水庫面對可能最大洪水時的應急調度優化研究

馬 翔，由麗華，廖 寧，陳 旻，張陵蕾，李 嘉

（1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610065）

0 引言

受全球氣候變化影響，極端洪澇災害的爆發愈發頻繁，造成了巨大的人員傷亡及財產損失［1］。我國是受洪澇災害影響最嚴重的國家之一［2］，2021年，中國洪澇災害造成5 901 萬人次受災，占全國自然災害受災人口總數的55%［3］。研究發現，在氣候變化影響下，近年來洪水災害在量級上不斷刷新歷史極大值［4］，這為水庫防洪度汛帶來了極大的不確定性與挑戰。面對此類極端洪水，如何最大化利用水庫的防洪能力，開展及時合理的應急調度，已然成為變化環境下的新命題。

可能最大洪水（Probable Maximum Flood，PMF）是指由各種最不利因素組合形成的洪水［5］，同時也是研究區域內最嚴重的洪水［6］。近年來，國內外學者圍繞PMF 的精確推求展開了較多研究，如劉甜等［7］統籌了氣候變化、土地利用、前期影響雨量等因素，構建了一種適用于變化環境下PMF 估算的新模式，并將其應用于怒江上游區域。吉紅香等［8］針對無資料小流域河道提出了一種根據當地推理公式與洪峰流量經驗公式估算PMF 的方法。CLAVET-GAUMONT J 等［9］指出，為應對PMF 等極端洪水事件，一般需要修改大壩的布置與結構，或優化其調度方案，以實現洪水風險最小化。然而，目前相關研究報道較少，缺少統一的、明確可參考的規范標準。

水庫作為攔蓄洪水的主要工程措施，按一定重現期的洪水進行設計和調度。PMF 發生時，其洪峰流量可能與設計洪水之間存在數倍甚至量級的差異，運用常規調度規程對PMF 進行泄洪不僅會使水庫下游面臨極大的洪澇風險，甚至壩體和水工建筑物也將面臨安全威脅。因此，對于已建水庫而言，開展針對PMF 的應急調度方案研究，充分發揮泄洪建筑的作用，以非工程方式降低水庫水位的同時削減下泄流量峰值，保障大壩及下游防洪目標安全，對于減輕PMF 造成的原生、次生及衍生災害具有重要意義［10］。

以岷江上游不完全年調節水庫——紫坪鋪水庫為例開展研究，其防洪保護區涵蓋整個成都平原，具有極其重要的防洪地位和作用［11］。當運用紫坪鋪水庫常規調度規程面對PMF時，會產生過大的下泄流量，壩下流域的居民區和農田可能面臨洪澇災害威脅，水庫下泄的高濁度洪水也將對下游城市的生活用水產生巨大壓力［12］，同時壩體自身也可能面臨安全風險。如何利用有限的庫容實現防洪效用最大化，是水庫應對極端洪水時需要解決的關鍵問題。因此，研究通過探討不同調度方式及時機對入庫PMF 的消解規律，提出一種非工程措施的應急調度方案，使得水庫在面對PMF 時得以兼顧壩體與下游防洪安全，為其他水庫調整優化調度規程提供參考。

1 研究方法

1.1 研究思路

為了最大化兼顧PMF 情景下的工程安全與下游防洪安全，本研究基于“以空間換時間”的調度思路，通過調整泄水建筑物的啟閉時機與組合方式，對水庫庫容隨洪水歷程進行動態分配，在對比不同情境下的水庫壩前水位與下泄流量后，得到經過優化的應急調度方案。研究方法流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖Fig.1 Flow chart of the method

1.2 模型建立及驗證

為模擬紫坪鋪水庫在不同調度情景下庫水位與下泄流量的變化，采用HEC-RAS 軟件，基于紫坪鋪水庫實測地形建立了一維水動力模型。HEC-RAS 是由美國工程水文中心開發的河道水力計算程序，支持一維/二維水動力、泥沙和水質的模擬，國內外研究者常將其應用于河流水動力、洪水過程分析等領域。

HEC-RAS河道一維水動力學模型的控制方程為：

式中：Z為水位，m；Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；B為水面寬，m；Lq為單位河長的旁側入流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；x為沿河距離，m；Sf為水力比降；n為河道糙率系數；R為水力半徑，m；S為水面比降。

采用紫坪鋪水庫2020年的實際調度過程對已建立的一維水動力模型進行率定。輸入逐日的入、出庫流量作為邊界條件，計算得到庫區水位線，并與實際壩前水位進行對比。經率定，關鍵參數糙率的取值確定為0.035，此時模型模擬的壩前水位變化過程與實際過程基本一致，如圖2（a）所示，整體誤差在0.1～0.86 m 之間，平均絕對誤差0.41 m，均方根誤差0.47。模型驗證期為2021年，同樣以逐日的入、出庫流量作為邊界條件輸入模型，壩前水位計算結果與實際過程的對比結果如圖2（b）所示，整體誤差在-0.1～0.54 m 之間，平均絕對誤差0.31 m，均方根誤差0.46，模擬精度較高，說明經過參數率定，所建立的模型能夠較好地反映紫坪鋪水庫的縱向水動力特征。

圖2 紫坪鋪水庫一維水動力模型率定及驗證結果Fig.2 Model validation and verification results

1.3 優化效果評價方法

以壩前水位、下泄流量及洪水削峰率、洪峰過境時間及庫區沿程水面線等不同水庫運行狀態指標分析調度優化的具體效果。此外，為進一步分析優化效果產生的原因，從不同方案對水庫防洪能力利用程度的角度出發，提出了水庫防洪潛力的概念，具體定義為：

式中：Δi代表第i場洪水的防洪潛力；W總(t)代表水庫總庫容，m3/s；W用(t)代表當前時刻下水庫已使用的庫容，m3/s。防洪潛力表征了水庫在某一時刻應對洪水的能力，Δi為0 時代表水庫在該時刻已無剩余庫容；Δi＜0 時代表水庫在該時刻所需庫容大于總庫容，調度規程此時失效；Δi越大代表水庫中可用庫容占比越高，也即水庫在此時應對洪水的能力越強。

2 研究內容與結果

2.1 研究區域概況

以位于岷江上游的紫坪鋪水庫為研究對象，紫坪鋪水庫是以供水、灌溉為主，兼具發電、防洪、生態環境保護等綜合效益的大型水利樞紐工程，既是成都市及周圍郊縣自來水的主要水源，又擔負著成都、德陽、綿陽等8 市41 縣（區）的綜合供水和成都地區防洪任務。紫坪鋪水庫控制流域面積22 662 km2，占岷江上游總面積的98%，水庫總庫容11.12 億m3，其中防洪庫容1.664 億m3，水庫下游防洪保護區涵蓋2 市4 區1 縣29 個鄉鎮，耕地4.05 萬hm2。水庫地理位置如圖3所示，紫坪鋪水庫至青城大橋之間，有支流白沙河匯入，白沙河與紫坪鋪同屬著名的川西鹿頭山暴雨區，暴雨多發于6-10月［13］。有關岷江流域暴雨空間分布的研究顯示，流域洪澇災害主要由暴雨所致［13］，因此紫坪鋪水庫在汛期面臨著由于極端降雨所導致的特大洪水威脅。

圖3 研究區域示意圖Fig.3 Sketch of study area

2.2 保障目標與問題識別

紫坪鋪水庫的PMF 采用區間可能最大洪水與上游相應典型洪水組合形成，洪水過程如圖4所示。一場PMF 在3日內的總入庫徑流量達到13.2 億m3，洪水規模大于水庫總庫容11.12億m3，約為水庫防洪庫容的8 倍。面對PMF 這類極端洪水時，水庫調度的首要任務是確保大壩安全。根據紫坪鋪調度規程，水庫運行時的最高水位為校核洪水位883.1 m，因此在調度過程中壩前水位不得超過該值。其次，紫坪鋪水庫需要通過調度最大程度地減輕上游洪水對下游的威脅。紫坪鋪水庫的安全泄量為2 393 m3/s，在調度過程中應當盡可能地減小下泄流量超過這一安全泄量的幅度和時長。

圖4 PMF過程圖Fig.4 Diagram of probable maximum flood process

紫坪鋪水利樞紐的主要泄水建筑物包括1 號、2 號泄洪排沙洞、沖沙放空洞、溢洪道以及由4 臺機組組成的引水發電系統。按水庫現行調度規程，從PMF 到達庫區起始，控制四臺機組、沖沙放空洞與1號泄洪洞開度進行泄洪；當水庫水位超過防洪高水位861.6 m 時，關閉一半機組，并全開沖沙防空洞和1 號泄洪排沙洞，為保證大壩安全此時不控制下泄流量；當水庫水位超過869 m 時，關閉全部機組，超過870 m 時開啟溢洪道泄流。

為識別采用常規調度面對PMF 時可能存在的風險和問題，通過所建立的一維模型開展模擬。將PMF 流量過程作為入流邊界，下游邊界條件選擇不同泄水建筑物組合情況下的水庫水位流量關系，支流邊界條件選擇流量變化過程，模擬得到水庫依據常規調度方案應對PMF 時壩前水位與下泄流量變化過程如圖5所示。模型計算結果顯示了常規調度失效點，而如何在避免失效的同時減輕對下游的安全沖擊，是值得進一步討論的。因此本研究將基于水庫在常規調度規程下遭遇PMF 時的表現，對其做出優化調整，以期達到最佳度汛效果。

圖5 現行調度面對PMF時壩前水位與下泄流量變化Fig.5 Water level and outflow of when current reservoir operation facing PMF

由圖5 可以看出，在運用常規調度規程應對PMF 時，水庫壩前水位將在洪水入庫后的第39 h 起超過校核洪水位，下泄流量也大幅超過安全泄量。此時常規調度失效，壩體存在安全風險，水庫下游也面臨嚴重的洪澇災害威脅?？梢姴捎矛F行調度規程應對PMF 時存在著泄洪能力不夠、泄洪時間過晚、滯洪庫容利用不充分等問題，因此需要對水庫調度規程進行優化，確定最優的泄洪設施啟閉時間與組合方式，充分利用水庫的防洪潛力，實現防洪庫容隨洪水歷程動態分配，形成針對PMF 的水庫應急調度方式。

2.3 調度優化原則

針對常規調度規程在應對PMF 時存在的問題，研究提出的調度優化原則為：第一，提前預泄，配合水文預報，在洪水初期利用發電機組等泄水設施提前消落水位，合理利用防洪庫容；第二，加大泄量，適時開啟泄洪洞增大水庫下泄流量，充分利用其滯洪庫容以消解過洪流量，確保大壩安全的同時將下游風險降至最低。

基于以上原則，對水庫現行調度規程做出如下優化：首先，調整水庫調度方式，在PMF 入庫后以最大開度開啟四臺發電機組，對洪水進行提前預泄；開啟2 號泄洪洞參與泄洪，以增大水庫泄量。其次，在此基礎上尋找最優調度時機，提前開始泄洪可以使水庫有充分的時間和庫容來應對洪水，但由于泄洪洞的過流流量受水頭影響，水位較低時過流流量可能無法滿足泄洪量的需求，同時過早泄洪也有可能造成過多不必要的棄水。鑒于此，研究基于所構建的水動力模型模擬泄洪建筑物在不同開啟時機下的水庫下泄流量與壩前水位變化規律，以此尋求最優的調度時機。

2.4 優化過程與結果

根據常規調度規定的起調水位，本研究設置的工況范圍為850 m（起調水位）～870 m（開啟溢洪道水位），每隔2 m設置一個起調情景，模擬得到的水庫壩前水位與下泄流量的變化規律如圖6所示。圖6（a）中白色切片代表水庫的下泄流量約束值，即安全下泄流量2 393 m3/s。整體而言，2 號泄洪洞在不同水位下開始泄洪對水庫調度效果有顯著影響，具體表現為：當壩前水位處于850～862 m 之間開啟2 號泄洪洞時，由于低水頭導致泄洪洞過流量較小，洪水入庫后無法及時滿足泄量要求，造成壩前水位在洪水來臨的第30 h 左右大幅上漲并持續處于較高位置，同時水庫下泄流量長時間超過下游安全泄量，對壩體與下游安全造成極大威脅；當壩前水位在866～870 m 之間開啟2 號泄洪洞時，此時壩前水位已經達到較高位置，即使各泄水建筑物全力參與泄洪，壩前水位依舊有超過20 h 的時間維持在較高位置，下泄流量變化相對平穩但仍長時間處于安全泄量以上。

圖6 不同啟閉條件下水庫下泄流量與壩前水位差異Fig.6 Differences in outflow and water level under different conditions

當壩前水位到達864 m 處開啟2 號泄洪洞，此時在洪水歷時過程中壩前水位始終保持在較低位置，且水庫下泄流量變化平緩，說明該調度方案下各泄水建筑物的泄洪能力得到了充分利用，通過選擇合理的調度時機實現了水庫防洪庫容動態分配?；诖说玫絻灮蟮膽闭{度方案如下：在PMF 入庫時開啟全部機組參與泄洪，同時開啟1號泄洪洞和沖砂防空洞敞泄，在864 m處開啟2號泄洪洞參與泄洪，在869 m 處關閉全部發電機組，在870 m處開啟溢洪道泄洪。相較于現行調度，優化后的方案可以充分調用各泄水建筑物的泄洪能力，并基于調度時機的優化實現水庫庫容動態效益的更大化利用。

3 優化效果討論

優化前后兩種調度方案對PMF 的調度效果如圖7所示?？梢钥闯?，原調度規程在洪水入庫后的第39 h 時，壩前水位越過了校核洪水位，大壩安全遭受極大威脅，系統面臨崩潰，模型模擬得到此時下泄流量已經超過下游安全泄量。優化后調度規程對水庫下泄流量和壩前水位起到了更好的控制作用。壩前水位峰值為864.7 m，全程低于校核洪水位。同時，水庫下泄流量峰值為3 140 m3/s，削峰率達74%，相比洪峰入庫的時間延遲了21 h，遠長于常規調度失效的9 h。優化方案對洪水過程實現了顯著的坦化消解，降低了洪水對壩體安全的威脅，并減小了水庫泄洪對下游河道造成的防洪壓力。

圖7 優化前后下泄流量與壩前水位對比圖Fig.7 Comparison of discharge flow and water level before and after optimization

優化前后兩種調度方案下的庫區沿程水面線變化如圖8所示。庫區沿程水面線的變化是反映河道行洪能力的直觀指標［15］，優化后的調度方案下，在PMF 過程中紫坪鋪庫區水面變化幅度較小，洪水過程中最高水位為864.7 m，最低水位為846.5 m，水位之差為18.2 m，水位相對穩定，度汛過程中不會發生顯著波動；在運用原調度規程進行泄洪時，庫區水面變化劇烈，在洪水入庫后的30 h 起水位急劇抬升，最高水位將超過水庫的校核洪水位883.1 m，造成調度規程失效，嚴重威脅大壩安全；對于水庫而言，水位的劇烈變化將導致岸坡穩定性變差，岸坡局部或整體發生滑動，進而影響庫周道路的安全與水庫運行［16］。

圖8 優化前后調度規程下水面線變化Fig.8 Change of water surface line before and after optimization

觀察到在采用兩種調度方案應對PMF 時，度汛效果存在顯著差異，從防洪潛力Δi角度出發，分析不同調度方案對水庫防洪能力利用程度差異如圖9所示。在洪水起始至洪峰入庫（30 h）的過程中，優化調度采用了提前預泄的策略，對比常規調度在第30 h 時額外騰留出了0.72 億m3的庫容，防洪潛力提高了0.07。洪峰入庫后，常規調度下的防洪潛力迅速下降至第39 h時完全失效，這期間優化調度方案通過前期防洪潛力的累積，在攔蓄了3.3 億m3的洪水之余，比常規調度多下泄了1.6 億m3的水量后，防洪潛力仍剩余0.23。在此之后，由于洪水持續入庫，優化方案下的防洪潛力也持續減小，在第40 h起水庫開啟2號泄洪洞加大泄量后防洪潛力得以回升，最終恢復至0.28 左右至洪水結束。

圖9 兩種調度方式下防洪潛力對比圖Fig.9 Comparison of flood control potential under two plans

總而言之，優化后的調度方案體現的是“以空間換時間”的調度思路，即以前期適當的庫容預留，實現了水庫庫容的合理動態分配，為水庫充分泄洪贏得更多的時間。整個調度過程中，前期提前預泄僅多釋放了0.72 億m3的庫容，并且其僅為洪峰入庫后至常規調度方案失效期間（30～39 h）入庫徑流量的22%，但這一防洪潛力的預留有效地坦化了洪水峰值、延長了洪峰過境時間，減弱了洪峰入庫過程中流量突增帶來的泄洪壓力，為洪峰入庫后爭取了二次調度措施啟用的時機，從而為充分發揮泄水建筑物的泄水能力提供了足夠的緩沖時間。

值得注意的是，優化調度后水庫的防洪效果對于預見期內洪水預報信息有所依賴，隨著水文預報技術的發展，結合預報信息開展水庫實時防洪調度已得到了廣泛應用［17］，更有利于發揮水庫的興利作用。同時地理信息系統技術、測雨雷達和衛星云圖技術更多地應用于水文預報中，各時效預報的準確率都有很大提高［18］，優化后的洪水調度配合更加精確的水文預報可以有效提高水庫的防洪效果。另外有研究表明，采用統計方法進行相似洪水識別，挖掘流域歷史洪水數據，可以有效延長洪水預報預見期，為水庫汛期預泄與調度工作提供指導［19］。因此，現有水文預報工作的發展可以為水庫通過合理分配庫容完成對PMF等極端洪水的調蓄提供充分的技術支持。

4 結論

針對水庫在面對PMF 時常規調度規程無法保證安全泄洪的問題，開展了水庫調度規程優化方法研究。通過優化配置泄水建筑物的啟閉時機與組合方式，實現了隨洪水歷程對水庫庫容的動態分配利用，充分發揮水庫的防洪潛力消解極端洪峰流量。以紫坪鋪水庫為例，原調度規程在面對PMF 時將失效，大壩安全存在極大隱患，研究對水庫發電機組啟閉時機與開度進行了優化，同時調整了泄洪洞參與泄洪的時機，進而規避了調度規程失效的風險，優化后的應急調度方案使紫坪鋪水庫能夠應對超過自身防洪庫容8 倍以上的PMF，泄洪過程中壩前水位始終穩定在校核洪水位之下，洪峰流量由12 200 m3/s 降至3 140 m3/s，削峰率達74%，確保大壩安全的前提下最大程度降低了水庫下游洪澇風險，同時控制水位與流量變化過程平穩，提升了水庫應對突發水文事件的能力。研究基于“以空間換時間”的調度思路，實現了水庫庫容動態分配的調度優化，可以為水庫面對PMF 等極端洪水情景時實現多目標保障提供有效參考，對充分發揮水庫的防洪興利作用具有重要意義。