黃河龍羊峽至劉家峽區間主要梯級水庫洪水調度研究

宋偉華 沈延青 趙夢龍 張毅 馬蒞茗 仝海杰

關鍵詞：梯級水庫；防洪調度；龍羊峽至劉家峽區間；黃河

０引言

目前黃河上游防洪任務主要通過龍羊峽、劉家峽水庫聯合調度完成，當前龍羊峽、劉家峽水庫在承擔設計防洪任務的同時，還兼顧上游河段中小洪水防洪任務［１］。

隨著水庫下游河道防洪工程的不斷完善，黃河上游河段安全過洪能力逐步提高，但仍存在防洪薄弱環節：據２０２０年黃河水工程防洪能力排查，甘肅省劉家峽水庫下游永靖縣城局部河段安全過洪流量僅為３１００ｍ３／ｓ，遠低于１０ａ一遇設防流量４２９０ｍ３／ｓ；黃河上游干流青甘寧蒙四?。▍^）防洪河段長達數百千米，近３ａ洪水期間上游河段漫灘、出險較多，內蒙古河段河道主河槽過洪能力雖有所恢復，但與２０世紀８０年代以前相比還有很大差距，黃河灘區尚有約０．８萬居民和大量土地，洪水漫灘后損失較大；蘭州以上干支流已建水電站尚未納入防洪調度體系，洪水期水電站的無序泄水給水庫調度帶來一定壓力［２］。

隨著龍羊峽、劉家峽水庫按設計汛限水位運用，兼顧黃河上游中小洪水的防洪能力相應減弱。為擴展調度空間、應對新的防洪形勢、增強防洪主動性，需充分挖掘梯級水庫群的防洪潛力，完善黃河上游防洪調度體系，早日實現黃河上游干支流主要梯級水庫群防洪統一調度，有效緩解黃河上游的防洪壓力，提高上游梯級水庫群綜合效益，開展黃河龍羊峽至劉家峽區間（簡稱“龍劉區間”）主要梯級水庫洪水優化調度研究是非常必要的。

１研究方法與數據

１．１龍劉區間主要梯級水庫及參與防洪運用的原則

黃河上游龍劉區間梯級水庫共有１３座，除防洪骨干水庫龍羊峽、劉家峽水庫外，總庫容大于２億ｍ３的有拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽水庫。以龍羊峽、劉家峽水庫按現狀方式運用為基礎，確定這４座梯級水庫作為防洪優化調度研究對象。黃河上游龍劉區間梯級水庫示意見圖１。

除龍羊峽、劉家峽水庫外，各水庫的開發任務主要為發電，不承擔下游防洪任務，按電網調峰、調頻需求進行日內調節。白天當光伏或風電承擔電網負荷時，水電減少出力，儲備水能。到電網負荷高峰時段，水電站利用存蓄水能調峰發電。防洪調度期間按入庫、出庫平衡運用，來水流量大于起調水位對應泄流能力時按敞泄運用。各電站最大發電流量在１４５０～２２８０ｍ３／ｓ之間，黃河上游洪水編號標準為唐乃亥水文站流量達到２５００ｍ３／ｓ，也就是說當電站上游發生編號洪水時，入庫流量大于電站滿發電流量，此時水庫不需要日內調節庫容進行儲能，根據各水庫特征水位及汛期實際運用情況（見表１），一般情況下可挖潛水庫汛期實際運用下限水位與汛期限制水位之間的庫容用于防洪調度，４座水庫可挖潛庫容為２．２８億～２．５８億ｍ３。

４座梯級水庫參與防洪運用的原則是通過預泄充分挖掘梯級水庫防洪潛力，分擔龍羊峽、劉家峽水庫兼顧中小洪水下游河道防洪安全的部分任務，期間不影響梯級水庫自身防洪安全，并盡量減輕對水庫自身發電的影響。

１．２梯級水庫主要運用指標分析

１．２．１兼顧下游河道防洪安全指標

龍羊峽、劉家峽水庫兼顧下游河道防洪安全控制指標與水庫防洪能力及水庫下游河道的過流能力直接相關。

在龍羊峽水庫未按設計汛限水位運用之前，利用水庫汛限水位與設計汛限水位之間庫容兼顧下游河道防洪安全。龍羊峽水庫汛限水位為２５８８ｍ時，劉家峽水庫兼顧下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出庫流量為２５００ｍ３／ｓ［３］；龍羊峽水庫汛限水位提高至２５９２ｍ時，劉家峽水庫兼顧下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出庫流量為３５００ｍ３／ｓ［４］；龍羊峽水庫按設計汛限水位運用后，劉家峽水庫兼顧下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的最大出庫流量為３７００ｍ３／ｓ［５－６］。

２０１８—２０２０年，黃河上游連續３ａ發生５～１０ａ一遇洪水，實際防洪運用中，劉家峽水庫最大出庫流量３２８０ｍ３／ｓ（２０１９年）。

綜合預案中兼顧下游河道防洪安全的水庫下泄流量變化、下游河道過洪情況、實際運用中水庫下泄流量情況，本次研究方案兼顧下游河道１０ａ一遇洪水防洪安全的下泄流量Ｑｋ１０％按３２００～３７００ｍ３／ｓ考慮。

１．２．２預泄及攔洪運用時機

確定梯級水庫參與防洪調度的時機，并對各水庫的蓄洪、泄洪次序做出決策，是梯級水庫群防洪調度的主要內容。對于龍劉區間梯級水庫來說，進入防洪運用的時機，除了上游來水條件外，還需要視龍羊峽、劉家峽水庫的運行狀態而定。

龍羊峽水庫為多年調節水庫，一般情況下汛初水位低于汛限水位，當水位低于汛限水位時，若上游發生較大流量過程，龍羊峽水庫將合理攔蓄洪水，下泄流量以發電要求為主；當水位接近或達到汛限水位時，水庫將加大下泄流量，轉為防洪運用。龍羊峽水庫加大下泄流量時，如果劉家峽水庫水位仍低于汛限水位，劉家峽水庫會合理攔蓄洪水，下泄流量以發電要求為主，就是將龍羊峽水庫加大流量的下泄水量攔蓄在劉家峽水庫；如果劉家峽水庫水位也接近汛限水位，水庫將加大下泄流量，轉為防洪運用，若入庫洪水小于１０ａ一遇，則按Ｑｋ１０％下泄。

龍羊峽、劉家峽水庫及區間各水庫共同完成兼顧１０ａ一遇中小洪水的防洪任務，區間水庫的防洪庫容需通過預泄挖潛，從盡量減少對水庫興利效益影響的角度，水庫只需要在洪水到來前預泄到既定水位即可。目前上游洪水預見期為７ｄ，即水庫可以有７ｄ的預泄時間。要使梯級水庫的預泄水量能向下排至劉家峽水庫以下，而不至于蓄至劉家峽水庫造成庫容轉移的無效預泄，預泄時需要滿足兩個條件：一是劉家峽水庫水位接近或者達到汛限水位，二是水庫預泄流量與該水庫至劉家峽水庫區間加水流量之和不能大于Ｑｋ１０％，即需在預報劉家峽水庫來水流量小于Ｑｋ１０％時進行預泄。

１．２．３參與防洪的泄、蓄次序

本次研究涉及拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽４座水庫，結合區間洪水預報及發電影響兩個方面確定其預泄及攔洪運用順序。

從水文預報方面考慮：龍劉區間洪水主要來源于積石峽水庫以下大夏河、洮河等支流，區間梯級水庫參與防洪運用主要是控制劉家峽入庫流量不超安全下泄流量?？紤]區間洪水預報的不確定性，為避免區間突發洪水造成的洪峰疊加，預泄時應先安排距離支流匯入口較近的積石峽水庫，再按順序依次安排上游水庫預泄。下游水庫距離劉家峽入庫安全流量控制斷面較近，攔洪階段上游水庫先運用、下游水庫后運用，有利于精準控制劉家峽入庫流量。

從發電影響方面考慮：４座梯級水庫中拉西瓦裝機容量最大，達到４２００ＭＷ，李家峽、公伯峽、積石峽裝機容量依次減小。裝機容量越大，降低水位對發電量影響也越大，因此預泄時自下而上，即積石峽先預泄、拉西瓦最后預泄，攔洪時自上而下，即拉西瓦最先攔洪、積石峽最后攔洪，可使裝機容量大的水庫降水位運用的時間短、裝機容量小的水庫降水位運用的時間長，對梯級水庫發電影響最小。

綜合以上兩方面因素，本研究在預泄階段按積石峽、公伯峽、李家峽、拉西瓦自下而上的順序運用，攔洪階段按拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽自上而下的順序運用。

１．２．４預泄方式

梯級水庫可預泄時長主要取決于洪水預報水平，對唐乃亥站、龍劉區間、劉蘭區間２０１５—２０１９年汛期日均流量預報成果進行精度評定認為，黃河上游洪水預報水平逐步提高，唐乃亥以上預報成果精度高于龍劉區間、劉蘭區間。唐乃亥站汛期１～７ｄ日均流量預報精度在７０％以上，為乙級；龍劉區間汛期１～４ｄ日均流量預報合格率在７０％以上，為乙級，可用于正式發布，５～７ｄ日均流量預報合格率在６０％以上，可用于參考性預報。

根據對目前洪水預報成果的利用程度，擬定以下３種預泄方式。

方式一為７ｄ預報一級預泄：預報第７日劉家峽入庫流量達到Ｑｋ１０％開始預泄，第１到６日預泄凈流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ劉入（下標ｉ表示第ｉ日）。

方式二為４ｄ預報一級預泄：預報第４日劉家峽入庫流量達到Ｑｋ１０％開始預泄，第１到３日預泄凈流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ劉入。

方式三為４ｄ預報＋３ｄ預估兩級預泄：預報第７日劉家峽入庫流量達到Ｑｋ１０％開始預泄，第１到３日預泄凈流量ΔＱｉ＝Ｑ４劉入－Ｑｉ劉入，第４到６日預泄凈流量ΔＱｉ＝Ｑｋ１０％－Ｑｉ劉入。

１．３梯級水庫群聯合防洪調度模型

結合黃河上游防洪形勢和洪水調度實際，設置不同水庫、不同水位組合的洪水調度方案，構建包含單庫及梯級水庫群的洪水調度模型，考慮防洪、發電等調度目標，在庫水位、出庫流量、發電流量、出力等約束條件下，基于水量平衡原理，求解洪水調度方案。

１．３．１數學描述

根據黃河上游地區特點，結合現有的科學技術手段，將黃河上游復雜的梯級水庫群實際調度問題抽象描述為可以求解的數學模型，構建黃河上游梯級水庫群聯合防洪調度模型，從而將實際問題概化處理。

選?。矗担鋱龃魏樗叨?，根據黃河上游龍頭水庫龍羊峽水庫設計入庫流量和各區間流量過程，以及龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽、劉家峽６座梯級水庫的始、末控制水位，全面考慮各方面約束條件，確定梯級水庫的蓄水位變化過程或出庫流量過程，滿足黃河上游防洪調度的各目標要求。

１．３．２調度目標

黃河上游汛期防洪調度主要考慮防洪和發電兩個調度目標。防洪目標是指調度過程中發生設計防洪標準內洪水時要保證大壩自身安全、下游重要控制斷面防洪安全、重點城市防洪安全等，發生超標準洪水時要將不可避免的洪災損失降至最低；發電目標是指黃河上游梯級水電站發電量和發電過程盡可能優。汛期調度需要“電調”服從“防洪調度”，即把防洪保安全作為調度的重點關注對象，同時兼顧上游梯級水電站的發電要求。

１．３．３約束條件

模型的主要約束條件有水庫水量平衡約束、水庫蓄水位限制、水庫泄流量約束、水電站出力限制、變量非負約束。

２結果分析

２．１方案擬定及計算

２．１．１方案擬定

根據下游河道防洪安全指標需求，按照不同的預泄方式，分別擬定龍劉李三庫、龍劉李積（公）四庫、龍劉李公積五庫及龍劉拉李公積六庫（龍、劉、拉、李、公、積分別代表龍羊峽、劉家峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽水庫）防洪運用方案，見表２。

以預泄方式一中的龍劉李積四庫方案為例，初步擬定調度方案如下。

龍、劉按既有方案調度，李、積參與防洪運用。

預泄階段：預泄次序為自下而上，預報７ｄ后劉家峽入庫流量（天然）大于Ｑｋ１０％，積石峽開始預泄，預泄起始水位為汛限水位１８５４ｍ，目標水位為Ｈｊｉ，預泄出庫流量至劉家峽入庫流量不超過Ｑｋ１０％。之后李家峽開始預泄，預泄起始水位為正常蓄水位２１８０ｍ，預泄時段≤７ｄ，目標水位為Ｈｌｉ，預泄出庫流量至劉家峽入庫流量不超過Ｑｋ１０％。

攔洪階段：若劉家峽（天然）入庫流量＞Ｑｋ１０％且小于１０ａ一遇，李家峽水庫開始攔洪，使劉家峽入庫流量≤Ｑｋ１０％，蓄至正常蓄水位２１８０ｍ后，按水庫設計防洪方式運用。之后積石峽水庫開始攔洪，使劉家峽入庫流量≤Ｑｋ１０％，蓄至汛限水位１８５４ｍ后，按電站設計防洪方式運用。

２．１．２方案計算

構建梯級水庫群洪水調度模型，考慮防洪、發電等調度目標，在庫水位、出庫流量、發電流量、出力等約束條件下，基于水量平衡原理，求解不同方案的洪水調度結果。

以預泄方式一、１０ａ一遇洪水劉家峽水庫控泄流量３２００ｍ３／ｓ、龍劉拉李公積預泄方案為例，龍劉拉李公積六庫調洪過程見圖２。

求解結果表明：根據預泄方式一方案調度，若李家峽參與防洪調度，洪水到來前水庫水位預泄至２１７７ｍ，即挖潛庫容０．９１億ｍ３，可使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３５００ｍ３／ｓ；洪水到來前水庫水位Ｈｌｉ預泄至２１７６ｍ，即挖潛庫容１．２１億ｍ３，可使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３４００ｍ３／ｓ；若李家峽、公伯峽水庫參與防洪調度，可通過預泄李家峽水庫水位至２１７６ｍ，公伯峽水庫水位至２００２ｍ，挖潛庫容１．８億ｍ３，使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３３００ｍ３／ｓ；若拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽水庫參與防洪調度，可通過預泄拉西瓦水庫水位至２４５０ｍ，李家峽水庫水位至２１７５ｍ，公伯峽水庫水位至２００２ｍ，積石峽水庫水位至１８５２ｍ，即挖潛庫容２．５１億ｍ３，使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３２００ｍ３／ｓ。

根據預泄方式二方案調算，采用４ｄ預報成果，洪水到來前可預泄李家峽水庫庫容０．７８億ｍ３，可使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３５００ｍ３／ｓ。

根據預泄方式三方案調算，采用４ｄ預報成果，并參考后３ｄ預估趨勢進行兩級預泄，洪水到來前可預泄李家峽水庫庫容１．２１億ｍ３，可使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量減小至３４００ｍ３／ｓ。

發生１０ａ一遇及以下洪水按照上述各方案進行調算，當發生千年一遇洪水時，龍劉兩庫最大蓄洪量均不超設計蓄洪量４５．２３億ｍ３，即龍劉兩庫水位均不超設計洪水位，視為滿足水庫自身防洪安全要求。

從盡量降低預報風險角度，推薦４ｄ預報＋３ｄ預估兩級預泄方式。需要說明的是，預泄方式研究是在梯級水庫汛期水位為汛限水位的基礎上進行的，但實際上汛期梯級水庫往往低于汛限水位運用，因此梯級水庫攔洪庫容不一定需要全部通過預泄挖潛。如洪水到來時，水庫實際蓄水位低于汛限水位，可直接按方案攔洪運用，只要各梯級水庫有攔洪庫容，就能進一步減小劉家峽水庫出庫流量，降低下游河道防洪風險。

２．２風險及效益分析

２．２．１風險分析

區間水庫參與防洪調度的基礎是能通過上游洪水預報進行預泄，但是流量及峰現時間的預報誤差會給調度帶來不確定性。

預報誤差風險會導致兩種情況：一是挖掘的梯級水庫防洪能力比預計有所降低，二是梯級水庫在低水位運用時間加長。這兩種風險都難以避免，前者的最極端情況就是梯級水庫都沒有來得及預泄，但從洪水期水庫實際運用情況來看，各梯級水庫最高水位基本不會至正常蓄水位，會留有梯級水庫正常蓄水位以下庫容之和的調度空間。本研究擬定的方案計算預泄初始水位都是正常蓄水位，考慮了該部分的富余度，即便出現最極端情況沒有預泄，梯級水庫利用當前水位與正常蓄水位之間的庫容也能發揮防洪作用。后者情況影響較為有限，如果已預泄至目標水位，但預見期內又無洪水，可及時回蓄，以降低預泄調度對發電的影響。另外，實際發生洪水時，預報連續滾動進行，調度會根據最新預報及時修正，以降低預報誤差風險。

２．２．２效益分析

龍劉區間梯級水庫參與防洪運用的效益主要包括社會效益和經濟效益。

１）社會效益。當前黃河上游龍羊峽、劉家峽兩庫防洪調度方案兼顧下游河道防洪任務，是通過控制１０ａ一遇及以下洪水劉家峽出庫流量不大于３７００ｍ３／ｓ來完成的，區間梯級水庫加入防洪運用后，可進一步減小劉家峽出庫流量，１０ａ一遇及以下洪水劉家峽出庫流量可減小至３２００～３５００ｍ３／ｓ，在劉家峽水庫下游永靖縣城卡口河段尚未實施完成防洪保護措施之前，減小劉家峽水庫下泄流量可有效降低其防洪風險。另外，減?。保埃嵋挥黾耙韵潞樗畡⒓覎{水庫下泄流量，也將有效降低下游寧蒙河段灘區的淹沒風險。

２）經濟效益。龍劉區間梯級水庫參與防洪運用，與當前龍劉兩庫防洪運用方案相比，各個方案梯級水庫發電總量均有不同程度的增加。６座梯級水庫最大發電流量為１２４０～２２８０ｍ３／ｓ，發電流量相對較小，洪水期機組外泄水時間長。區間水庫參與防洪運用，降低了劉家峽水庫中小洪水控泄流量，增加了梯級水庫大流量持續下泄時間，從而減少了梯級水庫發電棄水，梯級發電量增加了４００萬～３３００萬ｋＷ·ｈ。結果表明，龍劉區間水庫參與防洪運用的程度越高，劉家峽水庫控泄流量越小，梯級水庫發電量越大。

為了實現進一步減小劉家峽水庫１０ａ一遇及以下洪水下泄流量的目標，通過龍劉區間梯級水庫參與防洪運用，可避免龍羊峽、劉家峽水庫降低汛限水位。龍羊峽水庫維持設計汛限水位運用，對水庫發揮“蓄豐補枯”作用、提升全河水量配置龍頭水庫調蓄能力、提升黃河上游水電開發基地發電效益提供了有力保障。

３結束語

１）根據龍劉區間拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽水庫汛期實際運行情況，可結合上游洪水預報，在洪水到來前預泄部分水量、降低庫水位，洪水期發揮一定攔洪作用，分擔龍劉兩庫兼顧中小洪水下游河道防洪安全的部分任務。

２）當前預案龍劉兩庫兼顧中小洪水下游河道防洪安全，可使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量不大于３７００ｍ３／ｓ。由于劉家峽水庫下游甘肅省境內仍存在卡口河段、寧蒙灘區仍存在淹沒風險，因此實際運用中水庫按該流量調度難度較大。龍劉區間梯級水庫參與防洪調度后，可進一步減?。保埃嵋挥龊樗畡⒓覎{水庫最大出庫流量。采用４ｄ預報＋３ｄ預估兩級預泄方式，可預泄庫容最大為１．２１億ｍ３，使１０ａ一遇洪水劉家峽水庫最大出庫流量由３７００ｍ３／ｓ減小至３４００ｍ３／ｓ。

３）建議加強黃河上游洪水預報研究，提高區間洪水預報精度，延長洪水預見期。

４）建議研究成果盡早投入運用，根據水庫蓄水及來水情況進一步制定梯級水庫防洪調度方案和實時調度方案，早日實現上游水庫群防洪統一管理和聯合調度。