1、常规洪水调度运行方式
水利枢纽工程是在河道上修建拦河闸坝、抬高工程坝址上游水位、改变自然地理条件与社会发展适应性的工程。为了减小洪水对坝址上游的淹没损失,水利枢纽工程需按照设计的洪水调度方式运行。常规的洪水调度运行方式一般是按照时间段(如主汛期、后汛期、非汛期等),依据坝前水位进行洪水调度的。在洪水到来之前或未发生洪水时,水库限制在汛限水位或正常蓄水位以下运行;当工程所在流域(河流)发生洪水时,按水库调度规则泄洪;无法控制坝前水位时,库水位才允许超过汛限水位或正常蓄水位。主汛期不下雨或不涨水时也限制蓄水,后汛期和非汛期降暴雨或涨洪水时也可以抬高至正常蓄水位运行。
2、江西五河干流河道坡降及洪水概况
江西省赣江、抚河、信江、饶河、修河五大河流(简称五河)中下游的河道坡降较缓(如赣江中游的比降约为0.02%,赣江下游的比降小于0.01%),而且沿河两岸的一、二级台地上分布有较密集的村镇和大量耕地。江西省处在亚热带季风气候区,汛期一般为4—9月,其中4—6月为主汛期、7—9月为后汛期。五河的汛期有相当一部分时间既不下雨也不涨水,但枯水期偶尔也会发生暴雨洪水。如:
2004年主汛期赣江就未涨水;2002年10月底、11月初赣江中上游则发生大洪水;1998年3月赣江还未进入汛期,该月10日即遭遇大洪水;2012年3月上旬赣江中上游也同样遭遇大洪水侵袭。赣江中下游栋背、峡江和外洲水文站设计洪峰流量与实测最大洪峰流量的比较见表1。
3、坝前水位与上游来水形成的库区水面线
河道中修建了水利枢纽工程后,库区会形成回水水面线,抬高库区沿程水位。若泄洪闸的泄流量足够大,则当坝前不同水位与上游不同来水遭遇时,库区将会呈现出不同的回水水面线。
若坝前水位相同但上游来水流量不同,则库区水面线将呈现出坝前水位集于一点而上游水位不同的一组扫帚形曲线,见图1;若上游来水流量相同但坝前水位不同,则库区水面线将呈现出坝前水位不同而向上游很远处(理论上为无穷远)归集于一点的一组扫帚形曲线,见图2。
4、五河水利枢纽工程设计和运行中遇到的问题
不同的坝前水位与不同的上游来水流量遭遇时,库区的回水位差异较大。五河在主汛期有不下雨不涨洪水的时候,而非汛期(枯水期)则有可能发生大洪水。因此,鉴于近期要在江西五河中下游修建水利枢纽工程,常规洪水调度方式将会遇到以下问题。
(1)设计的水库淹没处理投资比重加大。水利工程的建设需要永久占用一些土地资源、淹没耕地、拆迁房屋等。以前对建库时的土地(耕地)淹没、房屋拆迁的补偿标准较低,如江西省耕地淹没补偿标准仅为土地征收前3a平均年产值的3倍。2006年7月7日,新颁布的《大中型水利水电工程建设征地补偿和移民安置条例》第二十二条规定:大中型水利水电工程建设征收耕地的,土地补偿费和安置补助费之和为该耕地被征收前3a平均年产值的16倍。淹没补偿和安置补助标准调整后,水库淹没处理投资占工程投资的比重增大,从而增大了水利枢纽工程的投资规模,致使工程经济指标变差,项目立项和建设难度加大。尤其是在五河干流中下游修建水利枢纽工程,其经济指标更差,建设难度更大。
(2)工程建成运行时,主汛期工程蓄水位偏低,将会造成水力资源浪费、库区末端通航受影响、汛后蓄水困难、库区内景观受影响等问题。
5、现代水利枢纽工程洪水调度运行方式设计
5.1概述
现代水利枢纽工程洪水调度运行方式设计考虑将坝址流量和坝前蓄水位分段,每个流量段对应一个坝前蓄水位区间,依据上游来水流量动态控制坝前水位。遇洪水时,逐级降低水位(洪水涨水段)或抬高水位(洪水退水段)运行,可较好地解决常规洪水调度遇到的问题。在洪水的涨水段尽量降低水位运行,随着洪水流量的不断加大,坝前水位逐渐降低,以减少库区淹没损失;在洪水的退水段尽量抬高水位运行,随着流量的不断减小,坝前水位逐渐抬高,使其尽快回蓄至高水位运行,以提高洪水资源的利用率。
对于低水头电站,枢纽泄洪闸的泄流能力较强,水库库容一般较小,在较短时间内即可将库水位从正常蓄水位预泄至汛限水位以下。此类水库可不设汛限水位,无论是主汛期还是后汛期,只要入库流量小于一定标准,均可将坝前水位蓄至正常蓄水位运行,以提高水资源利用率。
5.2现代水利枢纽工程洪水调度运行方式的优点
(1)坝址上游来水流量大时降低水位运行,可减少库区淹没范围及其处理费用,提高工程经济指标。
(2)小流量时抬高水位运行,既不扩大淹没范围,也不增加淹没实物指标,又可增加发电水头、出力和发电量,尤其是在洪水的退水段尽快抬高水位运行,将洪水“尾巴”的水量蓄在库中,可提高洪水资源的利用率。
(3)小流量时抬高水位运行,水库末端的水深加大,使变动回水区有足够的航道水深,库区内可常年通行设计等级的船舶,从而提高通航保证率。
(4)在洪水过程的退水段,由于坝址上游来水流量小,因此可尽量抬高水位运行,使水库尽快回蓄至高水位运行,降低水库在后汛期的蓄水难度,提高多年调节水库的蓄满率。
(5)小流量时抬高水位运行,可美化库区环境,提升城市品位。
5.3现代水利枢纽工程洪水调度运行方式设计案例
5.3.1峡江水利枢纽工程
峡江水利枢纽工程位于赣江中游下段,是一座具有防洪、发电、航运、灌溉等综合利用功能的大(1)型水利枢纽工程,承担着提高其主要防洪保护对象(赣东大堤保护区和南昌市)防洪标准以及发电、航运、灌溉等兴利任务。该工程库区河道平缓、地势开阔,水库淹没影响大,而且赣江流域纬度跨度较大,洪水的地区组成复杂,须研究特定的控泄流量判断条件和各种来水条件下水库下泄流量的大小,并协调好坝址上下游的防洪问题,经合理调度才能达到工程的防洪目标。
经分析研究,峡江水利枢纽工程采用“不分汛期和非汛期,依据坝址上游来水流量结合坝前水位的水库调度运行方式”进行水库调度,其总的调度运行原则为:小水(流量小于防洪与兴利运行分界流量5000m3/s)下闸蓄水兴利(发电、航运、灌溉),调节径流;中水(20a一遇以下洪水,坝址流量5000~20000m3/s)分级降低水位运行,减少库区淹没;大水(20~200a一遇洪水,坝址流量20000~26600m3/s)拦洪削峰,控制泄量;特大洪水(200a一遇以上洪水,坝址流量大于26600m3/s)开闸敞泄,以保闸坝运行安全。
峡江水利枢纽的调度运行方式分为洪水调度运行方式和兴利调度运行方式。洪水调度运行方式又分为降低坝前水位运行方式、拦蓄洪水运行方式和敞泄洪水运行方式。降低坝前水位运行方式按坝址上游来水不同流量级设置相应的坝前水位范围。
5.3.2石虎塘航电枢纽工程
石虎塘航电枢纽工程座落在赣江中游,其坝址位于峡江水利枢纽上游约90km处,是一座以航运为主,兼有发电等效益的大(2)型综合利用枢纽工程。该工程无能力承担下游的防洪任务,因此洪水调度相对简单,其优化洪水调度主要是减少库区淹没损失、降低工程投资、提高水资源利用率和工程经济指标。
经分析研究,石虎塘航电枢纽工程也采用“不分汛期和非汛期,依据坝址上游来水流量结合坝前水位的水库调度运行方式”进行水库调度,其总的调度运行原则为:小水(Q≤2200m3/s)关闸蓄水至正常蓄水位兴利(航运、发电)运行;中水(2200≤Q≤4700m3/s)开闸泄流降低水位运行,以减少库区淹没;大水(Q>4700m3/s)敞泄洪水,确保闸坝运行安全。
6、结语
现代水利枢纽工程洪水调度运行方式是依据坝址上游来水流量结合坝前水位、动态控制各时期运行水位的洪水调度运行方式。要顺利实施这种洪水调度运行方式,必须依靠并利用现代技术,了解雨、水情,预报出各控制断面洪水过程,事先知晓水库坝址上游来水流量。
在水利枢纽工程设计阶段研究洪水调度运行方式,主要是在满足工程兴利要求、达到工程自身及坝址上下游防洪安全的前提下,较好地协调防洪与兴利之间的矛盾,减少库区淹没损失,保护宝贵的土地资源,降低工程投资,提高拟建水利枢纽工程的水资源利用率和经济指标,为工程前期工作的顺利开展奠定基础。
依据水库坝址上游来水流量动态控制各时期运行水位的洪水调度运行方式,也可以应用于已建成的江西各大河流中下游设有汛限水位的水利枢纽工程。与设计阶段相比,它们的研究方式、方法是相同的,不同的是研究目的。已建成的水利枢纽工程研究洪水调度运行方式和方案的目的主要是:在保持水利枢纽原有功能不变、不增加上游淹没损失和工程防洪风险的条件下提高水资源利用率,获得更大的工程综合效益。
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