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大坝之问(下)
发布日期:2015-9-15 11:54:27

编者按:

本期,大坝新闻将继续推出中国大坝协会、中国水利水电科学研究院、中国长江三峡集团公司、中国水利水电建设集团联合策划的科普专题《大坝之问》下篇,下篇将为您呈现第5部分:水库的运行是个系统工程;案例:水库大坝在区域发展中的作用。如果喜欢,请您继续转发和收藏,帮助我们一起将知识传播开来。

第5部分:水库的运行是个系统工程

水库群的联合调度

为什么要联合调度

一座独立的水库运行,无论是防洪、用水,还是发电,只要在控制风险的前提下,必定要获取最大的效益。但当一座水库的运行对上、下游的水库产生影响时,这就要考虑怎样获取整体的最大效益。而且,随着我国人口的增长和经济社会发展以及城市化、工业化进程的加快,对水的需求进一步提高,水的供需矛盾和水环境问题愈发突出,水库由于具有调蓄功能,因此在水资源的优化配置中发挥着重要的作用。

随着水资源的不断开发利用,往往在一条河流上或一个流域内建成一批水库,形成了一个水库群,如黄河上游、长江上游和清江梯级水库群等。从保障流域可持续发展和维护河流健康出发,需要建立兴利、减灾与生态协调统一的水库综合调度运用方式,这些水库调度运用要纳入到全流域的统一调配,从而实现流域水资源的优化配置。原有的单库分散调度的方式在进行防洪和兴利调度的同时,没有考虑其对水库群以及整个流域的影响,不利于流域内水利综合效益的发挥。水库群的形成,改变了原来单库或少库的水力条件,各水库之间存在相互影响,这就需要站在全流域的高度,采取联合调度的方式,开展水库群优化调度,让它们在保证安全的基础上发挥最大的“群体”效益。

什么是联合调度

水库群的联合调度是指对流域内一群相互间具有水文、水力、水利联系的水库以及相关工程设施进行统一的协调调度,使流域内水利效益最大化。如何调控水库群,不仅关系到各种效益的发挥,还关系到水库大坝的安全,怎样调度才是既安全又有效的?水库群的联合调度通常采取系统工程的处理方式,采取系统工程的理论与方法,开展水库群优化调度。在实践中,根据不同的调度目标,可分为防洪联合调度、兴利联合调度、生态联合调度、应急联合调度等。

怎样进行联合调度

水库调度首先需要确保水库大坝安全并承担水库上、下游防洪任务。因此,水库群的防洪联合调度是首要任务。现在,水文气象预报精度的提高、系统决策科学理论的日益完善和计算机软硬件技术的快速发展,使得水库群间的联合优化调度变得越来越“智慧”。通过超级计算机的运算,我们已经能够比较准确地进行某一区域中短期的天气预报,结合调度模型对各水库的运行进行统一协调、统一安排。通过采取蓄洪滞洪、削峰错峰等措施,减少水库最大泄量,达到保证各水库和区间防洪安全的目的,充分发挥水库群的防洪效益。例如,2010年7月份长江上游干流发生了1987年以来的最大洪峰流量7万立方米每秒,超过了1998年,但是洪灾严重程度与损失却小于1998年时的情况,这主要归功于以三峡水库为龙头的水库群的防洪联合调度发挥了巨大的作用。此次洪水,仅三峡水库拦蓄洪水就达到了70亿立方米,有效地减轻了长江中下游的防洪压力,再加上堤防、水闸、泵站、分洪区等配套防洪工程,有效保障了长江中下游的防洪安全。在我国的清江流域,研究人员针对清江梯级水库群,在不降低水库及梯级原有的防洪标准前提下,建立联合调度模型,有效地利用了上游水布垭水库的防洪库容分担隔河岩水库部分防洪任务,还显著提高了梯级水库的发电量。

水库群作为一个系统、一个整体,其效益不再是各水库效益的简单相加,而应大于各水库效益之和。水库群的联合调度利用各水库在水文径流特性和水库调节能力等方面的差别,通过统一调度,在水力、水量等方面取长补短,提高流域水资源的社会、经济与环境效益。比如,在黄河干流上,现已建有龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡和小浪底等水库,近年来,通过水库群的联合调度运用,进行调水调沙、水量调度、防洪防凌调度、兴利调度等,对优化配置水资源,保护生态环境,维护河流健康,促进社会经济的健康发展等都发挥了重要作用,社会、经济和生态效益显著。

当然,根据调度目标不同,水库群的调度方式和调度基本原则也不相同。比如,当对水库群进行灌溉及供水调度时,以总弃水量最小拟定各个水库的蓄水和放水次序,梯级水库上游水库应先蓄水后供水,库群中如有调节能力高、汛期结束较早的水库应先蓄水,在供水期按总供水要求进行补偿调节。此外,利用水库大坝进行流域或区域生态调节或补偿的生态联合调度(比如前面提到的万家寨、三门峡、小浪底水库之间的调水调沙调度)以及应对紧急事件的应急联合调度(比如发生地震时,震区水库要尽快降低水库水位)等都需要根据实际情况科学地进行水库群的联合调度,从而满足不同的优化调度目标。

如前所述,水库群的联合调度是流域水资源优化配置的重要组成部分。从更大范围内来看,还可以对跨流域的水资源进行优化调度。我国的南水北调工程就是基于跨流域的水资源调度而修建的。我国南涝北旱,南水北调工程通过跨流域的水资源调度,大大缓解我国北方水资源严重短缺的问题。南水北调总体规划包括东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系,构成以“四横三纵”为主体的总体布局,以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。

考虑到水文、气象等各种因素的随机性以及不少水库需满足多种目标,水库群联合调度决策实际上是一个非常复杂的过程。随着水文气象预报和计算机应用技术的不断进步,将会产生一些适用于水库群联合调度的新理论和新技术,水库群的联合调度研究及应用仍有很长的路要走。

(第5部分完)

案例:水库大坝在区域发展中的作用

河北省历史上水患严重

河北省位于海河流域腹地,占海河流域总面积的51.3%;北靠燕山,西倚太行,东临渤海,内环京、津两大直辖市,中南部是广袤的华北平原,总面积18.77万平方公里,有耕地5.88万平方公里,人口7000万人。全省年均降雨量522毫米,有79%降在汛期,主汛期一个月的降雨量占全年的1/3,因而极易暴雨成灾;而农业用水高峰季节(3~5月)降雨量不足全年的13%,因而春旱年年发生。暴雨强度相当于东南亚一些国家,干旱程度又相当于中东地区;形成了春旱严重、暴雨集中、既有水荒、又有水灾的气候特点。

在1949年前的580年中,共发生水灾383次,旱灾407次,一年之内往往先旱后涝,重复受灾。境内的海河5大水系(漳卫河、子牙河、大清河、永定河、北三河)1965年以前全部集中到天津入海,河道上宽下窄,行洪能力上大下小,山区降暴雨后十几个小时甚至几个小时就要到达平原,因而洪水灾害十分突出,平均7~8年发生一次中等洪水,20年左右发生一次大洪水。在1546~1948年的403年中,洪水曾12次侵袭北京城,13次淹了天津市。1939年大水,全省1/2的耕地被淹,冲毁铁路100余公里,死亡1.33万人,天津城区街道行船一个多月;1920年大旱,全年降雨量仅205毫米,冻饿而死者1万多人。1963年特大洪水之受灾人口约2200万人,特重灾区人口约1200万人,死亡5030人,约有1000万人无家可归;直接损失约60亿元。惨痛的历史教训激发河北人民修大坝、建水库,调节洪水,保障京津等大中城市及交通干线安全,发展灌溉促进农业增产,根治海河的决心。

修建水库大坝之后

1952年由河北省开展了以防洪为主、以灌溉及水能利用为辅的《海河流域治理规划》编制工作,决定先行修建唐山市陡河水库;1956年大水淹了石家庄市,遂于1957年开始筹建市区上游的滹沱河岗南、黄壁庄两大水库;1958年又兴起了以修建水库大坝为重点的水利建设高潮,12座大型水库、20多座中型水库和1000多座小型水库同时开工,最多出动民工200多万人,经过半个世纪的努力,河北省现已建成大型水库18座,中型水库44座,小型水库1029座,总库容115亿立方米,其中,调洪库容69.3亿立方米,兴利库容52.9亿立方米。

河北省水库大坝建设50多年来,共拦蓄超过下游安全保证标准的致灾洪水500多次,累计减少农田淹没8万多平方公里,减少粮食损失约1400万吨,减少经济损失1300多亿元,水库防洪效益与工程投资之比为10:1。同时,还年均灌溉农田0.8万平方公里,对保证农业增产发挥了重要作用。水库水电装机20.1万千瓦,累计发水电75亿千瓦时,对补充用电缺口和农村以电代柴、减少二氧化碳排放发挥了重要作用。

1980年以来,随着城市规模迅速扩大,城市供水日益紧缺,岗南、黄壁庄等9座大型水库确保了石家庄、唐山等7座大中城市的供水安全,大洺远、般若院等17座中型水库保证了武安、遵化等17个市(县)的城镇供水安全。特别是岗南、黄壁庄和陡河等大型水库效益十分突出。

水库防洪效益显著

位于河北省石家庄市上游60公里的岗南水库和30公里的黄壁庄水库,1996年8月上旬遭遇了建库(1960年)以来的最大暴雨洪水。暴雨中心12小时降雨370毫米。岗南水库入库洪峰流量7020立方米每秒,超过历史最大入库流量40%;最高库水位达到203.13米,超过了设计规定的“敞泄水位”(到达此水位后要敞开水库全部泄洪设施泄洪,保大坝安全)。下游的黄壁庄水库是“病险水库”,此时入库洪峰达到百年一遇的流量,最高水位也超过历史最高洪水位1.23米,且险象环生。与此同时,水库下游的关系到京、津二市和华北油田的滹沱河北大堤已发现十多处险情,特别是饶阳县吕汉段大堤管涌严重,堤内河水出现漩涡;南堤以外大平原有100多万人受到洪水威胁。在非常紧急的情况下,河北省防汛指挥部根据水情测报预报和专家作出了科学的调度:岗南水库库容大,质量好,防洪标准高,让它大量拦蓄滹沱河干流洪水,来水尽量少泄,以减轻下游的洪水压力;同时调集10万民兵和1万多名解放军上堤抢险抗洪,经过近10个昼夜的艰苦奋战,确保了水库大坝、滹沱河大堤以及石家庄市和京广、京九、朔黄铁路,京深高速公路、华北油田和向北京市区供气、供油等设施的安全,减轻了洪水对天津市的压力。仅此一项效益就超过150亿元,相当于收回了国家46年来对河北省的全部水利投资。同时,岗、黄两库为下游石家庄市、西柏坡电厂、石津灌区等城乡生活、生产和生态环境年均供水8亿多立方米,灌溉农田0.12万平方公里,提供鲜活鱼虾等水产品1500余吨,累计发水电34亿千瓦时。而且岗南库区是中外闻名的西柏坡红色旅游胜地,黄壁庄库区景色宜人,独具特色。据统计,建库以来两库产生的直接和间接经济效益600多亿元,是水库工程建设与加固静态投资的30倍。

陡河1949年曾水淹唐山市区,1959年遇到同样的暴雨洪水,全部被1956年建成的陡河水库大坝拦蓄。水库建成55年来,共拦蓄超过下游安全标准的致灾洪水17次,拦洪效益达11.64亿元。1976年7月28日发生唐山大地震,水库大坝仅出现了3道纵向裂缝,坝下主河床发生管涌,通过分析会商,在主汛期没有放空水库,保留了2400多万立方米唐山市抗震救灾的宝贵水源。通过水库与引滦入唐工程联合运用,共为唐山市区和曹妃甸工业区生活供水10.43亿立方米,工业供水8.9 立方米,供电厂循环用水295.46亿立方米,农业供水9.82亿立方米,总计直接和间接经济效益达41.97亿元,是水库建设和加固静态投资的63倍。

拆除大坝不能解决河流断流

过去河北一到汛季“到处是水,人人怕水”(洪涝灾害频繁),变为现在的“到处缺水,人人盼水”,中南部平原地区河流几乎常年干涸。有人把这种现象归因于修建水库大坝造成的。实际上,主要原因是由于近些年经济快速发展,人口成倍增长,实际用水量大大超过了本省水资源的承载能力造成的。近10年河北省天然降雨量和上游来水量明显减少,年均降雨量由596mm减少到460mm,减少23%,更加剧了水资源的供求矛盾,近10年,全省人均水资源量仅193 立方米,甚至比不上以干旱著称的中东和北非地区。由于用水紧张,地下水的超采也是导致河流断流的原因之一。

在降雨量大且时空分配比较均匀的流域和水量丰沛的河流,扒掉水库大坝有可能实现河道常年流水;但是,在降雨量小且时空分配不均的流域和来水量较少的河流,扒掉水库大坝,损失的不仅是防洪效益,而且是包括兴利效益在内的全部水库效益,河流可能在个别丰水年和每年的汛期汛后及春季融冰期有水,其他时间还要干涸。

如果在河北省特别是太行山区如果扒掉全部水库大坝,再遇1963年和1996年那样的暴雨洪水,没有岗南、黄壁庄等水库大坝拦蓄,石家庄等大中城市必将被淹,京广、京九等首都通往全国各地的交通通信干线必将中断,华北油田及西气东输等国家重要基础设施必将受损,冀中、冀南平原和广大城乡必然遭受水灾之苦,而且要直接影响北京的安定和天津的安全,损失将是十分惨痛的。同时,在春季用水高峰季节,下游城镇用水和农业用水也将受到很大影响,危及整个国计民生;河流和平原的生态环境也不会因扒坝而有多少改善。

天是有不测风云,不能指望今后10年或20年不发生多雨年头,甚至特大洪水,综合利弊,大坝的效益远远大于大坝带来的损失。

(全文完)

策划:陈祖煜、贾金生

撰文:郭军、郑璀莹、杨会臣、李旭、王秋生、徐耀、冯炜


 


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