任务三 水库控制运用

※基本知识※

一、水库控制运用的意义

水库的作用是调节径流、兴利除害。但是，由于水库功能的多样性和河川未来径流的难以预知性，使水库在运用中存在一系列的矛盾问题，概括起来主要表现在四个方面：①汛期蓄水与泄水的矛盾；②汛期弃水发电与防汛的矛盾；③工业、农业、生活用水的分配矛盾；④在水资源的配置和使用过程中产生用水部门及地区间的不平衡而发生的水事纠纷问题。这就要求对水库应加强控制运用，合理调度。只有这样，才能在有限的水库水资源条件下较好地满足各方面的需求，获得较大的综合效益。如果水库调度同时结合水文预报进行，实现水库预报调度，这种情况所获得的综合效益将更大。

二、水库调度工作要求

水库调度包括防洪调度与兴利调度两个方面。在水情长期预报还不可靠的情况下，可根据已制订的水库调度图与调度准则指导水库调度，也可参考中短期水文预报进行水库预报调度，对于多沙河流上的水库，还要处理好拦洪蓄水与排沙关系，即做好水沙调度。水库群调度中，要着重考虑补偿调节与梯级调度问题。为作好调度的实施工作，应预先制定水库年调度计划，并根据实际来水与用水情况，进行实时调度。

水库年调度计划是根据水库原设计和历年运行经验，结合面临年度的实际情况而制订的全年调度工作的总体安排。

水库实时调度水库实时调度是指在水库日常运行的面临时段，根据实际情况确定运行状态的调度措施与方法，其目的是实现预定的调度目标，保证水库安全，充分发挥水库效益。

三、水库控制运用指标

水库控制运用指标是指那些在水库实际运行中作为控制条件的一系列特征水位，它是拟定水库调度计划的关键数据，也是实际运行中判别水库运行是否安全正常的主要依据之一。

水库在设计时，按照有关技术标准的规定选定了一系列特征水位，如图1-4所示，主要有校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位、正常蓄水位、防洪限制水位、死水位等。它们决定水库的规模与效益，也是水库大坝等水工建筑物设计的基本依据。水库实际运行中采用的特征水位，在水利部颁布的《水库管理通则》中规定有：允许最高水位、汛末蓄水位、汛期限制水位、兴利下限水位等。它们的确定，主要依据原设计和相关特征水位，同时还须考虑工程现状和控制运用经验等因素。当情况发生较大变化，不能按原设计的特征水位运用时，应在仔细分析比较与科学论证的基础上，拟定新的指标，这些运行控制指标因实际情况需要随时调整。

图1-4 水库水位与库容特征

1—死水位；2—防洪限制水位；3—正常蓄水位；4—防洪高水位；5—设计洪水位；6—校核水位；7—坝顶高程

（1）允许最高水位。水库运行中，在发生设计的校核洪水时允许达到的最高库水位，它是判断水库工程防洪安全最重要的指标。

（2）汛期限制水位。水库为保证防洪安全，汛期要留有足够的防洪库容而限制兴利蓄水的上限水位。一般根据水库防洪和下游防洪要求的一定标准洪水，经过调洪演算推求而得。

（3）汛末蓄水位。综合利用的水库，汛期根据兴利的需要，在汛期限制水位上要求充蓄到的最高水位。这个水位在很大程度上决定了下一个汛期到来之前可能获得的兴利效益。

（4）兴利下限水位。水库兴利运用在正常情况下允许消落到的最低水位。它反映了兴利的需要及各方面的控制条件，这些条件包括泄水及引水建筑物的设备高程，水电站最小工作水头，库内渔业生产、航运、水源保护及其他要求等。

※技术应用※

四、水库兴利控制运用

水库兴利控制运用的目的，是在保证水库及上下游城乡安全及河道生态条件的前提下，使水库库容和河川径流资源得到充分运用，最大限度地发挥水库的兴利效益。

水库兴利控制运用是水库管理的重要内容，其依据是水库兴利控制运用计划。

（一）编制控制运用计划的基本资料

编制水库兴利控制运用计划需收集下列基本资料：①水库历年逐月来水量资料；②历年灌溉、供水、发电、航运等用水资料；③水库集水面积内和灌区内各站历年降水量、蒸发量资料及当年长期气象水文预报资料；④水库的水位与面积、水位与库容关系曲线；⑤各种特征库容及相应水位，水库蒸发，渗漏损失资料。

（二）水库年度供水计划的编制

1.编制年度供水计划的内容

编制年度供水计划的内容主要是估算来水、蓄水、用水，通过水量平衡计算拟定水库供水方案。

2.编制的方法

目前常用的方法有两种：一是根据定量的长期气象及水文预报资料估算来水和用水过程，编制供水计划；二是利用代表年与长期定性预报相结合的方法。其中以前一种方法最为常用，其计算方法如下。

（1）水库来水量估算。

1）降雨径流相关法。根据预报的各月降雨量b，由月降雨径流相关图查得月径流深度h，即可按下式计算各月来水量：

式中 W——月来水量，万m³；

h——月径流深度，mm；

F——水库集水面积，km²。

2）月径流系数法。根据预报的各月降雨量b和各月的径流系数α，按下式计算各月来水量

式中 b——预报的月降雨量，mm；

α——径流系数；

其他符号意义同上。

3）具有长期水文预报的水库，可直接预报各月径流量。

（2）水库供水量估算。

1）灌溉用量的计算。

a）逐月耗水定额法。

式中 W——各月灌溉用水量，万m³；

M——作物月耗水定额，m³/亩；

A——灌溉面积，万亩；

β——降雨的田间有效利用系数；

c——田间月降雨量，mm；

η——渠系水有效利用系数。

b）固定灌溉用水量法。对于北方地区的旱作物，各年灌溉用水量差别不大，各年同一月的灌溉用水量可以采用一常量。

2）发电用水量和保证出力的计算。

式中 Q_p——水电站供水期的调节流量，m³/s；

W——供水期天然来水量，m³；

V——水库兴利库容，m³；

W_f——水库的损失（渗漏、蒸发）水量，m³；

W_c——由于其他用途（灌溉、航运）引走的水量，m³；

T——供水期，s；

N_p——水电站在供水期的保证出力；

H_p——水电站在供水期的平均水头；

λ——出力系数，根据机组类型及其传动方式来确定，对于一般小型水电站，λ=6.5～7.5。

（3）水库损失水量估算。

1）水库损失水量估算。

式中 W₀——水库月蒸发损失水量，m³；

h_w——月水面蒸发水层深度，mm；

h_e——原来陆地面蒸发水层深度，mm；

A——水库月平均水面面积，km²；

α——建库前库区原有水面面积，km²。

2）水库的渗漏损失量。水库的渗漏损失与水库的水文地质条件有极大关系，可按表1-2进行估算。

（4）兴利调节计算。水库兴利调节计算的基本原理是：某时段的入库水量与出库水量（包括各部门的用水量，汛期的弃水量和损失水量）之差，应等于该时段水库增蓄的水量。即

式中 ΔW_e——某计算时段水库的来水量，m³；

ΔW_u——同一时段的出库水量（包括各部门用量和汛期弃水量），m³；

ΔW_f——同一时段水库的损失量，m³；

ΔW——同一时段水库蓄水量的变化，m³，其中“+”号表示蓄水量增加，“-”号表示蓄水量减少。

（三）水库兴利调度图

为了进行水库调度，必须利用径流的历时特性资料和统计特性资料，按水库运行调度的一定准则，预先编制由一组控制水库工作的蓄水指示线（调度线）组成的水库调度图。如当年有长期气象预报资料，估算出当年的来水、用水量，在水库已有蓄水量的情况下，通过调节计算绘制的水库兴利水位过程线，就是当年的兴利调度线。在缺乏长期水文、气象预报资料或水文气象预报精度尚不能满足要求的条件下，最常用的方法是绘制统计调度图来进行水库的兴利调度。

1.年调节兴利调度图

年调节水库兴利基本调度线如图1-5所示，图中线Ⅰ为防破坏线（保证供水线），线Ⅱ为限制供水线，线Ⅰ与线Ⅱ系在水库保证正常供水前提下，相应设计枯水年份的各种可能出现的库水位的外包线和内包线，线Ⅲ为防弃水线，系在水库按最大需水量（或电站最大过水能力）工作的条件下，相应丰水年可能出现的库水位的内包线，以上三条基本调度线将水库以年度为周期的范围划分为四个运行区，并规定了相应的调度方式。线Ⅰ与线Ⅱ之间（A区）为保证正常供水区，水库按保证运行方式工作；线Ⅱ与死水位之间（C区）为降低供水区，水库按降低供水区或天然入库径流量供水，以减轻破坏程度或缩短破坏时间；线Ⅰ与线Ⅲ之间（B区）为加大供水区，水库按加大供水方式工作，以充分利用余水量，减少弃水量；线Ⅲ与正常蓄水位之间（D区）为最大供水区，水库按最大需水量或供水设备的最大过水能力供水。在实际运行中，不考虑水文预报时，由面临时段初的库水位所在区域决定水库的供水量（或发电出力）；若结合面临时段的入库径流量预报，可由时段来预计可以达到的库水位所在区域，决定水库供水量。

图1-5 水库兴利基本调度线示意图

2.多年调节水库兴利调度

多年调节水库的调节周期一般为由若干连续枯水年组成的枯水段。实用上一般仍绘制以年度为单位的调度图。其基本调度线图和辅助调度线图的形式，与年调节水库类似，如图1-6所示。与年调节水库调度图的差别为：①防破坏线Ⅰ位于多年库容蓄满点以上，说明多年库容未蓄满以前，水库不应加大供水量；②限制供水线Ⅱ最低点为死水位，最高点水位至死水位所相应的库容一般应等于年库容。

图1-6 多年调节水库兴利调度线示意图

五、水库防洪控制运用

水库防洪调度是指利用水库的调蓄作用和控制能力，有计划地控制调节洪水，以避免下游防洪区的洪灾损失和确保水库工程安全。

为确保水库安全，充分发挥水库对下游的防洪效益，每年在汛前应编制好水库汛期控制运用计划。防汛控制运用计划应根据工程实际情况，对防洪标准、调度方式、防洪限制水位进行重新确定，并重新绘制防洪调度图。

1.防洪标准的确定

对实际工程状况符合原规划设计要求的，应执行原规划设计时的防洪标准。对由于受工程质量、泄洪能力和其他条件的限制，不能按原规划设计标准运行时，就应根据当年的具体情况拟定本年度的防洪标准和相应的允许最高水位，在拟定时应考虑以下因素：

（1）当年工程的具体情况和鉴定意见，水库建筑物出现异常现象时对规定的最高洪水位应予以降低。

（2）当年上、下游地区与河道堤防的防洪能力及防汛要求。

（3）新建水库在高水位考验时，汛期最高洪水位需加以限制。

2.防洪调度方式的确定

水库汛期的防汛调度是水库管理中一项十分重要的工作。它不但直接关系水库安全和下游防洪效益的发挥，而且也影响汛末蓄水和兴利效益的发挥。要做好防汛调度，必须重视并拟定合理可行的防洪调度方式，包括泄流方式、泄流量、泄流时间、闸门启闭规则等。

水库的防洪调度方式取决于水库所承担的防洪任务、洪水特性和各种其他因素。按所承担的防洪任务要求分为：①以满足下游防洪要求的防洪调度方式；②以保证水库工程安全而无下游防汛任务要求的防洪调度方式。

（1）下游有防洪要求的调度。

包括固定泄洪调度方式、防洪补偿调度方式、防洪预报调度方式三种。

1）固定泄洪调度。对于下游防洪区（控制点）紧靠水库，水库至防洪区的区间面积小，区间流量不大或者变化平稳的情况，区间流量可以忽略不计或看作常数。对于这种情况，水库可按固定泄洪方式运用。泄流量可按一级或多级形式用闸门控制。当洪水不超过防洪标准时，控制下游河道流量不超过河道安全泄量。对防洪区只有一种安全泄量的情况，水库按一种固定流量泄洪，水库下游有几种不同防洪标准与安全泄量时，水库可按几个固定流量泄洪的方式运用。一般多按“大水多泄，小水少泄”的原则分级。有的水库按水位控制分级，有的水库按入库洪水控制流量分级。当判断来水超过防洪标准时，应以水工建筑物的安全为主，以较大的固定泄量泄水，或将全部泄洪设备敞开泄洪。

例如，某水库距下游防洪保护区3.5km，区间洪水较小，调洪时将频率为2%以下的洪水分三级固定泄量下泄，其判别条件和分级泄量见表1-3。

2）防洪补偿调度（或错峰调度）。当水库距下游防洪区（控制点）较远，区间面积较大，如图1-7（a）所示，则对区间的来水就不能忽略，要充分发挥防洪库容的作用，可采用补偿调度（或错峰调度）方式。所谓补偿调节，就是指水库的下泄流量加上区间来水，要小于或等于下游防洪控制点允许的安全泄流量q_安。为使下游防洪控制点的泄流量不超过q_安，水库就必须在区间洪水通过防洪控制点时减少泄流量，如图1-7（b）所示。图中Q_B-t为区间洪水过程线，Q_A-t为入库洪水过程线，区间B点的洪水到达防洪控制点C的传播时间为t_BC，水库泄流到达C点的传播时间为t_AC，两者之差 t=t_BC-t_AC。在图1-7中将Q_B-t移后t，倒置于q_安之下，则水库的下泄流量过程如图1-7（b）中的abcd线所示。图中q_安以上的水库入库过程线与bcd曲线所包围的面积，即为满足下游防洪要求所需的防洪库容，图中的斜线面积为补偿库容。这种补偿调节，在无预报的情况下，必须使水库泄流量到达防洪控制点的时间小于或等于区间洪水到达防洪控制点的时间，即t_AC≤t_BC。若区间洪水能预报，且预见期t_预与t_BC之和能大于或等于t_AC时，也可进行补偿调节。

错峰调节是指当区间洪水汇流时间太短，水库无法根据预报的区间洪水过程，逐时段地放水时，为了使水库的安全泄流量与区间洪水之和不超过下游的安全流量，只能根据区间预报可能出现的洪峰，在一定时间内对水库关闸控制，错开洪峰，以满足下游的防洪要求。这实际上是一种经验性的补偿。例如，大伙房水库就曾经按照抚顺站的预报关闸错峰，即当连续暴雨3h，雨量超过60mm，或不足3h，雨量超过50mm时，关闸错峰。

3）防洪预报调度。是利用准确预报资料进行调度工作的一种方式。对已建成的水库，考虑预报进行预泄，可以腾空部分防洪库容，增加水库的抗洪能力，或更大地削减洪峰，保证下游的安全。对具有洪水预报技术和设备条件，洪水预报精度和准确性高，且蓄泄运用较灵活的水库，可以采用防洪预报调度。短期水文预报一般指降雨径流预报或上下站水位流量关系的预报，其预见期不长，但精度较高，合格率较高，一般考虑短期水文预报进行防洪调度比较可靠。

图1-7 补偿调节示意图

图1-8 预报防洪调度

根据防洪标准的洪水过程，按照采用的洪水预报预见期及精度，进行调洪演算。调洪演算所用的预泄流量是在水库泄流能力范围内且不大于下游允许泄流量。如果下游区间流量比较大时，应该是不超过下游允许泄量与区间流量的差值。通过调洪演算即可求出能够预泄的库容及调洪最高水位，如图1-8所示。

（2）下游无防洪要求的调度。

当下游无防洪要求时，应以满足水库工程安全为主进行调度。包括正常运用方式和非常运用方式两种情况的泄流方式，可采用自由泄流或变动泄流的方式进行。

1）正常运用方式。可以采用库水位或者入库流量作为控制运用的判别指示。按照预先制定的运用方式（一般为变动泄流，闸门逐渐打开）蓄泄洪水，控制库水位不高于设计洪水位。

2）非常运用方式。当库水位已达到设计洪水位并超过时，对有闸门控制的泄洪设施，可打开全部闸门或按规定的泄洪方式泄洪（多为自由泄流方式或启动非常溢洪道等方式），以控制发生校核洪水时库水位不超过校核洪水位。

（3）闸门的启闭方式。

1）集中开启。就是一次集中开启所需的闸门数量及相应开度。这种方式对下游威胁较大，只有在下游防洪要求不高或水库自身安全受到威胁时才考虑采用。

2）逐步开启。有两种情况：一种是对全部闸门而言，分序开启；另一种是对单个闸门而言，是部分开启。如何开启主要根据下泄洪水流量大小来决定。

3.防洪限制水位的确定

防洪限制水位在规划设计时虽已明确，但水库在汛期控制运用阶段，还必须根据当年的情况予以重新确定调整。一般应考虑工程质量、水库防洪标准、水文情况等因素来确定。

对于质量差的应降低防洪限制水位运行；问题严重的要空库运行；对于原设计防洪标准低的水库在汛期应降低防洪限制水位，以便提高防洪标准；对于库容较小，而上游河道枯季径流相对较大，在汛后短期内可以蓄满，则防洪限制水位可定得低一些。

对在汛期内供水有明显的分期界限，为了充分发挥水库的防洪及综合效益，在一定的条件下使防洪库容与兴利库容相结合使用，并根据预报信息提前预泄洪水或拦蓄洪尾等，对此可以采取分期防洪限制水位进行分期调度，即将汛期分为不同的阶段，分别计算各阶段洪量和留出不同的防洪库容，进而确定各阶段的防洪限制水位，分期蓄水，逐步抬高防洪限制水位。

例如，丹江口水库从气象上看，可划分为7—8月与9—10月两个明显的时期，而且，所采用的下游允许泄流量也不同，7—8月下游受长江水位顶托的可能性大，允许泄流量相对较小，9—10月洪水主要来自上游，流程较长，故洪水预报预见期也长一些，因此，两期所要求的防洪库容与汛限水位均可不同，见表1-4及图1-9。

分期防洪限制水位的确定方法有两种：

（1）从设计洪水位反推防洪限制水位。将汛期划分为几个时段后，根据各分期的设计洪水，从设计洪位（或防洪高水位）开始按逆时序进行调洪计算，反推各分期的防洪限制水位及调节各分期洪水所需的防洪库容。

（2）假定不同的分期防洪限制水位，计算相应的设计洪水位，经综合比较后确定各分期的防洪限制水位。对每一个分期设计洪水拟定几个防洪限制水位，然后对每一个防洪限制水位按规定的防洪限制条件和调洪方式，对分期设计洪水进行顺时序的调洪计算，求出相应的设计洪水位、最大泄流量和调洪库容。最后经综合分析后确定各分期的防洪限制水位。

图1-9 丹江口水库分期防洪限制水位

4.汛期防洪调度图

水库汛期防洪调度图是防洪调度工作的工具，只要根据库水位在调度图中所处的位置，就可以按相应的调度规则来决定该时刻水库的下泄流量。防洪调度图可以决定整个汛期的调洪方式。防洪调度图由防洪限制水位线、防洪调度线、各种标准洪水的最高调洪水位线和由这些线所划分的各级调洪区所组成，根据调洪库容与兴利库容结合的情况，可分为三种。

图1-10 防洪库容与兴利库容部分结合的调度线

（1）调洪库容与兴利库容部分结合的调度图。如图1-10所示防洪调度线，由线abcdef组成，其中abef的高程为正常蓄水位，线段的高程为汛期限制水位，t_c-t_d为由水文气象特性和实测洪水资料确定的主汛期，线段de为遭遇各种可能洪水经水库调蓄后的库水位的内包线，线段bc为汛期初减少弃水和保证下游安全而需控制的库水位的下包线。在实际运行时，水库因兴利要求的蓄水位不得超过线abcdef。此线以上按大坝调洪和下游防洪调度方式运用，以下按兴利调度方式运用，其中正常蓄水位和汛期限制水位之间称为重叠库容，在主汛期放空，用于防洪滞洪，在汛后利用余水充蓄，用于兴利。

（2）防洪库容和兴利库容完全结合的调度图。可分为以下三种情况：

1）防洪库容是兴利库容的一部分（部分重叠），如图1-11（a）所示。

图1-11 防洪库容与兴利库容完全结合的调度图

①—兴利库容；②—防洪库容；③—重叠库容

Ⅰ—防破坏线；Ⅱ—限制供水线

2）防洪库容与兴利库容全部重叠，如图1-11（b）所示。

3）兴利库容仅是防洪库容的一部分，如图1-11（c）所示。

调洪库容与兴利库容完全结合，故正常蓄水位与设计洪水位或防洪高水位相同，或低于设计洪水位或防洪高水位，如图1-11所示，而防洪限制水位可能等于死水位也可能高于死水位，如图1-11（a）所示。图中的防洪调度线是根据设计洪水过程线从洪水出现时刻t_k（洪水出现可能最迟时间）开始，由防洪限制水位进行调洪计算所求得的水库蓄水位过程线，它也表示汛期各个时刻为满足防洪要求所必须预留库容的指导线。上基本调度线（Ⅰ线）是根据设计枯水年的来水，经调节计算，在满足发电及其他兴利要求情况下绘制成的水库水位过程线，因此，它必须位于防洪调度线的下侧。在汛前水库的兴利蓄水位不得超过防洪限制水位和防洪调度线，如果洪水时期水库的水位被迫超过防洪限制水位和防洪调度线，则应根据一定标准确定的调洪规则来控制水库的泄流量，使水库水位回落到防洪限制水位和防洪调度线上来。

（3）调洪库容与兴利库容不结合的调度图。这种方法适用于水库控制流域面积较小，洪水出现的时期和洪水的大小无规律的情况，此时调洪库容与兴利库容分别设置，汛期防洪限制水位位于水库正常蓄水位上，预留全部调洪库容以拦蓄随时可能出现的洪水，其调度图如图1-12所示。

图1-12 调洪库容与兴利库容不结合的防洪调度图

5.做好水文气象预报工作

做好水文气象预报工作对于汛期的防汛调度十分重要，比如采用预泄或延泄措施，则要依据预报有无大洪水发生来确定；提前预泄或蓄水，也应根据预报的预见期，结合当时库水位及下游允许泄量来确定。

汛期水库水位应按规定的防洪限制水位进行控制。为了减少弃水，可根据水情预报条件、洪水传播时间和泄洪能力大小，使库水位稍高于当时防洪限制水位，通过兴利用水逐渐消落，但要确有把握在下次洪水到来前将库水位消落到防洪限制水位，对于没有预报条件、洪水传播时间短和泄洪能力小的水库，不宜这样运行。