大西沟、乌拉泊和红雁池水库防洪联合调度初探

摘要：大西沟水库位于乌拉泊水库上游58km处，红雁池水库位于乌拉泊水库下游5km处，均为中型水库，属于串联梯级水库，另外，大西沟水库正在建设中。这3座水库联合调度的原则是：位于上游的大西沟水库，在不影响其自身安全的原则下，尽量拦蓄洪水，采用“先蓄后放”的调节方式。但是，当接到暴雨预报时，要提前放水，腾出部分库容来拦蓄洪水，以保安全。对于位于下游的红雁池水库，应根据上游及区间的可能来水情况，保持较大的防洪库容。3座水库在汛期也可以根据水库自身不同的蓄水能力，采用间隔蓄水的办法，自上而下，一个蓄满一个不蓄满，这样也能使洪水的峰和量得到及时的削减，并能协调和消除上下水库之间的矛盾和影响。

关键词：防洪联合调度；水库防洪；大西沟水库；乌拉泊水库；红雁池水库

中国分类号：TV697.11　  文献标识码：A

1 3座水库概况

大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库是乌鲁木齐河上3座中型水库，分别位于乌鲁木齐市南郊68、10km和5km处，均为土石坝。

大西沟水库是乌鲁木齐河流域的龙头水库，水库由粘土心墙坝、溢洪道、泄洪兼导流洞和放水灌溉洞等建筑物组成。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，大西沟水库工程等级为I级，工程规模为大（I）型，主要建筑物大坝、溢洪道和泄洪兼导流洞、放水灌溉洞为I级，次要建筑物为III级，临时建筑物为IV级。水库总库容为6985万m3，工程于2008年4月28日开工，建设期为3a，总投资为7.28亿元。

大西沟水库建成后，可以分担乌拉泊水库的防洪压力，也可以提高2座水库对农业、工业和城市生活供水的调蓄能力，缓解乌鲁木齐市城市供水紧张状况：同时可以结合引额济乌工程，将向下游供给的0.5亿m3水量置换在上游，为实现“高水高用，低水低用”的水资源配置创造条件。

乌拉泊水库位于乌鲁木齐河流域的中游，于1961年建成运行，设计库容为7000万m3，坝体结构为壤土为心墙砂砾石坝，水平铺盖防渗，后因渗流不稳定沿坝顶高程108m处增设了一道垂直混凝土防渗墙；坝高26m，坝顶高程为1088m，坝长为1100m，上游坡为1：3-1：3.5，下游坡为1：2-1：2.5，主要水工建筑物包括大坝、泄水涵洞和溢洪道。泄水涵洞最大泄水能力为60m3/s，溢洪道最大泄洪能力为1074m3/s。该工程肩负着乌鲁木齐市的防洪和供水任务，并为乌鲁木齐市的经济发展做出巨大贡献。

红雁池水库也是位于乌鲁木齐河流域的中游，1950年建成并开始运行。该水库总库容为5429.09万m3，坝高23m，坝顶高程为1009m，坝长为679m，主要水工建筑物包括大坝、高低放水闸和高低放水渠。是乌鲁木齐河下游灌溉用水和为乌鲁木齐市部分工矿企业供水的水源之一。

2 防洪联合调度的目标和原则

2.1 防洪联合调度的依据

3座水库防洪联合调度的依据是：《中华人民共和国水法》；《中华人民共和国防洪法》；《中华人民共和国河道管理条例》；《水库大坝安全管理条例》；《芳滞洪区安全建设指导纲要》；《乌鲁木齐河河道管理条件》；国家防洪《防洪预案编制要点（试行）》；《乌鲁木齐市城市防洪规划报告》；大西沟水库、乌拉泊水库、红雁池水库、和平渠和乌鲁木齐河河道防洪墙等工程设计资料；《乌鲁木齐市城市防洪规划水文分析报告》。

2.2 防洪联合调度的目标

3座水库防洪联合调度的总目标是：遇设防标准的洪水不出险，遇超标准洪水有对策，洪水损失最小化，保障城市生活用水。　 

（1）在现有工程设施条件下，针对可能发生的各类洪水，预先制定乌鲁木齐市防御洪水方案、对策及措施，做到有计划、有准备地防御洪水。

（2）最大限度地利用3座水库、现有的水利工程措施以及一切必要手段，避免和减少人员伤亡及财产损失，确保乌鲁木齐市经济建设的正常发展。

（3）为各级防汛部门实施防洪指挥决策、调度及抢险救灾提供依据。

2.3 防洪联合调度的原则

（1）科学合理；

（2）尽量减少乌拉泊水库上、下游洪水灾害；

（3）保障措施有力、得当及有应急方案；

（4）充分发挥防洪体系及乌鲁木齐河干流上水利工程功能；

（5）雨情、水情和工情分析预报准确，为合理调度提供依据；

（6）对于汛期洪水，按照先上游大西沟水库、青年渠渠首水利骨干工程，后和平渠、红雁池水库、乌拉泊水库的顺序拦蓄洪水；

（7）工程措施与非工程措施相结合，减少洪灾损失；

（8）兼顾城市供水。

3 河流洪水特征及水库防洪特征水位

3.1 乌鲁木齐河洪水特征[1]

乌鲁木齐河的洪水类型可以分为：暴雨洪水、冰雪消融洪水以及以暴雨为主的混合型洪水。以暴雨为主的混合型洪水为前期气温偏高、降雨天气形成后持续数日，暴雨洪水与高山积雪融水叠加下泄，容易形成洪涨快、洪峰高、洪量大、持续时间长的洪水。例如1953年“8.4”洪水、1994年“7.15”洪水、1996年“7.18”洪水都属于该类型。洪水的主要特征为：

（1）乌鲁木齐河年最大洪峰流量主要集中在6-8月，特别是6月下旬到8月上旬。

（2）洪水主要源自高、中山区。如1996年7月的洪水，青年渠渠首以上1070km2的集水区，3d的洪水量为4393万m3；英雄桥水文站以上924km2集水区内，3d的洪水量为4168万m3；上游跃进桥水文站以上310km2的集水区内，3d的洪水量为2129m3，而乌拉泊水库3d的进库总量为3406万m3。

（3）洪峰多年变幅大，最大年与最小年倍比超过7倍（1996年为352m3/s，2001年为37.5m3/s）。

（4）山区地势陡峻，河流纵坡大，流域天然调蓄能力弱，所以洪峰陡涨陡落，峰顶持续时间不长，单峰时间也较短。

3.2 3座水库的防洪特征水位

3.2.1大西沟水库

（1）大西沟水库的设计洪水标准为1000a一遇；校核洪水标准为10000a一遇；泄洪建筑物为溢洪道、泄洪兼导流洞和放水灌溉洞。

（2）水库的防洪特征水位：死水位、汛期限制水位为1935m，相应库容为127万m3；正常蓄水位为1961m，相应库容为1856万m3；防洪高水位为1977.7m，相应库容为4586万m3，防洪库容为4459万m3；设计洪水位为1981m，相应库容为5278万m3，拦洪库容为5151万m3；校核洪水位1988m，相应库容为6985万m3，调洪库容为6858万m3；总库容为6985m3。

3.2.2乌拉泊水库　 

（1）乌拉泊水库防浪墙顶高程为1089.5m，死水位为1068.4m，库容为360万m3；汛限水位为1077.6m，库容为2000万m3；设计洪水位为1086.1m，库容为5620万m3；校核洪水位为1087.23m，库容为6400万m3；溢洪道堰顶高程为1083.0m，相应库容为4000万m3。

（2）放水洞底板高程为1068.4m，放水洞控制最大泄流量为60m3/s；泄水渠长为3.2km，设计流量为60m3/s。

（3）溢洪道设5孔闸门，每孔闸门净宽10m，溢洪道驼峰堰堰顶高程为1083.0m。最大泄洪量为1074.0m3/s。

3.2.3红雁池水库

（1）红雁池水库汛限水位998.05m，库容为3000万m3，设计洪水位为1004.9m，库容为5300万m3。

（2）引洪隧洞设计流量为60m3/s，最大过水流量为45m3/s。

（3）高低水渠设计流量均为10m3/s。

3.2.4其他骨干水利工程的防洪特征值

（1）大西沟渠首泄洪能力为300m3/s，当乌鲁木齐河洪峰流量小于300m3/s时，以6m3/s的流量向黄草梁子、公胜干渠分洪，用于板房沟乡、永丰乡的农业灌溉；当洪峰流量大于300m3/s时，渠首不再分洪，洪水全部泄入乌鲁木齐河。

（2）青年渠渠首泄洪能力为300m3/s，当洪峰流量小于300m3/s时，渠首可以15m3/s的流量向青年渠灌区分洪，其中以10m3/s的流量排入灌区，用于农业灌溉；以5m3/s的流量排入沙坑（沙坑可容纳1200万m3的水量，持续时间为28d）；当洪峰流量大于300m3/s时，渠首将不再向灌区分洪，洪水全部泄入乌鲁木齐河。

（3）和平渠现状最大输水能力为15m3/s，八一闸水源地可排流量为0.5m3/s，大渡槽排洪渠可排流量为3m3/s，103团沙场分洪流量为2m3/s（沙场可容纳500万m3的水量，可持续泄洪28d），猛进水库引洪流量为6m3/s。

4 防洪联合调度

乌鲁木齐河流域的大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库之间的关系。

（1）大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库进行防洪联合调度时，必须采取错峰的方式才能达到梯级最大的防洪效益。由于3座水库的上下游区间面积不大，可采用后错峰的调节方式，即利用上游水库的防洪库容，在洪水开始阶段拦蓄洪水，在区间洪峰过去之后，再泄放上游水库的洪水，以达到减小下游水库最大泄流量的目的[2]。

（2）大西沟水库的调度原则为：充分发挥水库的优势，尽量先利用水库拦洪，灵活调节一般洪水；尽量控制特大洪水，适当减轻乌拉泊水库和红雁池水库拦洪的泥沙淤积影响。洪水退落后，最后逐渐泄空大西沟水库。

（3）大西沟水库至乌拉泊水库、红雁池水库之间的区间发生与设计标准同频率的洪水时，大西沟水库也发生相应的入库泄水，经大西沟水库调节后的下泄流量，与区间洪水过程组合得到乌拉泊水库入库洪水，然后对乌拉泊水库进行保坝安全洪水调节计算。

（4）洪水组合是大西沟水库发生与乌拉泊水库设计标准同频率的入库洪水时，上下库区间发生相应洪水，经大西沟水库调洪后下泄流量过程与区间相应洪水过程组合成乌拉泊水库入库洪水；对乌拉泊水库进行保坝安全的调洪计算。

（5）乌拉泊水库防洪标准较低，红雁池水库是乌拉泊水库的调节水库，在选择乌拉泊水库的调洪方式时，应考虑到在发生超下游水库校核标准洪水时，必须尽可能减轻对下游水库的不利影响。

（6）大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库是存在水力联系的梯级水库，原则上应尽可能考虑到水库群的整体安全。由于上下游水库水工建筑物等级不同，有可能会出现不同的安全标准，对于这些可能出现的情况，解决办法的总要求是，不应该由于上下游水库之间的不利影响而降低任意一级水库的安全标准，而是应当设法使设计标准较低的水库采取补救措施，尽可能确保标准较高的水库的保坝安全运行条件。

（7）可以说，大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库共同承担着下游的防洪任务，必需对如何在组成库群的各水库之间合理分配防洪库容的问题进行研究。在已知乌鲁木齐河下游市区防护区防洪标准设计洪水及防洪控制点河道安全泄量的条件下，可以通过建立数学规划模型寻求最佳分配方案。但是必须看到，上述防洪库容分配问题还涉及一些比较复杂的条件。比如，必须考虑设计洪水地区组合的不稳定性。在考虑库容分配方案时，必须同时考虑各水库的联合调洪方式（服从统一调度要求，采用合理的、优化的联调方式），通常采用的库群防洪库容分配的常规做法有：①将下游市区段防洪所需的总防洪库容的防洪标准相应的设计洪水与河道的安全泄量进行对比，洪水过程中超出河道安全泄量的超额水量，即为满足下游防洪要求所需的最小防洪库容。考虑到水库防洪补偿调节实际上是按小于或等于安全泄量控泄，从防洪安全出发，一般建议应将上述求得的最小防洪库容乘以k（1.1-1.3）作为采用的所需总防洪库容。②初步确定大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库可承担的防洪库容。该水库群所需的总防洪库容，应由上述各水库分担。可将上下库区间及下库至防洪点区间的洪水均作为与下游防洪标准同频率的洪水，上库为相应洪水，针对此种洪水组成，可按自身情况调洪；下库以上库泄洪过程与相应时刻上下库区间洪水流量过程相加为入库洪水过程，按下游防洪要求进行调洪，求得下库所需的防洪库容。③大西沟水库、乌拉泊水库和红雁池水库公共防洪库容的分配。公共防洪库容是指按上述方法推求水库群所需设置防洪库容之和不满足下游防洪要求所需的总防洪库容的库容差值。由于大西沟水库占洪水来源比重较大，淹没损失较小，综合利用任务较轻，宜多分担一些防洪库容；对其分配方案必须进行经济比较和综合分析，从中选出最佳方案。

（8）3座水库联合调洪方式。由于大西沟水库距乌鲁木齐市防洪控制点较远，且其下泄流量可由下级水库再调节，因此，若各水库洪水基本上同步时，应先蓄大西沟水库，后蓄乌拉泊水库和红雁泄水库，以使防洪库容得到最充分的利用。3座水库泄洪次序一般与水库蓄洪运用次序相反，并以最下一级水库的泄量加区间流量不大于防洪控制点安全泄量为原则，尽快腾空各水库的防洪库容。若3座水库洪水组合遭遇多变，则应根据洪水实际发生情况来确定水库的运用次序，一般可以根据降雨信息，确立位于暴雨中心上游的水库先蓄洪，位于暴雨中心下游的水库后蓄洪。若暴雨洪水主要发生在最下一级至防洪控制点的区间，那么，一般可采用先蓄上游水库，后蓄下游水库的运用次序[3]。

（9）对于3座水库防洪调度的优化方法，应该结合乌鲁木齐河洪水预报，不断利用更新的雨情、水情信息，及时采用变化后的洪水时空分布来调整3座水库防洪调度决策。在3座水库防洪优化调度模型中，每当更新雨情，即启动洪水预报作业，并调用防洪优化调度模型做出调度决策，即优化调度决策将随着信息更新而不断做出适应性调整，最终使一次洪水的联合调度过程较好地接近于理想的确定性优化调度决策过程。3座水库优化调度的建模步骤和内容如下：①确定3座水库防洪系统的任务和目标；②3座水库防洪系统解耦及总体协调；③3座水库防洪调度数学模型及其解意方法（确定目标函数、约束条件、解算方法）；④3座水库防洪系统的总体演算；⑤计算成果分析。

（10）完善乌鲁木齐河综合自动化管理系统，增加3座水库防洪调度自动化专家辅助决策支持系统，做到适时自动采集水雨情信息，及时准确地做出洪水预报，迅速提出防洪调度方案，为各级防洪指挥决策部门提供支持。

（11）假设乌鲁木齐河发生200a一遇洪水（7d洪量为10390万m3，洪峰流量为906m3/s，因为乌鲁木齐市防洪标准为200a一遇标准），根据上述调度原则及标准，大西沟水库首先要利用防洪库容承担4459万m3洪水，待到大西沟水库与乌拉泊水库之间的区间洪峰流量不大于400m3/s时，在错峰后，大西沟水库逐渐泄水，青年渠渠首、大西沟渠首可消耗15m3/s，29km长的排洪闸可排泄10m3/s的洪水；乌拉泊水库可调洪4400万m3，下泄60m3/s；和平渠可排洪15m3/s；红雁池水库接纳45m3/s，可调洪水2300万m3。3痤水库完全可以调节洪水11159万m3，这样就能保证乌鲁木齐市的防洪安全。

参考文献：

[1] 乌鲁木齐市水利勘测设计院.乌鲁木齐河两岸联调.乌鲁木齐：乌鲁木齐市水利勘测设计院，2004.

[2] 徐浩主编.水库管理人员及水库调度岗位操作技能培训考评与水库安全运行管理标准规范.长春：吉林音像出版社，2000：447.

[3] 熊华康编.水库调度技术问答.北京：中国电力出版社，2004：112-116.

作者简介:张润杰,男,新疆天山源水管理经营有限公司乌鲁木齐河管理处水调度中心主任,高级工程师。