中国法分类号：TV122 文献标志码：A
防洪安全是水库防洪调度关心的核心问题之一，和当前库水位以及入库洪水大小都是密切联系。通过概率组合方法来考虑水文不确定性是分析水库防洪能力的途径之一[1]，通过水库实时水位对水库实时防洪能力进行判别的计算模式则更加直观，该方法主要以校核洪水为参考对象[2]。在选定起调水位的情况下，也有采用随机模拟洪水来统计超过某个指定水位值的频率，并以此来衡量水库的防洪安全。本文提出的可控洪水与不可控洪水的概念，主要研究水库闸门全部打开后的防洪调度，从另外一个角度来探讨洪水对水库防洪的影响。
1 可控洪水与不可控洪水的概念及其特点
对于一个给定的水库，其在各水位下的最大下泄能力是一定的。若洪水入库流量超过了当前水位下水库的最大下泄能力，库水位将不可避免地上涨。由于受水库泄洪能力的限制，在一定的水位范围内，水库所能够完全下泄的洪水量级是有限的，更多的洪水会超过水库的泄洪能力。若从某时刻起，水库所有的泄洪设备都已经完全打开，但入库洪水流量仍然大于该水位下的最大下泄能力，则水库对于入库洪水将失去调节能力，由此所导致的最高坝前水位值完全取决于入库洪水过程。设从某个时刻开始，入库洪水流量已大于当前水位下所有泄洪设备全部打开时的泄洪能力，则从该时刻开始，水库对洪水已经无法通过闸门来调节，防洪调度进入被动应对阶段。从该时刻开始，洪水属于不可人为控制的洪水过程，称之为不可控洪水。与之对应，若对于某个水位，入库洪水流量始终小于等于当前水位下闸门全开时的下泄能力，则水库可以通过不同的闸门开度来实现不同的调度目标，即可以通过控制闸门来实现对入库洪水的控制，该部分洪水则称为可控洪水。
对于可控洪水，由于入库洪水流量不超过当前水位下闸门全开后的最大泄量，可人为调整闸门开度与不同泄洪设备的组合来实现既定的蓄泄过程。如能将闸门予以适当控制，可实现下泄流量与入库洪水流量相等，从而可使库水位保持不变。对于不可控洪水，由于入库洪水流量已经大于当前水位下闸门全开后的最大泄量，水库水位将不可避免地上涨，且上涨的幅度不受人为控制，所能达到的最高水位仅取决于洪水过程。
对于一场具有复杂过程线的洪水过程而言，洪水可能在可控与不可控之间变化，其分界点为入库洪水流量大于该水位下最大下泄能力之时。可控洪水与不可控洪水的区别，主要取决于某一特定水位下水库的最大下泄能力。对于可控洪水，由于水库可以通过泄洪设施完全下泄，因此是安全的；而对于不可控洪水，也并不意味着一定不安全，之所以称为“不可控”，原因在于入库洪水已经超过了水库的最大下泄能力，水库的水位变化完全取决于洪水流量的大小，已无法人为控制。何种程度的不可控洪水能让水库“不安全”以及能够造成多大程度的“不安全”，则是不可控洪水研究的主要内容。
2 不可控洪水特性研究
可控洪水可通过当前水位所对应的闸门全开时下泄流量与入库洪水流量的比较分析得到，而不可控洪水则产生于入库洪水流量大于当前时刻水库最大下泄能力之时。因此在进行洪水可控性研究时，重点分析对象为不可控洪水，后文将其统称为不可控洪水。为便于研究，需要将不可控洪水过程作出必要的简化，对4个主要因素进行设定，即：起调水位、起调流量、峰型和峰现时间。
2.1 起调水位与起调流量
由于不可控洪水的基本特征之一是入库流量大于水库当前水位下的最大下泄能力，为便于表述，在对不可控洪水进行研究时，将起调水位人为设定作为一个必要条件，其实际意义为当前库水位。起调流量则对应为该水位下闸门全开时的最大下泄流量。
2.2 峰型
为便于研究且不失一般性，考虑单峰不可控洪水过程。在实际洪水调度中，从闸门全开到洪峰出现，中间过程近似为直线上涨。在某个起调水位下的不可控洪水可简化为：对于起调流量和洪峰流量之间的洪水过程，用线性变换处理，即假定洪水过程从起调流量开始到洪峰出现，中间过程直线上涨。对退水段，参考水库峰前峰后洪量比，同样按线性处理，依据算例水库实际情况，峰前洪量与峰后洪量统一取作2：1，在此比例下洪水退水相对较慢，故该种取法实际上偏安全。综上所述，用于研究的洪水过程线呈单峰三角形。对于复峰不可控洪水过程，将另作讨论。
2.3 峰现时间
在上述各因素已确定的条件下，剩下的可变因素为峰现时间。峰现时间对于洪水过程线有直接影响，从而导致对最终调洪结果的影响。在起调流量确定、洪峰确定的前提下，不同的峰现时间所反映的实际上是洪水过程的多样性，更本质特征为洪水上涨速率。因此峰现时间为洪水可控性研究中的关键因素。需要指出的是，此处的峰现时间是指不可控洪水起涨时刻到洪峰出现时刻之间的时间间隔。
3 调洪最高水位值分析
由于调洪演算难以用解析式直接得到一场洪水各时段的具体下泄过程，故本文所采用的调洪方法仍然为传统的调洪试算法。依据调洪基本原理及前文的假定条件，当最高水位出现时，入库流量与出库流量必定刚好相等。该时刻库水位最高，出库流量达到最大值。在起调流量和洪峰值不变的情况下，峰现时间越晚，则入库洪量越大。在闸门下泄能力一定的前提下，越有可能累积到较高的库水位。反之，若峰现时间出现越早，则洪水上涨速率越大，尽管入库洪水流量会远大于该情况下的下泄能力，但由于洪量有限，故所能达到的最高水位比同情况下峰现时间较晚的洪水所能达到的最高水位要低。
在起调洪最高水位出现时的若干相关量中，最大下泄流量最为特殊，是所有调洪计算相关量的集中体现。由最高库水位与最大下泄流量的相关性，最大下泄流量越大的洪水过程，所能达到的最高水位也越高。由于洪峰流量可看作是定值，而最高水位都是在洪峰过后发生，故可作如下推理：对于一系列起涨流量相同、洪峰相同的洪水过程，其最大下泄流量应当以洪峰流量为极限值，峰现时间出现越晚，入库洪水上涨速率越慢，同时库水位上涨越慢，则下泄流量过程线将趋近于入库洪水过程线。仿真计算将从数值上证明该结论。
4 调洪最高水位值分布规律仿真计算
前文已经对几个主要的影响因素做了必要的假定，且由于峰现时间为主要影响因素，因此研究方法可表述为：设定起调水位和洪峰流量、调整峰现时间以模拟构造不同的不可控洪水过程线，研究最高调洪水位的分布规律及其相关特征。
本文以东风水库为例进行模拟计算。为从较大范围内考察峰现时间对最高调洪水位的影响，峰现时间变化范围为4-700个时段（时段长3h）。表1中仅给出了起调水位968m（汛限水位），洪峰流量11000m3/s（设计洪水洪峰流量）的情形，其他起调水位和洪峰流量存在相同规律。东风水库设计洪水位为974.13m，在算例所给出的约束条件下，该系列不可控洪水所能达到的最高水位小于Zmax=975.49m，设计洪水所能达到的最高水位小于Zmax。随着峰现时间的延长，可观察下泄流量过程线与入库洪水过程线之间的关系及最大下泄流量变化趋势（见图1）。
图1 入库洪水过程与下泄流量过程线型
表1 最高水位--峰现时间关系统计
5 仿真计算结论
（1）最高调洪水位存在且稳定。在起调流量和洪峰流量给定的情况下，随着峰现时间的延迟，最高水位值也在逐渐增加，但增加幅度逐渐平缓，至足够长的峰现时间时，最高水位值趋于稳定。表1给出了T≤700时的最高水位值。在仿真计算时推广到了T＞2000，最大下泄流量随着峰现时间的延迟越来越接近于洪峰流量，最高水位也越来越趋于稳定，差异可小于任何一个设定的误差范围（表1所取精度为1cm）。因此在起调水位已知（对应于起调流量已知）、洪峰已知的情况下，一系列不可控洪水所能达到的最高水位值存在。
（2）下泄流量过程线与入库流量过程线不断趋近。随着峰现时间的延迟，下泄流量过程线与入库洪水过程线呈逐渐趋近的性质。可以理解为随着洪水上涨速度的减慢，水库下泄能力能够逐渐适应入库洪水的上涨，但略低于洪水流量值，导致库水位上涨缓慢。这种趋近性在最高水位出现时刻附近表现为最大下泄流量查水位--最大泄流能力曲线得到的库水位。利用此结论，无需进行调洪演算便可快速得出某个量级的不可控洪水所能达到的理论最高水位，从而判断洪水对水库所以造成的威胁程度。
（3）中间水位可控。由于最高水位存在且稳定，可找到在误差允许范围内出现最高水位所对应的最早峰现时间，小于该峰现时间的洪水过程，其所能达到的最高水位均小于理论最高水位。因此依据当能水位和预报洪峰以及峰现时间，即可判断该场洪水所能达到的最高水位范围。只需取不同的峰现时间，便可计算出与之对应的该量级不可控洪水所能达到的最高水位，可列表供查询参考。其他水位和洪峰流量组合可按照相同的办法计算得出。表2给出了一组可供查询的计算数据。
表2 东风水库968m起调水位不可控洪水不同峰现时间和洪峰值对应的最高水位
6 结语
本文以生产实际需要为背景，目的在于确定当入库洪水已经超过水库最大下泄能力后水库的防洪安全是否受到威胁，其所作的假定满足生产实际需要。
当前水库防洪调度中大多采用水文测报系统给出的数据计算防洪调度中水库的水位变化过程，其计算结果是针对一场具体洪水过程而言的。而不可控洪水特性研究结果为某一特定起调水位和某个特定量级洪水所能达到的理论最高调洪水位，是该量级洪水所能达到的最高调洪水位极限值。其优势在于并不需要考虑中间水位变化过程，就可以得出某一量级的洪水能够构成的最大威胁程度（以最高库水位表征）。依据水文测报系统计算出的最高水位值是否超过该极限值，只需查表即可，并能快捷判断水库防洪安全是否受到威胁。以上述方法来判定水库的防洪安全程度，对中间洪水过程不敏感，可以一定程度上避免洪水过程不确定性的干扰。
参考文献：
[1] 冯平，陈根福.水库实际防洪能力估算[J].天津大学学报，1994，27（5）：603-607.
[2] 延耀兴，高燕.洪水实时调度水库防洪能力确定[J].水资源与水工程学报，2006，17（5）：68-70.
作者简介: 李林峰, 男, 博士研究生, 主要从事水库防洪优化调度及防洪安全方面的研究。
