石虎塘航電樞紐工程汛期調(diào)度運用方案研究

工程碩士學位論文石虎塘航電樞紐工程汛期調(diào)度運用方案研究前言航電樞紐工程是航運和發(fā)電兩者完美結(jié)合的內(nèi)河航運建設(shè)模式，項目是以航運為主，航電結(jié)合，綜合開發(fā)利用水資源和水能資源。我國水資源十分豐富，但是如何合理開發(fā)利用水資源成為當今水資源利用的一大難題。近些年，我國興修水利，水利樞紐工程數(shù)量的增多很大程度上的解決了用電難的問題，因此在調(diào)度中進行優(yōu)化研究是很有必要的。水庫調(diào)度，顧名思義，根據(jù)主次任務原則，通過對水庫的水位、庫容、流量等參數(shù)的調(diào)控，達到水資源利用效率的最大化。按照綜合利用水資源的原則進行調(diào)度，合理利用流量和水頭，可在獲得最大的發(fā)電效益的同時，讓國民經(jīng)濟各部門達到效益最大化。石虎塘航電樞紐工程座落在贛江中游，水庫壩址位于贛江干流泰和縣城公路橋下游26km的石虎塘村附近，是一座以航運為主，兼有發(fā)電、防洪（庫區(qū)內(nèi)的防護區(qū)防洪）等效益的綜合利用樞紐工程。水庫壩址以上控制流域面積43770km2，水庫總庫容7.43×108m3，興利庫容0.085×108m3(56.2～56.5m之間容積，56.2～57.0m之間的容積為0.233×108m3)；正常蓄水位56.5m（黃海高程，下同，入庫流量小于2200m3/s時可提高到57.0m運行），死水位56.2m，設(shè)計（P=2%）洪水位59.48m，校核（P=0.33%）洪水位61.03m；設(shè)計船閘有效尺寸180×23×3.5m（長×寬×門檻水深），電站裝機容量120MW（20MW×本文主要以石虎塘航電樞紐工程為例，對其航電樞紐工程汛期調(diào)度運用方案進行設(shè)計、探討和研究，確定了石虎塘航電樞紐工程設(shè)計調(diào)度運行方案，保障閘壩運行安全性。明確石虎塘航電樞紐工程水庫蓄泄水判斷指標，統(tǒng)籌兼顧工程防洪與興利功能的發(fā)揮，制定了水庫汛期洪水調(diào)度具體運用方案，包括樞紐工程的洪水調(diào)度具體運用方案和各防護區(qū)內(nèi)排澇站（電排站）的排澇調(diào)度具體運用方案，大幅度提高樞紐工程綜合利用效益。同時又對石虎塘航電樞紐工程水庫預泄對下游防洪影響進行了分析評估，為壩址下游防洪排澇提供了科學的指導建議。摘要石虎塘航電樞紐工程是一座以航運為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合利用效益的水利樞紐工程。工程建成后，枯水期利用閘壩抬高水位，增加壩址上游的航道水深，改善通航條件；非洪水期利用閘壩所形成的壩上與壩下水流落差及贛江的來水進行發(fā)電，緩解江西省電力系統(tǒng)用電的緊張狀況。本文針對石虎塘航電樞紐工程，充分考慮其水庫壩址位于贛江中游干流河段上，及其所在河段河道平緩、地勢開闊的特點，并且石虎塘壩址上游沿江兩岸的臺地上分布著較多的村莊和數(shù)萬畝耕地，為了保護人類賴以生存且寶貴的土地資源，同時降低庫區(qū)的淹沒處理投資，結(jié)合工程建設(shè)方案，在對樞紐和防護區(qū)進行洪水調(diào)節(jié)計算等水文水利條件分析的基礎(chǔ)上，對樞紐工程水庫汛期調(diào)度運用方案進行設(shè)計和研究，主要包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）研究確定了石虎塘航電樞紐工程設(shè)計調(diào)度運行方案，確定水庫蓄水分界流量：贛江干流棟背站為2020m3/s，石虎塘壩址為2200m3/s，支流灌苑水為70m3/s；水庫由興利調(diào)度轉(zhuǎn)為泄洪調(diào)度的拉閘臨界流量：棟背站為4330m3/s，石虎塘壩址為4700m3/s，支流灌苑水為70m3/s。水庫調(diào)度運行不分汛期和非汛期，依據(jù)上游來水流量結(jié)合壩前水位，按確定的“分界流量”采用“分級運行水位”的防洪、蓄水方式進行防洪、興利調(diào)度，調(diào)度運行原則是：小水（小于蓄水分界流量）關(guān)閘蓄水興利（航運、發(fā)電），進行徑流調(diào)節(jié)；中水（介于拉閘臨界流量和蓄水分界流量之間）開閘泄流降低壩前水位，減少庫區(qū)淹沒；大水（大于或等于拉閘臨界流量）拉閘敞泄洪水，保障閘壩運行安全。（2）明確了石虎塘航電樞紐工程水庫蓄泄水判斷指標確定方法，棟背站流量由水文站實測水位查本站綜合水位～流量關(guān)系線得到；石虎塘壩址流量由石虎塘壩址與棟背站日平均流量相關(guān)線轉(zhuǎn)換得到；支流灌苑水流域拉閘面雨量和萬合導排渠首水位54.0m一并作為灌苑水發(fā)生洪水時水庫蓄泄水判斷指標；只要其中一個判斷指標達到臨界值，水庫即轉(zhuǎn)為泄洪調(diào)度。（3）制定了石虎塘航電樞紐工程水庫汛期洪水調(diào)度具體運用方案，包括樞紐工程的泄水閘、樟塘節(jié)制閘、萬合節(jié)制閘、萬合自排閘的洪水調(diào)度具體運用方案和各防護區(qū)內(nèi)排澇站（電排站）的排澇調(diào)度具體運用方案。（4）對石虎塘航電樞紐工程水庫預泄對下游防洪影響進行了分析評估，水庫預泄時的最大下泄流量為8500m3/s，小于壩址2年一遇的設(shè)計洪峰流量，水庫預泄對壩址下游3年一遇以上洪水沒有影響。關(guān)鍵詞：石虎塘航電樞紐工程，防洪影響分析，防洪排澇，水庫調(diào)度，來水分析ABSTRACTShihutangnavigationandhydropowerprojectisashippingbasedwaterconservancyprojectwithpowergeneration,floodcontrolandothercomprehensiveutilizationbenefits.Whentheprojectiscompleted,damwillincreasethechanneldepthofupstreamareaandimprovethenavigationconditionsindryseasons;thewaterdropformedbetweenupstreamanddownstreamandrunofffromtheGanjiangRiverwaterwillbeusedforpowergenerationinnon-floodperiodtoalleviatetheshortageofelectricitypowersysteminJiangxiProvince.ForthereservoirdamislocatedinthemainstreamofGanjiangRiverwiththegentlewatercourseandopenterraindistributingalotofvillagesandtensofthousandsofacresofarablelandalongtheupperreachesofriver,thispaperfullyconsidersfloodregulationcalculationofhydrologyandwaterconservancyconditionsonthehubandtheprotectionzone,andseekstheschedulingsolutionofreservoirofShihutangnavigationandhydropowerprojectinfloodseasonaimingatprotectingthepreciouslandresources,reducingtheinvestmentofreservoirinundationtreatmentandcombiningengineeringconstructionscheme.Thepapermainlyincludesthefollowingaspects:(1)ThedesigningoperationplanofShihutangnavigationandhydropowerprojectwasdeterminedbyresearch,alongwiththeboundaryflowofimpoundment:DongbeistationintheGanjiangRiverwas2020m3/s,damsiteofShihutangwas2200m3/s,GuanyuanRiverthetributarywas70m3/s;andthecriticalflowtooperateaswitchfrombeneficialusetoflooddischarge:Dongbeistationwas4330m3/s,damsiteofShihutangwas4700m3/sandGuanyuanRiverthetributarywas70m3/s.Theoperationofreservoirdidnotdistinguishfloodseasonfromnon-floodseason.Accordingtorunofffromtheupstreamandwaterlevelatdamsitewith"criticalflow"determined,scheduleoffloodcontrolandwaterstorageon“gradingrunningwaterlevel”couldbearranged.Principlesforschedulewere:Whenflowwaslowerthancriticalflowofimpoundment,closedamgatetostorage(shippingandpowergeneration);whenflowwasbetweencriticalflowofoperatingaswitchandimpoundment,openedthegatetolowerdamwaterlevelandreducedreservoirsubmerge;whenflowwashigherthancriticalflowtooperateaswitch,weepagetoensurethesafetyofthedam.(2)StorageanddischargejudgmentindexesofShihutangnavigationandhydropowerprojectweredetermined.TheflowofDongbeistationwasobtainedfromcomprehensivewaterlevelandflowrelationshiplinebasedonmeasuredwaterlevelinhydrometricstation;thesiteflowofShihutangdamwasderivedfromwireconversionofdailymeanflowbetweenShihutangdamsiteandDongbeistation;thesurfacerainfalloftributaryGuanyuanRiverbasinandthewaterlevel(54.0m)oftheheadofWanhedrainageditchwerebothusedasdischargeindicators.Ifonlyoneindexreachedacriticalvalue,itwouldconverttoreservoirflooddispatching.(3)TheconcreteapplicationsofreservoirflooddispatchingschemeforShihutangnavigationandhydropowerprojectinfloodseasonswereformulated,includingtheflooddispatchingschemesofthesluice,Zhangtangregulatingsluice,WanheregulatingsluiceandWanheautomaticsluiceandthedrainageschedulingschemesofdrainagestations(pumpingstations)intheprotectionzone.(4)Thefloodpre-dischargeinfluencesondownstreamfloodcontrolfortheShihutangnavigationandhydropowerprojecthadbeenanalyzedandevaluated.Thelargestpre-dischargewas8500m3/swhichwaslessthanthedesignfloodwithreturnperiodof2years.Thefloodpre-dischargeondownstreamdamsitehadnoeffectforthedesignfloodwithreturnperiodofabove3years.Keyword:Shihutangnavigationandhydropowerproject,floodimpactsanalysis,floodcontrol,reservoiroperation,inflowanalysis目錄TOC\o"1-2"\h\z\u前言 I摘要 IIIABSTRACT IV第一章緒論 11.1選題的背景和意義 11.2石虎塘航電樞紐工程概況 21.3汛期運行調(diào)度研究進展 51.4本文主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線 10第二章工程設(shè)計調(diào)度運行方案 122.1工程設(shè)計概況 122.2工程調(diào)度設(shè)計 282.3本章小結(jié) 34第三章水庫蓄泄水判斷指標 353.1贛江干流來水判斷指標 353.2支流灌苑水來水判斷指標 393.3本章小結(jié) 46第四章石虎塘航電樞紐汛期調(diào)度運用方案 474.1概述 474.2航電樞紐汛期調(diào)度運用方案 474.3防護區(qū)排澇調(diào)度運用方案 534.4本章小結(jié) 58第五章水庫預泄對下游防洪影響分析 595.1典型斷面安全泄量 595.2水庫預泄時下泄流量極限值 605.3水庫預泄對下游防洪影響分析 605.4本章小結(jié) 61第六章總結(jié)與展望 626.1總結(jié) 626.2展望 65參考文獻 67致謝 70第一章緒論1.1選題的背景和意義我國水資源十分豐富，水資源總量為28124億m3，居世界的第六位，僅次于巴西、加拿大、美國、俄羅斯和印度利西亞，江河湖泊縱橫分布。據(jù)統(tǒng)計，流域面積在100km2以上的河流有5萬多條，共計約43萬km長；流域面積在1000km2以上的河流有1500多條，大小湖泊900多個，航道總里程12.16萬多km。我國具有航運價值的江河流域占我國陸地面積的2/3，主要分布于中西部地區(qū)的內(nèi)河，因此，相對于世界其它國家，我國的內(nèi)河分布比較廣泛，具有開發(fā)航運得天獨厚的自然地理條件。航電樞紐項目是以航運為主，航電結(jié)合，綜合開發(fā)利用水資源，通過渠化提高航道等級，并利用擋水發(fā)電的工程項目，一般包括船閘、泄水閘、水電站、壩頂交通等。航電結(jié)合，以電促航是我國內(nèi)河航運建設(shè)模式的一種新嘗試，即航電并舉，以電站發(fā)電收入作為水運基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是航道的整治、養(yǎng)護所需的資金。該建設(shè)模式充分利用了內(nèi)河水運資源，避免了內(nèi)河水運資源為航運或發(fā)電單一目的的開發(fā)，是航運和發(fā)電兩者的完美結(jié)合，實現(xiàn)了雙贏。水能資源是可再生的清潔能源，也是生產(chǎn)生活必不可少、不可缺少的資源，屬水域水力資源的范疇，是水利資源的一部分。通常指河流或潮汐中長時期內(nèi)的天然能量或功率，單位為千瓦或馬力。通過水力發(fā)電工程開發(fā)利用，將水流體中含有的能量天然資源，轉(zhuǎn)化為人類利用的能源，例如水力發(fā)電。能量大小決定于水庫水位落差和上游徑流量的大小。研究更加有效率的水資源利用是水利調(diào)度中一項重要的研究內(nèi)容。如何合理開發(fā)利用水資源成為當今水資源利用的一大難題，近些年，我國興修水利，水利樞紐工程數(shù)量的增多很大程度上的解決了用電難的問題，因此在調(diào)度中進行優(yōu)化研究是很有必要的。水庫調(diào)度，顧名思義，根據(jù)主次任務原則，通過對水庫的水位、庫容、流量等參數(shù)的調(diào)控，達到水資源利用效率的最大化。按照綜合利用水資源的原則進行調(diào)度，合理利用流量和水頭，可在獲得最大的發(fā)電效益的同時，讓國民經(jīng)濟各部門達到效益最大化。本文主要以石虎塘航電樞紐工程為例，對航電樞紐工程汛期調(diào)度運用方案進行設(shè)計、探討和研究。1.2石虎塘航電樞紐工程概況石虎塘航電樞紐工程座落在贛江中游，工程壩址位于贛江干流泰和縣城公路橋下游26km的石虎塘村附近。該工程壩址控制流域面積43770km2，水庫總庫容7.43×108m3，興利庫容0.085×108m3(56.2～56.5m之間容積，56.2～57.0m之間的容積為0.233×108m3)；正常蓄水位56.5m（黃海高程，下同，入庫流量小于2200m3/s時可提高到57.0m運行），死水位56.2m，設(shè)計（P=2%）洪水位59.48m，校核（P=0.33%）洪水位61.03m；設(shè)計船閘有效尺寸180×23×3.5m（長×寬×門檻水深），電站裝機容量120MW（20MW×石虎塘航電樞紐工程在贛江干流上修建23孔總凈寬460m的泄洪閘壩，在同一斷面的右岸建20MW×6臺水電站，在其左岸修建有效尺度為180×23×3.5m的單線、單級船閘。在萬合、沿溪、金灘、樟塘、泰和縣城5個防護區(qū)：沿江布置防洪堤總長38.38km，沿防護區(qū)一定高程的山腰布置導托渠（導排渠）總長55.95km；在各防護區(qū)的低洼處建電排站9石虎塘樞紐建筑物布置從左岸到右岸依次為：左岸土壩、船閘、泄水閘、廠房、右岸連接壩段和右岸土壩；魚道和導排渠從右岸土壩穿過，二線船閘布置在左船閘的左側(cè)。樞紐建筑物壩頂總長度1645.7m，其中：左岸土壩長度447.6m，船閘寬度43.4m，泄水閘長度532m，主廠房長度工程建成后：可渠化航道38km，使壩址上游航道常年可順暢通行1000t級船舶；電站年發(fā)電量5.265×108kW·h，且與上游萬安電站同步協(xié)調(diào)調(diào)度為江西電力系統(tǒng)調(diào)峰，緩解江西省電網(wǎng)用電緊張狀況；可提高各防護區(qū)的防洪標準，尤其是能使萬合、沿溪、金灘3個防護區(qū)的防洪標準由2～5年一遇提高到10年一遇。石虎塘壩址上游83km處已建成萬安水力發(fā)電廠，該工程座落在贛江中游上段，壩址位于萬安縣城以上2km處，下離吉安97km，控制流域面積36900km2。萬安水力發(fā)電廠是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、航運、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的水利樞紐工程。該工程于1993年按設(shè)計最終規(guī)模完建，其最終規(guī)模為：死水位88.11m，正常蓄水位98.11m，防洪限制水位88.11m，防洪高水位98.11m，設(shè)計洪水位98.81m，校核洪水位101.71m；水庫總庫容22.14×108m3，防洪庫容10.19×108m3，調(diào)節(jié)庫容10.1×108m3；電站裝機容量500MW（100MW×5臺），設(shè)計年發(fā)電量15.16×108kW·h。由于庫區(qū)的淹遷問題還未解決，目前水庫按初期運用水位蓄水運行，其運行水位為：死水位83.11m，正常蓄水位94.11m，防洪高水位91.71m，4月1日～6月20日水庫水位在83.11石虎塘壩址下游90km處目前正在興建峽江水利樞紐工程。該工程位于贛江中游，壩址座落在峽江老縣城巴邱鎮(zhèn)上游6km處，控制流域面積62710km2。峽江水庫正常蓄水位46.00m，死水位44.00m，防洪高水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位均為49.00m；防洪庫容6.0×108m3，興利庫容2.14×108m3，總庫容11.87×108m3；電站裝機容量360MW；通航過壩設(shè)施按Ⅲ級航道過1000t級船舶的單線單級船閘設(shè)計，閘室尺寸為180×23×3.5m（長×寬×門檻水深）。是一座具有防洪、發(fā)電、航運、灌溉等綜合利用功能的大⑴型水利樞紐工程。峽江水利樞紐擋水重力壩最大壩高22.石虎塘航電樞紐工程、萬安水力發(fā)電廠和峽江水利樞紐工程壩址具體的工程布置詳見“流域水系及工程位置示意圖”，石虎塘航電樞紐庫區(qū)主要工程布置見圖1-1。圖1-1石虎塘航電樞紐庫區(qū)主要工程布置示意圖峽江水利樞紐工程萬安水力發(fā)電廠峽江水利樞紐工程萬安水力發(fā)電廠圖1-2流域水系及工程位置示意圖1.3汛期運行調(diào)度研究進展航電樞紐工程在汛期和非汛期的調(diào)度目標不同，所依據(jù)的調(diào)度規(guī)則和調(diào)度條件不一樣，所承擔的風險內(nèi)容和水平也有區(qū)別。1.3.1水庫調(diào)度水庫調(diào)度是一個以泄水（供水和泄洪）為決策變量，以來水為輸入，以蓄水為狀態(tài)的多目標決策問題。調(diào)度運行始于20世紀初，最初的方法是依據(jù)實際測量水文數(shù)據(jù)，利用水庫對來水進行調(diào)節(jié)。之后，逐步發(fā)展形成了以水庫調(diào)度圖為調(diào)度方案依據(jù)的水庫調(diào)度方法，被稱為常規(guī)調(diào)度，至今仍在小型水庫中廣泛采用。上世紀50年代以來，由于徑流調(diào)節(jié)理論、計算機應用技術(shù)、現(xiàn)代應用數(shù)學以及實時控制技術(shù)的發(fā)展，促使以經(jīng)濟效益最大為目標的優(yōu)化調(diào)度理論得到了迅速發(fā)展，以水電站和電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行為目標的水電站水庫優(yōu)化調(diào)度變得日益完善，在實際運用中取得了很好的效果[1]。（1）常規(guī)調(diào)度孟明星[2]等分析了孤山水電站汛期預泄調(diào)度方式的制約因素，選取了5個典型歷史洪水過程，在研究庫區(qū)防洪運行控制水位、預泄調(diào)度時機的基礎(chǔ)上，擬定了汛期調(diào)度方式，并對發(fā)電和航運效益的影響進行了分析，證實了該調(diào)度方式在一定程度上緩解了水利水電開發(fā)與該地淹沒損失的矛盾[1]。廖松[3]在深入分析潮白河水文特性的基礎(chǔ)上，并考慮新建3個水庫對下游流域洪峰流量的影響，提出的幾個新的方案，以提高密云水庫的效益。李旭東[4]等總結(jié)了三門峽水庫1973年以來“蓄清排渾”調(diào)度運用工作，回顧了水庫在該運用方式下的摸索、完善的變化過程，提出了小浪底水庫建成后調(diào)度運用方式的改進設(shè)想。鐘德鈺[5]基于微分對策理論，將多沙河流水庫汛期的供水興利與泄水排沙看作博弈雙方，建立起以排沙和供水的綜合效益作為性能指標函數(shù)的多沙河流水庫汛期調(diào)度模型，研究了多沙河流水庫汛期的調(diào)度問題，并通過試驗進行了驗證。徐偉[6]針對萬家寨水庫一直處于低水位運行和凌汛期未達到設(shè)計水位運行進行了分析，提出了可行的調(diào)度方式、降低發(fā)電耗水率，充分發(fā)揮社會效益和經(jīng)濟效益。周政民[7]針對武烈河橡膠壩群提出限蓄立壩組合，并從多方面對橡膠壩群汛期調(diào)度運行進行了詳細分析，提出了獨具武烈河橡膠壩群特色的運行方案，極大地促進了工程運行管理的規(guī)范化、制度化和科學化。（2）優(yōu)化調(diào)度單水庫調(diào)度最先是由美國一個學者早在1947年提出的。水庫調(diào)度的里程碑式成果是，在此10年后李特爾建立水庫優(yōu)化調(diào)度模型。水庫優(yōu)化調(diào)度研究在上個世紀70年代日趨完善。西方的研究相對于我國來說將近早了20年左右[8]。水庫優(yōu)化調(diào)度于上世紀六十年代中期引入我國，當時的標志事件為，中國科學院和水利科學院聯(lián)合出版了關(guān)于運籌學在水庫調(diào)度中的應用的書。之后，我國學者根據(jù)美國研究人員的理論，建立了水庫長期優(yōu)化調(diào)度模型，并在實際水庫中得到了很好的應用。水電站水庫優(yōu)化調(diào)度常用的方法有動態(tài)規(guī)劃法(DP)和逐步優(yōu)化算法(POA)[9]。動態(tài)規(guī)劃產(chǎn)生于20世紀50年代，其中確定性動態(tài)規(guī)劃的研究開始于60年代，是解決多階段決策過程最優(yōu)化的一種數(shù)學方法，但是使用動態(tài)規(guī)劃時狀態(tài)空間和決策空間約束在優(yōu)化過程中容易產(chǎn)生“維數(shù)災”。為了克服動態(tài)規(guī)劃的“維數(shù)災”，H．R．Howson和N．G．Sandon在1975年提出了逐步優(yōu)化算法(POA)[10]可以將多階段問題化為兩階段問題，POA算法對單庫求解非常方便，但水庫數(shù)目增加時，收斂速度大大降低。即使是具有適者生存和基因遺傳思想的遺傳算法(geneticalgorithm，GA)在求解優(yōu)化問題時，也有局部尋優(yōu)能力差，容易出現(xiàn)早熟的現(xiàn)象，且算法流程比較復雜，交叉概率和變異概率的選擇對問題的解有較大的影響。根據(jù)研究需要，研究者提出了許多源于自然界的智能演化算法，如粒子群優(yōu)化算法[11](particleswainoptimization，PSO)、蟻群算法、魚群算法等，其中PSO是一種基于群集智能的演化計算技術(shù)，由于算法具有依賴的參數(shù)少，收斂速度快，編程易實現(xiàn)等特點而在電力系統(tǒng)[12]、圖像分割[13]、參數(shù)估計[14]、神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)訓練[15]、水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行、水庫調(diào)度等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。尤其在求解水庫單目標、多目標、日優(yōu)化、長期優(yōu)化和防洪調(diào)度等方面都取得了一定的成果。水庫電站優(yōu)化調(diào)度是PSO應用較為深入的一個領(lǐng)域。武新宇等[16]提出了水電站群優(yōu)化調(diào)度的兩階段粒子群算法，并在粒子群中引入初始可行解，以提高粒子群的質(zhì)量和求解效率。并以云南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)的7庫14站主力水電站群系統(tǒng)為計算實例結(jié)果表明，該算法能有效克服“維數(shù)災”問題。楊道輝等[17]介紹了粒子群算法在水電站優(yōu)化調(diào)度中的應用，通過與動態(tài)規(guī)劃對此水庫優(yōu)化調(diào)度分析，指出PSO具有收斂速度快，計算精度高的優(yōu)點。Peng，Y[18]為解決梯級水庫的優(yōu)化調(diào)度問題，提出一種改進粒子群優(yōu)化算法(IPSO)，提高了搜索效率。Yun，R[19]比較了遺傳算法（GA）和粒子群優(yōu)化算法（PSO）在優(yōu)化水庫運行方面的特性，遺傳算法具有高穩(wěn)定性和較高的計算效率，但不能獲得問題的精確的全局最優(yōu)解；粒子群優(yōu)化算法可以獲得準確的全球問題的最優(yōu)解有更高的計算效率，但較不穩(wěn)定。在水庫防洪調(diào)度方面，袁鵬等[20]利用粒子群算法的慣性權(quán)重模型對南盤江上游水庫洪水調(diào)度進行了計算，結(jié)果合理，證明粒子群優(yōu)化算法在水庫洪水調(diào)度上也有較好的應用。鐘建偉等[21]提出了基于PSO算法求解梯級電站單目標優(yōu)化調(diào)度問題的一般算法結(jié)構(gòu)，通過計算時段庫水位的變化范圍，把梯級電站優(yōu)化調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為無約束的優(yōu)化問題處理；芮鈞等[22]探討了PSO算法在水電站中長期優(yōu)化調(diào)度的應用方法及效果；程春田等[23]探討了代替動態(tài)規(guī)劃的必然性和潛力，認為PSO算法是代替動態(tài)規(guī)劃來求解裝機規(guī)模龐大的巨型水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行的有效方法。水量調(diào)度優(yōu)化問題是在不同用水單元內(nèi)進行水量的合理分配。趙曉軍等[24]利用粒子群優(yōu)化算法智能尋優(yōu)的特點，結(jié)合塔里木河流域水資源統(tǒng)一管理和調(diào)度實踐，對粒子群算法在水量調(diào)度方案優(yōu)化問題的應用進行了研究。但其在水量調(diào)度領(lǐng)域的應用較少，隨著水量分配方案的落實和水量調(diào)度的實施，基于PSO優(yōu)化算法的量調(diào)度將得到廣泛的應用。與常規(guī)調(diào)度相比，優(yōu)化調(diào)度雖然有了很大的提高和改進，但它不能夠回避優(yōu)化調(diào)度方案與水庫實際調(diào)度存在偏差的問題，同時在模型開發(fā)上存在一定的缺陷，一些方法片面追求最優(yōu)解，因而在應用方面受到了非常大的局限性。1.3.2汛限水位汛限水位（汛期限制水位）在水庫防洪興利關(guān)系中承擔著協(xié)調(diào)作用，合理的汛限水位是實現(xiàn)水庫綜合效益的關(guān)鍵。我國海河流域及北方其它流域為挖掘水庫供水潛力，提高水資源的利用率，進行了大量的汛限水位研究，也在水庫實踐調(diào)度運行中取得了較好的效果[25]。汛限水位可以從以下兩個層面進行分類：按水庫汛限水位在汛期內(nèi)是否隨水雨情和工情的實際變化而變化分靜態(tài)汛限水位和動態(tài)汛限水位兩種[26]（邱瑞田等2004）。汛限水位靜態(tài)控制法是水庫在整個汛期內(nèi)正常蓄水按照一個固定的水位控制水庫運行，這種靜態(tài)汛限水位一般都是在水庫設(shè)計時分析確定的。我國水利事業(yè)發(fā)展初期建設(shè)的一批重要的大型水庫就是根據(jù)國外水庫運行調(diào)度的經(jīng)驗，并結(jié)合本流域特點，采用固定汛限水位來控制水庫汛期的調(diào)度運行。該方法是傳統(tǒng)的汛限水位研究方法，目前大多數(shù)水庫仍然在采用，靜態(tài)控制汛限水位均偏低，且運行時間較長，對汛期洪水具有明顯季節(jié)性、水資源比較緊缺的水庫已不太適用。隨著人們對洪水季節(jié)性規(guī)律研究的深入，社會對供水要求的不斷提高，水庫防洪減災與供水興利的矛盾日趨突出，在汛期根據(jù)洪水季節(jié)性特點，采用變動汛限水位控制水庫的調(diào)度運行勢在必行[27]。胡振鵬等[28]采用分解聚合模型求解了丹江口水庫不同汛期分期的汛限水位。丁晶等[29]認為模糊集分析方法存在洪水過程線頻率概念模糊、難于達到指定年防洪標準等問題，提出了基于隨機水文學原理的洪水隨機模擬法。馮平等[30]在分析計算水庫防洪能力的基礎(chǔ)上，通過概率組合法提出了基于風險效益分析法的汛限水位計算方法。周建軍等[31]從水庫淤積的角度出發(fā)，對三峽水庫的汛限水位進行了研究，提出了多汛限水位值，但對整個汛期洪水的分析上考慮不足。莫崇勛等[32]依據(jù)廣西澄碧河水庫汛期各時期的相對隸屬度，并以防洪庫容為控制，計算了該水庫的分期汛限水位。汛限水位動態(tài)控制法是指以一個閾值作為汛限水位，實際運行時依據(jù)水情、工情使汛限水位在此閾值內(nèi)上下浮動。水庫實行汛限水位的動態(tài)控制，對提高滯蓄洪能力，實現(xiàn)洪水資源化，挖掘水庫潛力具有重要意義。大連工學院70年代提出的“預蓄預泄”汛限水位控制方法是動態(tài)汛限水位的雛形，該法在洪水起漲前，將水庫水位回落到原設(shè)計汛限水位，洪峰過后根據(jù)預報洪水實時利用洪水尾水超蓄部分水量，可見高精度的洪水預報是該方法實施的前提條件。對三峽水庫正常蓄水調(diào)度后的蓄水情況做了較深入研究，并對分期汛限水位進行了優(yōu)化分析。李繼清等[37（2007）采用庫容補償方法建立了劉家峽水庫動態(tài)汛限水位的旬變化過程線。王國利等[38]（2008，2010）分析了防洪預報調(diào)度方法和預泄能力約束法，提出了以實際洪峰流量作為判斷洪水量級指標制定調(diào)度方案，并在遼寧省葠窩水庫進行了應用。1.3.3風險分析風險分析作為一種技術(shù)手段，對于工程項目來說，風險可以被描述為“任何可能影響項目在預算范圍內(nèi)按期完成的因素”[39]（王振強等2004）。項目成本風險是在給定項目條件下項目實施期內(nèi)可能產(chǎn)生的成本變動[40]（郭宇等2002）。大壩防洪風險則可定義為大壩各種可能發(fā)生事故概率與事故后果的乘積之和，即期望損失[41]（韓宇平等2003）。風險分析是風險管理的基礎(chǔ)和前提條件，近年來，國內(nèi)外許多學者在水庫調(diào)度、水環(huán)境問題和水資源配置以及水庫漫頂方面運用風險分析理論對水庫的防洪風險進行了研究。田峰巍等[42]（1998）在研究水庫調(diào)度規(guī)則時，考慮了水庫放水風險，并采用聯(lián)合概率分布函數(shù)分析了風險率。汪新宇和張翔等[43]（2004）基于水文和工程結(jié)構(gòu)的不確定性，從超標準洪水風險角度出發(fā)，建立了防洪體系的復合泊松風險率模型，并提出了可靠度計算模型。范子武等[44]（2009）分析了不同預報精度等級和不同預見期條件下水文預報誤差的傳遞與演化過程，并建立了水庫汛限水位動態(tài)控制的風險率計算模型。陳衛(wèi)和溫天福等[45]（2008）對水庫預報預泄調(diào)度的風險率做了定義，認為風險率是一個關(guān)于最高庫水位和汛限水位的分段函數(shù)，建立了考慮洪水預報誤差情況下入庫徑流的隨機模擬模型，并提出采用Monte-Carlo方法隨機生成預報誤差系列，從而得到入庫洪水過程，進而計算水庫動態(tài)水位控制調(diào)度的風險值。潘敏貞[46]對海河流域及北方地區(qū)大型汛期運行調(diào)度的風險分析問題提出不能簡單把規(guī)劃設(shè)計階段所確定的設(shè)計防洪汛期限制水位作為運行中水庫必需遵守的硬性條件，同時對于當前汛期限制水位以上能否蓄水，蓄多少水的問題，應該進行不同蓄水方案的風險效益計算和各種方案在遭遇不同頻率特大洪水時所增加的風險損失的概率分布，提供不同蓄水方案的風險效益，風險損失信息，以幫助決策者在認真分析比較的基礎(chǔ)上作出符合科學原則的風險決策。1.4本文主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線1.4.1研究內(nèi)容本文針對石虎塘航電樞紐工程，考慮其水庫壩址位于贛江中游干流河段上，其所在河段河道平緩、地勢開闊，石虎塘壩址上游沿江兩岸的臺地上分布著較多的村莊和數(shù)萬畝耕地，為了保護人類賴以生存且寶貴的土地資源，同時降低庫區(qū)的淹沒處理投資，結(jié)合工程建設(shè)方案，在對樞紐和防護區(qū)進行洪水調(diào)節(jié)計算等水文水利條件分析的基礎(chǔ)上，對樞紐工程水庫汛期調(diào)度運用方案進行設(shè)計和研究。主要研究內(nèi)容包括：（1）研究確定了石虎塘航電樞紐工程設(shè)計調(diào)度運行方案。（2）明確了石虎塘航電樞紐工程水庫蓄泄水判斷指標確定方法。（3）制定了石虎塘航電樞紐工程水庫汛期洪水調(diào)度具體運用方案。（4）對石虎塘航電樞紐工程水庫預泄對下游防洪影響進行了分析評估。1.4.2技術(shù)路線圖1-3論文研究技術(shù)路線圖第二章工程設(shè)計調(diào)度運行方案2.1工程設(shè)計概況石虎塘航電樞紐工程位于贛江中游。贛江是長江流域鄱陽湖水系的第一大河流，位于長江中下游南岸，地理位置為東經(jīng)113°30′～116°40′、北緯24°29′～29°11′之間。流域東部與撫河分界，東南部以武夷山脈與福建省分界，南部連廣東省，西部接湖南省，西北部與修河支流潦河分界，北部通鄱陽湖在湖口連長江。流域東西窄、南北長，略似斜長方形。贛江流域控制站外洲水文站以上流域面積80948km2。石虎塘航電樞紐工程位于贛江中游吉安市市區(qū)與泰和縣城之間，壩址座落在泰和縣城公路橋下游26km的石虎塘村附近，控制集水面積43770km2。石虎塘壩址上游83km處已建成萬安水力發(fā)電廠，下游90km處目前正在興建峽江水利樞紐工程。石虎塘航電樞紐工程壩址上游庫區(qū)內(nèi)左岸主要有蜀水、右岸主要有云亭河和灌苑水等支流匯入贛江，三條支流的流域面積分別為1305km2、763km2和558km2。2.1.1水文分析計算成果2.1.(1)年月徑流系列及頻率分析計算成果石虎塘壩址處無長期實測流量資料，根據(jù)壩址上、下游水文測站分布及水文資料情況，選用石虎塘壩址上游的棟背和林坑兩水文站作為石虎塘壩址年、月徑流計算的依據(jù)站。由于棟背、林坑兩站控制了石虎塘壩址集水面積的94.2%，并具有49年同步、連續(xù)的實測流量資料，且通過分析發(fā)現(xiàn)，泰和以上流域降雨分布較均勻。因此，石虎塘壩址年月徑流根據(jù)棟背、林坑兩站年月徑流采用水文比擬法進行計算，其中面積比指數(shù)取1.0。棟背站上游建有萬安水利樞紐工程。萬安電廠1992年全部機組投產(chǎn)運行，水庫1993年下閘蓄水，按初期運行水位94.11m運行。萬安水庫對徑流有一定的調(diào)蓄能力，因此，設(shè)計階段利用萬安水庫的入、出庫流量對石虎塘壩址的年、月徑流進行還原計算，將1992年以后的年月徑流還原到不受萬安水庫調(diào)蓄影響下的天然狀態(tài)流量。石虎塘航電樞紐工程壩址設(shè)計時采用1957～2005年共49年徑流系列，對石虎塘壩址49年年徑流及枯水期時段平均流量系列進行頻率分析計算，頻率分析計算采用目估適線法，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型曲線，成果見表2-表2-1石虎塘壩址時段平均流量頻率分析計算成果表時段資料系列起止年份資料年數(shù)設(shè)計參數(shù)各頻率設(shè)計值(m3/s)均值(m3/s)CvCs/CvP=10%P=25%P=50%P=75%P=90%日歷年1957～20054911600.342.0169013801120875691水利年1957～20054911600.332.016701380112088370510～2月1957～2005495470.543.593566046133527411～1月1957～2005494690.543.5802570395287235(2)設(shè)計代表年日徑流及日平均流量保證率曲線根據(jù)石虎塘壩址水利年年平均流量和枯水時段平均流量系列及其頻率分析計算成果，選取年平均流量接近設(shè)計值的1992～1993年、1982～1983年、1990～1991年、1966～1967年和1986～1987年5個年份為設(shè)計豐水年、設(shè)計偏豐年、設(shè)計平水年、設(shè)計偏枯年和設(shè)計枯水年。石虎塘壩址1992～1993年、1982～1983年、1990～1991年、1966～1967年和1986～1987年的年平均流量、枯水時段平均流量與設(shè)計頻率P=10%、P=25%、P=50%、P=75%、P=90%的設(shè)計值差異不大，因此，石虎塘壩址設(shè)計豐水年、設(shè)計偏豐年、設(shè)計平水年、設(shè)計偏枯年和設(shè)計枯水年的日徑流直接采用石虎塘壩址1992～1993年、1982～1983年、1990～1991年、1966～1967年和1986～1987年的逐日平均流量。石虎塘壩址設(shè)計年平均流量、設(shè)計枯水時段平均流量與典型年（設(shè)計代表年）年平均流量、枯水時段平均流量比較見表2-2。表2-2石虎塘壩址設(shè)計時段平均流量與設(shè)計代表年時段平均流量比較表頻率(%)設(shè)計時段平均流量(m3/s)設(shè)計代表年份時段平均流量(m3/s)水利年10～2月11～1月水利年10～2月11～1月1016709358021992～199316403743802513806605701982～1983133010609525011204613951990～19911130559538758833352871966～1967877377290907052742351986～1987758246267平均1150533458平均1147523485石虎塘壩址1957～2005年(共49年)全系列平均值1150543464注：本表枯水段平均流量采用月均流量的加權(quán)平均法求得。灌苑水流域面積558km2，僅占石虎塘壩址集水面積（43770km2）的1.27%，故灌苑水出口斷面的徑流量占石虎塘壩址徑流量的比重很小。灌苑水出口斷面設(shè)計代表年日徑流用于石虎塘航電樞紐工程運行方式方案比較時電能指標的計算，因此，其設(shè)計代表年須與石虎塘壩址相同，所以，也為1992～1993年、1982～1983年、1990～1991年、1966～1967年和1986～1987年。經(jīng)分析，灌苑水出口斷面設(shè)計代表年日徑流依據(jù)林坑站實測日徑流資料采用水文比擬法推求，水文比擬法中面積比指數(shù)n取1，各設(shè)計代表年年平均流量和枯水期10～2月平均流量成果見表2-3。表2-3灌苑水出口斷面設(shè)計時段平均流量與設(shè)計代表年時段平均流量比較表頻率(%)林坑水文站設(shè)計時段平均流量(m3/s)灌苑水出口斷面設(shè)計時段平均流量(m3/s)年份灌苑水出口斷面設(shè)計代表年時段平均流量(m3/s)水利年10～2月水利年10～2月水利年10～2月1042.322.222.311.71992～9318.72.412534.615.118.37.971982～8319.013.95027.39.6614.45.101990～9116.87.837521.46.4211.33.391966～6710.64.789017.24.929.082.601986～8711.12.81平均28.611.715.16.15平均15.26.35林坑站全系列平均值28.812.0灌苑水出口斷面全系列平均值15.26.33注：全系列平均值依據(jù)1957～2005年共49年徑流資料求得，枯水段平均流量采用月均流量的加權(quán)平均法求得。依據(jù)石虎塘壩址、灌苑水出口斷面上述5個設(shè)計代表年日平均流量進行排頻分析計算，并繪制石虎塘壩址和灌苑水出口斷面日平均流量保證率曲線，成果見圖2-1～圖2-3。圖2-1石虎塘壩址日平均流量歷時保證率曲線圖圖2-2灌苑水出口斷面日平均流量歷時保證率曲線圖圖2-3灌苑水出口斷面日平均流量歷時保證率曲線放大圖2.1.(1)暴雨特性贛江流域是江西省的多雨區(qū)之一，氣候受季風影響，主要的降水時期為每年的4～9月，3月和10月也偶爾會發(fā)生暴雨。暴雨類型既有鋒面雨，又有臺風雨，其水氣的主要來源是太平洋西部的南海和印度洋的孟加拉灣。一般每年從4月份開始，降水量逐漸增加；至5、6月份，西南暖濕氣流與西北南下的冷空氣持續(xù)交綏于長江流域中下游一帶，冷暖空氣強烈的輻合上升運動，形成大范圍的暴雨區(qū)。贛江流域正處在這一大范圍的鋒面雨區(qū)中，此時期（5～6月），本流域降水量劇增，不僅降水時間長，而且降水強度也大。因此，鋒面雨是贛江流域的主要暴雨類型。7～9月，本流域常受臺風影響，此時期，既有鋒面雨出現(xiàn)，也有臺風雨產(chǎn)生。暴雨歷時一般為4～5天，最長可達7天，最短的僅2天。鋒面雨歷時較長，臺風雨歷時較短。從暴雨出現(xiàn)的時間統(tǒng)計，絕大多數(shù)的暴雨出現(xiàn)在4～8月份，以5、6月份出現(xiàn)次數(shù)最多，此時期正值江南梅雨期，冷暖氣團交綏于江淮流域，形成持續(xù)性梅雨天氣。(2)洪水特性贛江為雨洪式河流，洪水由暴雨形成，因此，洪水季節(jié)與暴雨季節(jié)相一致。一般每年自4月份起，本流域開始出現(xiàn)洪水，但峰量不大；5、6月份為本流域出現(xiàn)洪水的主要季節(jié)，尤其是6月份，往往由大強度暴雨產(chǎn)生峰高量大的大量級洪水；7～9月由于受臺風影響，也會出現(xiàn)短歷時的中等洪水，3月和10月偶爾也會發(fā)生中等洪水。因此，本流域4～6月份洪水由鋒面雨形成，往往峰高量大，7～9月份洪水一般由臺風雨形成，洪水過程一般較尖瘦。一次洪水過程一般為7～10天；長的可達15天，如1964年和1968年洪水；最短的僅為5天，如1996年洪水和2002年秋汛洪水。峰型與降水歷時、強度有關(guān)，多數(shù)呈單峰肥胖型，一次洪水總量主要集中在7天之內(nèi)。據(jù)棟背水文站（位于贛江干流，控制面積40231km2）1957～2010年共54年實測洪水資料統(tǒng)計，年最大洪峰流量出現(xiàn)在5月和6月份的頻率分別為25.92%和38.89%，其它各月出現(xiàn)年最大洪峰流量的頻次和頻率詳見表2-4及圖2-4。棟背站實測年最大洪峰流量為15300m3/s，出現(xiàn)在1964年6月17日，年最大洪峰流量的歷年最小值為據(jù)林坑水文站（位于贛江支流蜀水，控制面積994km2）1957～2009年共53年實測洪水資料統(tǒng)計，年最大洪峰流量出現(xiàn)在5月和6月份的頻率分別為22.64%和39.62%，其它各月出現(xiàn)年最大洪峰流量的頻次和頻率詳見表2-4及圖2-5。林坑站實測年最大洪峰流量為1480m3/s，出現(xiàn)在1977年5月29日，年最大洪峰流量的歷年最小值為表2-4棟背站、林坑站年最大洪峰流量各月出現(xiàn)頻次和頻率統(tǒng)計表站名項目三月四月五月六月七月八月九月十月十一月合計棟背出現(xiàn)次數(shù)741421331154出現(xiàn)頻率(%)12.967.4125.9238.895.565.561.851.85100.00林坑出現(xiàn)次數(shù)112216453153出現(xiàn)頻率(%)1.8922.6439.6211.327.559.435.661.89100.00圖2-4棟背站年最大洪峰流量散布圖圖2-5林坑站年最大洪峰流量散布圖2.1.贛江縱貫江西南北，流域面積大和緯度跨越大，流域內(nèi)暴雨地區(qū)組成復雜，因此，洪水地區(qū)組成也較復雜。贛江流域洪水地區(qū)組成大致可分為三種類型：第一種為中上游來水為主，下游相應，如1961年、1962年、1968年、1994年和1998年洪水；第二種為中上游相繼發(fā)生大洪水，下游來水較小，如1959年、1964年和2002年洪水；第三種為洪水主要來源于中下游，上游來水較小，如1982年洪水。第一種是較為常見的洪水，第二種類型洪水發(fā)生機率較小，第三種類型洪水很少發(fā)生。由于贛江的緯度跨越大，石虎塘壩址上游的洪水與庫區(qū)支流洪水相遭遇的機會較小。據(jù)石虎塘壩址上游贛江干流的棟背站和庫區(qū)內(nèi)支流上林坑站1957～2009年共53年實測洪水資料分析：除1966年、1982年、2005年三年兩站在同一天發(fā)生年最大洪峰流量，1980年兩站發(fā)生年最大洪峰流量相隔時間為1天，1962年、1978年、1989年、2001年、2003年五年兩站發(fā)生年最大洪峰流量相隔時間為2天外，其余年份兩站發(fā)生的年最大洪峰流量相隔時間均在3天以上。棟背站與林坑站歷年最大洪峰流量遭遇相隔時間詳見表2-5。表2-5棟背站與林坑站歷年最大洪峰流量遭遇分析表年份棟背站林坑站兩站發(fā)生年最大洪峰流量間隔時間(天)年份棟背站林坑站兩站發(fā)生年最大洪峰流量間隔時間(天)洪峰流量(m3/s)出現(xiàn)時間(月).日)洪峰流量(m3/s)出現(xiàn)時間(月).日)洪峰流量(m3/s)出現(xiàn)時間(月).日)洪峰流量(m3/s)出現(xiàn)時間(月).日)195784005.165489.251321984104006.037839.0180195860905.244906.1522198569908.266496.05821959123006.215296.1011198653903.313856.2485196067706.179318.1155198751203.2539710.122011961139004.2210209.13144198854204.134445.13301962132006.309236.282198968205.244675.222196325406.1818711.19154199058209.124577.04701964153006.178836.225199158903.3110409.08161196563306.185736.1531992129003.2810707.06100196693406.244866.240199366805.045376.1845196752206.261565.08491994114006.194917.13241968139006.259656.15101995110006.199266.0811196962505.223145.1751996114008.042707.1223197068005.2757010.18144199792507.117906.0833197130205.213686.23331998120003.106126.24106197253805.083994.0731199974905.287547.15481973126004.098168.14131200040808.2736010.2256197462606.294638.1244200171106.145316.1221975102005.215106.112120021320010.3113606.161371976105006.115937.0928200359605.197905.172197766106.0214805.294200454707.084165.3138197885005.205245.182200572006.2210806.220197969303.214825.0141200690706.027996.17151980107005.093685.081200780606.217018.2565198196004.106999.23166200879106.152535.3016198257706.176366.170200984007.051455.20461983103003.296196.2083平均8361623532.1.(1)壩址設(shè)計洪水石虎塘壩址處無實測洪水資料，壩址上游贛江干流上設(shè)有棟背水文站。棟背站控制集水面積40231km2，已控制石虎塘壩址集水面積43770km2的91.9%，因此，石虎塘壩址設(shè)計洪水依據(jù)棟背站實測洪水資料和調(diào)查歷史洪水資料采用水文比擬法推求。棟背站上游約20km處建有萬安水利樞紐工程，該樞紐工程于1992年四臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，1993年水庫下閘蓄水至94.11m。萬安水利樞紐工程是贛江干流上已建成的第一座大型水利水電樞紐工程，其壩址以上流域面積為36900km2，占棟背站控制集水面積的91.7％。萬安水庫設(shè)計正常蓄水位98.11m，防洪限制水位88.11m，死水位88.11m，調(diào)節(jié)庫容10.1×108m3；初期運行正常蓄水位94.11m，防石虎塘航電樞紐工程閘壩的底板高程低（接近于河床），泄洪設(shè)施的泄流能力大，水庫的調(diào)節(jié)性能差，泄洪閘全部開啟鼎力泄洪時，閘壩的上下游水位差小，其壩前水位主要受洪峰流量控制，因此，石虎塘航電樞紐工程壩址設(shè)計洪水在設(shè)計時僅分析計算其設(shè)計洪峰流量，不分析計算時段設(shè)計洪量，工程壩址的設(shè)計洪水過程線依據(jù)棟背站實測典型洪水過程采用同倍比放大法求得。石虎塘壩址設(shè)計洪水可行性研究階段依據(jù)棟背站1957～2005年共49年還原后的洪峰流量另加1915年、1922年和1949年的調(diào)查歷史洪水洪峰流量采用水文比擬法分析推求。頻率分析計算采用目估適線法，頻率曲線線型采用P-Ⅲ型曲線，在頻率分析計算時，當實測系列中洪峰流量比歷史洪水洪峰流量更大時，則提出作特大值處理。初步設(shè)計階段將洪水資料延長至2006年后對石虎塘壩址設(shè)計洪水進行了復核，成果相差很小，故初步設(shè)計階段石虎塘壩址設(shè)計洪水成果仍采用可行性研究階段成果，見表2-6。(2)庫區(qū)支流出口斷面設(shè)計洪水石虎塘航電樞紐工程壩址上游庫區(qū)內(nèi)有蜀水、云亭河和灌苑水等支流匯入贛江，三條支流的流域面積分別為1305km2、763km2和558km2。蜀水、云亭河和灌苑水3條支流出口斷面處均無實測洪水資料，庫區(qū)內(nèi)各支流出口斷面的設(shè)計洪峰流量依據(jù)林坑站的設(shè)計洪峰流量采用水文比擬法（面積比指數(shù)n取2/3）推求，成果見表2-7。林坑站上游沒有大的調(diào)節(jié)性水利工程，其設(shè)計洪水直接采用1957年～2005年實測年最大洪峰系列加上1918年和1952年歷史洪水，組成不連續(xù)系列進行頻率分析，成果見表2-7。表2-6棟背站、石虎塘壩址年最大洪峰流量頻率分析計算成果表項目棟背站石虎塘壩址集水面積(km2)4023143770均值(m3/s)90509570Cv0.410.41Cs/Cv2.52.5各頻率設(shè)計值(m3/s)P=0.1%2610027600P=0.2%2430025700P=0.33%2310024400P=0.5%2210023400P=1%2030021500P=2%1850019600P=3.3%1740018400P=5%1600017000P=10%1400014800P=20%1190012500P=33.3%1010010600P=50%84308910表2-7林坑站及蜀水、云亭河、灌苑水出口斷面設(shè)計洪峰流量成果表站名或支流名稱均值(m3/s)CvCs/Cv各頻率設(shè)計值(m3/s)P=2%P=3.3%P=5%P=10%P=20%P=50%林坑站6660.603.01800165014601190922554蜀水21601980175014301110664云亭河1510138012201000773465灌苑水123011209938106283772.1.1.5壩址水位～流量關(guān)系曲線(1)現(xiàn)狀水位～流量關(guān)系曲線石虎塘壩址處水位～流量關(guān)系曲線，可研階段根據(jù)石虎塘壩址處及其上、下游測站的水文資料情況，依據(jù)壩址附近斷面的實測水位流量資料、歷史洪水調(diào)查資料以及棟背站的實測水位流量資料分別采用實測水位流量擬合法、參證站水位流量關(guān)系移植法和水力學公式法進行分析繪制，最終推薦采用實測水位流量擬合法成果。初設(shè)階段在可研階段的基礎(chǔ)上，收集了可研后的2006年10月～2008年5月壩址專用水文站實測水位和13次實測流量資料（加上可研階段共測得23次流量），及可研階段調(diào)查的近年較大洪水水面線資料，點繪水位流量關(guān)系圖，對可研階段采用的水位流量關(guān)系進行復核。經(jīng)復核，仍然維持可研階段采用實測水位、流量擬合法分析繪制的壩址現(xiàn)狀水位～流量關(guān)系線，成果見表2-8。表2-8石虎塘壩址現(xiàn)狀水位～流量關(guān)系成果表水位(黃海·m)流量(m3/s)水位(黃?！)流量(m3/s)水位(黃?！)流量(m3/s)46.512451.5355056.51213047.024552.0416057.01333047.541452.5483057.51459048.063353.0555058.01592048.589953.5631058.51731049.0122054.0713059.01876049.5158054.5800059.52028050.0200055.0892060.02185050.5247055.5992060.52350051.0298056.01099061.025200(2)航道整治后水位流量關(guān)系曲線由于下游峽江梯級按原規(guī)劃正常蓄水位48.11m方案實施的淹沒影響和投資太大，目前正在實施的峽江水利樞紐工程正常蓄水位由原規(guī)劃的48.11m降至至46m，峽江水利樞紐工程建成后，渠化的庫區(qū)航道末能達到石虎塘壩下，致使峽江梯級至石虎塘梯級之間的Ⅲ級航道還有約17km（含約4km的變動回水區(qū)）河段未銜接上，該段航道需要通過航道整治才能達到Ⅲ級航道標準，使贛江全線航道均能航行千噸級船舶。針對這一情況，江西省航務勘察設(shè)計院于2007年1月編制的《贛江石虎塘航電樞紐通航論證報告》，對石虎塘壩址以下約17

km河段進行航道整治進行了研究論證。該論證報告根據(jù)《內(nèi)河通航標準》（GB50139.2004）、Ⅲ級航道1000噸級船舶航道通航水深、最小通航流量初步設(shè)計階段工程設(shè)計單位根據(jù)石虎塘壩下的航道整治設(shè)計挖槽斷面（河底高程43.24m、挖槽底寬60m、兩側(cè)邊坡1:4），并依據(jù)壩址河段2006年2月～2007年7月實測水位流量資料，分析該河段水位與水面比降關(guān)系和河段糙率，采用曼寧公式計算并經(jīng)修勻后得出石虎塘壩下河段航道整治后的石虎塘壩址水位～流量關(guān)系曲線，成果見表2-表2-9航道整治后石虎塘壩址水位～流量關(guān)系成果表水位(黃?！)流量(m3/s)水位(黃?！)流量(m3/s)水位(黃?！)流量(m3/s)42.54.8449.0155055.51045043.029.049.5194056.01152043.553.050.0241056.51265044.078.050.5289057.01385044.510551.0342057.51511045.014051.5402058.01642045.518052.0465058.51781046.025852.5534059.01925046.537053.0608059.52076047.053053.5686060.02232047.569254.0770060.52396048.091754.5854061.02566048.5121055.09450注：本關(guān)系線僅適用于航道整治后而下游峽江樞紐未建成的情況，當航道整治后而下游峽江樞紐也已建成蓄水，則石虎塘下游回水水位以上段水位流量關(guān)系應采用現(xiàn)狀水位流量關(guān)系。2.1.2設(shè)計調(diào)洪成果及庫區(qū)水面線2.1.石虎塘航電樞紐的泄洪設(shè)施由沖沙泄洪閘組成。洪水期間，為了盡量減少樞紐對庫區(qū)沿岸堤防的防洪排澇壓力和庫區(qū)的淹沒損失，樞紐的泄洪設(shè)施的全部閘門都要打開，敞泄洪水。初步設(shè)計階段以宣泄天然300年一遇（校核標準）洪水洪峰流量建庫前后壩前水位壅高不超過0.3m為控制條件確定樞紐泄洪設(shè)施的經(jīng)多方案分析比較，石虎塘航電樞紐選定泄洪閘規(guī)模為23孔沖沙泄洪閘，孔口尺寸為20.0×10.3m，底檻高程46.7m，泄流能力見表2-10和圖

表2-10石虎塘航電樞紐泄洪閘泄流能力曲線關(guān)系表下泄流量（m3/s）上游水位（m）下游水位（m）下泄流量（m3/s）上游水位（m）下游水位（m）41447.6147.50800054.5754.5063348.0448.00892055.0855.0089948.5348.50992055.5855.50122049.0249.001099056.0956.00158049.5249.501213056.6156.50200050.0350.001333057.1257.00247050.5350.501459057.6357.50298051.0351.001592058.1558.00355051.5351.501731058.6658.50416052.0452.001876059.1859.00483052.5452.502028059.7059.50555053.0553.002185060.2160.00631053.5553.502350060.7360.50713054.0654.002520061.2561.00圖2-6石虎塘航電樞紐泄洪閘泄流能力曲線圖由于石虎塘水庫為河道型水庫，其洪水調(diào)節(jié)能力很小，從工程安全角度考慮，不計水庫的調(diào)洪削峰作用，故采用壩址的設(shè)計洪峰流量直接查泄洪閘的泄流能力曲線和壩址現(xiàn)狀水位～流量關(guān)系線得各設(shè)計頻率的壩前水位和下游相應水位，成果見表2-11。表2-11石虎塘航電樞紐工程洪水調(diào)節(jié)成果表項目P=0.33%P=2%P=5%P=10%P=20%P=50%設(shè)計洪峰流量(m3/s)24400196001700014800125008910壩下水位(黃海·m)60.7759.2858.3957.5856.6554.99壩前水位(黃?！)61.0359.4858.5557.7156.7755.07水位壅高值(m)0.260.200.160.130.120.082.1.初步設(shè)計階段為確定庫區(qū)防護工程的防洪設(shè)計水位及排澇外水位，以及庫區(qū)淹沒耕地征用和農(nóng)村、城鎮(zhèn)居民遷移范圍，推求了P=5％、P=10％、P=20％、P=50%四種洪水頻率以及發(fā)電蓄水位與之相應洪水調(diào)度相應臨界流量洪水的天然水面線和庫區(qū)回水水面線。石虎塘航電樞紐工程建成后庫區(qū)各頻率的水庫回水水面線采用各頻率設(shè)計洪峰流量與相應壩前相應水位組合條件下的水面線，拉閘臨界流量（4700m3/s）的水庫回水水面線采用拉閘臨界流量與正常蓄水位（56.50m）組合條件下的水面線，抬高水位運行臨界流量（2200m3/s）的水庫回水水面線采用抬高水位運行臨界流量與47.00m水位組合條件下的水面線。現(xiàn)狀水面線計算起推水位由設(shè)計洪峰流量查壩址現(xiàn)狀水位～流量關(guān)系而得，工程建成后水庫回水水面線計算起推水位采用設(shè)計階段調(diào)洪成果中的壩前水位（由設(shè)計流量查樞紐泄流能力曲線而得），回水水面線推求時考慮庫區(qū)防護工程的影響。石虎塘水庫回水水面線成果見表2-表2-12石虎塘航電樞紐工程庫區(qū)新開云亭河設(shè)計水面線成果表斷面編號位置距離(km)設(shè)計水位(黃?！)P=5%P=10%P=20%P=50%Q=4700m3/現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水云CS3'新開河口061.9162.0361.3261.4660.6560.7559.2959.4256.7858.04云CS4'何邱郭0.8062.0862.1861.4961.6060.7960.8959.3559.4856.8958.09云CS4宋家1.8262.2562.3561.6461.7560.9561.0459.4459.5657.0858.19云CS5銅陵3.6762.5162.5961.8761.9761.1361.2159.6059.7057.4858.42云CS6洲子上5.1262.8162.8862.1562.2361.4061.4759.8859.9858.0958.75云CS7高枧6.9263.4363.4962.7562.8161.9862.0260.5360.5759.3559.62云CS8村背8.2863.8363.8763.1863.2362.4462.4761.0861.1060.1460.27云CS9新居9.6664.4064.4363.8763.8963.2863.2962.4762.4861.9762.00續(xù)表2-12石虎塘航電樞紐工程庫區(qū)新開云亭河設(shè)計水面線成果表斷面編號位置距離(km)設(shè)計水位(黃?！)P=5%P=10%P=20%P=50%Q=4700m3/現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水云CS10江下11.2365.5265.5265.0865.0964.6164.6263.7863.7863.3663.37云CS11崩坎12.6066.5466.5466.1666.1665.7065.7064.9164.9164.5664.56云CS12傅家14.2067.4267.4267.1067.1066.7166.7166.0066.0065.5865.58云CS13正坑口15.3068.3568.3568.0968.0967.7367.7367.0767.0766.7466.74表2-13石虎塘航電樞紐工程庫區(qū)贛江干流設(shè)計水面線成果表斷面編號位置距離（km）設(shè)計水位（黃?！）P=5%P=10%P=20%P=50%Q=4700m3/Q=2200m3/現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水現(xiàn)狀回水石上壩址蔣家洲0.0058.3958.5557.5857.7156.6556.7754.9955.0752.4056.5050.3257.00石贛CS4印霞江2.0458.6958.8957.8958.0956.9757.1655.3655.4852.8456.5850.6757.02石贛CS5高樟4.0058.9959.2158.1858.4257.2557.4855.6155.7553.1456.6550.9457.03石贛CS加1張家5.0059.1659.3758.3458.5857.4157.6355.7755.9253.3456.6851.1357.04石贛CS6孫家6.1359.3259.5458.5258.7857.6057.8556.0256.1953.5756.7451.3857.05石贛CS加2新洲7.5359.5159.7258.7458.9957.8758.0956.4556.5553.8656.8251.7657.06石贛CS7竹山9.1659.7759.9859.0459.2758.2358.4256.9557.0054.2356.9452.2157.09石贛CS8黃坑11.1160.0660.2659.3759.5858.6158.7757.4457.4854.6057.1052.6157.13石贛CS9新居13.8760.5160.7059.8560.0659.1459.2957.9558.0255.1657.3253.1257.18石贛CS加3沿溪15.3260.7560.9460.0960.3459.3859.5558.1658.2755.4257.4253.3857.21石贛CS10康家湖16.3260.9161.0960.2760.4959.5459.7158.2858.4155.6157.4853.5957.22石贛CS11棚下18.8661.3361.4760.7160.8859.9960.1258.5858.7455.9857.6553.9257.27石贛CS12下洲21.5661.7861.9161.2061.3460.5360.6359.1659.2956.5957.9554.3857.36石贛CS13永昌市24.2462.2862.4261.6961.8461.0161.1259.6959.8357.3458.2955.0557.50石贛CS14高城27.5462.9263.0762.3062.4561.5761.7060.1960.3357.8658.6155.7257.63石贛CS15洲頭30.4463.4963.6262.8362.9762.0362.1760.6360.7558.2858.9356.1557.76石贛CS16蜀口洲33.3464.1264.2663.4363.5962.5762.7561.1661.2958.9259.4356.8158.04石贛CS17棚子里35.8464.6764.8063.9464.1163.0563.2561.7261.8459.6259.9957.6258.44石贛CS18郭家38.1965.2065.3164.4564.6163.5463.7362.3062.3960.2360.5058.3658.87石贛CS19城洲40.8465.7865.8765.0265.1664.1064.2662.9563.0060.8861.0659.0659.362.1.3導托渠和