实践经验，为确保汛末蓄水期间防洪安全，提出以下几点建议。a） 西江流域由于集水面积大、流程长，大洪水和特大洪水的形成通常有稳定的天气系统和大气环流背景，一般需要