潘家口水库汛限水位动态控制分析

    王微宇

    摘要：水库汛限水位是水库调度运行中协调防洪安全与兴利矛盾的重要参数，在确保防洪安全的条件下，充分利用洪水预报信息实现水库汛限水位的动态控制，是实现洪水资源化、提高水资源利用效率、缓解水资源供需矛盾的重要途径。本文以潘家口水库为例，分析滦河流域的暴雨洪水及径流特性、工程防洪要求与目前潘家口水库洪水作业预报水平，论述了潘家口水库进行汛限水位动态控制的必要性和可行性。

    关键词：水库汛限水位；动态控制；防洪；兴利；风险

    1.工程概况

    潘家口水库位于河北省唐山市与承德市交界的滦河干流上，是开发滦河水利资源、调节径流、除害兴利的重要控制性工程，由水库大坝、下池枢纽、两座副坝和坝后式水电站组成，是整个引滦工程的源头。以供水为主，结合供水发电，兼顾防洪和水产养殖，为多年调节水库。控制流域面积33700平方公里，占滦河流域总面积的75%。

    2.研究必然性

    潘家口水库所在的滦河流域地处副热带季风区，夏季较短，炎热多雨，冬季较长，寒冷干燥，降雨分布受地形影响，自东南向西北递减。气候及地形原因，造成了该地区雨量集中和暴雨频率多水量大的显著特点。

    潘家口水库现有的库容虽然能够对出入库径流进行调节，但其主要功能是承担防洪任务，汛期需要预留部分防洪库容来确保水库下游防洪保护对象的安全。因此，当汛期水库水位高于汛期限制水位时，水库不能蓄水，造成弃水，汛期过后，来水量减少，水库难以蓄水，导致水资源浪费，加剧了用水矛盾。

    此外，潘家口水库作为引滦工程的主要蓄水工程，还承担了向河北省、天津市供水的任务，但自 1999 年以来，天津市连续 8 年供水水源不足，1999 年～ 2007 年潘家口水库的年平均供水量仅 5.28 亿立方米，远低于原设计供水保证率P = 75%时供水10 亿立方米的要求，河北省同样面临供水严重不足情况。因此，作为天津市和河北省的供水源水库，潘家口水库已不能满足地区的用水需求，必须在现有的工程基础上在汛期实施汛限水位动态控制，提高洪水的利用效率，优化来水过程的调蓄。

    3.研究可行性

    3.1汛限水位背景

    潘家口水库主汛期汛限水位216.00米，8月16日至8月31日汛限水位222.00米，9月1日以后，视天气形势可逐步蓄高到224.70米。

    3.2流域现状分析：

    （1）水库现状

    主坝为砼低宽缝重力坝，按千年一遇洪水设计，五千年一遇洪水校核，坝顶长1039米，分为56个坝段，最大坝高107.5米，溢洪道最大泄洪能力为53100m3/s。31#和32#坝段为底孔坝段，底孔最大泄洪能力为3100m3/s。

    下池枢纽由闸坝和电站组成，有效库容为1000万立方米，属于日调节水库，与潘家口电站抽水蓄能机组配合使用。

    （2）上下游现状

    潘家口水库上游是海河流域四片水土流失重点治理区之一，由于自然地理因素及人为因素造成的水土流失情况严重，使得潘家口水库出现淤塞情况，抬高了水库河床，减小了水库的可用库容，造成水资源浪费。

    潘家口水库下游迁西白龙山电站设计过水能力仅3000m3/ s，乐亭小埝设计流量5000m3/s，滦河大堤设计行洪能力为25000m3/s，相当于潘家口水库五十年一遇洪水。在实际调度过程中，结合水文、气象预报，需要依据现代化的通讯手段，充分发挥潘家口水库的调洪、滞洪的作用，为下游适时错峰，减轻洪水对下游造成的损失。

    （3）控洪变更标准

    根据水库调度手册，潘家口水库上游来水达到五十年一遇标准及以下洪水，控泄10000m3/s，保京山铁路大桥安全；五十年至五百年一遇洪水限泄28000m3/s，保潘家口电站安全；大于五百年一遇洪水不限泄，即坝前水位超过221.05 米时，保潘家口大坝安全，但各级泄量均不得大于入库洪峰流量。

    3.3洪水分析

    （1）预报方案

    潘家口水库目前主要采用的两种洪水预报作业方案， 分别为中国水利水电科学研究院编制的三水源新安江模型（以下简称水科院方案）和河海大学编制的三水源新安江模型（以下简称河海大学方案）， 这两套方案于 2004 年通过专家评审， 均为乙级方案。

    本文选取水科院方案进行洪水预报，洪峰预报许可误差，取实测洪峰流量的 20%；峰现时间预报许可误差， 取两个计算时段长， 即 6 h；洪量预报许可误差， 取实测洪量的 20%。

    根据计算，建议洪水预报有效预见期取6h，即在预报洪水入库前6h开始预泄流量。

    （2）调洪计算成果

    潘家口水库主汛期、后汛期常规调度调洪成果见表2、表3。

    由表中调洪计算成果可知，主汛期时较低频率洪水如10a一遇、20a一遇洪水等来水调节后的最高库水位为220.51米，低于正常蓄水位222米，而后汛期时最大频率10000a一遇洪水经过水库调洪后的最高水位只有219.16米，远小于水库的正常蓄水位222米。因此，水库在日常调度中库容利用还有较大的提升空间，在较低频率洪水来临时可适当提高水库水位，保持较高水位运行，以此增加水库对洪水的调蓄作用。

    （4）动态控制域的确定

    根据水科院预报方案，预报100a一遇洪水过程，考虑预报误差的最不利组合，将该洪水放大20%，洪水提前入库6h，经计算得，有效预见期72h内水库在正常调度下可泄流118310万，因此，根據水库库容-水位曲线，水库可将起调水位上浮至218.02米，取218米进行调洪计算，结果如下表所示：

    由表4可得，洪水来临过程中，当运行水位提至218米时，100a一遇及以下频率洪水调洪过程中最高水位均不超过正常蓄水位222米，并且最大下泄流量均低于下游防洪安全标准25000，不威胁下游安全。并且在考虑最不利预报误差的情况下，水库在有效预见期内，100a一遇以下量级洪水来临前，有能力将水库汛限水位216米和最高控制水位218米之间的洪量预泄出去，使库水位回至216米，从而不威胁水库安全，满足防洪要求。因此，潘家口水库可视情况将控制水位上浮至218米。

    4.风险与效益分析

    根据以上分析计算，当水库主汛期汛限水位在 216～218 m 之间动态运行（供水保证率 P=75%）时，可使水库增加0.4亿供水量，电量增加0.3亿 kW·h，既提高了水库的蓄水能力，又增加了水电站效益.同时，根据洪水预报，可以在洪水入库前进入预泄阶段，保证水库水位在一天内能回落至216米，保证百年一遇以上洪水调洪水位不超过原水位。对于百年一遇及以下洪水，水库可以保持较高水位运行，其调洪过程的最高水位较低，不威胁大坝及下游安全。因此，在主汛期进行汛限水位动态控制不会影响水库的防洪安全。

    结语：潘家口水库自建成以来，作为重要的蓄水工程，发挥的效用还不够充分。本文通过对水库的工程概况及流域特点、降雨径流规律、上游水土流失状况、下游防洪能力等方面的分析，发现潘家口水库在现有的调度方式下，在汛期进行径流调节后的水位远低于水库的设计洪水位，不能满足水库供水、调蓄的更高要求，对洪水资源的利用率较低。而根据水库的洪水预报方案和泄流能力对水库进行汛限水位动态控制，不但增加了水库效益，而且没有对大坝安全造成威胁，因此在保证上下游及水库安全的前提下，对潘家口水进行汛限水位动态控制，是可行且必要的。

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