徐麥菊，劉小飛，馬榮安

(河南省平頂山市昭平臺(tái)水庫(kù)管理局，河南 平頂山 467300)

水庫(kù)庫(kù)容曲線是水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行管理、大壩安全認(rèn)定的重要依據(jù)，也是確定裝機(jī)容量、大壩高度、泄洪設(shè)施運(yùn)行正常、正常蓄水位、防洪限制水位等的重要依據(jù)[1,2]。水位庫(kù)容曲線最初是在水庫(kù)修建前進(jìn)行的庫(kù)區(qū)地形測(cè)量而得到的。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，“3S”技術(shù)的引入，GPS定位與水深測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量方式也被廣泛采用[3-7]，這種方法相對(duì)提高了精度，但也需要較多的資金。現(xiàn)階段許多水庫(kù)都存在庫(kù)區(qū)相關(guān)水文資料不齊全、水庫(kù)庫(kù)容曲線精度不高甚至缺乏的問題，對(duì)水庫(kù)科學(xué)調(diào)度管理、水資源合理利用產(chǎn)生了不利影響。而對(duì)于死水位以下的水位庫(kù)容曲線，即使有現(xiàn)代化技術(shù)也會(huì)給水位庫(kù)容關(guān)系曲線的確定帶來很大的不準(zhǔn)確性，尤其對(duì)于水庫(kù)在非常時(shí)期的應(yīng)急管理帶來了很大的困難，隨著極端干旱事件的頻繁發(fā)生[8]，也給水庫(kù)的應(yīng)急管理提出了更高的要求。本文針對(duì)昭平臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)階段缺乏死水位以下的水位庫(kù)容曲線問題，采用曲線擬合法估算了現(xiàn)階段死水位以下水位庫(kù)容關(guān)系，并針對(duì)枯水年份，調(diào)蓄計(jì)算了不同情境下的庫(kù)容變化情況，提出其應(yīng)急管理措施，為昭平臺(tái)水庫(kù)的管理提供參考。

1 水庫(kù)概況

昭平臺(tái)水庫(kù)大壩壩址位于河南省平頂山市魯山縣城以西12 km，和下游相距51 km的白龜山水庫(kù)形成梯級(jí)水庫(kù)。水庫(kù)控制流域面積1 430 km2，經(jīng)2000年除險(xiǎn)加固后，100年一遇設(shè)計(jì)洪水位177.89 m，相應(yīng)庫(kù)容5.48 億m3，5 000年一遇校核洪水位180.82 m，相應(yīng)庫(kù)容6.80 億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧旅游、發(fā)電及供水等綜合利用的大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)以下有平頂山、漯河、周口等重要城市，焦枝線、石武高鐵、京廣鐵路、107國(guó)道、京深高速公路等交通干線和白龜山水庫(kù)、南水北調(diào)中線總干渠，以及河南省的主要糧棉產(chǎn)區(qū)，地理位置十分重要。

昭平臺(tái)水庫(kù)流域地處南、北氣候過渡帶，屬北暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是河南省主要暴雨中心之一。夏季由于受熱帶暖濕氣團(tuán)內(nèi)移，西部高山屏障影響，極易產(chǎn)生突發(fā)性暴雨洪水。水庫(kù)壩址以上全部為深山區(qū)，支流密集，均源短流急，洪水暴漲暴落，容易造成洪澇災(zāi)害[9]。流域內(nèi)年均降雨量970 mm，年內(nèi)年際分配極不均勻，60%集中在汛期6-8月，經(jīng)常出現(xiàn)“汛期泄洪，汛后無水可蓄”的情況；年際變化中極值比達(dá)5倍，常受旱澇災(zāi)害雙重威脅。2000年以來，2010年出現(xiàn)了建庫(kù)以來的最大洪峰流量1.03 萬m3/s；2012年、2013年、2014年連續(xù)3年枯水，年徑流量均不足多年平均徑流量的30%。2014年為有歷史記錄以來的區(qū)域最大旱情，其入庫(kù)水量?jī)H為7 442 萬m3。極端天氣頻顯，豐枯年份陡變，加劇了旱澇災(zāi)害，更凸現(xiàn)了水庫(kù)調(diào)節(jié)能力低下、抗御自然能力不足的突出問題。因此，如何做好抗旱應(yīng)急管理對(duì)于水庫(kù)管理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 死水位下水位庫(kù)容曲線估算

2.1 兩次測(cè)量的庫(kù)容曲線對(duì)比

1958和1987年分別對(duì)昭平臺(tái)水庫(kù)的水位庫(kù)容進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見圖1和圖2，可見，水庫(kù)運(yùn)行到1987年，淤積量增加，致使庫(kù)容減少，且昭平臺(tái)水庫(kù)兩條庫(kù)容曲線的差值在175.00 m高程之后趨于穩(wěn)定，其最大淤積量3 382 萬m3。經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)內(nèi)死庫(kù)容淤積占總量的61%；防洪限制水位以下淤積量占總量的91%；正常蓄水位169.00 m以下占總量的94%。興利庫(kù)容內(nèi)的淤積量占總量的33%、防洪庫(kù)容內(nèi)占總量的9%，其中共用庫(kù)容內(nèi)的淤積量占總量的3%。

圖1 1958、1987年實(shí)測(cè)庫(kù)容曲線圖

圖2 1958-1987年庫(kù)容差曲線圖

2.2 水位庫(kù)容曲線估算

自1987年第二次庫(kù)容淤積測(cè)量以來，2001年雖進(jìn)行了淤積測(cè)量，但測(cè)量成果未批復(fù)，目前水庫(kù)使用的是1987年庫(kù)容測(cè)量成果。然而，隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的變化，庫(kù)內(nèi)不斷淤積，庫(kù)內(nèi)的庫(kù)容水位曲線也在變化，因此，為了提升實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中的應(yīng)急管理能力，需對(duì)當(dāng)前水位庫(kù)容曲線進(jìn)行估算。本次估算采用曲線擬合，參考預(yù)計(jì)的淤積量，確定水庫(kù)相對(duì)淤積深度與相對(duì)淤積量的關(guān)系，推算現(xiàn)階段下水位-庫(kù)容曲線。根據(jù)昭平臺(tái)水庫(kù)1960年以來的汛期來水量情況估算不同時(shí)期的水庫(kù)死水位以下的淤積量，1988-2001年汛期來水量為48.73 億m3，2002-2014年汛期來水量約為39.21 億m3，估算得到1988-2001年水庫(kù)死水位以下淤積量532.8 萬m3，2002年以后水庫(kù)死水位淤積約為428 萬m3。

水位庫(kù)容曲線擬合關(guān)系表達(dá)為：

Z=aVb+C

(1)

式中：C為水庫(kù)底高程，m；V為水庫(kù)庫(kù)容，m3；Z為水庫(kù)水位，m；a、b為擬合系數(shù)。

兩邊取對(duì)數(shù)得：

ln(Z-C)-lna=blnV

(2)

采用最小二乘法推求得到其中的參數(shù)a和b，其擬合曲線見圖3，可見，1958和1987年擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)過程吻合很好。2014年a和b值分別為4.18和0.43，其水位庫(kù)容曲線見圖4，可見，在同樣水位下，2014年庫(kù)容發(fā)生了相應(yīng)的變化，1987年淤積高程為150.00 m，2014年淤積高程為150.25 m，水位159.60 m以下的庫(kù)容變化情況統(tǒng)計(jì)見表1，可見，1987年測(cè)量結(jié)果中，159.60～159.00 m高程的庫(kù)容約為659 萬m3；159.0～158.7 m和159.0～158.5 m的庫(kù)容分別為277和462 萬m3。2014年擬合結(jié)果中，159.60～159.00 m的庫(kù)容約為530 萬m3；159.0～158.7 m和159.0～158.5 m的庫(kù)容約為240和400 萬m3，也可以發(fā)現(xiàn)，從1987-2014年，在159.0 m死水位以下，水庫(kù)淤積了952 萬m3；159.60 m水位時(shí)，水庫(kù)淤積了1 081 萬m3。隨著時(shí)間推移水庫(kù)淤積增量有所減少，主要與流域內(nèi)大力采取封山育林和退耕還林等水保措施有關(guān)。20世紀(jì)80年代以來魯山縣以淮委水土保持試點(diǎn)縣和二期重點(diǎn)縣工程為起點(diǎn)，強(qiáng)力推進(jìn)水土保持綜合治理工程，陸續(xù)對(duì)昭平臺(tái)水庫(kù)控制流域的清水河、蕩澤河、樓子河、辛莊河、紅雁城溝、茨坡嶺等進(jìn)行了小流域綜合治理，治理水土流失面積約560 km2；經(jīng)過多年的綜合治理，植被覆蓋率達(dá)到78%以上，初步形成了生態(tài)群落，促進(jìn)了生態(tài)平衡。

圖3 ln(Z-C)～lnV曲線[圖中l(wèi)n H=ln(Z-C)]

圖4 1987年實(shí)測(cè)和2014年估算的死水位以下庫(kù)容曲線對(duì)比

表1 1958、1987、2014年特征水位下對(duì)應(yīng)庫(kù)容情況統(tǒng)計(jì)表萬m3

3 應(yīng)急管理措施研究

昭平臺(tái)水庫(kù)主要供水任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2011年開始增加工業(yè)和生活供水，2014年增加了生態(tài)補(bǔ)水供水?，F(xiàn)階段，當(dāng)水位達(dá)到159.6 m時(shí)，停止農(nóng)業(yè)供水；死水位159 m時(shí)，限制工業(yè)用水、保證生活用水；生態(tài)供水為臨時(shí)或應(yīng)急供水，根據(jù)水情和政府要求，適時(shí)供應(yīng)。農(nóng)業(yè)灌溉保證率為75%，統(tǒng)計(jì)多年平均實(shí)際灌溉用水量4 421 萬m3，農(nóng)作物生長(zhǎng)不同階段需水不同，各月灌溉水量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)差異。近5年昭平臺(tái)水庫(kù)工業(yè)及生活年均供水量2 965 萬m3，2013年達(dá)到最大年供水量4 016 萬m3。2014年起昭平臺(tái)水庫(kù)陸續(xù)向白龜山水庫(kù)應(yīng)急調(diào)水或向湛河生態(tài)補(bǔ)水，2014、2016和2017年分別補(bǔ)水6 300、10 733和4 936 萬m3。多年及近5年供水情況統(tǒng)計(jì)見表2。

當(dāng)前昭平臺(tái)水庫(kù)日供水計(jì)劃為9.57 萬m3，實(shí)際日供水量約為8.33 萬m3，其中生活和工業(yè)分別為1.81和6.521 萬m3。根據(jù)昭平臺(tái)水庫(kù)的歷史資料，1973-2014年間從9月到次年5月的平均日蒸發(fā)量約為3.36 萬m3，滲漏量約為4.87 萬m3，日蒸發(fā)滲漏損失為8.23 萬m3。由此，估算得到日消耗量約為16.56 萬m3。2014年為有記錄數(shù)據(jù)以來最枯的一年，年入庫(kù)水量?jī)H7 442 萬m3，且截至2014年9月1日8時(shí)，庫(kù)水位為159.60 m。以2014年最枯年份考慮調(diào)蓄計(jì)算分析，按照當(dāng)前日消耗量和推算得到的庫(kù)容曲線，死水位以上的庫(kù)容，根據(jù)1987年的測(cè)量結(jié)果，僅能供水39 d，即至2014年10月9日；根據(jù)本次推算結(jié)果，僅能供水31 d，即至2014年10月1日。因此，如何做好干旱應(yīng)急對(duì)策是昭平臺(tái)水庫(kù)管理中迫切需要考慮的現(xiàn)實(shí)問題。

表2 昭平臺(tái)水庫(kù)多年及近5年(2012-2017)供水情況統(tǒng)計(jì)表 萬m3

為了提出干旱應(yīng)急對(duì)策，考慮流域內(nèi)持續(xù)干旱、無明顯降雨的極端工況，分別在1987年實(shí)測(cè)庫(kù)容和2014年估算庫(kù)容下考慮現(xiàn)狀供水量和在現(xiàn)狀供水量下停止工業(yè)供水兩種情景進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算。從2014年9月1日8時(shí)，庫(kù)水位為159.60 m時(shí)進(jìn)行起調(diào)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖5，可見，由于庫(kù)水位較低，庫(kù)水位呈直線下降趨勢(shì)。同時(shí)也表明，若保持當(dāng)前供水量，到10月25日庫(kù)水位下降至158.5 m，年底降至156.75 m。若暫停全部工業(yè)用水，到10月18日降至159.0 m，11月底降至158.5 m，年底降至158.08 m。由此可見，昭平臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)容下可用水量較少，保持當(dāng)前供水量，將導(dǎo)致庫(kù)水位顯著下降；而采取暫停工業(yè)供水的方案，可在一定程度上保障居民生活用水，但兩種方案下都會(huì)使庫(kù)水位下降到死水位以下。

圖5 當(dāng)前供水規(guī)模、停用工業(yè)供水下的庫(kù)水位下降曲線

水庫(kù)主壩臺(tái)地段壩腳鋪蓋高程為158.0 m，該高程以上的可用庫(kù)容為1 283 萬m3，如果僅考慮日消耗量，也只可維持到第二年2月初。為此，水庫(kù)管理部門短期內(nèi)應(yīng)盡快調(diào)整供水計(jì)劃，考慮極端情形，兼顧大壩結(jié)構(gòu)安全和居民生活用水保障兩個(gè)方面，按照生活用水優(yōu)先的原則，制定供水計(jì)劃，建議采取如下措施：①當(dāng)前盡可能縮減工業(yè)供水。②當(dāng)庫(kù)水位降至死水位159.0 m時(shí)，若仍無明顯降雨，暫停全部工業(yè)用水，全力保障居民生活用水。③從9月1日起調(diào)計(jì)算到年底前，當(dāng)庫(kù)水位低于159.0 m時(shí)，結(jié)合死水位以下可用庫(kù)容的實(shí)際情況，宜考慮調(diào)水計(jì)劃或者另辟水源。④若在第二年汛期前，流域內(nèi)有明顯降雨，在蓄水得到改觀條件下，可動(dòng)態(tài)調(diào)整供水方案，保證居民生活用水、保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常開展。

4 結(jié) 語

針對(duì)昭平臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)階段缺乏死水位以下的水位庫(kù)容曲線問題，采用曲線擬合法估算了現(xiàn)階段死水位以下水位庫(kù)容關(guān)系，并針對(duì)枯水年份，根據(jù)昭平臺(tái)水庫(kù)實(shí)際供水情況，在枯水年份調(diào)蓄計(jì)算了不同情境下的庫(kù)容變化情況，提出了應(yīng)急管理措施的建議。研究中根據(jù)已有1958、1987年的庫(kù)容測(cè)量曲線以及預(yù)估淤積量情況下，擬合推算得到了昭平臺(tái)水庫(kù)2014年死水位以下庫(kù)容曲線。以枯水年2014年為典型，考慮當(dāng)前水庫(kù)的蒸發(fā)量和滲漏量，初步分析了當(dāng)前狀況下水庫(kù)庫(kù)容、庫(kù)水位的下降過程。分析結(jié)果表明，159.6 m到死水位以及死水位以下的實(shí)際可用庫(kù)容均較小，159.60～159.00 m的庫(kù)容約為530 萬m3；159.00～158.70 m和159.00～158.50 m高程間的庫(kù)容分別約為240和400 萬m3?？紤]中長(zhǎng)期流域內(nèi)持續(xù)干旱、無明顯降雨的極端工況，計(jì)算得到保持當(dāng)前供水量、暫停全部工業(yè)用水下兩種不同方案下的水位下降的速度，分析結(jié)果表明，兩種方案下，至年底，庫(kù)水位都將下降至死水位以下。表明昭平臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)容下可用水量較少。因此，水庫(kù)管理單位應(yīng)根據(jù)短期降雨和來水情況，及時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整供水計(jì)劃?？紤]持續(xù)干旱極端情形，為兼顧大壩結(jié)構(gòu)安全和居民生活用水保障兩個(gè)方面，提出了水庫(kù)應(yīng)急對(duì)策建議，可為昭平臺(tái)水庫(kù)的管理提供參考。