浅谈水库汛限水位的调整
作者：陈防震
来源：《科技创新导报》2011年第25期
摘 要:中国是世界上严重缺水的国家之一,水资源短缺矛盾突,这己成为制约国民经济可持续发展的主要因素。而依赖科技进步,充分发挥现有水库的调蓄作用,挖掘调蓄潜力,在不增加防洪风险的前提下适时适度地提高水库的汛限水位,将部分洪水转化为可利用的水资源,对缓解流域水资源危机、改善流域生态环境具有重要的现实意义。
关键词:缺水水资源汛限水位新技术
中图分类号:TV697.13 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0129-01
我国是一个严重缺水的国家,人均水资源占有量2200m3,仅为世界平均水平的1/4,是世界上13个最贫水国之一。20世纪80年代以来,水资源短缺问题由局部逐渐蔓延至全国大部分地区。目前,全国660座城市中有400座供水不足,110座严重缺水。同时,随着人口增长和社会经济的发展,污水排放量也在不断增加,水质恶化加剧了水资源短缺矛盾,生态环境日趋恶化,水资源问题己成为国民经济可持续发展的主要制约因素。
洪水资源利用是实现流域水资源可持续利用战略的重要措施和现实选择,依托科技进步,充分挖掘和发挥流域现有水利工程的调蓄潜力,将部分洪水转化为可资利用的水资源,适时适地提供维持流域社会经济发展和生态环境良性循环所需的水量,对缓解流域水资源短缺矛盾具有非常重要的现实意义利用水库调控洪水资源,是流域洪水资源利用研究的一个重要课题。一方面,我国大多数流域河川径流受季风影响,在年内和年际间分配极不均匀,需要经过水库调蓄才能充分利用。流域暴雨洪水具有明显的季节性规律,因此在掌握其季节性变化规律的基础上,利用分期汛限水位能有效调控不同季节的洪水,使水库调度运行更符合流域洪水特性,在不增加防洪风险的前提下适时增加蓄水,是实现洪水资源利用、缓解水资源短缺矛盾的有效途径;另一方面,洪水资源化是对传统防洪观念的挑战,即从防御洪水向
洪水管理转变。在承受适度风险的前提下,制定合理可行的调度方案,变害为利,是优化水库运行管理机制、提高水资源利用效率的重要措施。
利用水库增加蓄水需要解决防洪与兴利的结合问题,而这个问题的焦点主要体现在汛期限制水位的确定上,即改变目前水库汛前和汛期大量弃水,而汛后又无水可蓄的矛盾局面。制定分期汛限水位的一个重要前提环节就是对水库汛期进行合理地分期。由于暴雨洪水的物理成因背景复杂,影响因子众多,因此分期应从汛期成因入手,结合流域暴雨洪水特性的统计分析,辅以科学的定量划分方法来综合分析,使分期结果符合客观规律。水库增加蓄水的同时将临时占用部分防洪库容,而受现有洪水预报、防洪调度手段水平的限制,汛限水位的上浮调整会在一定程度上加大发生洪灾的风险。因此,应从洪水风险管理的角度出发,基于风险分析理论,分析汛限水位调
整对水库防洪风险的影响,并综合水库长期运行的效益评价,为水库汛限水位的合理调整提供科学依据。研究成果可为水库开展洪水资源利用相关研究工作提供一定技术支撑和借鉴作用。 传统的汛限水位确定方法是通过设计洪水调洪演算途径得出的。即在确定水库某一防洪标准下,通过计算各种频率的设计洪水过程,经水库调洪演算反推得出。近几十年来,为挖掘水库潜力,缓解水资源供需矛盾,国内外针对传统汛限水位控制方式的不足,从汛限水位的确定与调整、汛限水位的动态控制等方面展开积极有益的探索,为提高水库综合利用效益,我国学者曾对如何利用暴雨洪水的季节性变化特征来缓解水库防洪与兴利的矛盾进行了有益的探索。最初是从形成暴雨的天气系统及暴雨、洪水本身的季节性变化特性入手,定性地寻找分期规律。在可控范围内,利用洪水尾水超蓄部分水量,在下次洪水起涨前保证库水位回落到原设计汛限水位的一种方法。很显然,对于年内发生一次洪水的水库,在保证预报精度等条件下,该方法能保证水库原防洪标准不变,增加兴利效益。随着新理论和新技术的引入,可利用信息的增加,水文与气象预报精度的提高,有些水库逐渐利用中短期降雨预报和天气形势演变趋势等信息,实时控制汛限水位,更进一步提高了防洪兴利效益。长期实践证明,利用降雨预报信息实时控制汛限水位是未来的发展趋势。即制定考虑降雨径流预报的调洪规则,使水库能在安全调节原设计的各种频率洪水,满足水库工程及上下游设计防洪要求的前提下,适当上浮调整汛限水位。
汛限水位调整方案下水库的防洪风险分析是一个重点研究内容,基于对关键影响因子的不确定性分析,从水文,水文与水力相结合两个角度综合分析了汛限水位调整对水库防洪风险的影响。一方面,考虑入库洪水的随机性,从设计洪水和随机生成入库洪水两个途径来分析计算汛限水位调整后水库超校核洪水位的极限风险率;另一方面,综合考虑入库洪水、库容、泄流能力以及风奎高和风浪爬高等因素的不确定性及其相关关系,采用一次二阶矩法分析计算水库超坝顶高程的漫坝风险率。综合分析分期汛限水位调整对水库防洪风险的影响,分析结果可为合理调整分期汛限水位提供依据。
坝前库水位随机特性及对应的防洪风险率是与水库的整个调洪过程联系起来的。在水库调洪过程中,存在着许多人们难以预料和控制的不确定性因素,其中包括洪水、库容(库面积)以及泄洪能力的不确定性等。另外,由风作用引起的风奎高和风浪爬高的不确定性,与调洪过程中的各种不确定性一起,导致了坝前库水位变化过程的随机性,也最终导致了与水库防洪风险相关的水库年最高(或分期最高)坝前水位的随机性。
1 洪水不确定性
洪水一般用洪水过程线来描述,洪水过程线涉及四个特征量:洪峰、时段洪量、峰现时间及行洪历时。在上述四个特征量中,假设其它三个量不变时,一般规律有:洪峰越大,风险越大;时段洪量越大,风险越大;峰现时间越滞后,风险越大;历时越长,风险越小。大量实践表明,上述四个量均为随机变量,因此构成了洪水的不确定性。
2 库面积和库容不确定性