水库水位与经济运行暨碧口水库动态控制

水库水位与经济运行 暨碧口水库动态控制编辑：李海洲陈崇彬 2013年6月11日

提纲 • 水库汛限水位的基本知识 • 汛限水位控制的发展过程 • 汛限水位控制的基本理论 • 汛限水位动态控制的基本方法 • 汛限水位动态控制的工作内容 • 碧口水库水位及发电量的关系

708.8 703.3 685.00 704.00 695.00 1.91 697.00 发电防洪拦洪库容消落深度 1. 水库汛限水位的基本知识重叠库容

1. 水库汛限水位的基本知识 • 碧口电站防洪标准按500年一遇洪水设计，相应洪峰流量7630m3/s，洪水位▽703.30m； • 汛期限制水位是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期防洪运用时的起调水位，碧口主汛期汛限水位设定为695.00m。 • 汛期限制水位是协调防洪和兴利关系的关键，对工程的防洪、灌溉、发电、引水、通航及水库淹没指标等均有直接影响。 • 汛期限制水位是防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位等的调洪计算的依据。

2. 水库汛限水位控制要求 碧口水库汛期为5月1日至9月30日，其中6月15日至9月30日为主汛期，汛限水位695m；5月1日至6月14日为次汛期，限制水位为697m，此期间如遇特殊天气，可根据河流来水及预报情况，提前将库水位降至主汛期汛限水位695m。主汛期汛限水位695m，相应库容5023万m3，次汛期汛限水位697m，相应库容7000万m3。 • 可减少专用防洪库容，降低设计投资； • 可提高防洪标准； • 可提高兴利库容蓄满率和设计洪水保证率； • 可增加洪水资源的利用量。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 （1）全汛期汛限水位按照单一值控制新中国成立初期，一批大型水库建成，但由于全汛期洪水资料样本容量小，加上当时的人口少，经济不发达，用水水平低，污染较轻，水的供需矛盾不突出。因此，全汛期都是设计一个固定的汛期限制水位值。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 （2）汛限水位分期与实时预蓄预泄控制 20世纪50年代末开始，我国许多大型有调节性能的水库，为防止汛期弃水，汛后尽量蓄到正常蓄水位，防止洪水与水能资源的浪费，逐步采用“汛期分期设计运用多值汛限水位”，将全汛期划分为两期、三期、五期，甚至一日一个汛水位值，按照时序变化控制汛限水位控制值，从一定程度上提高了水资源和水能资源的利用率。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 分期设置汛限水位是依据历史水文气象资料，在历史重演的假定下，依据数理统计原理设计汛限水位，按照法定要求控制水库，并没有考虑在实时调度中利用实测资料或预报的水文气象信息。即使面临时刻晴空万里，也要控制汛限水位值不超过设计的定期定值，以时刻防止遭遇下游防洪标准或水库设计标准洪水。所以对全汛期或主汛期只发生一两次较大洪水的水库而言，往往主汛期抓不住时机蓄水，即便后汛期设计汛限水位允许抬高，也无水可蓄。实时预蓄预泄动态控制是利用洪水退水余量超蓄，但为防洪安全，在下次洪水起长前必须降回批复的定期汛限水位值。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 • 1957年，松花江流域大洪水后，丰满水库汛限水位采用分三期控制 • 1963～1965年，《水文分析与计算》、《水工建筑物设计洪水规范草案》、《工程水文学》论述了分期设计洪水的概念、原则和方法。 • 1977年，《水库控制运用》系统论述汛期分期、短期洪水预报和利用洪水退水规律抬高汛限水位等思想。 • 1979年，汛期分期及分期法确定汛限水位写入规范； • 1987年，《综合利用水库调度》完善了汛限水位动态控制的预蓄预泄方法。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 （3）水库汛期分期的气象成因与不确定性分析的汛限水位变化曲线 • 1984年，《水位计算经验汇编》第四集中，从气象的成因角度论述了岳城水库汛期分期方法； • 1987年，陈守煜等在《水利水文水资源与环境模糊集分析》论文集中，提出了汛期的模糊集分析法。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 （4）预报调度方式确定汛限水位的研究与应用 • 1988年，辽宁大伙房水库联合大连理工大学研究了“应用降雨二级分辩预报、洪水总量预报信息的预报调度方式” ，防洪效益近5亿元，可将沈阳和抚顺两个市的防洪标准提高到300年和100年，汛限水位由126.4 米提高到127.8米，年评价增加供应用水4300万方。 • 1993～1996年，国家防总组织专家力量深入研究。

2. 水库汛限水位控制的发展回顾 （5）水库防洪实时预报调度方法与水库汛限水位动态控制方法的研究 • 1996年，国家防总联合大连理工大学出版《水库防洪预报调度方法及应用》，正式提出动态控制的概念； • 1998～2001年，大连理工大学水文与水资源所完成“辽宁省大型水库特大洪水实时预报调度方法研究”； • 2001～2004年，应国家防总要求，大连理工大学进行“水库汛限制水位动态控制的专题研究”； • 2004年通过国家验收，鉴定委员会认为该研究在降雨预报信息、洪水预报心情用于汛限水位动态控制方面取得了重大突破，达到国际先进水平。

3. 水库汛限水位控制的基本理论 按照设计与运用所依据的信息类型和实时控制的理念与原则，汛限水位控制基本理论分为两大类。汛限水位静态控制——依据历史资料设计出汛限水位固定值，且要求实时运用中严格按照设计值控制。汛限水位动态控制——依据不同信息与方法设计出汛限水位域值，且运用中允许根据实时水、雨、工情及可利用的预报等综合信息，在此域值内上下浮动。

3. 水库汛限水位控制的基本理论 汛限水位静态控制法是基于传统的设计思想与理念，严格按照防洪设计或汛期设计阶段确定的汛限水位及相应防洪调度方式运行，要求时刻防止小概率洪水事件的发生。 • 设计标准的洪水随时可能发生，且机会均等； • 面临时刻发生的洪水不是全年最大洪水； • 汛期限制水位制约着防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位。

3. 水库汛限水位控制的基本理论 首先根据历年实测洪水（暴雨）资料及历史特大洪水（或暴雨）资料，采用年最大取样法形成洪水系列，基于随即特性以及数理统计原理计算出不同典型的设计频率洪水过程。然后，设计不同的汛限水位方案与调洪规则方案，计算相应方案的防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位、坝顶高程等防洪经济效益指标等。最后，通过综合分析选定汛限水位及其相应的防洪运用方式与规则。水库运行期间应按照规范设计的汛限水位及其规则进行调度。

（1）“全汛期运用单一值”法（现行规范法）（1）“全汛期运用单一值”法（现行规范法）依据历史洪水资料及其随机性假定，用统计学方法推求全汛期设计洪水，用不考虑预报的调洪方式调节计算得出汛期限制水位，运行中严格按照此值及相应的调洪方式控制，整个汛期采用一个汛限水位控制值。 3. 水库汛限水位控制的基本理论

3. 水库汛限水位控制的基本理论 （2）“汛期分期运用不同值”法（现行规范法）依据汛期不同时段的洪水特征的明显差别与规律，基于成因与统计分析确定汛期分期，各分期仍用上述的计算方法求得相应的限制水位，运行中严格按照分期设计值及相应的调洪方式控制。本方法也是现行的规范设计，通常将汛期限制水位分二~三期。碧口水库按季节将汛期限制水位分为次汛期4.15-6.15、主汛期6.16-9.15

静态控制 3. 水库汛限水位控制的基本理论（3）“逐日或旬运用相应值”法基于汛期的模糊描述或暴雨量级升降连续变化的统计规律，应用滑动平均法或按照汛期的隶属程度预留防洪库容，并换算出逐日或旬控制的汛限水位值，即水位以日或者旬进行变化。尽管这种方法设计的汛限水位值随时间变动，但是面临时刻控制的值仍是设计是给定，运行方式与原设计相同，但可认作是动态控制的雏形。

3. 水库汛限水位控制的基本理论 静态控制（4）“预报调度方式抬高汛限水位”法设计洪水仍采用上述方法推求，但调洪方式考虑了洪水预报信息，根据预报洪水提前判断发生洪水的量级，需要的防洪库容可减少，可提前预泄洪，因此可抬高汛限水位。对于运行多年且洪水预报精度较高、预见期较长的水库，在设计洪水及其特征值复核是，可用本方法。

高于原设计汛限水位的目的是充分利用洪水资源，且不降低原设计标准。高于原设计汛限水位的目的是充分利用洪水资源，且不降低原设计标准。 3. 水库汛限水位控制的基本理论动态控制从不可能发生事件出发，综合利用现代科学技术提供的一切有用信息（如实时的水、雨、工情，水文气象预报的水、雨情及卫星云图与测雨雷达等），并采用弥补措施预防预报的小概率误差与稀遇洪水事件发生，安全经济地确定一个允许的汛限水位值动态控制域，并在此域值范围内对汛限水位实施动态控制。属于实时预报风险调度范畴。低于原设计汛限水位的目的是提高水库及其上下有原设计的防洪标准，且不降低原设计洪水保证率。将未来一段时期的汛限水位控制在原设计汛限水位上下的一个约束范围区域内

3. 水库汛限水位控制的基本理论 动态控制实施预报过程中，可以根据洪水预报信息、无雨或中雨以下量级降雨预报信息，将水库水位控制在汛限水位动态控制区域的上限，可在满足原设计防洪安全要求的前提下，提高洪水与水能资源的利用率。也可以根据中到大雨以上量级降雨预报信息及实际预报的洪水信息，将库水位控制在汛限水位动态控制区域的下限，可在保证兴利蓄水的前提下，提高水库的防洪能力。

动态控制法 汛限水位动态控制法的理念是，全汛期以不可能事件作为汛限水位控制的主体，采用弥补措施防止小概率预报误差或稀遇洪水事件的发生，且不增加水库设计的防洪安全与兴利供水风险，其实质承认以下基本假定： • 设计标准洪水是预报无雨或小雨条件下的不可能事件；(P5) • 设计标准洪水是中雨或以上量级降雨预报漏报条件下的可能事件； • 若洪水起张时的水位值不超过动态控制区域的上限，则不增加原设计的防洪风险；若不低于动态控制区域的下限，则不降低原设计的供水保证率。

4. 汛限水位动态控制研究的基本方法 水库在实时调度中的“汛限水位动态控制法”，是指在设计的汛限水位允许控制的上下限域值内，根据水库流域的天气预报信息（包括短期和中期趋势预报）、降雨径流预报信息、面临时刻水情信息、工情和灾情信息，在满足水库蓄水、水库泄水能力和防洪兴利要求的前提下，确定预见期内动态控制汛限水位具体数值的方法。

4. 汛限水位动态控制的基本方法 目前已有的和新近研究的汛限水位动态控制方法主要有：“预蓄预泄”法、综合信息推理模式法、耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法和综合信息汛限水位动态控制值推理决策表等4种方法，不同方法所涉及的关键因子各有差异，应根据各水库的具体特点选择适宜的汛限水位动态控制方法。

4.1预蓄预泄法 这是一种基于水库泄流能力，考虑洪水或降雨预报信息的汛限水位动态控制方法。基本思想：（1）当预报无雨时，在有效预见期内，水库有多大的泄流能力，就将汛限水位上浮多少，且留有余地，保证在下次洪水起涨前降至原设计汛限水位值，目的是提高洪水资源的利用率；（2）当预报有较大降雨或已开始降雨，可根据有效预见期内退水过程余富水量，下调汛限水位，亦留一点的余地，当发生空报现象，利用退水余量将库水位回升到原设计汛限水位值，亦称预泄回充法，目的是提高防洪能力。

4.1预蓄预泄法 关键因子：预蓄预泄法的安全性与洪水资源利用率主要取决于洪水或降雨预报的精度、有效预见期与水库的泄流能力等。效益分析：应用预蓄预泄法或预泄回充法所获得的效益，将随着中期降雨预报精度的提高与利用而加大。

4.1预蓄预泄法 使用条件：当洪水预报精度高、有效预见期长且水库泄流能力大时，可以选择考虑洪水预报信息的预蓄预泄法或预泄回充法。如洪水预报的有效预见期短，经分析某种预见期的某一降雨量级降雨预报信息达到可利用标准，则可选这种降雨预报信息的预蓄预泄法或预泄回充法；若仍有许多洪水资源可利用，可选用洪水预报、降雨预报两种信息的预蓄预泄法或预泄回充法。

4.2综合信息推理模式法 这是一种考虑洪水与降雨预报、实时水雨工情等综合信息的汛限水位动态控制法。基本思想：在分析影响汛限水位控制的各种因子的基础上，把调度人员的多年的调度经验和调度方式及其规则加以归纳，归纳出一个汛限水位、泄流量的控制规则集，依据此规则集转换为推理模式（称“大前提”）。水库实时调度时，便可根据面临时刻的综合信息（称“小前提”），通过推理方法，给出满意的汛限水位控制方案，以此指导水库蓄或泄。

4.2综合信息推理模式法 关键因子：它的关键因子有洪水与降雨预报信息、实时水雨工情、历次发生的洪水统计成果及调度人员与决策者的多年控制经验等。使用条件：若水库已运行多年且积累了丰富的防洪与兴利调度经验，洪水预报精度高，区域降雨预报信息可利用，则可试用本方法。

4.3耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法4.3耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法基本思想：是将综合信息推理模式的交互决策子系统与水库现行的防洪实时预报调度系统融为一体的方法。随着时序变化及综合信息的更新，重复优选与更新汛限水位控制决策方案。关键因子：这种方法的关键因子就是两个系统关键因子的集合，其中防洪实时预报调度系统的关键因子是遥测的降雨信息，它是洪水过程预报的依据，因此它的精确、稳定传递是整个耦合系统正常运行的基础。

4.3耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法4.3耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法使用条件：凡是已建成水库防洪实时预报调度系统且运行可靠、稳定，预报精度高，并已归纳出运行多年的综合信息推理模式的水库，可选用这一方法。

4.4综合信息汛限水位动态控制决策支持表 基本思想：是一种方便于调度技术人员和决策人的快速查算实时动态控制汛限水位方案的方法。手中持一表，即可根据面临时刻的综合信息，选择面临时刻允许控制的汛限水位值及控制的泄流量。输入的是特征的离散点数据，是上述方法计算结果的集成。关键因子和使用条件：决策表没有其独特的关键因子，它作为宏观决策的一个工具，各水库都可使用。

4. 5汛限水位动态控制的方法比较 预蓄预泄法关键：预报精度、有效预见期、泄流能力、入库流量、供水综合信息推理模式法关键：洪水降雨预报、实时水雨工情、运行多年、历史洪水、预报精度高，经验丰富耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法关键：洪水预报精度高，运行稳定、综合信息推理模式法综合信息汛限水位动态控制决策支持表表，操作简单，便于应用预蓄预泄法

4. 6 汛限水位动态控制的条件与时机 汛限水位动态控制的条件：水库具备实施汛限水位动态控制的水雨工情及气象条件，包括库水位及涨落趋势、入库流量及变化趋势、泄流量与闸门控制能力、实际雨情与预报雨情信息等。汛限水位动态控制的时机：具备水库汛限水位动态控制方案实施条件的起始与结束时间。各水库由于调节性能、洪水特性不同，需分析出各自不同的汛限水位动态控制条件及最适宜时间。

4. 7 碧口水库汛限水位动态控制 当入库流量小于20年一遇洪水流量4310m3/s时,电站满负荷发电，尽量保持出、入库流量平衡，库水位不超过697m；若入库洪水含沙量较大时，及时调整泄洪方式降低水位，开启排沙泄洪洞“异重流”排沙泄洪；若入库洪水流量大于出库流量，库水位有上涨趋势时，适时依次开启泄洪建筑物泄洪，同时注意下泄流量对下游河道安全的影响。

通常“洪水总量”是汛限水位动态控制的必要条件，简称“洪水总量控制”条件：当库水位处于汛限水位动态控制域内，泄流开始大于入流且闸门具有控制能力，便具有汛限水位动态控制的充分必要条件。从防洪安全角度，实施“汛限水位动态控制”的时间，不应该在“一边降雨一边涨洪”的库水位上升时期，基于大量调洪计算的统计规律，水库最高水位出现在峰后的某一时段，所以汛限水位动态控制的充分必要条件发生的最适宜时间一般在本次洪水的退水阶段，即本次洪水的库水位开始下降到下次暴雨洪水起涨前时期。这一时期越长汛限水位动态控制的效益越大。 4. 8 汛限水位动态控制的条件与时机

4. 9碧口水库水位、库容、泄量关系曲线

(1)水库状况分析； (2)汛限水位动态控制的必要性和可行性研究； (3)汛期分期、分期设计洪水及分期汛限水位确定； (4)降水预报、洪水预报成果可利用性分析； (5)水库汛限水位动态控制范围值确定； (6)水库汛限水位动态控制方法研究与选定； (7)水库汛限水位动态控制风险、效益分析。 5.汛限水位动态控制研究的主要内容

必要性和可行性分析是汛限水位动态控制的重要环节之一，因为对汛期限制水位进行动态控制，本身存在一定的风险，而且需要国家防总的批准，如果不需要进行动态控制就能够满足社会生产各方面需求，那自然没必要进行动态控制；同时，在满足必要性的基础上，还要分析区域的降雨产品、预报产品等是否能够满足动态控制的要求。必要性和可行性分析

必要性和可行性分析的主要内容 • 水库基本状况分析 • 主要分析水库工程现状、上下游河道防洪能力、上下游防洪要求，分析水库管理机构、技术力量和管理水平，分析水库水雨情测报、洪水预报调度、通讯等系统建设运行情况，分析设计洪水及汛限水位复核情况，分析水库降雨、洪水预报和实时调度水平等。 • 汛期分期、分期设计洪水及分期汛限水位设计与运用情况分析 • 依据水库控制流域及其附近地区的长系列日降水量资料和长系列旬平均降水量资料，水库控制流域暴雨洪水的时程变化统计规律，水库控制流域所在气候区暴雨形成的气候特征和环流背景以及典型暴雨洪水（包括气候成因、降雨特性和洪水特性）资料，研究确定汛期分期方案，并进行分期设计洪水计算，确定分期汛限水位。最后对分期设计洪水及分期汛限水位设计作合理性分析。

水库所在地区和流域自然、经济、社会及水资源与水能供需情况分析水库所在地区和流域自然、经济、社会及水资源与水能供需情况分析主要分析水库相关区域社会经济发展对水资源、水能供给及防洪保护要求，分析水库水资源供给和水能出力现状，分析水库汛期分期控制以来来水、弃水及洪水资源利用情况，定量分析尚有洪水水资源（或水能资源）的利用潜力。洪水预报成果、降水预报信息可利用性分析这是汛限水位动态控制方法可行的关键。主要分析洪水预报精度、确定其误差分布规律等，研究提出预报误差的弥补措施。分析区域性降雨预报产品可利用水平、确定降雨预报的实际降水概率分布规律及预报误差的弥补措施。评价水库实时降雨自动遥测、洪水预报调度系统运行的稳定性和可靠性，最后综合分析降水预报、洪水预报成果的可利用性。必要性和可行性分析的主要内容

利用降雨预报信息的可行性 降雨预报信息应用于实时预报调度的基本条件分析台汛期“未来降雨多大？”，气象部门不能提供“未来降雨多大”的准确量值预报信息。目前的降雨量预报水平能否应用，需要结合水库调度情况作具体研究。不同设计频率洪水折合可抗御降雨量，可归纳出降雨预报信息可应用于实时预报调度的基本条件。

用利雨降报预息信的性行可 • 具有下游防洪任务的水库 • 若气象部门降雨漏报后发生降雨量小于水库下游防洪标准可抗御降雨能力，则气象部门降雨信息可以利用，且无风险。 • 从水库工程安全出发 • 若气象部门降雨漏报后发生降雨量小于水库校核标准洪水可抗御降雨能力，则气象部门降雨信息可以利用，且无风险。

利用降雨预报信息的可行性 降雨预报信息应用于“汛限水位动态控制”的可行性分析降雨预报信息应用于“汛限水位动态控制”的关键时期分析台汛期水库从最高水位（高于兴利蓄水位）下降时期，是利用降雨预报信息“动态控制汛限水位”的关键时期。

汛限水位允许动态控制域的确定 汛限水位动态控制，及汛期限制水位是可变的，是运动的，那么汛限水位是否可随意活动？是否可低至在死水位？是否可高至设计洪水位，甚至校核洪水位？很显然，过低影响发电或者公署效益；过高可能带来极高的防洪风险，这两者都不是科学的汛限水位动态控制方法。对水库进行汛限水位动态控制的前提之一，就是要确定水库汛限水位动态控制的约束域，使得洪水的起调水位始终落在这个范围内。

汛限水位动态控制约束域确定的方法 “汛限水位动态控制域”的确定主要是调度规划设计阶段的任务。确定它的方法，通常从工程措施和非工程措施两方面考虑。工程措施可采用安全经济论证后的防浪墙与粘土心墙无缝连接措施、坝顶带帽或防回水淹没围堤等。非工程措施，国内曾研究应用预泄能力约束法，即有效预见期内预泄能力计算的预蓄水位作为动态控制汛限水位上限；预报调度方式及其规则确定方法；国内外还曾采用梯级水库的防洪库容补偿法，即补偿水库有多少余富防洪库容，则被补偿水库可留有余地的占用部分防洪库容;还包括包线法等

汛限水位动态控制效益分析 动态控制汛限水位方案效益计算的目的是为决策方案提供重要依据。选择的动态控制汛限水位方案的效益，是通过减少弃水，充分利用洪水资源或抬高水电站运行水头增加库蓄和不蓄电能获得的，对应原设计方式而言，这些效益是冒风险换来的。当然，若改变调度方式，可能不增加原设计风险。效益可用增加供水量或电能量描述，亦可用经济或社会效益指标表示。如何计算其效益是方法问题。同一个动态控制汛限水位方案不同方法计算出来的效益是不同的，因此，通过比较选择一个合理且符合实际的效益计算方法，对于抉择动态控制汛限水位方案，既具有理论价值又具有实际意义。

5.展望 水库汛限水位由静态控制发展为动态控制，是社会发展与科学进步的必然产物。从客观需要与可能性的角度分析，随着国民经济发展对水资源需求的增长，水的供需矛盾的发展，客观上对水库的防洪安全与供水保障提出了更高的要求；随着水位气象预报科学理论的发展，现代观测与监视系统工程的建设，洪水预报及降雨预报精度的进展，将为动态控制水库汛限水位，科学合理地利用水库防洪与发电“重复”库容，提高水资源的利用率，解决我国水资源供需矛盾提供可能性。

6.展望 • 对水库进行科学调度以增加供水量这种非工程措施，成本低，易于操作，是增加水库供水量的有效方法； • 水库汛限水位动态控制是为了增加水库利用率而产生的方法； • 北方和中原部分地区水库已经采用该方法，效益明显。 7.碧口水库水位及发电量的关系

碧口水库运行特点分析1

水库水位与经济运行 暨碧口水库动态控制