ABSTRACT

The Three Gorges Reservoir is located at Yichang, Hubei province. Inflow of the reservoir from middle ten days of June to late September is about 61% in the whole year, and flood concentrates in the main flood season on July and August. In order to avoid no water storage after the flood season and make full use of flood resources, the dynamic control of the limited flood water level model during the main flood season was used. The flood control benefit can be maximum than a single water level scheduling. With the development of the hydrological forecast method, it extends forecasting period effectively and provides preliminary time for pre-storage and pre-discharge scheduling. In this study, the main flood season and the dynamic control range of the limited flood water level were determined based on the daily data at the Yingchang station. The pre-storage and pre-discharge model was applied for regulating unimodal, bimodal and multimodal floods. The results show that power generation benefit can increase by about 1%.

Keywords:Three Gorges Reservoir, Flood Control Water Level, Pre-Storage and Pre-Discharge Model

预蓄预泄模型在三峡水库动态控制中的应用

薄会娟¹，董晓华¹，李英海¹，李  悦²

¹三峡大学水利与环境学院，宜昌

²中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳

Email: bohuijuan027@126.com

收稿日期：2014年9月26日；修回日期：2014年10月10日；录用日期：2014年10月17日

摘  要

三峡水库位于湖北宜昌三斗坪，6月中旬至9月下旬来水量约占全年来水量的61%，洪水则主要集中在7月、8月的主汛期。为了避免出现汛后无水可蓄和充分利用洪水资源，汛期调度时，采用汛期水位动态控制比单一水位调度更能够充分发挥水库的防洪发电效益。随着水文气象预报手段的发展，延长了预报的有效预见期，为预蓄预泄调度提供时间。本文利用宜昌站的汛期日流量资料作为基本资料，对汛期进行分期和确定汛期水位动态控制变幅范围，进而对有代表性的单峰型、双峰型、多峰型洪水在变幅范围内分别采用预蓄预泄模型进行调度，结果显示发电效益增加1%左右。

关键词

三峡水库，汛限水位，预蓄预泄模型

1. 三峡水库概况

三峡水库是长江上的综合水利枢纽工程，具有防洪、发电、航运等效益。正常蓄水位为175.0 m，枯水期消落水位为155.0 m，汛限水位为145.0 m，兴利调节库容165亿m³，防洪库容221.5 m³，库容系数不足4% [1] 。采用三斗坪站的资料并用宜昌站同步系列作对比来分析坝址气候特征，得出坝区年降水量为1232 mm，主要集中在5~9月份，降水量占年降水量的69%，其中6~8三个月占年降水量的48%。年降水量的年际变化较小。

三峡坝址多年平均流量为14,300 m³/s，多年平均径流量为4510亿m³，年径流比较稳定，6月中旬至9月下旬水量约占全年来水量的61%，洪水则主要集中在7月、8月的主汛期[2] 。整个汛期以单一的汛限水位调度导致弃水过多，浪费了大量的水资源，故对三峡水库汛期实施动态控制是必要的。

2. 汛期水位动态控制变幅确定

随着水文气象预报科学理论的发展，短期洪水预报与降雨预报可信度的提高，为科学的控制运用汛限水位提供了前所未有的便利条件，也更有可能达到在不增加水库及上、下游防洪风险的同时，提高水库的兴利蓄水效益的目的[3] 。汛期水位动态控制研究的关键问题是确定汛限水位变幅值。

利用宜昌站的汛期日流量资料作为基本资料，统计年最大洪峰出现的时间和6月1日~9月30日的日最大流量，初步确定汛前期为6月；主汛期为7月上旬至9月上旬；汛末期为9月中旬至9月底。采用矢量统计法和相对频率法进一步细化到日，结果是6月1~30日为三峡水库前汛期，7月1日~9月10日为水库的主汛期，9月11~30日为水库的后汛期。

根据上述汛期分期结果，采用规范调洪演算方法和考虑年内洪水统计特性变化规律两种方法确定汛期水位动态控制变幅。结果是：汛前期、主汛期、汛末期分别选取典型年进行调洪演算得出汛前期变幅为145~149 m；主汛期为145~149m；汛末期为145~158 m。

3. 预蓄预泄模型

预蓄预泄实时汛期水位动态控制法是在设计的汛期限制水位动态域内，保证水库本身及对上下游的原防洪设计指标不变的前提下进行的[4] 。它能够使水量损失减少一部分，从而增加兴利效益，以解决防洪与兴利之间的矛盾。

在有效预见期内，如何利用水库的泄流能力，在满足下游防洪安全前提下，根据实时洪水预报和降雨预报信息，预报时留有余地(考虑预报误差及其他干扰)地确定预见期内的汛限水位控制值，上浮的水位在下次洪水来临前降回到原来的汛限水位，以确保水库和下游防洪安全。另外，在大暴雨预报的有效预见期内的退水过程有多大的余富水量，将汛限水位下调多少，且留有余地，故称为预泄回充法[5] 。有效预见期是指降雨预报或洪水预报预见期减去信息传递、决策、闸门操作时间等[6] 。

若收到大雨或大雨以上量级降雨预报信息时，要求在有效预见期内可以从当前的汛限水位值降低到汛期水位变幅的下限值；若收到中雨或中雨一下量级预报信息时，且水库此时水位在汛期水位动态控制变幅范围内，在有效预见期内，可以从当前的汛限水位值增加到汛期水位变幅的上限值。

三峡水库具备高新的水情信息采集和调度自动化系统，专业气象预报系统和水文水动力学模型等预报手段，可以大大延长预报的有效预见期。综合水文气象预报的成果并考虑水情自动化监测系统预报技术的不断提高，若降水中心在寸滩、武隆以上，且降水集中，预见期可达3 d以上，其他可靠预见期为24~36 h [7] 。因此，三峡水库具备预蓄预泄条件。

3.1. 预蓄预泄法原理

已知水库汛期水位动态控制域为[，]，，分别为水库汛期水位动态控制域的下限和上限值。预蓄预泄法依据水量平衡原理，基本公式为：

(1)

式中：为面临时刻允许预蓄的水量；为有效预见期内、考虑预报误差后预报的入库流量过程；为有效预见期内预报的可能下泄的流量过程，即；为防护点安全流量；为考虑预报误差推求的下游区间流域预报洪水过程；为预报洪水过程的时段长；为考虑洪水与降雨预报信息的有效预泄时间，；；为考虑洪水预报的极限预泄时间；为考虑短期降雨预报的极限预泄时间；为信息传递时间、预报作业时间、决策时间、开闸时间之和；为实施汛期水位动态控制的起始时刻，，且假定期间水位持平。

求得后，由下式推求面临时刻允许预蓄的水位，即

(2)

其中：为库容与水位关系。

3.2. 调度原则

预蓄预泄调度模型考虑水库汛期水位动态控制变幅值，下游安全泄量约束和水库泄流能力约束。将调度规则进一步细化，具体如下：

1) 汛前期，当预报入库流量大于25,000 m³/s，开启机组按预想出力发电；当预报入库流量大于35,000 m³/s，按照35,000 m³/s预泄；大于39,900 m³/s，按照39,900 m³/s预泄；控制相邻日均流量差不超过5000 m³/s。

2) 主汛期，当预报入库流量大于25,000 m³/s，开启机组按预想出力发电；当预报入库流量大于35,000 m³/s，按照40,000 m³/s预泄；当预报入库流量大于45,000 m³/s，按照50,000 m³/s预泄；当预报入库流量大于53,900 m³/s，按照53,900 m³/s预泄；控制相邻日均流量差不超过10,000 m³/s。坝前水位超过166.9 m，控制水库下泄流量不超过76,000 m³/s；水位超过175 m；原则上按具备的全部泄流能力泄洪；

3) 汛末期，当预报入库流量大于25,000 m³/s，开启机组按预想出力发电；当预报入库流量大于35,000 m³/s，按照35,000 m³/s预泄；当预报入库流量大于44,500 m³/s，按照44,500 m³/s预泄；控制相邻日均流量差不超过5000 m³/s。

三峡电站机组预想出力表，如表1所示。

3.3. 调度结果

选择有代表性的实际发生洪水作为典型，进行汛期水位动态控制，验证方案可行性和合理性。6月1日起调水位为149 m。

1) 单峰型洪水

单峰型洪水，峰高、段时段洪量集中的单峰，洪峰形态尖瘦，如1905年、1981年洪水(见图1、图2)。

2) 双峰型洪水

洪峰及洪量较大的双峰，双峰之间的时间间隔较短，主峰靠后，如1908年、1982年洪水(见图3、图4)。

3) 多峰型洪水

洪峰不很高、单峰量较大，洪水过程连续且形态肥胖，如1954年、1998年洪水(见图5、图6)。

图1. 1905年汛期水位动态控制计算结果

图2. 1981年汛期水位动态控制计算结果

图3. 1982年汛期水位动态控制计算结果

图4. 1908年汛期水位动态控制计算结果

图5. 1954年汛期水位动态控制计算结果

图6. 1998年汛期水位动态控制计算结果

3.4. 效益分析

分别对6个年份汛期采用汛期水位动态控制和汛期固定145 m运行两种方案调度，比较其发电量，结果如下表2。

4. 结语

随着水文气象技术的发展和人们认识水平的提高，对水库汛期实施汛期水位动态控制调度方式能够最大可能地发挥水库的综合效益是必要和可行的。

本文采用预蓄预泄模型对三峡水库汛期实时动态控制调度，结果表明预蓄预泄汛期水位动态控制比汛期固定汛限水位145 m调度增加了发电效益。

基金项目

国家自然科学基金项目(51409152)；三峡大学青年科学基金(KJ2011A002)。

参考文献 (References)

NOTES

作者简介：薄会娟(1987-)，女，山西怀仁人，实验师，研究方向为水文水资源。