王 霞，鄭雄偉，張曉文

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

水資源是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源和戰(zhàn)略資源。由于我國水資源時(shí)空分布不均，水資源多少問題已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的因素之一[1]。水多則洪澇災(zāi)害頻繁；水少則干旱缺水、環(huán)境惡化。尤其是許多濱海城市，獨(dú)流入海的流域洪水暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高，水資源供需不平衡嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

洪水具有水害和水利雙重特性，洪水是災(zāi)害的根源，又是水資源的重要組成部分[2]。科學(xué)合理利用和調(diào)度流域水利工程，有效利用洪水，解決水資源短缺危機(jī)和防洪減災(zāi)，提高洪水資源化利用程度是十分必要的[3- 4]。

隨著治水思路的不斷拓展，水資源“空間均衡、系統(tǒng)治理”的理念進(jìn)一步深化，治水戰(zhàn)略從以往“入海為安”正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖o洪水出路，讓洪水為我所用”的洪水資源化治水戰(zhàn)略[5]。洪水資源安全利用是緩解水資源短缺和防洪減災(zāi)的有效措施和方法。洪水資源化的內(nèi)涵是通過工程措施和非工程措施調(diào)蓄洪水，實(shí)現(xiàn)洪水由水害向水利的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)防洪和興利的統(tǒng)一。即在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下，利用工程和非工程措施化害為利，用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水和生態(tài)環(huán)境等需水，最大限度地發(fā)揮洪水的資源效益[6]。

合理利用流域水庫的水文特性和水庫特性并進(jìn)行補(bǔ)償，通過科學(xué)調(diào)度，可以提高洪水資源化利用程度，將防洪減災(zāi)與興利抗旱有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水資源時(shí)空均衡。

2 實(shí)例

本文以并聯(lián)的東屏水庫和長林水庫為例，充分利用東屏水庫庫容大、調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的優(yōu)勢補(bǔ)償長林水庫；補(bǔ)償?shù)姆绞绞且暂斔矶催B通兩座水庫，將長林溪的洪水徑流引至東屏水庫，提高洪水資源化利用程度，為當(dāng)?shù)仫嬘盟踩峁┍Ｕ希瑫r(shí)提高水庫下游防洪保護(hù)對象的防洪能力。

2.1 三門縣水資源概況

三門縣位于浙江沿海中部，東瀕東海，南接臨海市，北臨寧海縣，西接天臺山，東北界象山縣。全縣陸地總面積約1000km2，多年平均降水量1630mm，多年平均水資源總量10.16億m3，人均2404m3，域內(nèi)多為山溪性河流，源短流急，暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高。三門縣處在溫臺沿海產(chǎn)業(yè)帶上，為浙江東南沿海的新興城市。三門縣內(nèi)目前缺乏調(diào)節(jié)能力較大的蓄水工程，現(xiàn)狀供水能力和保證率不足。

2.2 水源工程方案

2.2.1方案一：分別興建東屏、長林水庫

因東屏溪和長林溪集雨面積均不大，分別在兩溪上建設(shè)東屏水庫和長林水庫。其中白溪支流東屏溪上東屏水庫集水面積18.7km2，白溪支流長林溪上長林水庫集水面積11.9km2。

2.2.2方案二：興建東屏水庫和長林水庫并連通

東屏溪較長林溪地形地質(zhì)條件和成庫條件好，政策處理量少，因此擬擴(kuò)大東屏水庫規(guī)模，減少成庫條件較差的長林水庫規(guī)模，通過輸水隧洞將長林溪的洪水和徑流引至東屏水庫，以發(fā)揮東屏水庫容積大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，提高工程的供水效益，達(dá)到與方案一同樣的效果[7]，見表1。

從表1中可知，若2個(gè)方案達(dá)到基本一致的供水能力，方案一的長林水庫正常蓄水位需抬高至150m，較方案二高42m，且長林溪的地質(zhì)條件相對較差，并不適合建高壩；方案二東屏水庫適當(dāng)加高壩高，即可達(dá)到與方案一同樣的供水能力；方案一的單方供水投資達(dá)到41.4元/m3，高于方案二33.5元/m3。因此推薦建設(shè)東屏水庫和長林水庫，并通過輸水隧洞連通。

3 庫容補(bǔ)償措施及效果分析

3.1 兩庫庫容特性對比

比較東屏水庫和長林水庫的特性，東屏水庫集水面積是長林水庫的1.57倍，但興利庫容是長林水庫的19倍；從調(diào)節(jié)性能看，東屏水庫是多年調(diào)節(jié)水庫，而長林水庫是不完全年調(diào)節(jié)水庫。兩者對比見表2。從兩庫的庫容特性差異來看，東屏水庫可對長林水庫進(jìn)行庫容補(bǔ)償。

3.2 兩庫引水供水聯(lián)合調(diào)度模型

兩庫以輸水隧洞連通，引長林水庫的徑流和部分汛期洪水入東屏水庫充分利用的方式進(jìn)行庫容補(bǔ)償，其目的是合理利用東屏水庫庫容大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的特性，提高長林水庫的洪水資源化利用程度。

兩庫連通輸水隧洞規(guī)模大小決定了洪水資源化程度利用程度的高低，但輸水隧洞規(guī)模大小同時(shí)受到供水投資等因素制約。為合理確定兩庫補(bǔ)償方式，建立兩庫聯(lián)合引水供水調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。模型的目標(biāo)函數(shù)如下。

3.2.195%保證率下兩水庫供水能力最大

(1)

式中，W95%max—95%保證率下東屏水庫和長林水庫年最大供水量，m3；Wi.D95%—95%保證率下第i月東屏水庫供水量，m3；Wi.C95%—95%保證率下第i月長林水庫供水量，m3。

表1 三門縣中部和東南部地區(qū)水源工程方案比選論證表

表2 東屏水庫和長林水庫特性對比表

注：長林水庫可自流分洪引水至東屏水庫。

3.2.2年均棄水量最小

(2)

式中，Wqmin—東屏水庫和長林水庫年均最小棄水量，m3；Wq.i.D—東屏水庫第i月最小棄水量，m3；Wq.i.C—長林水庫第i月最小棄水量，m3；n—統(tǒng)計(jì)序列年系列長度。

3.2.3單方供水投資最小

(3)

以95%保證率下兩庫供水能力最大，兩庫年均棄水量最小，單方供水投資盡量小為模型的目標(biāo)函數(shù)。

模型的約束條件包含：東屏水庫自身有棄水時(shí)不從長林水庫引水；東屏水庫和長林水庫下游的灌溉供水和生態(tài)環(huán)境用水大于等于其基本需求；東屏水庫對長林水庫下游的南林村和坎下金村防洪減災(zāi)效益盡量大；庫容限制約束；水量平衡約束[8]、滿足各供水對象用水保證率和不超過其允許破壞深度等。

模型的計(jì)算精度為1952—2015年共計(jì)64年長系列逐日徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，以目標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)方法求解模型。

3.3 輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量的確定

論證輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量時(shí)，在建立兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型分析基礎(chǔ)上，充分考慮小流域洪水源短流急的特點(diǎn)，同時(shí)對2年一遇、3年一遇、5年一遇等頻率的洪水進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型的計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核修正。

以10、20、30m3/s的輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量模擬兩庫聯(lián)合調(diào)度，通過方案比選后推薦了綜合效益佳、操作性強(qiáng)的方案，方案比選成果見表3。

從表3中可以看出，隨著引水規(guī)模的加大，東屏水庫多年平均增加引水量、輸水隧洞可比投資都逐漸增加；但方案二比方案一的差額引洪水量單方投資為17.1元/m3，而方案三比方案二的差額引洪水量單方投資為44.8元/m3，因此以設(shè)計(jì)引水流量20m3/s的輸水隧洞從長林水庫引洪至東屏水庫，用東屏水庫的庫容補(bǔ)償長林水庫來提高洪水資源化利用程度是合適的，相對該地區(qū)洪水資源化利用而言是經(jīng)濟(jì)合理的。

3.4 庫容補(bǔ)償?shù)挠行苑治?/h3>

(1)從東屏水庫與長林水庫入庫徑流豐枯遭遇對比分析，因兩庫所在流域同屬白溪流域，水文條件相似，入庫徑流豐枯幾乎同步。因此，主要考慮利用兩庫的不同庫容特性進(jìn)行補(bǔ)償。分別分析兩庫豐豐、平平、枯枯遭遇時(shí)庫容補(bǔ)償?shù)挠行?。汛期兩庫同豐，即同時(shí)發(fā)生大洪水(5年一遇以上)時(shí)，兩庫同時(shí)棄水，兩庫同時(shí)發(fā)生低頻率洪水時(shí)，東屏水庫可將長林水庫可能發(fā)生的棄水引入加以利用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對于集水面積為11.9km2，多年平均流量0.39m3/s的長林溪小流域，推薦采用20m3/s的設(shè)計(jì)引水流量，為引長林溪的中小洪水入東屏水庫創(chuàng)造了條件，引水模數(shù)為1.68m3/(s/km2)。

模擬兩庫64年長系列徑流引水供水聯(lián)合調(diào)度過程中，長林水庫年均引入東屏水庫約680萬m3。

(2)若兩庫不做庫容補(bǔ)償，要達(dá)到相同的水資源利用率，長林水庫需將規(guī)模從131萬m3擴(kuò)大至1444萬m3，增加工程投資1.62億元。

4 結(jié)論和建議

近年來，我國利用單個(gè)水庫、蓄滯洪區(qū)等實(shí)現(xiàn)洪水資源化利用已有較多實(shí)踐，單個(gè)水利工程的洪水資源化能力是有限的，從流域整體水資源綜合利用出發(fā)，利用水庫的水文特性和庫容特性補(bǔ)償，可以在提高洪水資源化利用程度和流域防洪減災(zāi)等方面發(fā)揮重要作用，是實(shí)現(xiàn)洪水資源安全利用及水資源可持續(xù)利用的重要舉措[5]。

表3 兩庫并聯(lián)輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量比較表

本文研究并聯(lián)供水水庫的水文補(bǔ)償和庫容補(bǔ)償特性，由于東屏水庫和長林水庫水文特性相似，豐枯幾乎同步，因此選擇通過庫容補(bǔ)償提供洪水資源化利用程度，通過兩座水庫連通輸水隧洞的規(guī)模合理選擇和科學(xué)安全調(diào)度，盡量引長林溪洪水入東屏水庫資源化利用，提高東屏水庫的供水能力；同時(shí)也減輕長林溪下游的防洪壓力。將防洪減災(zāi)與抗旱興利有機(jī)結(jié)合，使水資源綜合效益最大。

本文建立兩庫長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型論證輸水隧洞引水流量，同時(shí)充分考慮小流域洪水源短流急的特點(diǎn)，逐時(shí)計(jì)算2年一遇、3年一遇、5年一遇等低頻率洪水，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對長系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型的計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核修正。研究表明，通過設(shè)計(jì)引水流量20m3/s的引輸水隧洞并聯(lián)兩座水庫，可充分利用東屏水庫庫容大，調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的優(yōu)勢，補(bǔ)償長林水庫。模擬兩庫引水供水聯(lián)合調(diào)度的徑流調(diào)節(jié)過程可知，兩庫庫容補(bǔ)償提高洪水資源化利用程度過程中，對中小洪水的利用程度較高。在實(shí)際的引洪入庫資源化調(diào)度過程中，需結(jié)合洪水預(yù)報(bào)、確定每場洪水合適的引水時(shí)機(jī)和引水規(guī)模，同時(shí)也可輔以兩水庫攔蓄洪尾、東屏水庫汛限動(dòng)態(tài)水位等措施提高洪水資源化利用程度[9]。

通過水庫補(bǔ)償特性分析，可以論證補(bǔ)調(diào)水工程的可行性及規(guī)模，更好地進(jìn)行流域水庫聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮水庫間的補(bǔ)償作用，優(yōu)化水資源配置，保障供用水安全[10]。