梯级水库运行期设计洪水理论和方法

人类活动和气候变化显著地改变了河川径流及洪水的时空分配过程，直接影响下游断面的设计洪水。本文综述水库对下游水文情势的影响，提出梯级水库运行期设计洪水理论方法和研究内容；重点探讨非一致性洪水频率分析和基于Copula函数的最可能地区洪水组成法，比较各种方法的实用性；推荐采用运行期设计洪水及汛控水位指导水库调度运行，建议进一步加强水库运行期设计洪水计算理论和方法研究。     

梯级水库运行期设计洪水理论和方法

人类活动和气候变化显著地改变了河川径流及洪水的时空分配过程，直接影响下游断面的设计洪水。本文综述水库对下游水文情势的影响，提出梯级水库运行期设计洪水理论方法和研究内容；重点探讨非一致性洪水频率分析和基于Copula函数的最可能地区洪水组成法，比较各种方法的实用性；推荐采用运行期设计洪水及汛控水位指导水库调度运行，建议进一步加强水库运行期设计洪水计算理论和方法研究。     

洪水资源利用风险适度性分析

洪水资源利用有助于缓解北方地区的水资源紧缺形势,风险适度性作为洪水资源利用三大适度性之一,用于指导洪水资源的合理开发与安全利用。在水库汛限水位调整中,提出采用不同频率设计洪水进行不同汛限水位条件下的洪水调节计算,并结合水库的经济与生态供水目标进行长系列用水调度模拟和供水效益分析,综合确定风险适度性的方法。对密云水库的计算分析表明,主汛期汛限水位从原设计的147.00 m安全抬高至目前的152.00 m是可靠的,其风险阈值上限为153.20 m;后汛期汛限水位可从目前的154.00 m安全抬高至155.40 m。两种情况下水库供水保证率可以分别提高0.30%和0.01%,且大坝和下游防护区的防洪风险率分别为0.01%和1%,与原设计一致,满足洪水资源安全利用的风险适度性要求。     

基于预报及库容补偿的水库汛限水位动态控制研究

结合清江流域梯级水电站工程特性及防洪任务,以不降低梯级防洪标准为原则,建立基于预报及上游水布垭水库库容补偿的汛限水位动态控制模型,推求隔河岩水库汛期汛限水位动态控制方案。计算表明,该模型在不降低水库及梯级原有的防洪标准前提下,能有效利用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,并显著提高其发电量。其中,多年平均弃水量减少4．1444亿m~3,发电量增加1．2172亿kW·h。     

长江上游干流梯级水库群防洪库容互用性初探

根据《长江流域防洪规划》,长江上游已投入运行的、具有防洪功能的大型控制性水库总预留防洪库容超360亿m3,亟需研究科学实用的防洪调度方法。在定义防洪库容互用性涵义的基础上,探讨了长江上游水库群间防洪库容的互用性,提出了基于库容互用性的水库群防洪调度方法。以金沙江下游梯级和三峡水库为例,分析了二者之间防洪库容的互用比例。研究结果显示,对于1981年、1982年和1998年3个典型年的洪水,金沙江下游梯级水库相对于三峡水库防洪库容的互用比例在0.80~0.97之间,并受拦蓄洪量比例和拦蓄时机的影响。在实时防洪预报调度中,可根据水库群所处状态及防洪形势,基于防洪库容互用性研究成果,结合水文气象预报,科学有效地调度洪水。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明：① 三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。② 根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③ 在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④ 三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

三峡水库汛期控制水位及运用条件

随着长江上游梯级水库的陆续建成投运，三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化，仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件，挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律，论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明:①三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水，而流域性洪水发生概率小且特征明显，可以通过水文水情分析提前预判。②根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律，预判发生区域性大洪水时，三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置，从梅雨期结束后逐渐提高水位，8月20日后过渡到155 m。③在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下，正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动，并考虑提前蓄水。④三峡水库汛期运行水位动态控制，不会增加防洪风险和库区淤积风险，对中下游江湖关系和水文情势有利，可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。     

水库汛期限制水位控制理论与观念的更新探讨

传统的水库汛限水位的控制,只利用了洪水的统计信息,使水库在汛期要时刻预防设计与校核洪水事件的发生,致使一些水库在汛期不敢蓄水而汛后又无水可蓄,造成洪水资源的浪费。提出水库汛限水位动态控制的新理念及其综合推理模式,适应当前预报技术的发展水平,考虑降雨径流洪水预报与一定时间内的短期降雨预报,排除不可能发生的洪水事件,预报可能发生的洪水,实施水库汛限水位的动态控制。但预报不可避免地存在误差,当小概率预报误差事件发生时,仍可采取弥补措施以确保大坝的防洪安全。     

水库汛限水位调整与运用

基于对水库汛限水位主要影响因素的系统分析,从洪水资源安全利用的角度出发,阐明了水库汛限水位调整综合分析论证所应遵循的原则,提出了风险设计分析论证的框架、定量分析方法和汛限水位合理调整的论证。最后以海河流域潘家口水库为分析实例,从设计洪水、预报预泄、洪水预报调度方式、上下游防洪设计标准、上游移民淹没及土地退赔线、水库长期运行的风险和效益等多个方面分析论证了水库汛限水位的合理调整方案。     

三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

汛限水位是综合利用水库运行和调度的重要参数之一,也是协调防洪和兴利矛盾的焦点所在。现行的汛限水位过多地考虑了小概率洪水事件,不能充分挖掘水库汛期的兴利效益,因此,采用动态汛限水位进行调度,对综合利用水库的运行具有重要的理论意义和实用价值。根据三峡水库围堰发电期的调度规程,建立预报预泄调度模型,采用宜昌站1882-2001年汛期实测日流量资料,实现了考虑预报信息的动态汛限水位洪水调度模拟;提出了多目标风险指标体系;计算了9种动态汛限水位方案下的风险指标值,通过综合评价模型对各方案进行比较和优选,得到了相对合理的动态汛限水位方案。     

动态实时洪水风险分析及管理系统

当前洪水风险分析按照典型设计标准洪水进行计算的模式难以满足实际防洪管理需要,为了提高洪水风险分析的实时性以及适应洪水演进的动态性,设计了动态实时洪水风险分析框架。在本框架中,先采用一维和二维动态耦合水动力学数值方法耦合溃堤模型,然后在樵桑联围防洪保护区建立洪水演进模拟模型,通过灵活处理模型计算边界条件以及动态设置溃堤功能,计算不同设计标准洪水发生时,堤防出现单一溃口或者组合溃口后保护区内洪水演进过程。按照上述框架开发了樵桑联围动态实时洪水风险图编制与管理应用系统,并利用历史洪水资料开展模型验证,验证结果表明,2008-06洪水马口站、三水站、大熬站、甘竹（一）站的实测最高水位和模型计算最高水位的绝对误差分别为-0.10、0.10、0.09、0.04 m,均满足洪水模拟精度要求。利用模型计算了西江发生200年一遇的洪水情况下,江根堤防出现溃口后的洪水流量及溃口内外洪水水位变化过程,模拟溃口宽度168 m,最大溃口洪水流量达到5 190 m³,分析了堤防溃决后3、6和24 h洪水漫延导致村落淹没情况,结果表明其满足合理性分析。     

基于HEC-RAS及GIS的川西叠溪古滑坡堰塞湖溃决洪水重建

青藏高原东南缘岷江上游地区地质环境条件十分复杂,滑坡堵江灾害及堰塞湖溃决事件频发,重建其灾害演化过程对于地区性防灾减灾和风险控制具有重要指导意义。以川西岷江上游叠溪古滑坡堰塞湖为研究对象,首先利用高精度DEM和ArcGIS软件重建了叠溪古堰塞湖的原始规模,其原始最大湖水面积为1.1×10⁷ m²,相应的湖容量为2.9×10⁹ m³;然后采用经验公式法和HEC-RAS一维水力学模型重建叠溪古堰塞湖溃决洪水的水力学特征。计算结果表明,HEC-RAS模拟的最大溃决洪水洪峰流量为73 060 m³/s,与经验公式法计算结果(74 500~76 800 m³/s,平均值76 000 m³/s)非常接近,误差小于5%。对应的最大洪水深度和流速分别为70.1 m和16.78 m/s,模拟河段的洪水淹没范围约为6.08 km²。综合误差分析推测的溃决洪峰流量误差范围为69 000~81 000 m³/s。叠溪古滑坡堰塞湖溃决洪水在世界范围内是十分罕见的,其最直接的影响是在下游数公里范围的河谷内形成大量带状或台阶状的溃坝堆积体和巨砾石堆积“阶地”,且这种影响仍延续至今,这与前人关于高能洪水水文特征和沉积特征的研究认识高度一致,证明本研究成果是非常可靠的。此外,本研究还表明,HEC-RAS一维水力模型可用于高山峡谷地区古滑坡堰塞湖溃决洪水重建研究,可为青藏高原东南缘岷江上游古环境重建和地貌演化提供参考。     

黄河内蒙古河段河道冲淤演变与凌情响应机制

黄河上游内蒙古冲积性河道凌汛问题突出,研究河道冲淤演变与凌情响应机制可为该河段防凌减灾提供技术支持。根据内蒙古河段凌情、河道冲淤演变资料,分析凌情变化表征指标及与之密切相关的河道冲淤演变特征指标,研究河道冲淤演变特征指标与凌情变化表征指标的响应关系。结果表明:河道冲淤演变的特征指标平滩流量与凌情表征指标冰下过流能力、槽蓄水增量关系密切,冰下过流能力为平滩流量的1/5左右,随着平滩流量减小而减小,而槽蓄水增量随着平滩流量的减小而增大,有利内蒙古河段防凌的平滩流量宜不小于2 000 m3/s,槽蓄水增量宜不超过14亿m3。本研究成果可为内蒙古河段冰凌灾害防治提供参考。     

The Barranco de Arás flood of 7 August 1996 (Biescas, Central Pyrenees, Spain)

Geomorphic effects observed in the Barranco (creek) de Arás basin are used to characterize the flood. Sediment features allow to qualify the flood as essentially a water flow. Using the critical section method, the peak flood discharge is estimated to be between 400 and 600 m³ s⁻¹. Similar results were obtained using a paleohydraulic formula based on the size of the largest mobilized clasts. Using the rational method with available rainfall data, the discharge for a recurrence interval of 500 years is estimated to be between 150 and 200 m³ s⁻¹. These results agree with predictions obtained using curves of peak discharge versus basin area based on regional data. Several trenches dug on the fan showed that the size of boulders mobilized by the event is larger that those left by previous floods at the same place. When the estimated peak flood discharge is related to the basin area, values between 20 and 30 m³ s⁻¹ km⁻² are obtained, demonstrating that the Barranco de Arás flood was most unusual.     

黄河下游洪水的泥沙输移特征

研究了黄河下游1950-1960年、1969-1985年144次洪水的泥沙输移特征.结果表明:泥沙输移比(SDR)随场次洪水平均含沙量和平均来沙系数的增大而迅速减小;存在着一个使泥沙的输移比达到最大值的最优洪水流量级(4000m3/s左右);场次洪水泥沙输移比与场次洪水最大含沙量之间存在着负相关,当最大含沙量(C_max)>300kg/m3时,泥沙输移比(SDR)<0.50,说明高含沙洪水的输移比是很低的.上中游不同源区的洪水对下游的SDR有显著的差异.来自河口镇以上清水区洪水的SDR大多数大于0.60;来自多沙细沙区洪水的SDR都大于0.50;来自多沙粗沙区洪水的SDR则小于0.50.黄河下游SDR与来自不同来源区洪水的搭配关系有关,SDR随来自粗泥沙区来沙量比例的增大而增大,达到一个峰值,与之相对应的粗泥沙区沙量百分比为50%;对于细泥沙区来沙量比例而言,情形类似,与SDR峰值相对应的细泥沙区来沙量百分比为40%.     

复杂防洪系统联合优化调度模型

建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(MoHOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。     

汶川县绵虒镇板子沟“8·20”大型泥石流堵河特征及危害性预测

汶川地震后,板子沟曾发生过多次大规模泥石流,尤其是2019年“8·20”泥石流对沟口的道路桥梁以及村寨造成了严重的破坏,将主河道向对岸严重挤压,今后仍存在较大堵河的风险。文章在野外调查以及对泥石流基本特征和形成条件综合分析的基础上,分析了堵河特征,计算了不同频率下泥石流的堵河参数,并预测了各频率下溃决洪水对绵虒镇可能产生的影响。计算结果表明,频率为2％、5％和10％的泥石流造成岷江堵塞的可能性较小,假设发生堵河事件,绵虒镇也不会受到溃坝洪水的危害。频率为1％的泥石流很可能造成主河堵塞。体积约57.38×104 m3的泥石流物质可以到达岷江,形成高度约为51.61 m的堰塞坝。在主河洪水的作用下,堰塞坝发生溃坝,溃坝洪水的峰值流量为5 935.49 m3/s,到达绵虒镇后降至2 312.25 m3/s。由于相应的洪水深度（4.00 m）大于防护堤的高度（3.50 m）,因此溃坝洪水很可能会对绵虒镇防护堤附近民房造成破坏。为今后大型泥石流堵河特征的分析,以及溃决洪水对下游城镇可能造成的影响提供了参考。     

汉江上游晏家棚段全新世古洪水研究

通过对汉江上游详尽的野外考察,在湖北郧县晏家棚河段全新世黄土—古土壤地层中发现3层典型古洪水滞流沉积物。在沉积学的基础上,使用OSL技术断代,确定3期特大洪水事件分别在1 000~900 a BP,1 800~1 600 a BP和3 200~2 800 a BP期间发生。采用"古洪水SWD尖灭点高程法"确定这3期古洪水事件的洪峰水位介于176.20~176.73 m。运用Arc GIS耦合HEC-RAS水力模型,推求这3期古洪水事件的洪峰流量介于53 770~55 950 m3/s,并从多种角度验证了该模型计算结果的科学性和合理性。将此结果与实测洪水和历史洪水资料接续,构成万年尺度洪水水文数据序列,得到汉江上游晏家棚河段万年一遇和千年一遇洪水的流量分别为59 100和45 200m3/s。采用HEC-RAS模型对研究河段进行古洪水模拟,方法科学,结果可靠。将该河段洪水水文数据序列有效地延长到万年尺度,极大地提高了设计洪水的可靠性。