王 宦,韋瑞深,周祖昊,李 淼,嚴(yán)子奇,鄭金麗
(1.萬(wàn)家寨水務(wù)控股集團(tuán)有限公司,山西 太原 030000;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038;3.水利部 發(fā)展研究中心,北京 100038)
2011年,國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室首次提出了旱限水位(流量)的概念。旱限水位即江河湖庫(kù)水位持續(xù)偏低,流量持續(xù)偏小,影響城鄉(xiāng)居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或生態(tài)環(huán)境等用水安全,應(yīng)采取抗旱措施的水位(見(jiàn)國(guó)家防汛抗旱總指揮辦公室頒發(fā)的《旱限水位(流量)的確定辦法》)。2021年,中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提出了江河湖庫(kù)旱限水位的計(jì)算方法,水利部水旱災(zāi)害防御司出臺(tái)了《江河湖庫(kù)水文干旱預(yù)警水位(流量)確定技術(shù)指南(征求意見(jiàn)稿)》,制定了江河湖庫(kù)旱限水位的確定規(guī)則。旱限水位是“四預(yù)”措施在干旱防治方面的體現(xiàn),能夠預(yù)警水庫(kù)干旱期缺水情況的發(fā)生,并且根據(jù)水庫(kù)水位的不同,采取不同的供水措施,提供干旱來(lái)臨時(shí)的預(yù)案措施。
不少學(xué)者圍繞水庫(kù)旱限水位的概念、方法及優(yōu)化等展開(kāi)研究。劉攀等[1]、宋樹(shù)東等[2]論述了水庫(kù)旱限水位分時(shí)段控制的必要性,提出了對(duì)水庫(kù)旱限水位的控制時(shí)段進(jìn)行分期,然后根據(jù)分期進(jìn)行旱限水位的確定。張永永等[3]應(yīng)用改進(jìn)人工魚(yú)群算法優(yōu)化龍羊峽水庫(kù)旱限水位,實(shí)現(xiàn)了年際間缺水均衡。彭少明等[4]建立了多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的旱限水位最優(yōu)控制模型,并制定了相應(yīng)的控制策略。王煜等[5]提出了多年調(diào)節(jié)水庫(kù)旱限水位最優(yōu)控制等關(guān)鍵技術(shù),以提高黃河流域應(yīng)對(duì)干旱情況的水資源調(diào)配能力。張禮兵等[6]針對(duì)大型灌區(qū)骨干水庫(kù)建立優(yōu)化模型,以逐月滑動(dòng)法求得預(yù)警期內(nèi)的梅山水庫(kù)旱限水位。曹潤(rùn)祥等[7-8]根據(jù)水庫(kù)在汛期末存蓄水量的不同,利用水庫(kù)每年在汛期存蓄的水量來(lái)動(dòng)態(tài)控制旱限水位。Chang等[9]根據(jù)歷史水文氣象干旱發(fā)生的頻率,制定了黃河流域水庫(kù)群4種干旱等級(jí)的旱限水位。
當(dāng)前對(duì)梯級(jí)水庫(kù)旱限水量的研究較少,梯級(jí)水庫(kù)抗旱調(diào)度的相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。不少學(xué)者對(duì)水庫(kù)群提出了聚合的概念,將梯級(jí)水庫(kù)聚合成單個(gè)水庫(kù),對(duì)水庫(kù)的調(diào)蓄供水進(jìn)行研究。孫新國(guó)等[10]基于聚合水庫(kù)的思想,將眾多水利工程聚合成一個(gè)水庫(kù),并制定聚合水庫(kù)的蓄放水模擬圖,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得出使用聚合水庫(kù)蓄放水模擬圖模擬洪水過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程更加吻合。彭勇等[11]認(rèn)為聚合水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度圖能夠清晰展示各供水類別的控制線,基于聚合水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度具有更高的可操作性和供水效率性。
本研究在分級(jí)分期旱限水量確定方法的基礎(chǔ)上,對(duì)梯級(jí)水庫(kù)旱限水量的確定方法展開(kāi)研究,提出了梯級(jí)水庫(kù)聚合旱限水量的確定方法;并將此方法應(yīng)用在汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)上,驗(yàn)證了聚合水庫(kù)分級(jí)分期旱限水量計(jì)算方法的可行性、合理性及有效性,為汾河流域旱災(zāi)防御提供技術(shù)支撐。
梯級(jí)水庫(kù)是由多個(gè)串聯(lián)分布在同一河流的水庫(kù)形成的水庫(kù)群。梯級(jí)水庫(kù)的旱限水量計(jì)算需要綜合考慮各個(gè)水庫(kù)的特征庫(kù)容、來(lái)水量及需水量等參數(shù)。
本研究提出對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群采用單個(gè)水庫(kù)參數(shù)累加法,將多個(gè)梯級(jí)水庫(kù)聚合概化成一個(gè)水庫(kù),其具體計(jì)算見(jiàn)式(1)。
式中:VD、VF、VN分別為概化后聚合水庫(kù)的死庫(kù)容、汛限水位與死水位之間的庫(kù)容和興利庫(kù)容;V′D,j為第j個(gè)水庫(kù)死庫(kù)容;為第j個(gè)水庫(kù)汛限水位與死水位之間的庫(kù)容;為第j個(gè)水庫(kù)興利庫(kù)容。
對(duì)梯級(jí)水庫(kù)的來(lái)水做累加計(jì)算,得到聚合水庫(kù)的來(lái)水量,其具體計(jì)算見(jiàn)式(2)。
式中:Wi為聚合水庫(kù)第i個(gè)月的來(lái)水量;Wj,i為第j個(gè)水庫(kù)第i個(gè)月的來(lái)水量。
對(duì)梯級(jí)水庫(kù)的需水量做疊加計(jì)算,得到聚合水庫(kù)的需水量,其具體計(jì)算見(jiàn)式(3)。
式中:Ws、Wg、Wir、We分別為概化后水庫(kù)總的生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)灌溉需水量、生態(tài)需水量;分別為第j個(gè)水庫(kù)的生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)灌溉需水量、生態(tài)需水量。
根據(jù)《江河湖庫(kù)水文干旱預(yù)警水位(流量)確定技術(shù)指南(征求意見(jiàn)稿)》,旱限水量在等級(jí)上劃分為旱警水量和旱保水量,分別對(duì)應(yīng)于一般干旱和特大干旱情況,旱限水量的計(jì)算過(guò)程包括干旱分期、來(lái)水計(jì)算、需水計(jì)算、逆序遞推計(jì)算、合理性分析5個(gè)步驟。
2.2.1 干旱分期
不同時(shí)期各行業(yè)用水過(guò)程有著不同保障目標(biāo)。旱限水量預(yù)警分期需結(jié)合江河湖庫(kù)水文特征、各行業(yè)需水規(guī)律等,建議劃分為汛期、枯水期、農(nóng)業(yè)灌溉期等分期。
2.2.2 來(lái)水計(jì)算
依據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL/T 278—2020),取頻率為75%、95%的來(lái)水過(guò)程,分別對(duì)應(yīng)一般干旱、特大干旱年份情況下的入庫(kù)徑流過(guò)程。
2.2.3 需水計(jì)算
需水量可分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量、生態(tài)用水量。以正常年份分行業(yè)需水量與調(diào)整系數(shù)的乘積作為旱警水量和旱保水量對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)需水量。調(diào)整系數(shù)取值范圍參考《國(guó)家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》(見(jiàn)表1),并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
表1 調(diào)整系數(shù)參考取值范圍
2.2.4 逆序遞推計(jì)算
水庫(kù)旱限水量采用逆序遞推的方法計(jì)算。參考水庫(kù)興利庫(kù)容的計(jì)算方法,以一個(gè)水文年為調(diào)度期,假定調(diào)度期末達(dá)到水庫(kù)死庫(kù)容,依據(jù)水庫(kù)興利調(diào)節(jié)原理,逆序遞推得到各月初蓄水量,且滿足取水口高程、死水位、正常蓄水位與汛限水位等約束條件。求得水庫(kù)逐月旱限水量后,可根據(jù)干旱分期,對(duì)各分期內(nèi)逐月旱限水量取外包線,便得到分期旱限水量。
2.2.5 合理性分析
將求得的分期旱限水量實(shí)際運(yùn)用于水庫(kù)供水調(diào)度,從長(zhǎng)系列來(lái)水年份中選取來(lái)水頻率大于75%的水文年作為典型干旱年,分析設(shè)置旱限水量后年內(nèi)各時(shí)段缺水情況的變化。若設(shè)置旱限水量后,典型干旱年的總?cè)彼坑休^大幅度的下降、缺水較多的時(shí)段明顯減少,則可認(rèn)為旱限水量的設(shè)定合理。
聚合水庫(kù)的旱限水量可分解至單個(gè)水庫(kù),梯級(jí)水庫(kù)群中上游水庫(kù)調(diào)節(jié)性能好,盡量將水量存放在上游水庫(kù)。梯級(jí)水庫(kù)的水量組合具有多種情況,因此梯級(jí)水庫(kù)群進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度時(shí)仍建議采用聚合水庫(kù)的旱限水量作為依據(jù),當(dāng)梯級(jí)水庫(kù)群的可用總水量低于聚合水庫(kù)的旱限水量時(shí),啟動(dòng)抗旱調(diào)度。
汾河水庫(kù)位于汾河干流上游,壩址在太原市婁煩縣下石家莊,是山西省的第一座大型水庫(kù),是以防洪、供水、灌溉為主,兼顧生態(tài)修復(fù)、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游的大(Ⅱ)型綜合利用水利樞紐工程。其總庫(kù)容為7.33億m3,死庫(kù)容為7000萬(wàn)m3,興利庫(kù)容為22600萬(wàn)m3。
汾河二庫(kù)位于太原市西北30 km的汾河干流上,其上游約80 km處是汾河水庫(kù),汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用將提高太原市城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn),并增加供水量。汾河二庫(kù)控制兩庫(kù)區(qū)間流域面積2348 km2,總庫(kù)容1.33億m3,死庫(kù)容為3500萬(wàn)m3,興利庫(kù)容為4750萬(wàn)m3。
汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)在實(shí)際調(diào)度過(guò)程中聯(lián)合調(diào)度,汾河二庫(kù)供水水源來(lái)自于汾河水庫(kù),因此將汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)概化成聚合水庫(kù),運(yùn)用逆序遞推法求得聚合水庫(kù)的旱限水量。
聚合水庫(kù)的死庫(kù)容、興利庫(kù)容等于兩個(gè)子水庫(kù)的特征庫(kù)容之和。聚合水庫(kù)的死庫(kù)容為10500萬(wàn)m3,興利庫(kù)容為27350萬(wàn)m3。聚合水庫(kù)的特征庫(kù)容見(jiàn)表2。
表2 聚合水庫(kù)的特征庫(kù)容 萬(wàn)m3
綜合考慮水庫(kù)多年平均月入庫(kù)流量和月需水量進(jìn)行水庫(kù)干旱預(yù)警分期,根據(jù)調(diào)度規(guī)則,6—9月為汛期、10月—次年2月為枯水期、3—5月為農(nóng)業(yè)灌溉期??紤]到汛期來(lái)水量大,結(jié)合山西省抗旱調(diào)度管理需求,采用當(dāng)年10月—次年5月為水庫(kù)調(diào)度期,汛期不設(shè)置旱限水量。
3.4.1 來(lái)水計(jì)算
本文采用汾河水庫(kù)1961—2020年共60 a逐日入庫(kù)水量數(shù)據(jù)進(jìn)行來(lái)水計(jì)算。依據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL/T 278—2020),對(duì)水文年入庫(kù)徑流量排頻,篩選出汾河水庫(kù)實(shí)測(cè)資料中的一般干旱年份(P=75%)和特大干旱年份(P=95%)的逐月入庫(kù)水量。聚合水庫(kù)的來(lái)水聚合方式見(jiàn)圖1。
圖1 汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)聚合示意
根據(jù)山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司編制的《充分利用黃河水管理調(diào)度方案》,汾河水庫(kù)至汾河二庫(kù)多年平均來(lái)水量為6611萬(wàn)m3,是汾河水庫(kù)多年平均入庫(kù)水量的0.25倍,參考汾河水庫(kù)75%和95%排頻結(jié)果,結(jié)合年內(nèi)汾河水庫(kù)月徑流分配過(guò)程確定區(qū)間逐月入庫(kù)流量,見(jiàn)表3。將汾河水庫(kù)入庫(kù)流量與區(qū)間 徑流量疊加得到聚合水庫(kù)的入庫(kù)流量。
表3 聚合水庫(kù)逐月入庫(kù)水量
3.4.2 需水計(jì)算
根據(jù)汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)調(diào)度規(guī)程,汾河水庫(kù)首先保證生活用水,其次保證工業(yè)供水。汾河二庫(kù)供水對(duì)象為太原市工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水及下游生態(tài)用水,且與汾河水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度供水。因此,聚合水庫(kù)的各行業(yè)供水依次為生活、生態(tài)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)。汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的來(lái)水與供水疊加方式見(jiàn)圖1。
根據(jù)汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的2011—2020年實(shí)際逐月各行業(yè)供水資料,取平均值得到汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的實(shí)際各行業(yè)需水量(見(jiàn)表4)。汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)構(gòu)成梯級(jí)水庫(kù),生態(tài)水量依靠汾河二庫(kù)供給。依據(jù)汾河二庫(kù)調(diào)度規(guī)程,汾河二庫(kù)的生態(tài)基流汛期為2.0 m3/s、非汛期為1.0 m3/s。聚合水庫(kù)的需水量等于汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的需水量之和。
表4 各行業(yè)逐月需水量 萬(wàn)m3
根據(jù)汾河水庫(kù)調(diào)度規(guī)程得到汾河水庫(kù)75%來(lái)水頻率年份與95%來(lái)水頻率年份的蒸發(fā)滲漏量;依據(jù)《充分利用黃河水管理調(diào)度方案》得到汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)區(qū)間75%來(lái)水頻率年份與95%來(lái)水頻率年份的蒸發(fā)滲漏量;根據(jù)汾河二庫(kù)2015—2020年的逐月蒸發(fā)滲漏量與蓄水量得到汾河二庫(kù)的蒸發(fā)滲漏量所占蓄水量比例,以此來(lái)確定汾河二庫(kù)75%來(lái)水頻率年份與95%來(lái)水頻率年份逐月蒸發(fā)滲漏量(見(jiàn)表5)。
表5 蒸發(fā)滲漏量
根據(jù)汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)調(diào)度規(guī)程,參考《國(guó)家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》,在一般干旱情況下,只給重要農(nóng)作物進(jìn)行灌溉,農(nóng)業(yè)灌溉水量為正常需水量的75%;特大干旱情況下,不考慮農(nóng)業(yè)灌溉,其調(diào)整系數(shù)為0。各行業(yè)需水調(diào)整系數(shù)見(jiàn)表6。
表6 各行業(yè)需水調(diào)整系數(shù)
根據(jù)汾河水庫(kù)調(diào)度規(guī)程,當(dāng)汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的可用水量之和小于5600萬(wàn)m3時(shí),不再進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,將調(diào)度期末的水庫(kù)蓄水量設(shè)為5600萬(wàn)m3。旱警水量計(jì)算見(jiàn)表7,逐月月末蓄水量疊加當(dāng)月各行業(yè)需水量與蒸發(fā)滲漏量并減去當(dāng)月來(lái)水量即可得到月初蓄水量,逆序遞推即可得到逐月月初蓄水量,各分期內(nèi)取月初蓄水量最大值作為分期旱限水量(無(wú)死庫(kù)容)。
表7 聚合水庫(kù)旱警水量計(jì)算 萬(wàn)m3
聚合水庫(kù)旱保水量計(jì)算見(jiàn)表8。
表8 聚合水庫(kù)旱保水量計(jì)算 萬(wàn)m3
求得聚合水庫(kù)的逐月月初蓄水量后,在各分期內(nèi)取外包線,疊加聚合水庫(kù)的死庫(kù)容10500萬(wàn)m3,得到分期旱限水量(見(jiàn)表9)。
表9 聚合水庫(kù)分期旱限水量 萬(wàn)m3
聚合水庫(kù)的入庫(kù)水量、特征庫(kù)容及旱限水量見(jiàn)圖2。
圖2 聚合水庫(kù)的入庫(kù)水量、特征庫(kù)容及旱限水量
選取1965—1966水文年(1965年6月—1966年5月)作為典型干旱年,對(duì)應(yīng)來(lái)水頻率為86%,分析設(shè)置旱限水量對(duì)水庫(kù)調(diào)度的效果。
分別進(jìn)行有無(wú)旱限水量情況下的長(zhǎng)系列供水模擬,得到典型干旱年內(nèi)的缺水量,汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,以汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)的可用水量之和是否低于聚合水庫(kù)的旱限水量作為旱限水量的啟動(dòng)依據(jù)。設(shè)置旱限水量前后,典型干旱年內(nèi)各行業(yè)缺水量及其變化見(jiàn)表10。
表10 設(shè)置旱限水量前后典型干旱年各行業(yè)逐月缺水量萬(wàn)m3
在設(shè)置旱限水量前,該水文年內(nèi)有3個(gè)月發(fā)生生活缺水現(xiàn)象,最大缺水量為388萬(wàn)m3;設(shè)置旱限水量后,各月生活均不發(fā)生缺水現(xiàn)象,生活供水情況得到極大改善。在設(shè)置旱限水量前,生態(tài)和工業(yè)均有5個(gè)月發(fā)生了缺水情況,農(nóng)業(yè)灌溉有6個(gè)月發(fā)生缺水;設(shè)置旱限水量后,全水文年內(nèi),工業(yè)缺水和生態(tài)缺水均減少為1個(gè)月。啟動(dòng)旱限水量后,由于對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉需水進(jìn)行限制,農(nóng)業(yè)灌溉缺水情況有所加重。水文年內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉缺水量增加641萬(wàn)m3,而生活、工業(yè)、生態(tài)缺水量減少2717萬(wàn)m3,原因?yàn)樯弦粋€(gè)水文年通過(guò)限制農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)留水量,水庫(kù)發(fā)揮調(diào)蓄作用,將上一個(gè)水文年存蓄下來(lái)的水量留給當(dāng)前水文年使用,旱限水量對(duì)跨年干旱起到了調(diào)節(jié)作用。從各行業(yè)整體供水利益角度考慮,農(nóng)業(yè)遭受的損失仍在可接受范圍內(nèi)。典型干旱年設(shè)置旱限水量后各行業(yè)缺水量變化情況見(jiàn)圖3。
圖3 典型干旱年設(shè)置旱限水量后各行業(yè)缺水量變化情況
求得聚合水庫(kù)的旱限水量后,將聚合水庫(kù)的旱限水量分解至汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)。根據(jù)梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度規(guī)則,上游水庫(kù)庫(kù)容大,調(diào)節(jié)能力強(qiáng),將旱限水量盡可能地儲(chǔ)存在上游水庫(kù)。汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)的旱限水量與旱限水位見(jiàn)表11、表12。上下游水庫(kù)的水量組合有多種情況,建議以兩個(gè)水庫(kù)的可用水量之和小于聚合水庫(kù)的旱限水量作為啟動(dòng)條件。
表11 汾河水庫(kù)的旱限水量與旱限水位
表12 汾河二庫(kù)的旱限水量與旱限水位
本文采用分級(jí)分期旱限水量確定方法,結(jié)合水庫(kù)設(shè)計(jì)供水、來(lái)水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)等用水特征,提出了梯級(jí)水庫(kù)聚合概化的方法,確定聚合水庫(kù)的旱限水量,將求得的旱限水量應(yīng)用于水庫(kù)供水模擬。在長(zhǎng)系列來(lái)水年份中選取典型干旱年,分析典型干旱年在設(shè)置旱限水量后的供水變化情況,主要結(jié)論如下:
(1)通過(guò)將多個(gè)梯級(jí)水庫(kù)的特征庫(kù)容與來(lái)水疊加,從而將梯級(jí)水庫(kù)概化成聚合水庫(kù),基于聚合水庫(kù)的理念提出了梯級(jí)水庫(kù)分級(jí)分期旱限水量的計(jì)算方法。
(2)以汾河水庫(kù)和汾河二庫(kù)作為研究對(duì)象,將汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)概化成聚合水庫(kù),對(duì)聚合水庫(kù)進(jìn)行旱限水量的計(jì)算,得到聚合水庫(kù)的旱限水量??菟?、農(nóng)業(yè)灌溉期的旱警水量在分別為29937萬(wàn)、23945萬(wàn)m3,旱保水量分別為18982萬(wàn)、13501萬(wàn)m3。將旱限水量分配至汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù),汾河水庫(kù)枯水期、農(nóng)業(yè)灌溉期的旱警水位分別為1125.5、1122.2 m,旱保水位分別為1124.5、1119.3 m;汾河二庫(kù)在枯水期、農(nóng)業(yè)灌溉期的旱警水位分別為897.6、885.0 m,旱保水位均為885.0 m。
(3)將汾河水庫(kù)和汾河二庫(kù)的旱限水量及抗旱調(diào)度規(guī)則應(yīng)用于水庫(kù)長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算,選取1965—1966水文年(1965年6月—1966年5月)作為典型干旱年,分析設(shè)置旱限水量后各行業(yè)缺水量的變化。設(shè)置旱限水量后,典型干旱年內(nèi)生活缺水月數(shù)從3個(gè)月降低至0,生態(tài)及工業(yè)缺水月數(shù)均從5個(gè)月降低至1個(gè)月,生活、生態(tài)和工業(yè)缺水量降低了2717萬(wàn)m3,而農(nóng)業(yè)缺水量?jī)H增加641萬(wàn)m3,說(shuō)明旱限水量的制定對(duì)跨年干旱起到了調(diào)節(jié)作用,更好地發(fā)揮了水庫(kù)的抗旱調(diào)度作用。