王 增 平

(青海省水利水電勘測設計研究院，西寧 810002)

0 引 言

水庫聯(lián)合調(diào)度可以捕捉入庫徑流的時空差異，充分發(fā)揮水庫的庫容補償與水文補償作用，從而提高系統(tǒng)對水資源的優(yōu)化配置能力和供水保障能力[1]。水庫的生態(tài)調(diào)度就是利用水庫的調(diào)蓄作用，在滿足經(jīng)濟社會需水的同時保證生態(tài)環(huán)境用水得到滿足[2,3]。察汗烏蘇河流域位于柴達木盆地，屬于內(nèi)陸河。由于缺乏龍頭調(diào)節(jié)水庫，流域水資源不能得到充分利用，水資源供需矛盾，灌溉高峰期存在經(jīng)濟與生態(tài)“搶水”現(xiàn)象，工程性缺水問題特別顯著。流域供水工程主要有熱水灌區(qū)引水口、察汗烏蘇引水口、西臺水庫和察汗烏蘇鎮(zhèn)城鎮(zhèn)引水口和擬建的哇沿水庫，供水工程概化關(guān)系見圖1。

圖1 察汗烏蘇河流域供水工程概化圖

本文面向生態(tài)保護研究流域內(nèi)西臺-哇沿水庫的優(yōu)化調(diào)度問題，對提高流域內(nèi)供水保障能力、緩解工程性和資源性缺水、維持河道生態(tài)環(huán)境和保護下游湖泊濕地生態(tài)健康具有非常重要的意義。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 工程供水方案

哇沿水庫建設以前，流域內(nèi)供水工程主要有熱水灌區(qū)引水口、察汗烏蘇引水口、西臺水庫和察汗烏蘇鎮(zhèn)城鎮(zhèn)引水口。由于缺乏龍頭調(diào)節(jié)水庫，流域水資源不能得到充分利用?？紤]到城鄉(xiāng)供水的可靠性及減少水體污染，農(nóng)業(yè)用水等其他用水從河道取水利于河道生態(tài)的保護和降低工程投資。本研究水庫的供水方案預設為：經(jīng)哇沿水庫調(diào)節(jié)后，城鄉(xiāng)供水采用管道引水配送至各供水點，其他用水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后放水到河道，仍由原先的工程設施從河道中取水。

1.2 水庫運行方式

哇沿水庫為年調(diào)節(jié)水庫，天然來水過程應盡量滿足下游河道內(nèi)生態(tài)需水和國民經(jīng)濟需水，多余水量蓄在庫中，水位達到正常蓄水位后，由溢洪道下泄洪水。下游缺水時，由水庫按照缺水過程放水到河道。

1.3 設計徑流量

考慮到水庫供水量中農(nóng)業(yè)灌溉占90%以上，因此以75%枯水年(水文年)徑流作為水庫調(diào)度計算的典型來水資料[4,5]。哇沿水庫壩址和察汗烏蘇水文站75%枯水年徑流量分別為9 152、9 840 萬m3。徑流量月分配成果見表1。

表1 枯水年(水文年)徑流月分配成果(P=75%) 萬m3

1.4 水庫聯(lián)合調(diào)度的方法

利用哇沿水庫斷面和察蘇水文站斷面之間的區(qū)間來水對下游需水(包括國民經(jīng)濟需水和察蘇水文站斷面河道內(nèi)生態(tài)需水)進行第一次平衡，其缺水過程即為西臺水庫和哇沿水庫的供水過程；其次用西臺水庫根據(jù)上述供水過程進行第二次平衡，其缺水過程即為哇沿水庫的供水過程，在保證河道內(nèi)生態(tài)水量的前提下，設計水庫的運行方案和調(diào)度過程線。

2 水庫供水片區(qū)需水量及需水過程

察汗烏蘇河流域哇沿水庫的供水對象主要有城鄉(xiāng)居民生活、城鎮(zhèn)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)生態(tài)。本文以2020年流域的綜合需水量過程線依據(jù)研究水庫的調(diào)度方案。

2.1 城鄉(xiāng)居民生活

根據(jù)流域水資源規(guī)劃成果，2020年流域總?cè)丝跒?.653 萬人，其中城鎮(zhèn)人口為1.354 萬人，農(nóng)村人口為2.299 萬人；城鎮(zhèn)居民生活需水定額為100 L/(人·d)，農(nóng)村居民生活需水定額為55 L/(人·d)；計算出城鎮(zhèn)居民生活需水量為49 萬m3，農(nóng)村居民生活需水量為46 萬m3，城鄉(xiāng)居民生活總需水量為95.64 萬m3。

2.2 城鎮(zhèn)生產(chǎn)

城鎮(zhèn)生產(chǎn)包括工業(yè)、建筑業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)。2020年流域工業(yè)

增加值為51 851 萬元，建筑業(yè)增加值為13 331 萬元，第三產(chǎn)業(yè)增加值為11 626 萬元；工業(yè)萬元增加值需水定額為80 m3，建筑業(yè)為18 m3，第三產(chǎn)業(yè)為18 m3；計算出工業(yè)需水量為415 萬m3，建筑業(yè)需水量為24 萬m3，第三產(chǎn)業(yè)需水量為21 萬m3，城鎮(zhèn)生產(chǎn)總需水量為459.72 萬m3(見表2)。

表2 察汗烏蘇河流域城鎮(zhèn)生產(chǎn)需水量計算表

2.3 農(nóng)村生產(chǎn)

農(nóng)村生產(chǎn)包括農(nóng)林牧灌溉及牲畜。察汗烏蘇流域地處柴達木盆地，氣候干旱、降雨量小，基本上沒有旱作農(nóng)業(yè)的條件，灌溉期缺水就意味著農(nóng)作物將大量減產(chǎn)或絕收。根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB5028899)，確定灌溉設計保證率為75%。計算得到灌區(qū)設計灌水率3.48 m3/(s·萬hm2)，灌溉需水量計算見表3。

2020年流域牲畜數(shù)量為17.23 萬頭，其中大牲畜為1.09 萬頭，小牲畜為16.14 萬頭；大牲畜需水定額35 L/(頭·d)，小牲畜需水定額為8 L/(頭·d)；計算出大牲畜需水量為14 萬m3，小牲畜需水量為47 萬m3，大小牲畜總需水量為61 萬m3。

表3 察汗烏蘇河流域灌溉需水量計算表

2.4 城鎮(zhèn)生態(tài)

城鎮(zhèn)生態(tài)主要包括城鎮(zhèn)綠化和環(huán)境衛(wèi)生(見表4)。2020年城鎮(zhèn)綠化面積為5.42 hm2，環(huán)境衛(wèi)生面積為9.60 hm2；城鎮(zhèn)綠化需水定額為2 998.5 m3/hm2，環(huán)境衛(wèi)生需水定額為899.55 m3/hm2；計算出城鎮(zhèn)綠化需水量為1.62 萬m3，環(huán)境衛(wèi)生需水量為0.86 萬m3，總需水量為2.48 萬m3。

表4 察汗烏蘇河流域城鎮(zhèn)生態(tài)需水量計算表

2.5 需水過程線

2020年城鄉(xiāng)居民生活需水量為95.64 萬m3，城鎮(zhèn)生產(chǎn)需水量為459.72 萬m3，農(nóng)村生產(chǎn)需水量為6 189 萬m3，城鎮(zhèn)生態(tài)需水量為2.48 萬m3，總需水量為6 746.52 萬m3。根據(jù)計算的城鄉(xiāng)居民生活、城鎮(zhèn)生產(chǎn)、農(nóng)村生產(chǎn)、城鎮(zhèn)生態(tài)等行業(yè)的逐月需水量，進行疊加后作為哇沿水庫供水片區(qū)需水過程線見表5。

表5 哇沿水庫供水片區(qū)需水過程線 萬m3

3 水庫聯(lián)合調(diào)度預案設計

3.1 水庫調(diào)度過程分析

(1)區(qū)間來水平衡分析。哇沿水庫斷面和察蘇水文站斷面之間的區(qū)間來水為688 萬m3，察蘇水文站斷面處河道內(nèi)生態(tài)需水量為2 743 萬m3，國民經(jīng)濟需水量為6 746.52 萬m3，一次平衡分析后計算出缺水量為8 801 萬m3，水量過程線見圖2。

圖2 一次平衡后水量過程線

(2)西臺水庫調(diào)度分析。西臺水庫是哇沿水庫的反調(diào)節(jié)水庫，其調(diào)節(jié)方式可以按照自身有利的方式確定。由于水庫所在地區(qū)蒸發(fā)量大，應該縮短水在庫中的滯留時間以減少水量損失。到4月份西臺水庫蓄滿，此時哇沿水庫也達到最大庫容。西臺水庫從5月份開始供水，在6月份供水完畢。水庫總蓄水量為691 萬m3，總供水量為581 萬m3。西臺水庫調(diào)節(jié)后二次平衡水量計算見圖3。

圖3 二次平衡后水量過程線

西臺水庫調(diào)節(jié)后的缺水量即是哇沿水庫的供水量8 911 萬m3。由于西臺水庫對需水過程進行了調(diào)節(jié)，增加中間蒸發(fā)和滲漏損失110 萬m3。雖然哇沿水庫供水量增加，但供水過程發(fā)生了優(yōu)化，灌溉高峰期哇沿水庫的供水量有所削減。

(3)哇沿水庫調(diào)度分析。哇沿水庫供水過程是經(jīng)過一次平衡和二次平衡后的缺水過程。根據(jù)哇沿水庫壩址斷面處的徑流量對供水片區(qū)的用水按照逐月過程進行調(diào)節(jié)計算，計算過程見圖4。根據(jù)計算結(jié)果，水庫從9月份開始蓄水，起始水位為死水位，對應死庫容為600 萬m3，第二年4月份水庫蓄水量達到最大值2 035 萬m3，5月份開始供水，到8月份回落到死水位，水庫的調(diào)節(jié)能力為1 435 萬m3。

圖4 哇沿水庫水量調(diào)度過程

河道內(nèi)生態(tài)需水量采用Tennant法計算[6,7]。察汗烏蘇河豐水期一般在4-9月，枯水期在10-3月。根據(jù)察汗烏蘇河沿河生態(tài)環(huán)境的特點，確定枯水期以維持河道不斷流為準，河道生態(tài)環(huán)境需水量取當月來水的10%；豐水期考慮河道兩岸植物的需水，河道生態(tài)環(huán)境需水量取當月來水的20%。河道內(nèi)生態(tài)需水過程線均在水庫下泄水量之下，生態(tài)水量都能得到有效保證。

3.2 水庫調(diào)度規(guī)則設計

水庫調(diào)度函數(shù)作為水庫調(diào)度規(guī)則研究的主要方面，水庫調(diào)度函數(shù)通常采用線性回歸法對優(yōu)化樣本進行模擬，使得調(diào)度過程在時間尺度上呈現(xiàn)出一定的連續(xù)性規(guī)則，以便于制定水庫的運行方案，為管理部門決策提供依據(jù)[8,9]。根據(jù)枯水期水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)供需一次平衡和二次平衡分析后，得到西臺水庫和哇沿水庫的水量最優(yōu)調(diào)度過程線。通過MATLAB多元擬合水庫壩址斷面典型設計來水量(P=75%)、水庫蓄水量、水庫下泄量和調(diào)度時段之間的函數(shù)關(guān)系，得到水庫調(diào)度函數(shù)為：

Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q來水

(1)

水庫調(diào)度函數(shù)模擬仿真圖可作為指導水庫實時運行的決策依據(jù)，利用水利信息化技術(shù)、水庫來水量預報技術(shù)、水庫調(diào)度智能決策系統(tǒng)、河道內(nèi)生態(tài)流量監(jiān)測預警系統(tǒng)、水庫水位-庫容關(guān)系等相關(guān)數(shù)據(jù)，制定水庫調(diào)度計劃方案，為決策者和管理者提供技術(shù)數(shù)據(jù)。水庫調(diào)度函數(shù)模擬仿真見圖5，水庫水位調(diào)度過程見圖6。

圖5 哇沿水庫調(diào)度三維仿真圖

4 結(jié) 語

(1)本文面向生態(tài)研究了察汗烏蘇河流域西臺-哇沿水庫的優(yōu)化調(diào)度過程和調(diào)度規(guī)則，河道內(nèi)生態(tài)流量能得到有效保證，調(diào)度方案一定程度上緩解了流域資源性和工程性缺水問題，提高了流域的供水保障能力。

(2)西臺水庫為注入式水庫，總供水量為581 萬m3。哇沿水庫的供水量8 911 萬m3，水庫從9月份開始蓄水，起始水位為死水位，對應死庫容為600 萬m3，第二年4月份水庫蓄水量達到最大值2 035 萬m3，5月份開始供水，到8月份回落到死水位，水庫的調(diào)節(jié)能力為1 435 萬m3。

圖6 哇沿水庫水位調(diào)度過程

(3)哇沿水庫壩址斷面來水量、水庫蓄水量和水庫下泄量之間通過多元線性擬合得到水庫調(diào)度函數(shù)為：Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q來水。利用水利信息化技術(shù)、水庫來水量預報技術(shù)、水庫調(diào)度智能決策系統(tǒng)、河道內(nèi)生態(tài)流量監(jiān)測預警系統(tǒng)等制定枯水期(P=75%)水庫調(diào)度設計預案，可為決策者和管理者提供技術(shù)支撐。

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