海河流域洪水资源安全利用——水库汛限水位的确定与运用 胡四一 高波 王忠静 摘 要
本文系统地论述了海河流域利用水库分期汛限水位调控洪水资源的研究思路和技术框架。首先通过对变化条件下的洪水资源特性、水利工程功能和运行特征的分析与再评估研究，摸清流域可供利用的洪水资源潜力，提出流域洪水资源利用模式及合理配置。在此基础上，重点论述了暴雨洪水季节特征和分期规律以及水库分期汛限水位合理确定和安全运用的分析方法，提出了基于预报调度的实时调度方式，安全利用洪水资源，并对水库运行的蓄水效益和防洪风险的评价提出了建议。 一、研究背景 海河流域是我国严重缺水的地区之一人均占有水资源量305m3仅相当于全国人均水资源量的1/7，加之水资源时空分配极不均衡，水资源短缺问题更为突出。随着人口增长和社会经济的发展，水资源利用量与污水排放量不断增加，水资源短缺矛盾加剧，生态环境日趋恶化，水资源问题已成为国民经济可持续发展的主要制约因素。 海河流域特有的地理气候特征，决定了流域内连旱连涝、旱涝交替、旱涝并发的特点。近50年来，经过大规模的水利建设，海河流域调蓄洪水的主要场所已经由平原搬到了山区，原有的湖泊洼淀被划定为蓄滞洪区，并逐步改造成了良田。受气候波动与人类活动的影响，海河流域的暴雨产汇流特性已经发生了较大的变化。流域内形成的由水库群、堤防、分蓄洪区、水闸控制枢纽及分洪减河等构成的防洪工程体系，不仅对流域的防洪减灾发挥了重要作用，而且也为山区水资源的充分开发利用与合理配置和平原地区有控制的适度的洪水资源化利用提供了基础。依赖科技进步，充分发挥水利工程体系的作用，通过调整流域上下游蓄泄关系，进一步开发利用流域内的洪水资源，对于缓解海河流域水资源危机，改善流域生态环境具有非常重要的意义。 二、问题提出 由于海河流域河川径流受季风影响，在年内和年际分配极不均匀，需要经过水库调蓄，才能充分利用。现有的大中型水库仅有少数能对入库径流进行多年调节，大部分水库库容较小，而且还承担着防洪任务，汛期需要预留相当的防洪库容，以确保水库下游保护对象的防洪安全。因此，每年汛期，当水库水位超过汛期限制水位时，水库不能蓄水，形成汛期弃水，而汛期过后，因来水少而水库又蓄不上水，导致来年缺水的矛盾。 多年实践证明，海河流域每年汛期的来水虽然是随机的，但经常出现的还是中小洪水。每年汛期一般出现1～2次中小洪水，每次洪水过程一般不过10天左右（有些河流的洪水历时甚至更短），水库往往蓄不上多少水，大部分水库库容闲置着，准备拦蓄稀遇的设计洪水或特大洪水。因此，对于泄洪关系已定的现有水库，应在总结几十年调度经验的基础上，根据当地中小洪水与设计洪水或特大洪水出现的规律，结合水文气象预报信息，改进水库目前采用的固定时间、固定汛限水位的防洪调度方式，在一般年份可以多拦蓄些洪水，以提高水资源的利用效率。 要改变上述这种水库汛期弃水而汛后又缺水的矛盾局面，有两个关键难题需要突破：一是改变现行水库固定时间固定汛限水位的调度方式，实现防洪效益与兴利效益的转换；二是依托天气预报和洪水预报的技术进步，挖掘水库预报调度的潜力，实现水库安全有效的汛期蓄水。目前，海河流域山区已经拥有30座大型水库，总库容243亿m3，其中防洪库容148亿m3，占总库容61%。大型水库控制了山区流域面积的81%。汛期水库调度基本上采取前述的固定时间固定汛限水位的调度方式，这种调度方式使目前海河大中型水库重复库容的设置率很低，重复库容仅22.4亿m3，占总库容的8.2%（国外一般在20%以上）。这些水库的防洪调度基本上是以库水位的变化作为依据，根据水库所达到的水位来判断入库洪水大小或量级，进而决定下泄相应的流量，水库汛限水位基本是一个固定值，仅有少数为阶梯状控制。调度方式单一，缺乏灵活性，未能充分发挥水库的调节作用，虽然合法但不尽合理。随着水文遥测系统的建立，洪水预报的手段和准确度的提高，一些水库已具备或即将具备实施洪水预报和实时调度的条件，加之气象预报水平的提高，将大大提高水库预报调度的可靠性，水库防洪调度可以改变固定时间固定汛限水位的调度方式。根据洪水预报成果，预先掌握洪水量级和入库时间，可以提前采取泄洪措施（预泄），腾出必要的库容调节洪水，提高水库对洪水的调节能力，或者抬高汛限水位，增加兴利库容，提高水库重复库容设置率。 三、研究现状与发展趋势 海河流域由于挖掘水资源潜力的需求驱动，近年来曾对岳城、潘家口、密云等水库调整汛限水位、挖掘洪水预报调度潜力进行了典型分析，并已部分付诸实施，取得了较好的实效，是洪水资源化利用方面开拓性的探索。分析结果表明，实施预报调度可产生“三大效益”，即增大可供水量，提高水库的保坝标准，提高水库下游河道的防洪标准。根据初步推算，改变执行多年的固定时间固定汛限水位的调度方式，海河全流域30座大型水库平均每年可增加兴利库容13亿～26亿m3，潜力十分可观。随着水文测报技术的飞跃发展及气象产品的广泛应用，洪水预报水平将会大幅度的提高，洪水预见期还会延长，因此，水库防洪预报调度的潜力还有进一步挖掘的可能。 在洪水季节特性和分期规律方面，过去多是针对大洪水和设计洪水开展研究的，而从资源利用的角度考虑较少，尤其对中小洪水的预报调度缺乏必要的系统研究；在汛限水位调整方面，过去多侧重于调整方式及其蓄水效益和防洪风险的评价，目前尚未形成高新技术平台上兼顾防洪蓄水效益的预报调度技术体系。具体在确定汛限水位的方法方面，为了克服现行方法的弊病，探索合理确定分期汛限水位，近年来尝试了一些新方法，主要分为模糊数学和随机数学的方法。采用模糊数学的方法来描述汛期的不确定性，在满足设计标准下的防洪库容已知时，只要汛期隶属度函数确定后，就可求得水库动态的防洪限制水位过程线。这一方法虽有一定的优点，但在应用中遇到的主要问题是，合理而可靠地确定汛期隶属度函数是非常困难的，另外满足设计标准的防洪库容如何求得也是一个问题。近年来采用随机水文学的思路和方法确定分期汛限水位也有应用，其关键是建立反映洪水变化特性的随机模型。在这方面的研究早已开展，有多种模型可供利用，但洪水随机模型的模拟方法和实用性尚待进一步完善和提高。 水库优化调度是通过建立数学规划模型，得到水库运行的最优用水决策或满意用水决策。目前的发展趋势是在优化调度模型的基础上建立支持实时调度的决策支持系统，实现由非结构化或半结构化问题向结构化问题的转换，实现由水库调度方案向实时运用环境的过渡。 四、研究思路和技术途径 通过海河流域洪水资源化潜力和利用水库分期汛限水位调控洪水资源的实例研究，解决洪水资源安全利用的一系列关键难题，形成集资源评价、合理配置、工程调控以及风险管理于一体的海河流域洪水资源安全利用的理论框架和技术体系。总体目标是通过对变化条件下的洪水资源特性、水利工程功能和运行特征的分析与再评估研究，摸清海河流域可供利用的洪水资源潜力，提出海河流域洪水资源利用模式及合理配置方案；通过利用水库分期汛限水位调控洪水资源的典型实例研究，改进和完善合理调整水库分期汛限水位的分析方法，提出基于预报调度的汛期防洪蓄水实时调度方案，并对水库的蓄水效益和防洪风险进行评价。 在系统科学思维和方法论的指导下，综合运用流域水文学、水文气象学、随机水文学、水资源系统分析、洪水风险分析等理论，采用理论分析、普查评价、规律总结、随机模拟、调度仿真相结合的多种手段，对海河流域洪水资源安全利用进行综合分析研究。研究方式注重点面结合，通过对海河流域面上暴雨洪水发生的季节特性和分期规律的分析以及对流域内30座大型水库功能和运行特性的调查分析，摸清和把握水库防洪蓄水结合的利用潜力、利用条件及其存在问题，提高对洪水资源安全利用的理性认识。再以若干水库为典型，着重对洪水资源安全利用中的若干关键技术问题进行深入研究，突出新思路、新方法和新技术的应用。在此基础上总结和提出一整套全新的兼顾防洪兴利效益的水库调度方式及其与之配套的分析方法，为洪水安全利用在海河流域以及其他江河流域的推广应用提供理论依据和技术支持。 五、洪水资源利用的前提条件和潜力分析 1.洪水资源利用的前提条件 （1）暴雨洪水季节特征和分期规律 为了合理确定防洪限制水位和把握汛末蓄水时机，有必要对暴雨洪水发生的季节特性和分期规律进行深入研究。研究内容主要包括：基于实测水文资料，结合洪水形成天气背景的成因分析和历史洪水的调查考证，对洪水成因、降水类型和降水过程特点以及流域产汇流条件在季节上的差异，年内不同时期洪峰、洪量值及统计特征的差异，年最大洪水（包括历史大洪水）在各季出现的频次以及不同季节洪水过程线的差异进行综合分析；在此基础上，考虑不同季节对防洪安全和分期蓄水的要求，来划定分期洪水的时段，合理地确定水库分期汛限水位。 （2）水库运行的回溯性分析及功能再评估 通过对流域重要水库的综合利用目标、任务、功能、调度方案以及安全状况的普查、汇总和再评价，摸清水库运行现状和运行特性（包括水库蓄满率、防洪兴利库容结合率以及多年弃水情况等），分析防洪兴利库容相结合存在的矛盾和关键问题及其产生的原因和可能后果，系统总结水库运行实践的经验和教训，在此基础上提出水库兼顾防洪和兴利效益、挖掘蓄水潜力的原则和前提条件，以此作为洪水资源安全利用研究的现实依据和基本出发点。 2.洪水资源利用的潜力分析 （1）洪水资源化分析理论及计算方法 通过对海河流域洪水特性、水资源性质的深入剖析，结合典型水库及蓄滞洪区不同水资源调度及洪水调度准则下的调度的结果，对比分析洪水资源化调度的经济效益、环境影响及风险，研究分析洪水资源的内涵，提出洪水资源安全利用的计算理论和计算方法。 （2）洪水资源利用模式及优化配置 基于水资源可持续利用的思想，在充分考虑水资源服务多目标性前提下，利用系统分析理论，针对大中型水利工程及其约束条件，研究洪水资源优化配置及可利用模式，计算流域洪水资源量，评价洪水资源可利用程度。 六、利用水库分期汛限水位调控洪水资源研究 水库汛限水位的拟定是否科学合理，是水库防洪与兴利相结合的主要技术环节。利用暴雨洪水的季节特性和分期规律，制定分期设计洪水，确定分期防洪库容，进行分期蓄水，逐步抬高汛限水位，增加水库重复库容，是实现洪水资源安全利用的重要技术手段。另一方面，随着水文遥测系统建设的不断发展，洪水预报、暴雨径流预报水平的不断提高，水库已经具备开展防洪预报调度的工作条件，这对逐步抬高汛限水位，增加水库重复库容后的安全运行提供了可靠的信息保障。 1.水库分期汛限水位的合理确定 根据前述暴雨洪水发生的季节特征和分期规律研究结果，在水库功能与运行特征的再评估基础上，尝试将整个汛期进行分期，并对各个分期分别拟订分期汛限水位。 （1）分期设计洪水的确定 基于分期设计洪水计算的传统方法和基于汛期洪水随机模拟的新方法，确定分期设计洪水。前者在充分利用多年积累的新资料基础上，着力于对现行方法的改进和完善，重点解决分期设计洪水的统计选样，年最大洪水与分期最大洪水的对比分析，分期最大洪水频率与年最大洪水频率不一致问题等，在此基础上确定分期设计洪水过程。后者把汛期洪水过程作为一个多维的随机变量，在分析其随机变化特性的基础上，运用随机过程理论和时间序列分析方法建立洪水随机模型，通过模型模拟生成出能充分反映前后期洪水变化特性的大量洪水过程（可以较好地反映出水文现象的随机特性），用这些洪水过程来推求分期汛限水位。 （2）汛限水位合理调整方式研究 合理调整汛限水位的方式主要有：①适当提高汛限水位；②根据分期洪水规律，增设不同分期的汛限水位；③允许在汛限水位以上适当的范围内超蓄；④增加不同分期汛限水位之间过渡时段的渐变水位。根据若干典型水库的实际情况，考虑水库的工程质量、上游蓄水限制、下游防洪标准、水库及下游河道泄洪能力、气象水文预报的技术水平等因素，在把握洪水分期规律的基础上，选择不同调整方式的组合方案。 （3）汛限水位的合理确定 以前述典型分期设计洪水过程和随机模拟生成的汛期洪水过程作为输入，针对若干典型水库初步拟定的汛限水位的调整方案，进行各级防洪标准的指标复核，并对因汛限水位调整是否增加洪灾风险做出评价，同时进行长系列蓄水效益计算，得出多年平均的蓄水量及时程分布，在此基础上综合权衡蓄水效益和洪灾风险，以试错和优选的方式确定既满足防洪要求又兼顾蓄水效益的汛限水位。 2.面向洪水资源安全利用的实时调度方式研究 洪水资源安全利用除了上述分期汛限水位的合理确定外，实时调度方式的研究也是其核心内容。 （1）水库实时预报调度方式研究 随着实时水文资料采集系统的改善和发展，特别是现代技术的采用以及水文预报方法的发展，使预报精度不断提高和有效预见期不断增长，在水库调度应用中完全有可能在采用汛限水位的基础上考虑水文预报，并进行预报调度，这是一个更好发挥水库防洪作用和增加兴利效益的重要手段。根据各个水库水文预报站网的现状及预报水平，针对洪水资源安全利用，对短期洪水预报提出的要求，重点研究短期洪水预报与防洪兴利调度方案之间的结合方式，确定不同入库洪水量级的判定方式和标准（如洪峰、峰前洪量、入库流量、库水位等），水库调洪方式（分级泄量控制方式、补偿调节方式等、预报预泄方式等），定量分析洪水预报精度和预见期对不同调度方案的影响，形成水库主汛期的实时预报调度方案。 （2）水库汛末蓄水控制策略的确定 在水库运行调度过程中，由于出现设计标准的暴雨洪水是需要有强大的降雨天气系统配合的，通过气象卫星云图和雷达监测网等，密切监视天气系统的变化趋势，当汛末最后一场洪水的洪峰过后，利用“不可能出现设计洪水”的预报，将后续洪水截留在水库中，这样既可以为供水期多蓄水，又不会危及防洪安全。因此，可以通过分析汛末最后一场洪水的时间分布规律，制定出一套积极稳妥的水库汛末水位控制策略。其研究内容主要包括汛末洪水分布规律与水库蓄水时机的确定，汛末蓄水对水库防洪安全的影响分析，水库汛末水位控制方案的拟订及水库运行综合效益评价等。 （3）水库防洪兴利实时调度方案的研究 在上述研究的基础上，采用大系统解耦理论和系统优化及模拟技术，定量分析防洪兴利调度方式对防洪兴利效益的影响，确定使水库达到防洪兴利最佳效果的调度策略和运用方式。在水库调度方式的研究中，将考虑其上下游水库调洪蓄水的时空差异，相互制约及协调补偿，并对实时调度中的洪水类型及组成的判别、洪水预见期和预报精度、库区蓄水限制、水库及下游河道泄洪能力等因素加以综合考虑，定量分析这些因素与调度方式之间的相互作用及其对库群系统综合效益的影响，并在高新技术的平台上构建兼顾防洪兴利效益的预报调度体系，从而实现调度方案向实时调度环境的过渡。此外，还将结合流域具有代表性的典型洪水，对上述水库的防洪和蓄水作用进行模拟分析，确定实时调度应满足的实施条件，检验调度方案的可操作性。在研究方法上，将针对不同水库的具体情况，选择不同的预报方案和建模手段。 3.水库防洪兴利调度方案的风险和效益评价 提高水库汛限水位和制定水库汛末蓄水控制策略，可充分拦蓄汛期洪水，避免库空，增加蓄水量。但因减少了水库防洪库容，必然会加大洪灾风险，另外也因洪水预报受许多不确定因素的影响，在一定程度上加大了洪灾风险。因此，从洪水资源安全利用的角度，非常有必要对兼顾水库防洪兴利效益的防洪调度风险及其可能产生的后果进行评价，暴露调度方案实施过程中可能遇到的问题，为有效控制风险和妥善处理风险可能产生的后果提供科学依据。 （1）水库防洪兴利调度方案的风险分析 水库防洪兴利调度方案的风险分析采用模拟运行途径，以水库各年汛期流量资料为输入，对现行调度方式和汛限水位调整方式分别采用不同的运行规则进行长系列模拟运行操作，通过统计分析，推求水库防洪兴利调度方案的风险。为了体现汛限水位调整要求防洪设计标准不变的原则，再采用设计洪水的分析途径，以迁赔水位、防洪高水位、大坝正常运用水位、大坝非常运用水位相应的设计频率的洪水为对象，按现行调度方式和汛限水位调整方式分别对各种洪水进行调洪计算，以对比不同调度方式增加的风险损失。在上述分析的基础上对水库汛限水位调整的安全性进行评价。 （2）水库防洪兴利调度方案的效益分析 利用模拟运行分析途径，通过长系列年过程模拟运行的结果来分析计算现行调度方式和汛限水位调整方式的蓄水效益，得出多年平均增加的蓄水量、年内分布、年际分布以及相应保证率。在上述分析的基础上对水库汛限水位调整的蓄水效益作出评价。 七、结束语 （作者胡四一为南京水利科学院副院长、教授级高级工程师；高波为水利部综合事业局副局长、教授级高级工程师；王忠静为清华大学水利水电工程系副教授） 参 考 文 献： 1 王志民等．面向21世纪的海河水利．天津科学技术出版社，2000.1. |