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摘要设定汛限水位是为了缓解防洪与兴利之间的矛盾使水电站在安全的前提下经济运行。该文以黄柏河梯级水库群为例，针对其设计汛限水位在实际控制运用中暴露出的问题，对汛限水位进行复核，为梯级水库群的科学防洪与兴利提供理论依据。计算结果表明，黄柏河梯级水库的设计汛限水位偏高，可适当增加兴利库容提高水库的经济运行效益。
关键词汛限水位；设计洪水位；防洪库容；常规调度
中图分类号S271文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04449-03
Research on Flood Routing of Huangbaihe River Cascade Reservoir
YIN Zhiyuan et al（Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research， Institute of Heavy Rain， China Meteorological Administration， Wuhan， Hubei 430074）
AbstractFlood control level is set in order to coordinate the conflict between reservoir flood control and benefit and make the hydropower station economic operating under the premise of security. According to the series of problems exposed in the design flood control level of Huangbaihe River Cascade Reservoirs in practical control application， this paper reviewed the flood control level and provided a theoretical basis for scientific flood control and benefit of reservoirs. The calculation results show that the design flood control level of Huangbaihe River cascade reservoirs is a little higher. It’s appropriate to increase the storage capacity of reservoir for improving the economic benefit.
Key wordsFlood control level； Design flood level； Flood control storage； Routine routing
防洪是人类与洪水灾害作斗争的手段，其目的在于设法防止、消除或减轻洪灾损失，从而取得防洪效益。随着科学技术的发展，近代防洪治理已进入一个新阶段。防洪有如下特点：首先是由单一治理发展到综合治理，由局部治理发展到全流域治理，由单纯的堤防挡御和河道排泄发展到以水库、堤防、分蓄洪及减分流相结合的蓄泄兼施联合防洪[1-2]；其次是其措施正在向由工程防洪措施与防洪非工程措施合理配置、相互协调配合的综合性防洪体系发展[3-5]；最后是随着防洪事业的发展[6-7]，防洪工作内容也日益增加，演化为防洪规划与建设、防洪设施的管理与运用、水资源防洪系统调度、洪水预报、汛期防守与抢险、灾后工作等各个部分，且发展了各自的理论和方法，形成了相应的研究领域。而在水资源防洪系统调度中，各类水库起着十分重要的作用，这其中就包括水电站水库。
目前，国内大部分兴建的水库都同时承担着防洪与兴利两方面的任务。针对这两方面的任务需要对水库在不同时期的蓄水水位进行科学的划分，以保证在安全渡汛的前提下，尽可能拦蓄多的洪水将其作为农业灌溉、水产养殖以及生活用水等对经济发展有利的水资源。一般说来，水库都有防洪库容和兴利庫容之分，其中防洪库容为了保障水库自身和下游保护区的防洪安全而设计，兴利库容是为了尽可能有效利用水资源为当地经济发展作贡献而设计。由于防洪库容和兴利库容在不同时期扮演着不同的角色，因此，绝大多数水库的防洪库容和兴利库容都不是完全分开的，于是防洪库容和兴利库容的重叠部分就被称之为结合库容。
1 研究流域概况
黄柏河是长江中游左岸的一级支流，位于葛洲坝水利枢纽和三峡水电枢纽之间，于西陵峡出口的南津关下游、葛洲坝水利枢纽上游注入长江。黄柏河作为该市东风渠灌区的灌溉水源以及宜昌市城区的主要供水水源，对该市社会经济的发展起到极其重要的作用。目前，黄柏河水库群防洪系统是由玄庙观、天福庙、西北口、尚家河4座水库组成，其中玄庙观、天福庙、西北口是3座具有多年及年调节性能的水库，尚家河则是一个日调节水库，调洪库容很小，故在系统防洪调度时可忽略其作用。因此，黄柏河水库群防洪调度主要是考虑玄庙观、天福庙、西北口3库的联合调洪作用。水库群组成如图1所示。
图1 黄柏河梯级水库防洪系统示意图2研究方法
水电站水库除了平衡河川径流在丰、枯季（期）分布的不均匀性、保证枯水期有足够的发电用水外，在汛期还必须拦蓄洪水而发挥调洪作用。运行水库防洪调度的任务是根据规划设计或防洪复核选定的水库工程洪水标准（设计标准和校核标准）和下游防护对象的防洪标准，以及根据水库当年的大坝质量、泄洪设备和配套工程的实际情况，按照水库与下游河道堤防和分、蓄洪区防洪体系配合运用原则及泄洪方式。在确保水库工程安全的前提下，对入库洪水进行拦蓄和控制泄放，保障下游防护对象的安全，并尽可能发挥水库最大的综合效益。 黄柏河梯级水库主要设计参数如表1所示。从表1可以看出，该梯级水库有如下特点：（1）上下游水库的安全标准相差不大，且下游无明确的防洪任务；（2）上下游水库之间存在水力联系，但下水库防洪库容比上水库防洪库容大，因此，上游水库泄流可由下游水库进一步再调节；（3）玄庙观、天福庙、西北口3水库具有多年及年调节能力，径流调节能力强，水库群联合调洪可取得更大的防洪效益。3水库汛限水位和正常蓄水位一致，即兴利库容和与防洪库容完全分开，尽管解决了防洪与兴利之间的矛盾，但从水库经济运行角度来看，在保证安全的前提下，没有做到对库容利用的最大化。
此次对玄庙观、天福庙、西北口水库汛限水位的复核，主要基于以下几方面因素的考虑：
（1）3水库原设计条件发生较大变化；（2）由于运行时间较长，随着资料的积累，需要对水库入库洪水进行复核，如果原设计值较现在出入较大，则必须对汛限水位进行重新复核；（3）日臻成熟的新技术的应用，对未来水雨情势的把握程度大幅度提升，配合地理信息系统等技术，动态控制汛限水位，不仅可提高季节性兴利效益，而且能提高汛末水库的蓄满率；（4）研究流域防洪体系的联合运用，兴利库容与防洪库容具有完全不同的使用时段，在降雨比较多的汛期可以将防洪库容预留出来保证水库安全渡汛，同时将拦蓄下来的洪水作为非汛期的发电、灌溉以及生活用水的水资源储备。使水库在保证安全的前提下，尽可能提高经济运行效益。
根据黄柏河水库群的实际情况，拟进行如下的研究工作：（1）首先将原设计洪水资料和多年运行统计资料结合在一起，对设计洪水资料进行复核；（2）根据复核后的洪水资料和水库目前采用的运行方式，明确水库目前所达到的防洪标准；（3）根据汛期设计洪水过程分别推求各库所需防洪库容，进而确定各库相应的汛限水位，也是确定后汛期水库最高蓄水的参考依据。
3实例
根据上述处理思路，代入表2中各梯级水库特征值，对玄庙观、天福庙和西北口3个梯级水库进行调洪演算，同时还考虑了区间入流按各梯级水库控制流域面积比等与区间入流与典型洪水的流量比来进行计算。结果调洪演算得该校核洪水所对应水库的校核洪水位。如表2所示（这里选取的都是各水库校核洪水，选取的校核洪水从上向下演进。
首先对第一级水库玄庙观的汛限水位进行复核。由于该水库是500年一遇洪水校核，故选取500年一遇洪水进行调洪演算。经计算机软件处理得到的流量及水位变化过程线（图3中（a）、（b））；玄庙观泻流继续向下游演进，接着就是对第2级水库天福庙的汛限水位进行复核，由于该水库是1 000年一遇洪水校核，故选取1 000年一遇洪水进行调洪演算，得到流量及水位变化过程线（图3中（c）、（d））；天福庙泻流继续向下游演进，最后就是对第3级水库西北口的汛限水位进行复核，由于该水库是10 000年一遇洪水校核，故选取10 000年一遇洪水进行调洪演算，得到流量及水位变化过程线（图3中（e）、（f））。
42卷14期殷志远等黄柏河梯级水库群调洪演算研究注：（a）玄庙观入库和出库流量；（b）玄庙观水位；（c）天福庙入库和出库流量；（d）天福庙水位； （e）西北口入库和出库流量；（f）西北口水位。
图3500～10 000年—遇洪水调洪演算4 结论
以黄柏河梯级水库群为例，对3座水库的汛限水位进行复核调洪计算，从计算的洪水特征数据值来看，水库在经过各自所对应的设计洪水的调洪演算后所得到的最高洪水位与原设计洪水位差异不大，也就是说，在误差允许的范围内原梯级水库的防洪限制水位与原来设计的汛限水位保持一致。但是，从历年的流量资料来看，万年一遇校核对于西北口水库来说，设计标准偏高，造成了汛限水位过低导致兴利库容的减少，使得水库的经济运行效益没有达到最大化，通过上述对黄柏河梯级水库群汛限水位的复核计算发现，可以适当提高西北口的汛限水位，保证能够抵御千年一遇洪水就可以了。
近年来，许多新技术方法不断涌现出来，其中包括地理信息系统（GIS）、卫星云图，雷达定量估算降雨，气象数值模式预报降雨等方法广泛应用于洪水预报和水资源开发利用中，为经济社会的不断发展起到了积极的推动作用，同时也为从事水库防洪管理与水库设计人员提出了许多亟待解决的新课题[8-11]。
参考文献
[1] 廖爱民，雷明，黄鑫磊.水庫调洪计算的理论方法及研究应用进展[J].现代企业文化，2008，88（12）：144-145.
[2] 李伟建.入库洪水对水库调洪的影响[J].水利科技与经济，2005，11（8）：493-496.
[3] 贾化乐，杨中华.陆浑水库调洪演算程序设计方法研究[J].人民黄河，2013，35（9）：46-47，94.
[4] 闵要武，王俊，陈力.三峡水库入库流量计算及调洪演算方法探讨[J].人民长江，2011，42（6）：49-52.
[5] 李杨俊，郭宝群，郭相秦，等.三门峡水库调洪演算预报的方法[J].东北水利水电，2005，23（12）：36-37，26.
[6] 殷志远，彭涛，王俊超，等.基于AREM模式的贝叶斯洪水概率预报试验[J].暴雨灾害，2012，31（1）：1-6.
[7] 殷志远，彭涛，杨芳，等.基于QPE和QPF的遗传神经网络洪水预报试验[J].暴雨灾害，2013，32（4）：360-368.
[8] 陆洪昌.水库的调洪作用及防洪能力复核分析[J].黑龙江水利科技，2013，41（2）：163-165.
[9] 王秋梅，付强，徐淑琴，等.水库调洪计算方法的发展[J].农机化研究，2006（6）：56-57，67.
[10] 陈森林，游中琼，纪昌明，等.水库动库容调洪方法研究[J].水电能源科学，1999，17（4）：27-30.
[11] 王船海，南岚，李光炽，等.河道型水库动库容在实时洪水调度中的影响[J].河海大学学报：自然科学版，2004（5）：526-529.
关键词汛限水位；设计洪水位；防洪库容；常规调度
中图分类号S271文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04449-03
Research on Flood Routing of Huangbaihe River Cascade Reservoir
YIN Zhiyuan et al（Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research， Institute of Heavy Rain， China Meteorological Administration， Wuhan， Hubei 430074）
AbstractFlood control level is set in order to coordinate the conflict between reservoir flood control and benefit and make the hydropower station economic operating under the premise of security. According to the series of problems exposed in the design flood control level of Huangbaihe River Cascade Reservoirs in practical control application， this paper reviewed the flood control level and provided a theoretical basis for scientific flood control and benefit of reservoirs. The calculation results show that the design flood control level of Huangbaihe River cascade reservoirs is a little higher. It’s appropriate to increase the storage capacity of reservoir for improving the economic benefit.
Key wordsFlood control level； Design flood level； Flood control storage； Routine routing
防洪是人类与洪水灾害作斗争的手段，其目的在于设法防止、消除或减轻洪灾损失，从而取得防洪效益。随着科学技术的发展，近代防洪治理已进入一个新阶段。防洪有如下特点：首先是由单一治理发展到综合治理，由局部治理发展到全流域治理，由单纯的堤防挡御和河道排泄发展到以水库、堤防、分蓄洪及减分流相结合的蓄泄兼施联合防洪[1-2]；其次是其措施正在向由工程防洪措施与防洪非工程措施合理配置、相互协调配合的综合性防洪体系发展[3-5]；最后是随着防洪事业的发展[6-7]，防洪工作内容也日益增加，演化为防洪规划与建设、防洪设施的管理与运用、水资源防洪系统调度、洪水预报、汛期防守与抢险、灾后工作等各个部分，且发展了各自的理论和方法，形成了相应的研究领域。而在水资源防洪系统调度中，各类水库起着十分重要的作用，这其中就包括水电站水库。
目前，国内大部分兴建的水库都同时承担着防洪与兴利两方面的任务。针对这两方面的任务需要对水库在不同时期的蓄水水位进行科学的划分，以保证在安全渡汛的前提下，尽可能拦蓄多的洪水将其作为农业灌溉、水产养殖以及生活用水等对经济发展有利的水资源。一般说来，水库都有防洪库容和兴利庫容之分，其中防洪库容为了保障水库自身和下游保护区的防洪安全而设计，兴利库容是为了尽可能有效利用水资源为当地经济发展作贡献而设计。由于防洪库容和兴利库容在不同时期扮演着不同的角色，因此，绝大多数水库的防洪库容和兴利库容都不是完全分开的，于是防洪库容和兴利库容的重叠部分就被称之为结合库容。
1 研究流域概况
黄柏河是长江中游左岸的一级支流，位于葛洲坝水利枢纽和三峡水电枢纽之间，于西陵峡出口的南津关下游、葛洲坝水利枢纽上游注入长江。黄柏河作为该市东风渠灌区的灌溉水源以及宜昌市城区的主要供水水源，对该市社会经济的发展起到极其重要的作用。目前，黄柏河水库群防洪系统是由玄庙观、天福庙、西北口、尚家河4座水库组成，其中玄庙观、天福庙、西北口是3座具有多年及年调节性能的水库，尚家河则是一个日调节水库，调洪库容很小，故在系统防洪调度时可忽略其作用。因此，黄柏河水库群防洪调度主要是考虑玄庙观、天福庙、西北口3库的联合调洪作用。水库群组成如图1所示。
图1 黄柏河梯级水库防洪系统示意图2研究方法
水电站水库除了平衡河川径流在丰、枯季（期）分布的不均匀性、保证枯水期有足够的发电用水外，在汛期还必须拦蓄洪水而发挥调洪作用。运行水库防洪调度的任务是根据规划设计或防洪复核选定的水库工程洪水标准（设计标准和校核标准）和下游防护对象的防洪标准，以及根据水库当年的大坝质量、泄洪设备和配套工程的实际情况，按照水库与下游河道堤防和分、蓄洪区防洪体系配合运用原则及泄洪方式。在确保水库工程安全的前提下，对入库洪水进行拦蓄和控制泄放，保障下游防护对象的安全，并尽可能发挥水库最大的综合效益。 黄柏河梯级水库主要设计参数如表1所示。从表1可以看出，该梯级水库有如下特点：（1）上下游水库的安全标准相差不大，且下游无明确的防洪任务；（2）上下游水库之间存在水力联系，但下水库防洪库容比上水库防洪库容大，因此，上游水库泄流可由下游水库进一步再调节；（3）玄庙观、天福庙、西北口3水库具有多年及年调节能力，径流调节能力强，水库群联合调洪可取得更大的防洪效益。3水库汛限水位和正常蓄水位一致，即兴利库容和与防洪库容完全分开，尽管解决了防洪与兴利之间的矛盾，但从水库经济运行角度来看，在保证安全的前提下，没有做到对库容利用的最大化。
此次对玄庙观、天福庙、西北口水库汛限水位的复核，主要基于以下几方面因素的考虑：
（1）3水库原设计条件发生较大变化；（2）由于运行时间较长，随着资料的积累，需要对水库入库洪水进行复核，如果原设计值较现在出入较大，则必须对汛限水位进行重新复核；（3）日臻成熟的新技术的应用，对未来水雨情势的把握程度大幅度提升，配合地理信息系统等技术，动态控制汛限水位，不仅可提高季节性兴利效益，而且能提高汛末水库的蓄满率；（4）研究流域防洪体系的联合运用，兴利库容与防洪库容具有完全不同的使用时段，在降雨比较多的汛期可以将防洪库容预留出来保证水库安全渡汛，同时将拦蓄下来的洪水作为非汛期的发电、灌溉以及生活用水的水资源储备。使水库在保证安全的前提下，尽可能提高经济运行效益。
根据黄柏河水库群的实际情况，拟进行如下的研究工作：（1）首先将原设计洪水资料和多年运行统计资料结合在一起，对设计洪水资料进行复核；（2）根据复核后的洪水资料和水库目前采用的运行方式，明确水库目前所达到的防洪标准；（3）根据汛期设计洪水过程分别推求各库所需防洪库容，进而确定各库相应的汛限水位，也是确定后汛期水库最高蓄水的参考依据。
3实例
根据上述处理思路，代入表2中各梯级水库特征值，对玄庙观、天福庙和西北口3个梯级水库进行调洪演算，同时还考虑了区间入流按各梯级水库控制流域面积比等与区间入流与典型洪水的流量比来进行计算。结果调洪演算得该校核洪水所对应水库的校核洪水位。如表2所示（这里选取的都是各水库校核洪水，选取的校核洪水从上向下演进。
首先对第一级水库玄庙观的汛限水位进行复核。由于该水库是500年一遇洪水校核，故选取500年一遇洪水进行调洪演算。经计算机软件处理得到的流量及水位变化过程线（图3中（a）、（b））；玄庙观泻流继续向下游演进，接着就是对第2级水库天福庙的汛限水位进行复核，由于该水库是1 000年一遇洪水校核，故选取1 000年一遇洪水进行调洪演算，得到流量及水位变化过程线（图3中（c）、（d））；天福庙泻流继续向下游演进，最后就是对第3级水库西北口的汛限水位进行复核，由于该水库是10 000年一遇洪水校核，故选取10 000年一遇洪水进行调洪演算，得到流量及水位变化过程线（图3中（e）、（f））。
42卷14期殷志远等黄柏河梯级水库群调洪演算研究注：（a）玄庙观入库和出库流量；（b）玄庙观水位；（c）天福庙入库和出库流量；（d）天福庙水位； （e）西北口入库和出库流量；（f）西北口水位。
图3500～10 000年—遇洪水调洪演算4 结论
以黄柏河梯级水库群为例，对3座水库的汛限水位进行复核调洪计算，从计算的洪水特征数据值来看，水库在经过各自所对应的设计洪水的调洪演算后所得到的最高洪水位与原设计洪水位差异不大，也就是说，在误差允许的范围内原梯级水库的防洪限制水位与原来设计的汛限水位保持一致。但是，从历年的流量资料来看，万年一遇校核对于西北口水库来说，设计标准偏高，造成了汛限水位过低导致兴利库容的减少，使得水库的经济运行效益没有达到最大化，通过上述对黄柏河梯级水库群汛限水位的复核计算发现，可以适当提高西北口的汛限水位，保证能够抵御千年一遇洪水就可以了。
近年来，许多新技术方法不断涌现出来，其中包括地理信息系统（GIS）、卫星云图，雷达定量估算降雨，气象数值模式预报降雨等方法广泛应用于洪水预报和水资源开发利用中，为经济社会的不断发展起到了积极的推动作用，同时也为从事水库防洪管理与水库设计人员提出了许多亟待解决的新课题[8-11]。
参考文献
[1] 廖爱民，雷明，黄鑫磊.水庫调洪计算的理论方法及研究应用进展[J].现代企业文化，2008，88（12）：144-145.
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[4] 闵要武，王俊，陈力.三峡水库入库流量计算及调洪演算方法探讨[J].人民长江，2011，42（6）：49-52.
[5] 李杨俊，郭宝群，郭相秦，等.三门峡水库调洪演算预报的方法[J].东北水利水电，2005，23（12）：36-37，26.
[6] 殷志远，彭涛，王俊超，等.基于AREM模式的贝叶斯洪水概率预报试验[J].暴雨灾害，2012，31（1）：1-6.
[7] 殷志远，彭涛，杨芳，等.基于QPE和QPF的遗传神经网络洪水预报试验[J].暴雨灾害，2013，32（4）：360-368.
[8] 陆洪昌.水库的调洪作用及防洪能力复核分析[J].黑龙江水利科技，2013，41（2）：163-165.
[9] 王秋梅，付强，徐淑琴，等.水库调洪计算方法的发展[J].农机化研究，2006（6）：56-57，67.
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[11] 王船海，南岚，李光炽，等.河道型水库动库容在实时洪水调度中的影响[J].河海大学学报：自然科学版，2004（5）：526-529.