董 霞，王本德，梁國華

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024；2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116024）

東水西調(diào)工程是從臨近流域引水到大伙房水庫，經(jīng)大伙房水庫反調(diào)節(jié)后，再向遼河中下游地區(qū)缺水城市供水的一項大型跨流域引水工程。引水后大伙房水庫徑流條件發(fā)生了變化，原設(shè)計興利調(diào)度方式已經(jīng)不再適用于指導(dǎo)水庫的調(diào)度運行，而目前現(xiàn)存的基于調(diào)水情況下的水庫運行調(diào)度規(guī)則和興利調(diào)度圖沒有考慮徑流預(yù)報信息。這種調(diào)度方式用于指導(dǎo)水庫運行往往會在引水后因為該流域來水量又較豐而導(dǎo)致不得不棄水的現(xiàn)象，這種運行方式既浪費了水資源，也不經(jīng)濟。因此，迫切需要研究新的調(diào)度方式以指導(dǎo)水庫的調(diào)度運行。

本文將通過分析現(xiàn)有調(diào)度方式的基礎(chǔ)上，利用文獻[1]和《GFS降雨預(yù)報信息在PSRM模型中的應(yīng)用》的研究成果，研究基于徑流預(yù)報信息的大伙房跨流域引水興利調(diào)度方式，用于指導(dǎo)水庫在調(diào)水后的調(diào)度運行。

1 常規(guī)興利調(diào)度方式

1.1 大伙房跨流域引水常規(guī)興利調(diào)度方式

大伙房跨流域引水常規(guī)興利調(diào)度方式及調(diào)度圖如圖1所示。

圖1 大伙房跨流域引水常規(guī)調(diào)度圖

按照農(nóng)業(yè)供水限制線將調(diào)度圖劃分為兩個區(qū)：Ⅰ區(qū)（死庫容～農(nóng)業(yè)限制線）—農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)，農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)取0.7；Ⅱ區(qū)（農(nóng)業(yè)限制線～正?；蜓聪匏唬ぁ⑥r(nóng)業(yè)正常供水。此外死水位以下，工業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)為0.9。

限制引水線將調(diào)度圖劃分為兩個區(qū)：限制引水線以上，不調(diào)水；限制引水線以下，按照最大調(diào)水能力進行調(diào)水。

1.2 農(nóng)業(yè)用水預(yù)測及調(diào)水分析

1.2.1 預(yù)測分析

由于作物本身的要求以及氣候、季節(jié)、環(huán)境等多方面因素的影響，農(nóng)田用水預(yù)測是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。根據(jù)1959—2004年灌溉期實測來水和年農(nóng)業(yè)用水資料，繪制灌溉期來水量與灌溉用水量相關(guān)關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 灌溉期來水量與灌溉用水相關(guān)關(guān)系圖

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)灌溉期來水量與灌溉期用水量是成負(fù)相關(guān)關(guān)系的。當(dāng)水庫灌期來水量處于豐水段（不小于 1165×106m3），灌溉用水為 380×106m3；當(dāng)年來水量處于平水段（615×106～1165×106m3），灌溉用水為 500×106m3；當(dāng)水庫年來水量處于枯水段（小于 615×106m3），灌溉用水為 630×106m3。

實際上，當(dāng)上游預(yù)報來水較豐時，由于流域水文現(xiàn)象的同步性，下游降雨也較豐，下游農(nóng)業(yè)實際需水量可能要比計劃用水少。因此，如果按照原計劃供水，可能會造成水資源的浪費。

另外，在常規(guī)調(diào)度圖中的農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)，農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)取0.7。在水庫實際運行時當(dāng)時段來水較豐時，完全可以提高農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)，以減少農(nóng)業(yè)破壞時段以及降低破壞程度。

1.2.2 引水分析

大伙房跨流域引水常規(guī)調(diào)度方式中當(dāng)面臨時刻水位位于限制引水線以下，按照最大調(diào)水能力進行調(diào)水，當(dāng)后期來水較豐時，為了防洪安全必須棄水。

實際上，如果考慮預(yù)報，在限制引水線以下的一定范圍內(nèi)，當(dāng)來水較豐時，可以不引或少引水。這種引水方式既可以減少引水，又可以減少棄水量，提高水資源的利用率。

以上述分析結(jié)果將是指導(dǎo)研究基于旬徑流預(yù)報信息的大伙房跨流域引水興利調(diào)度方式的核心思想。

2 大伙房興利調(diào)度方式研究

2.1 興利調(diào)節(jié)目標(biāo)與基本思想

基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)節(jié)目標(biāo)：根據(jù)預(yù)報來水的豐、平、枯情況和面臨時刻庫水位以及各部門相應(yīng)的用水系列三者之間的特性制定符合水庫實際運行情況的引水、供水規(guī)則等調(diào)度方式[3]，在滿足工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水保證率前提下，達到引水量和棄水量最小的目標(biāo)，即在優(yōu)先利用該流域的水資源的基礎(chǔ)上，再盡可能少地跨流域引水。

基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)節(jié)基本思想：當(dāng)某時段缺水時，優(yōu)先保證工業(yè)用水，然后是農(nóng)業(yè)用水。在豐水期，能夠滿足所有用戶正常供水的條件下，不調(diào)或盡量少調(diào)水；在枯水期，則以最大調(diào)水能力調(diào)水。

2.2 興利調(diào)度方式判別指標(biāo)確定

在考慮預(yù)報的調(diào)度方式研究中，判別調(diào)度指標(biāo)主要考慮如下幾個指標(biāo)：旬徑流預(yù)報信息、工業(yè)和城市生活用水、農(nóng)業(yè)用水量和旬徑流預(yù)報豐平枯劃分。

1）旬徑流預(yù)報信息

由于GFS降雨預(yù)報信息資料有限，無法利用其推求的徑流預(yù)報信息進行長系列調(diào)節(jié)，因此只能選用文獻[1]中1959—2006年5月中旬至10月下旬利用各旬實測降雨資料擬合的旬徑流值代替旬徑流預(yù)報值。另外，由于沒有研究其他各旬相關(guān)模型對其進行預(yù)報，本文擬采用其實測徑流值代替預(yù)報值。

2）工業(yè)和城市生活用水量

大伙房水庫在沒有引水工程之前，主要負(fù)責(zé)沈陽、撫順的工業(yè)用水和大伙房下游的農(nóng)業(yè)用水，引水工程啟動之后，大伙房水庫將通過反調(diào)節(jié)，向遼寧中部地區(qū)的撫順、沈陽、本溪、遼陽、鞍山、營口等6市提供城市生活和工業(yè)用水，同時還要保證原有的工、農(nóng)業(yè)用水。因此，引水工程啟動之后，工業(yè)與生活用水分配將分為兩個部分：一是調(diào)水工程實施前大伙房水庫承擔(dān)的工業(yè)與生活用水；二是調(diào)水工程實施后，大伙房水庫還需承擔(dān)新增加的工業(yè)和生活用水量。用年總用水量除以計算時段數(shù)，即為各時段的工業(yè)用水量。

大伙房水庫在調(diào)水工程啟動后總的工程與城市生活用水設(shè)計值1—12月每月都為197.42×106m3，合計 2369×106m3。

3）農(nóng)業(yè)用水量

在農(nóng)業(yè)用水資料中，只有1989—1995年有灌溉期各旬農(nóng)業(yè)用水資料。因此，本文擬采用它們的平均值，來代替灌溉期各旬農(nóng)業(yè)用水分配比率，如表1所示。

表1 大伙房農(nóng)業(yè)用水分配比例

灌溉期如果上游預(yù)報來水較豐時，農(nóng)業(yè)需水減為原計劃的70%；預(yù)報來水豐時，農(nóng)業(yè)需水減為原計劃計劃的90%；預(yù)報來水平或枯時，農(nóng)業(yè)需水則按原計劃進行。

4）旬徑流預(yù)報豐、平、枯劃分方法

當(dāng)工、農(nóng)業(yè)限制供水以及水庫發(fā)生棄水時，需要根據(jù)預(yù)報旬徑流信息的豐、平、枯確定限制供水系數(shù)和棄水量。對1959—2006年48年各旬徑流量進行升序排列，取經(jīng)驗頻率為15%，50%，85%的實測旬徑流量作為豐、平、枯分界線。如表2所示。

表2 各旬預(yù)報徑流豐平枯分界值 106m3

當(dāng)預(yù)報徑流量大于f值時來水較豐，當(dāng)預(yù)報徑流量小于f值大于p值時來水豐，當(dāng)預(yù)報徑流量小于p值大于k值時來水平，當(dāng)預(yù)報徑流量小于k值時來水枯。

但當(dāng)確定灌溉期農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)值，取經(jīng)驗頻率為15%，50%，85%的實測旬徑流值作為預(yù)報旬徑流豐、平、枯分界線進行調(diào)節(jié)，結(jié)果顯示，在滿足農(nóng)業(yè)供水設(shè)計保證率前提下，豐、平、枯分界值取值偏大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)破壞時段的破壞深度較大，因此取經(jīng)驗頻率為10%，30%，60%的實測旬來水量作為豐、平、枯分界線。如表3所示。

表3 各旬來水豐平枯分界值 106m3

2.3 預(yù)報調(diào)度圖研究

按照調(diào)度基本思想確定基于預(yù)報信息的初始調(diào)度圖，以獲得的初始調(diào)度圖按擬定的各區(qū)運行方式順序以旬為時段進行長系列模擬計算，以檢驗各用戶是否達到設(shè)計保證率，分析運行成果中存在的問題，并對初始調(diào)度圖進行分析調(diào)整。

調(diào)度圖調(diào)整的基本思想是：當(dāng)農(nóng)業(yè)保證率偏低時，適當(dāng)降低農(nóng)業(yè)限制線，特別是供水期的農(nóng)業(yè)限制線，或適當(dāng)提高限制引水線；當(dāng)工業(yè)保證率偏低時，應(yīng)適當(dāng)提高農(nóng)業(yè)限制線，或適當(dāng)提高限制引水線。事實上，調(diào)度圖調(diào)整過程中，各影響因素間存在交互作用，需從幾個因素同時著手。

基于旬徑流預(yù)報信息的大伙房水庫跨流域引水興利調(diào)度圖，如圖3所示。

圖3 基于旬徑流預(yù)報信息的調(diào)度圖

與常規(guī)調(diào)度圖相比，基于旬徑流預(yù)報信息的調(diào)度圖有幾點改進：

1）由于已知下旬徑流預(yù)報信息，在保證水庫安全的前提下，主汛期上限可設(shè)為動態(tài)控制控制上限域。

2）汛后期逐級抬高水位，以提高水庫汛后蓄滿的機率。

3）引水限制線設(shè)上、下限，以達到豐水期不調(diào)或少調(diào)水的目的。

2.4 基于旬徑流預(yù)報信息的調(diào)度方式

通過長系列調(diào)節(jié)，基于旬徑流預(yù)報信息的大伙房水庫跨流域調(diào)度方式及調(diào)度規(guī)則如下：

2.4.1 引水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)度規(guī)則：1）限制引水線上限之上不引水。2）限制引水線上限之下、限制引水線下限之上，時段缺水量為時段預(yù)報來水量與時段用水量之差，時段缺水量大于時段最大引水量時，按最大引水能力引水；時段缺水量不大于時段最大引水量時，引水量等于時段缺水量；時段缺水量為負(fù)值時，不引水。3）限制引水線下限之下，以最大能力引水。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：1）限制引水線上限之上不引水。2）限制引水線下限之下，以最大能力引水。

2.4.2 供水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)度規(guī)則：

1）面臨時刻水庫水位位于農(nóng)業(yè)限制線之上，工業(yè)和農(nóng)業(yè)正常供水。

2）面臨時刻水庫水位在死水位之上，農(nóng)業(yè)限制線之下，工業(yè)正常供水，農(nóng)業(yè)限制供水。農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)根據(jù)預(yù)報來水量豐平枯決定。如果預(yù)報旬徑流較豐，限制供水系數(shù)為1.0；如果預(yù)報旬徑流豐，限制供水系數(shù)為0.8；如果預(yù)報旬徑流為平，限制供水系數(shù)為0.4；如果預(yù)報旬徑流為枯，限制供水系數(shù)為0。取經(jīng)驗頻率為10%，30%，60%的實測旬來水量作為豐、平、枯分界線。

3）面臨時刻水庫水位在死水位以下，歷史最低水位107 m之上，農(nóng)業(yè)停止供水，工業(yè)限制供水。預(yù)報旬徑流較豐，工業(yè)限制供水系數(shù)為1.0；預(yù)報旬徑流豐時，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.8；預(yù)報旬徑流平時，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.4；預(yù)報旬徑流枯時，工業(yè)停止供水。取經(jīng)驗頻率為15%，50%，85%的實測旬來水量作為豐、平、枯分界線（如表2所示）。

4）面臨時刻水庫水位在歷史最低水位107 m之下，工、農(nóng)業(yè)停止供水。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：

1）面臨時刻水庫水位位于Ⅱ區(qū)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)正常供水。

2）面臨時刻水庫水位在Ⅰ區(qū)，工業(yè)正常供水，農(nóng)業(yè)限制供水。農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)為0.7。

3）面臨時刻水庫水位在死庫容之下，歷史最低水位之上，農(nóng)業(yè)停止供水，工業(yè)限制供水，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.9。

4）面臨時刻水庫水位在歷史最低水位107 m之下，工、農(nóng)業(yè)停止供水。

2.4.3 棄水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)度規(guī)則：主汛期如果面臨時刻水庫水位位于汛限水位以上，如果預(yù)報來水較豐，則棄水使水位回落到汛限水位即126.4 m；如果來水豐或平則棄水使水位回落到127.0 m；如果來水枯則棄水使水位回落到汛限水位動態(tài)控制上限域即127.8 m。非汛期面臨時刻庫水位位于正常水位之上，則棄水使得水位回落到汛限水位或正常水位。取經(jīng)驗頻率為15%，50%，85%的實測旬來水量作為豐、平、枯分界線（如表2所示）。棄水用于發(fā)電，如果棄水量大于電站最大出力時用水量則將多余水棄掉。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：汛期如果面臨時刻水位位于汛限水位之上，棄水使水位回歸到汛限水位。非汛期如果面臨時刻水位位于正常水位之上，棄水使水位回歸到正常水位。棄水用于發(fā)電，如果棄水量大于電站最大出力時用水量則將多余水棄掉。

2.5 長系列調(diào)節(jié)成果

從興利蓄水位131.50 m開始起調(diào)，以旬為時段按照上述調(diào)度規(guī)則進行長系列驗算。調(diào)節(jié)起至?xí)r間為1959-10-1至2006-9-30。調(diào)節(jié)結(jié)果如表4所示。

2.6 長系列調(diào)節(jié)結(jié)果分析

從表4中可以看出，基于旬徑流預(yù)報信息的調(diào)度方式和常規(guī)調(diào)度方式調(diào)節(jié)結(jié)果工業(yè)破壞年都為0，年保證率為100%，基于旬徑流預(yù)報信息的調(diào)度方式與常規(guī)調(diào)度農(nóng)業(yè)年保證率相同，但破壞時段比后者少5個時段；前者農(nóng)業(yè)多年平均缺水量占多年平均計劃供水量的2.6%，而后者農(nóng)業(yè)多年平均缺水量占多年平均計劃供水量的3.6%；基于旬徑流預(yù)報信息的多年平均引水量比常規(guī)調(diào)度的少221.85×106m3；前者多年平均棄水量比后者少40.77×106m3。

從上述結(jié)果分析知，基于旬徑流預(yù)報信息的興利調(diào)節(jié)在滿足了工業(yè)設(shè)計保證率95%和農(nóng)業(yè)保證率75%的前提下，達到引水量和棄水量較小的目的。

表4 興利調(diào)節(jié)結(jié)果

3 結(jié)語

本文分析了大伙房跨流域引水工程興利調(diào)度方式存在的問題，研究了基于旬徑流預(yù)報信息的大伙房跨流域引水工程新的興利調(diào)度方式。新的調(diào)度方式與常規(guī)興利調(diào)度方式相比，前者在滿足工業(yè)設(shè)計保證率95%和農(nóng)業(yè)設(shè)計保證率75%的前提下，引水量和棄水量較少，實現(xiàn)了水資源的合理調(diào)度。

［1］董霞，王本德，梁國華.PSRM模型及其在大伙房水庫中的應(yīng)用研究［J］.東北水利水電，2009（1）.

［2］梁國華，王國利，王本德，董霞.GFS可利用性研究及其在詢徑流預(yù)報中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2009（2）.

［3］大連工學(xué)院水利系水工教研室，大伙房水庫工程管理局.水庫控制運用［M］.北京：水利出版社.