2017 
2. 南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029
近年来，我国基于水资源短缺的基本国情，政府和地方管理部门对洪水资源化利用极为重视，提出了最严格水资源管理制度，并实施由洪水控制向洪水管理转变战略，国家防总印发了《水库汛限水位动态控制试点工作意见》[1-2]。2002年以来，国家防总开展了水库设计洪水理论和防洪调度方法分析评价、设计洪水方法分析研究、水库汛期分期设计洪水研究和水库汛限水位动态控制方法研究等4个课题研究，为水库实施汛限水位动态控制进行理论和实践上的准备[3-8]。
燕山水库位于河南省叶县境内的澧河支流干江河上，是淮河流域规划的重点大型防洪水库，2006年3月开工建设，2008年10月通过蓄水验收，2011年8月通过竣工验收，以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电等综合利用。水库5 000年一遇校核洪水位116.40 m，总库容9.25亿m3，500年一遇设计洪水位114.6 m，正常蓄水位106.00 m，兴利库容2.0亿m3，防洪高水位111.80 m，防洪库容为3.54亿m3，加上与兴利重叠的库容0.586亿m3，水库调洪库容可达4.098亿m3。根据初步设计，燕山水库需要向漯河市生活及工业供水8 000万m3，供水保证率95%；向下游17万亩(113.33 km2)农田灌溉供水4 726万m3，其中平顶山叶县10万亩(66.67 km2)、年供水2 780万m3，漯河市舞阳县7万亩(46.67 km2)、年供水1 946万m3，农灌供水保证率75%[9]。2014年河南省遭遇63年以来大旱天气，多地严重缺水，平顶山市生产生活用水极度紧张，白龟山水库两次动用死库容也不能保证市区生活用水，不得已利用南水北调中线从丹江口调水10万m3。鉴于燕山水库水量丰沛，水质较好，可通过建设提水泵站，利用南水北调干渠，以达到向市区调水的目的，由燕山水库应急调水工程于2014年7月26日正式启动。从长远看，从燕山水库调水既可以为引水渠两侧提供农业灌溉用水，也可将其作为南水北调的补水工程[10]。
为充分发挥燕山水库供水灌溉功能，有效增加供水量以满足日益增加的城市供水需求，尤其是干旱年份的应急供水，必须采取合理措施尽快实现洪水资源化利用，通过科学调度，拦蓄宝贵洪水资源。本文基于流域产汇流特性、洪水预报方案精度、枢纽泄流能力、下游防护区设防标准等，分析燕山水库汛限水位动态控制的可行性，提出汛限水位动态控制方案。
1 基于下游防洪安全的汛限水位动态控制方案燕山水库主要任务为防洪减灾，其汛限水位动态控制方案首先要考虑下游防洪安全，根据流域内中短期天气预报信息，结合水库泄洪能力合理确定汛限水位控制范围，以确保水库大坝和下游区域防洪安全。目前较为成熟的手段是基于预蓄预泄等途径确定水库汛限水位的动态控制阈值[11]。
1.1 利用洪水预报信息确定动态汛限水位预蓄预泄法首先确定洪水极限预泄时间。一般来说，库水位开始上升到下泄流量达到下游河道允许安全泄量的时间可以认为是水库一次洪水极限预泄时间。具体到某一特定水库，形成径流历时(即峰现时间)受降雨强度和空间分布、降雨前土壤干湿状况等条件约束，降雨主要分布在坝前区域且雨前土壤处于饱和状态，则汇流历时最短，极限预泄时间随汇流时间变化，从安全角度考虑，依此确定的极限预泄时间最短。根据洪水预报信息，水库预泄前需要完成信息收集、洪峰洪量预报、会商决策、闸门开启等工作，洪水极限预泄时间扣除完成上述工作所需时间后即为有效预泄时间。计算出水库1次洪水的预泄水量，以此确定水库汛限水位以上的动态蓄水量，可作为动态汛限水位的上限。
影响预泄能力因素主要有有效预泄时间、预泄期内的入库水量、下游允许安全泄量。有效预泄时间可用式(1) 计算：
| ${t_{\rm{y}}} = {t_1} - {t_2}$ | (1) |
式中：ty为1次洪水有效预泄时间；t1为1次洪水极限预泄时间；t2为信息传递时间、预报作业时间、决策时间、开闸时间。
根据燕山水库现有调度规则，50年一遇洪水位以下(104.20~111.80 m)泄洪洞控泄300 m3/s。因此，只有在入库流量超过300 m3/s时，水库水位开始上升。据此，可以认为，在实施汛限水位动态控制调度模式中，在水库入库流量达到300 m3/s之前，通过预报调度，水库有能力(取决于水库有效预报时间、泄流能力)将库水位有效降低至原设计汛限水位104.20 m，则完全消除了汛限水位上调对水库大坝带来的安全隐患。
2000年，燕山水库遭遇的洪水量级相当于100年一遇设计洪水，其洪水过程在较大程度上反映了燕山水库流域产汇流时间特性。以此典型洪水分析燕山水库极限预泄时间。燕山水库2000年典型洪水过程见图 1。由图 1可知，该典型洪水呈4次洪峰的复杂过程。经分析，自洪水开始起涨，4次洪峰过程达控制泄流量300 m3/s的时间分别为：9，8，4和3 h。可以看出，由于前期降雨，流域土壤蓄水量已接近蓄满状态，导致后2次降雨产生径流时间显著缩短[12]。
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图 1 燕山水库2000年典型洪水过程线 Figure 1 Typical flood hydrograph of Yanshan reservoir in 2000 |
在实际实施汛限水位动态控制过程中，一般情况下汛期在流域开始第1次降雨涨洪，为了确保防洪安全，水库即预泄洪水，提前降低库水位。经计算分析[12]，燕山水库极限预泄时间为6~7 h，完成信息收集、洪峰洪量预报、会商决策、闸门开启等工作的时间为l~2 h，其有效预泄时间确定为5 h。
依据文献[7]，燕山水库有效预泄时间内入库水量可按式(2) 计算：
| ${w^′} = \sum\limits_{{t_2}}^{{t_1}} {Q(t)} \Delta t$ | (2) |
式中：w′为有效预泄时间内入库水量(m3)；Q(t)为预报系统预报的有效预泄时间内的预报流量(m3/s)；Δt为作业预报的计算时段(s)。
依据燕山水库现行调度规则，50年一遇洪水位以下(104.20~111.8 m)泄洪洞控泄300 m3/s，入流超过300 m3/s，库水位才开始由于闸门控泄而上涨；因此可以认为，入库流量达300 m3/s前5 h时段的入流过程，可作为式(1) 中入流过程。本次取有效预泄时间内入库流量为200 m3/s。
预泄期内的允许泄量可按水库下游澧河河道的允许泄量确定，燕山水库下游防洪标准为1 900 m3/s。预泄水量w=tyq－w′，其中：q为下游允许的安全泄量(m3/s)。
燕山水库下游最大通过安全泄量为1 900 m3/s，敞泄情况下水位为106.86 m。同时，由于燕山水库受自身泄流能力的限制(104.00 m水位的泄流能力为686 m3/s，107.00 m水位对应的泄流能力为1 925 m3/s)，因此需要通过试算，确定预泄期内(5 h)的平均泄流量。
通过试算[12]，汛限水位取104.77 m，则根据水库泄流能力曲线，平均泄流能力为855.4 m3/s，5 h内预泄水量1 539.67万m3。因此，考虑有效洪水预报期为5 h，则汛限水位上限可提高至104.77 m，该水位下枢纽泄流能力为954.7 m3/s。
由分析可知：虽然下游河道行洪能力为1 900 m3/s，但限于枢纽泄流能力，汛限水位若超过104.77 m，则在5 h有效预见期内不能及时降低水库水位至设计汛限水位104.20 m，因此，汛限水位上限值取104.77 m。需要说明的是，在实施汛限水位动态控制调度模式下，在有效预见期内，枢纽将按泄流能力敞泄，以保证水位尽快恢复至原设计汛限水位104.20 m。
1.2 基于降雨预见期信息确定汛限水位动态控制值在降雨预见期内水库泄流能力将直接影响到汛限水位上浮值，燕山水库汛限水位动态控制的影响因素，包括面临时刻的水位、降雨强度和分布、工程安全性态、预见期的长短及预报入库量、水库预泄能力，下游河道防洪标准、会商决策时效性及闸门开启时间等方面。若用公式概括上述诸因素，可写为：
| $\Delta {Z_1} = f\left[ {({q_{\rm{o}}} - {Q_{\rm{I}}}){t_1}} \right],{q_{\rm{o}}} \le {q_{\rm{f}}}$ | (3) |
式中：ΔZ1为在规划确定的汛限水位Z0以上的增加值(m)；f[*]为水库预泄能力(m3)；t1为有效预见期(s)；QI为有效预见期t1的平均入库流量(m3/s)；qo为有效预见期t1平均泄流量(m3/s)；qf为下游河道安全过流能力(m3/s)。
汛限水位上浮值的确定分为以下4个步骤：
(1) 计算有效预见期t1：
| ${t_1} = t - {t_{\rm{c}}} - {t_{\rm{j}}} - {t_{\rm{z}}}$ | (4) |
式中：t为天气短期降雨预报的预见期(s)；tc为预报信息传递时间(s)；tj为预泄决策调令传播时间(s)；tz为闸门操作时间(s)。
根据天气短期降雨预报的成果，燕山水库可利用短期降雨预报的预见期为12 h[12]，由于该水库为河南省水利厅直管水库，预泄决策调令传达及实施顺畅，时间短，为安全起见有效预见期取10 h。
(2) 求t1 期间平均出流qo假定面临时刻tf浮动水位增值ΔZ′1，则绝对水位为Z′S=Z0+ΔZ′1。根据Z′S与Z0，查泄量关系得q′s和q0，近似求t1期间平均出流qo=(qs+q0)/2。预报期内平均出流需根据初始水位通过迭代试算确定。
(3) 求QI 根据面临时刻tf预报的入库洪水过程推求t1期间平均入库流量，用梯形法可求得QI。经计算，有效预见期内入库平均流量取为200 m3/s。
(4) 汛限水位上浮值计算预泄水量计算 式为：(qo-QI)t1=ΔV1，ΔV1为汛限水位上浮增加库容(m3)。
由Z0所对应的库容V0+ΔV1=V″S，查燕山水库水位与库容关系曲线，求得到Z″s，如果Z″S≠Z′S，则需重新设Z′S，重复上述步骤，如果Z″S≈Z′S则试算停止，Z′S即为汛限水位向上浮动值。
与考虑洪水预报预泄能力约束法确定汛限水位动态控制值的方法相同，通过试算确定汛限水位上限取值105.36 m，则根据水库泄流能力曲线，平均泄流能力为970.7 m3/s，10 h内预泄水量3 494.33万m3。因此，考虑降雨有效预报期为10 h，则汛限水位上限可提高至105.36 m，该水位下枢纽泄流能力1 185.7 m3/s。虽然下游河道行洪能力为1 900 m3/s，但是限于枢纽泄流能力，汛限水位若超过105.36 m，则在10 h有效预见期内不能及时降低水库水位至设计汛限水位104.20 m，因此，汛限水位上限值取105.36 m。
2 基于大坝安全的水库汛限水位动态控制方案燕山水库初设将流域汛期划分为主汛期与后汛期，分别为06-20—08-15，8月15日至9月末，后汛期可抬高汛限水位有利于汛后蓄水。考虑洪水预报和降雨预报预见期分别为5和10 h，则依据燕山水库现有枢纽泄流能力，根据下游最大行洪能力1 900 m3/s，则汛限水位上限可分别调整为104.77和105.36 m。从大坝自身防洪安全及枢纽泄流能力角度(且不考虑预报调度)出发，拟定动态汛限水位方案。
2.1 主汛期汛限水位控制方案模拟依据燕山水库现行调度规则，现有主汛期汛限水位104.20 m。从大坝防洪安全和枢纽泄流能力角度，对汛限水位进行动态调整，分别上浮为104.70，105.20，105.70，106.20，105.70，106.20，106.70 m，并针对重现期分别为5，20，50，100，500，1 000，5 000和10 000年一遇的设计洪水进行调洪计算；分析不同汛限水位下，水库调洪最高水位特征见表 1。
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表 1 不同重现期条件下燕山水库动态汛限水位调洪最高水位(主汛期) Table 1 Highest water level of dynamic flood control level of different return periods of Yanshan reservoir (major flood period) |
采用同样的工况设计，对燕山水库后汛期汛限水位动态控制进行方案模拟，计算不同汛限水位下水库调洪最高水位特征，成果见表 2。
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表 2 不同重现期条件下燕山水库动态汛限水位调洪最高水位(后汛期) Table 2 Highest water level of dynamic flood control level of different return periods of Yanshan reservoir (post-freshet) |
由表 1可见，在较小重现期洪水条件下，随着动态汛限水位的提高，最高调洪水位显著升高；但随着洪水量级的升高(洪水重现期超过50年一遇)，调洪初始水位(动态汛限水位)对燕山水库调洪最高水位的影响逐渐降低。这一结果与燕山水库调洪规则和枢纽泄流能力密切相关，依据现行调度规则，初始起调水位的抬升，促使枢纽提前开闸泄洪，因此调洪最高水位并未因起调水位的升高而显著增大。譬如，5 000年一遇重现期洪水，在现有调度规则下，原104.20 m汛限水位作为起调水位，调洪最高水位116.37 m；汛限水位抬升2.0 m至106.7 m，调洪最高水位116.40 m。10 000年一遇重现期洪水，在现有调度规则下，原104.20 m汛限水位作为起调水位，调洪最高水位116.93 m；汛限水位抬升2.5 m至106.70 m，调洪最高水位为116.86 m，甚至略有降低。这说明燕山水库具有较强的泄流能力，汛限水位动态控制对大坝自身防洪安全影响较小。同时也说明对下游防洪区防洪能力需要有效提升，提高河道最大过流能力，是实施燕山水库汛限水位动态控制、提高枢纽运行效益的关键。
3 结语(1) 从下游防洪安全考虑，燕山水库汛限水位可由设计值104.20 m，最大可提高至105.36 m。其中考虑洪水预报，燕山水库下游最大通过泄量为1 900 m3/s，分析确定有效洪水预报信息5 h，根据水库泄流能力曲线，汛限水位上限可提高至104.77 m。若燕山水库降雨有效预报时间10 h，通过试算确定汛限水位上限取值105.36 m。
(2) 经调洪计算，在较小重现期洪水条件下，随着动态汛限水位的提高，最高调洪水位升高较为显著；但随着洪水量级的升高(洪水重现期超过50年一遇)，调洪初始水位(动态汛限水位)对燕山水库调洪最高水位的影响逐渐降低，这主要是燕山水库具有较强的泄流能力。
(3) 对燕山水库采用动态汛限水位进行调度时，应严格控制汛限水位上限，提高降雨预报精度、延长水库有效预见期，并提高下游河道行洪能力和保护区防洪标准，确保枢纽现有设计泄流能力等风险控制措施的有效性。
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2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resource and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China