亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究.pdf

该【亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究 】是由【十二官】上传分享，文档一共【8】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。,
2022年8月YangtzeRivesAug.,2022
文章编号:1001-4179(2022)08-0015-08
引用本文:荆柱,朱利明,巴欢欢,[J].人民长江,2022,53(8):15-22.
亭子□水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究
荆柱1!2,朱利明3,巴欢欢1>4,凌洪政3,李肖男1>4,袁玉娇5
(,湖北武汉430010;,湖北武汉
430010;,四川成都610083;,湖北武
汉430010;,四川广元628408)
摘要:亭子口水利枢纽是嘉陵江干流唯一的控制性工程,汛期由于运行水位受限,存在电站机组出力受阻、弃
水较多等问题,其综合效益尚未得到充分发挥&基于预报预泄的原则,结合水文预报水平和洪水传播时间等
因素,提出了亭子口水库主汛期运行水位动态控制策略,明确了动态控制的运用方式和实施条件,并对亭子口
水库汛期运行水位动态控制后的风险和效益进行了分析&结果表明:
-,不仅可以通过预报预泄确保库区及下游的防洪安全,~
kW-h,汛末蓄满率可提高6%左右&研究成果可有效提升亭子口水库洪水资源化利用水平&
关键词:汛期运行水位;动态控制;预报预泄;洪水资源化;亭子口水库
中图法分类号::ADOI:.1001-
解决的问题。
0引言
嘉陵江是长江上游左岸的主要支流,干流全长
水库汛期运行水位的动态控制运用技术是洪水资1120km,亭子口水利枢纽是嘉陵江干流唯一的控制
源化利用的重要手段"在枢纽工程的设计阶段一般不性工程,已批复的《嘉陵江亭子口水利枢纽水库调度
考虑气象水文预报条件,多采用基于统计规律的设计规程》&2](以下简称《调度规程》)并未对亭子口水库汛
洪水成果,按照规划设计要求确定汛限水位固定值或期运行水位动态控制方式进行规定。因此,在实际调
分期汛限水位[1]。该设计理念使水库汛期运行的灵度中为确保流域防洪安全,亭子口水库主汛期运行水
活性受到一定程度的约束,常导致电站汛期出力受阻、位多维持在汛限水位及以下位置,在主汛期存在电站
弃水较多,造成洪水资源的浪费,影响水库的汛后蓄机组出力受阻、调峰能力受限、弃水较多且总体呈上升
水,限制水库综合效益的发挥"而水库汛期运行水位趋势等问题。在长江水利委员会印发的《嘉陵江洪水
作为协调水库运行管理过程中防洪与兴利之间矛盾的调度方案》中,明确提出嘉陵江流域梯级水库群“在确
关键指标,优化其运用方式可有效提升实时调度中枢保防洪安全的前提下,根据防洪形势、气象水文预报,
纽的综合效益"因此,如何在保障防洪安全的前提下,综合考虑水资源、水环境等需求,合理利用洪水资
通过优化水库防洪参数和规则等非工程措施,科学实源”,同时“水库经有调度权限的水行政主管部门批准
施汛期运行水位动态控制运用是水库运行管理中亟须后,可适时开展汛期运行水位动态控制或汛末提前蓄
收稿日期:2022-01-26
基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3200302);中国大唐集团有限公司科研项目(CDT-TZK/SYC[2020]-019);中国
博士后科学基金资助项目(2022M710014)
作者简介:荆柱,男,高级工程师,博士,主要从事水利水电规划设计与水库调度工作&E-mail:******@
通信作者:李肖男,男,高级工程师,博士,主要从事水利水电规划设计与水库调度工作&E-mail:******@
16人民长江2022年
水”。站”)
近年来,随着水文气象预报理论的快速发展和现
代监测体系的不断完善,降雨及洪水预报精度不断提
高,为水库开展汛期运行水位动态控制创造了有利条
件&3'。开展汛期运行水位动态控制的核心是在确保
枢纽自身、水库库区和下游防洪安全的前提下,基于降
雨洪水短中期预报成果和洪水时空变化规律,科学制
定汛期运行水位动态控制方案,在保证防洪安全的前
提下提升汛期洪水资源化利用水平,充分发挥水库的
综合效益&4-
针对汛期运行水位动态控制,国内专家学者开展
了大量的研究,提出了实时预蓄预泄法、综合信息推理
模式法、补偿调度法等多种方法,并成功运用于水库实
际调度中&6宀。刘攀等&9'以三峡水库为例,基于预报
预泄原理推求了三峡水库汛期水位动态控制约束域o
刘招等&10'提出了基于6h预报径流深的防洪预报调
度方式,以安康水库为例展开计算,结果表明该调度方图1嘉陵江流域水库、水文站点概化示意
式不仅较常规调度方式具有更好的调洪效果,也有利Fia,1Schematicdiaaramofreserwirrandhydrolocical
stationsinJialingRiverBasin
于洪水资源的利用。李志鹏等&11'采用预泄能力约束
法,计算了碧口水库汛期水位动态控制的上、下限,结亭子口水库防洪调度采用“固定下泄法”和“补偿
果表明汛期水位动态控制可以有效缓解水库兴利与防调度”相结合的方式。概括如下:
洪的矛盾。部分学者对亭子口水库汛期的调度方式展(1)汛期水库来水小于等于10000m3/s时,库水
开了研究,探讨了汛期运行水位的浮动空间&12-13'。但位原则上按防洪限制水位控制运行。
在调度计算中对库区及下游重要沿江城镇,特别是阆(2)当水库来水介于10000〜18000m3/s时,水
中市的防洪约束考虑尚不全面,对汛期运行水位动态库按10000m3/s控制下泄。
控制的运用方式、下游防洪控制站防洪影响以及发电(3)当水库来水大于等于18000m3/s或南充站
效益增量也有待进一步细化研究。流量大于等于20000m3/s时,采用“补偿调度”方式
本文拟对亭子口水库汛期运行水位动态控制策略运用,控制南充站流量不超过25100m3/s。
展开系统研究,统筹库区及下游不同区域的防洪需求,(4)当嘉陵江中下游未发生洪水而长江中下游发
计算不同来水量级下亭子口水库安全上浮区间及运用生洪水需亭子口水库配合三峡水库防洪时,亭子口水
方式,分析动态控制运用后的防洪影响和兴利效益,旨库根据长江中下游水情的需要,拦蓄进入三峡水库的
在保证防洪安全的前提下提升亭子口水库兴利效益,基流,配合三峡水库完成长江中下游的防洪调度目标。
助力“双碳”战略的实现。(5)当长江和嘉陵江中下游发生特大洪水或有紧
急需要时,可动用亭子口水库预留的全部防洪库容,控
1研究对象
。
亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内,
2汛期运行水位动态控制策略
,,设计
,。水库预留防洪亭子口水库汛期运行水位动态控制的核心是在确
(),电站保枢纽库区及嘉陵江中下游防洪安全的前提下,尽可
装机容量1100MW(4x275MW),机组额定流量能提高洪水资源利用效率和枢纽的综合效益。本文构
1730m3/s。作为长江总体防洪体系的重要组成部建了基于“预报预泄”方式的汛期运行水位动态控制
分,亭子口水库需要同时承担嘉陵江干流防洪以及配模型,统筹嘉陵江中下游多区域防洪风险,对亭子口水
合三峡水库对长江中下游防洪的双重任务&14'(见图库汛期运行水位的浮动空间展开研究。研究基本思路
1)o亭子口水库的主要防护对象为下游的南充市,防为:当预报入库来水较小、下游防洪控制点不需要亭子
洪控制断面为南充市靖江楼水位站(以下简称“南充口水库防洪时,在不增加库区的防洪压力的前提下
第8期荆柱!等:亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究17
(即库区沿程水面线应不超过库区的土地征用线和移
民迁移线),库水位在一定范围内向上浮动运行;当预
报预见期内入库来水或中下游防洪控制点来水将达到
一定量级,水库及时预泄降低库水位,并保证预泄后下
游控制站点南充站、北碚站距警戒水位有一定的裕度,
使水库预泄后尽量不增加下游阆中、合川等防洪薄弱
区域的压力,同时不影响工程防洪作用的发挥。

洪水特性分析是开展亭子口水库汛期运行水位动
态控制的重要基础。挑选亭子口水库1954-2020年
超过3000m3/j的245场洪水进行分析,结果表明:流图3亭子口水库2009-2020年汛期24h定时预报精度
量在3000〜10000m3/j之间的洪水场次共203场,
%,其中又以3000〜6000m3/s之间within24hoursinfloodseasonfrom2009to2020
的洪水场次为主,%,具体结果如图2所示。
北碚站24h定时流量预报精度全部高于90%,48h预
从合理衔接现有调度方式和充分利用常遇洪水的角度
报精度约80%。同时,武胜站及北碚站2016-2020
出发,以亭子口水库10000m3/s量级以内的洪水开展
年90%以上场次洪水的洪峰预报误差均小于1000
汛期运行水位动态控制研究是合适的。
m3/s,洪峰时间预报误差一般小于6h°由于亭子口水
库下泄流量传播至武胜站和北碚站的时间分别约为
32h和40h,因此在亭子口水库汛期运行水位动态控
制时,中下游河段控制站点的预报精度可以满足兼顾
嘉陵江中下游防洪安全的需求。

采用“预报预泄”的方式对亭子口水利枢纽汛期
运行水位进行动态控制,具体运用方式为,当预见期T
内预报入库流量大于启动预泄的预报入库流量Qc时,
水库按照等泄量的方式均匀预泄Qot,在尽量不增加
下游防洪压力的前提下,使库水位在预见期内及时降
至汛限水位。具体计算如下:
图2亭子口水库不同量级洪水占比
Vi二代ZJ(1)

Fe$QotT—$Qcdi(2)
inTingzikouReserveis
$V-Ve(3)
水文预报是开展亭子口水库汛期运行水位动态控D$7(Ve)(4)
式中:Z,为水库可上浮运用的水位,m;Vi为水位D所
制的重要依据。2009-2020年期间,亭子口水库汛期
对应的库容,亿m3;/为水库水位库容曲线;Qc为水库
24h定时预报精度约为70%〜90%,具体如图3所
示。水库入库流量超过3000m3/s的洪峰预报误差平预报入库流量,m3/j;Qcut为水库预泄流量,m3/j;T为
%,%。总体而言,亭子提前预泄的时间;Ve为通过预泄腾空的库容,亿m3;Vy
口水库来水预报精度较高,能够满足基于入库洪水预为水库汛限水位所对应的库容,亿m3;Zy为水库汛限
报进行调度的需求。水位,m。
为确保亭子口水库汛期运行水位动态控制不增加鉴于亭子口水利枢纽汛期24h定时预报精度较
嘉陵江中下游防洪压力,在汛期运行水位向上浮动或高,本研究重点对预见期T为24h进行计算分析。
下泄时,需要兼顾下游南充河段和重庆河段的防洪安基于预泄流量尽量不增加下游防洪压力的原则,考
全。对近年来预报水平进行分析,南充河段武胜站24虑嘉陵江中下游沿江城镇特别是阆中市的防洪现
h和48h的定时流量预报精度均约为80%,重庆河段状&15',本研究预泄期间出库流量QOut按不超过7000
18人民长江2022年
m3/s控制。按照上述原则,依据亭子口水库水位库限水位,不影响后续防洪作用的发挥。以库水位上浮
容曲线,通过式(1)和式(2),在开展汛
同水位后,在24h预见期内将库水位预泄至汛限水期运行水位动态控制后,水库最高调洪水位并未抬高,
,具体结果如表1所在运行过程中不加大库区防洪风险,图4为出库流量
列。及库水位过程

表1预见期内亭子口水库库水位降至汛限水位的增泄流量一…入库流量过程
25000—出库流量过程
—库水位过程-
20000
Reserveicdropstethetood—
theforeccstperiod15000

上浮水位/相应库容/增泄流量/预报未来24h入库出库流量Qou/10000

m亿m3*m3■s-1)流量Qn/(m3•s-1)(m3•s-1)5000
6020
"
o4080120160200跻
5000
"7000时间/h
"3960

",遭遇1981年典型

1830洪水的出库流量及库水位
"7000
"
--toodwhenwaterlevelofthewseweicriseste452-00m
由表1可知,为充分利用常遇洪水且保证上浮
进一步从偏不利角度分析亭子口水库实施汛期
,上
运行水位上浮运用后的库区淹没风险,即在实时预
浮水位不宜超452-00m;当水位上浮至453-00m
报调度中,,完
后,预泄至447-00m所需增泄流量已超过6000
全未预见后续发生的洪水过程,未及时采取措施腾
m3/s,运用的风险相对较高°因此,本研究重点对亭
库预泄产生的风险。由于亭子口水库库区的土地征
。据
—遇设计洪水回水
此设置不同预报流量及上浮水位工况下的计算方
线确定,—
案,如表2所列。
遇设计洪水回水线确定。采用工程初步设计阶段的
表2不同预报流量及上浮水位工况下的计算方案
,1973年和1981年典型年的设计洪水过程,设
*S
上浮水位启动预泄的预报预泄流量Qout预泄历时T/[20%)或20a一遇(S二5%)整体设计洪水的情
方案Lm
流量Q-JSm3•s-1)h
(m3•s-1)景,在调洪计算的基础上,分析对库区土地征用线及

。
—遇和20a—遇洪水条件下,各典型年库

。结果表明:当库水位上浮运用
,遭遇南充5a—遇整体设计洪水后,
3汛期运行水位动态控制影响分析
仍可控制库区水面线不超过土地征用线;遭遇南充站
为深入分析亭子口水库开展汛期运行水位动态控20a—遇整体设计洪水后,仍可控制库区水面线不超
制对水库运用和嘉陵江中下游的影响,在对嘉陵江流过移民迁移线。由此可见,亭子口水库汛期运行水位
域洪水特性及遭遇规律进行分析的基础上,选取动态控制运用基本不影响库区防洪安全。
1956,1973,1981,1989,2010,2018,
地区组成的典型洪水,按照表2中的方案展开计算,分南充站警戒水位为270-80m,保证水位为272-30
析在不同典型洪水条件下开展汛期运行水位动态控制
m,河道安全泄量为25100m3/s。为不改变下游防汛
对亭子口水库库区及下游重要控制站点南充站、北碚
态势,亭子口水库汛期水位向上浮动运行及水库预泄
站的防洪影响。
至汛限水位期间,应确保下游防洪控制站点安全。因
,基于前述不同方案下预报预泄的计算结果,采用调
按照表2设置不同计算方案,采用上述典型洪水度规程研究阶段洪水演进参数,结合不同典型年下游
开展亭子口水库预报预泄计算分析。结果表明:在不区间东河、西河的来水过程,分析不同计算方案对南充
同上浮水位工况下,上浮的库水位均可成功预泄至汛站流量、水位过程的影响。
第8期荆柱!等:亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究19
....土地征用线前,预泄对下游南充站流量增幅也随之变大。依据南
—1956年-入库流量最大时水面线
------1956年-库水位最局时水面线充站水位流量关系,在该流量区间内水位相应抬升值
1973年-入库流量最大时水面线
一1973年-。为不增加南充河段的防洪压力,亭子
1981年-入库流量最大时水面线
1981年-库水位最高时水面线口水库汛期运行水位动态控制应考虑在南充站水位低
。

亭子口水库虽不承担对重庆市的防洪任务,但考
虑到重庆市处于嘉陵江干流下游,且河段存在明显的
距坝距离/km薄弱区域。按照汛期运行水位动态控制运用的原则,
(a)5a—遇设计洪水
(a)5-yeardesignflood对北碚站的防洪影响进行分析。基于前述不同方案下
预报预泄的计算结果,采用调度规程研究阶段的洪水
移民迁移线
1956年-入库流量最大时水面线演进参数,结合不同典型年下游主要支流和区间的来
1956年-库水位最高时水面线
1973年-入库流量最大时水面线水过程,分析不同计算方案对北碚站流量、水位过程的
1973年-库水位最局时水面线
1981年-入库流量最大时水面线影响。相较于亭子口水库未开展汛期运行水位动态控
1981年-库水位最高时水面线制,〜
下,
〜。最大增幅发生在1981年典型洪水
中,%,对北
碚站洪峰流量影响较小。
距坝距离/km
(b)20a—遇设计洪水对不同典型洪水中北碚站流量最大增幅进行统计
(b)20-yeardesignflood(见表4),结果表明对于同一典型年,随着上浮水位的
,预泄后对下游北碚站流量增幅也随之变大。对
20a—遇设计洪水的库区水面线于同一上浮水位,预报预泄后北碚站最大增幅同样发
,
Fia5ThewatersurfacelineofTingzikouReserveirwhenthewater生在2010典型年,依据北碚站水位流量关系,水位相


the5—yearor20—yeardesianfloodofNanchongStation
组成复杂、涨水较快,且河段内合川城区现状防洪能力
亭子口水库在不同典型年中开展汛期运行水位动较低,(东津沱站,黄海高程),
态控制后,相较于未开展动态控制时,〜,该流量相应的北碚站水
,
站洪峰流量仅增大0〜170m3/s,最大洪峰流量为河段尤其是合川城区的防洪安全,亭子口水库汛期运
1981年洪峰24220m3/s,
m3/s,不影响下游防洪安全。同时,计算分析了不同方时开展运用。
案下南充站流量最大增幅(见表3)。表4不同典型洪水中亭子口水库预报预泄对北碚站流量
表3不同典型洪水中亭子口水库预报预泄对南充站最大增幅

—discharaeofTingzikouReserveirin
duetothepre—discharaeofTingzikouReserveirdifferenttypicalfloods
indifferenttypicalfloods上浮水位/流量最大增幅/相应抬升水位/最大增幅所在
方案
方案上浮水位/m流量最大增幅/(m3•i-1)相应抬升水位s|最大增幅所在典型年m(m3■s-1)m典型年





结果表明:在不同上浮水位下,南充站流量最大增
4汛期运行水位动态控制效益分析
幅均发生在2010典型年,且随着上浮水位的抬升,启
动预泄的预报流量逐渐降低,启动预泄的时机相应提根据亭子口水利枢纽年径流频率分析计算成果,
20人民长江2022年
选择来水分别为丰、平、枯的不同水平年为代表,开展
基于典型年日径流的发电效益计算。以汛期5月1日
〜10月30日的径流量进行频率分析计算,采用25%,
50%和75%频率所对应的丰、平、枯典型年,每个频率
选择2个代表年。其中,1963年和1989年为丰水代
表年,1970年和1993年为平水代表年,1979年和1987
年为枯水代表年。按照主汛期水位分级上浮的原则计
算各丰、平、枯代表年在主汛期6月21日〜8月31日
的发电效益(见表5)。计算结果表明:亭子口水库汛
期运行水位动态控制后,〜
・h,・h,平均
改善出力受阻约11d。此外,在不同典型年中,亭子口
水库主汛期开展汛期运行水位动态控制可增加下游航
〜・h。以平水年
1993年为例,亭子口水库主汛期径流调节过程及出力
过程如图6所示。
表5基于典型年日径流资料的主汛期效益计算

onthetypicayannuaydaiyyeunotdata
增发电量/改善出力最高运行动态控制累计上浮库容/
典型年
(亿kW・h)受阻天数/d水位/m运用次数/次亿m3


控制后的径流与出力过程



conteoyotwateeyeeeydueingthemaintyoodpeeiodin1993


预泄至汛限水位。
5讨论表6不同上浮水位方案下考虑10%~30%预报
误差的临界预泄流量
—dCcharveflowconsidering10%~30%
toe-cast-eoeund-edite-ntwateye-yeisingsch-m-s
先进的气象水文预报技术是提升水库洪水资源
不同预报误差下的临界预泄流量/(m3・(t-1)
方案上浮水位/m
化利用水平的先决条件,预报精度与预见期直接影10%15%20%25%30%
响最终的调度成果。

定性,24h定时预报精度约为70%〜85%o为分析


响,分别按照7个典型年入库洪水预报误差为10%,
15%,20%,25%,30%考虑,试算不同上浮水位工况&&入库洪水预报误差不仅可能影响洪水量级的大
,小,还可能影响预泄时间的长短,尤其对实际峰现时间
计算结果如表6所列°结果表明:当预报误差大于较预报峰现时间提前发生的情况,水库可预泄腾库的
20%后,,增加了预泄不及时的风险。为此,采用
,经分析由于启动预泄亭子口水库运行以来2013-2020年实测入库洪水资
的预报流量较高,因而实时调度中可根据预报进一料,按照预泄时间18,12,6h考虑,在不同预报入库流
步提前启动预泄,,计算按照7000m3/s进行预泄的水库安全上浮
险较低,若按预泄流量不超过7000m3/s控制,库水水位上限,计算结果如表7所列。
,略超汛限水位,对后续防洪调度由表7可知,入库洪水预报误差尤其是预泄时间
影响较小。总之,考虑10%-30%的预报误差,对于不足24h对上浮运行水位的影响较为明显。为尽量
典型大洪水基本可在预泄流量7000m3/s以内安全规避预报误差风险,
第8期荆柱,等:亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制策略研究21
时,应加强入库洪水的滚动预报,及时修正预报误差的库区及下游的防洪安全,从动态控制洪水量级的识别、
影响。一旦预报流量触发预泄条件或预报有大洪水发预泄方式和实施条件的判别、防洪影响及发电效益等
生时,及时将库水位预泄至合理区间。此外,应加强对多个方面出发,系统地对亭子口水库汛期运行水位动
气象预报的研究及应用,结合短中期预报,籍此延长有态控制的策略展开研究,主要结论如下:
效预见期,既可保证上浮运用的风险可控,又可及早腾(1)提出了亭子口水库主汛期运行水位动态控制
库避免弃水预泄。同时,在实时调度中,应合理协调与的策略:当未来24h预报亭子口水库入库流量为
上游碧口、宝珠寺水库的蓄泄关系,避免因蓄泄不协调6000,5000,4000,3000,2000m3/s时,水库汛期运
增大亭子口库区河段的淹没风险。,,,
表72013-,,按照7000m3/s进行预泄,可成功
上浮水位上限