李海軍
(遼寧西北供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110003)
近年來我國(guó)旱災(zāi)頻發(fā),范圍擴(kuò)大,損失增加。干旱限制水位是確定江河、湖泊、水庫(kù)干旱預(yù)警等級(jí)的關(guān)鍵指標(biāo),是抗旱應(yīng)急響應(yīng)的依據(jù)[1]。為開展江河、湖泊、水庫(kù)的干旱預(yù)警工作,2011年12月6日水利部下發(fā)了《關(guān)于確定干旱極限水位(流量)的通知》,全國(guó)正式著手開始干旱極限水位(流量)確定工作,許多專家及學(xué)者對(duì)旱限水位開展大量實(shí)踐研究[2- 9]。遼寧省作為全國(guó)3大試點(diǎn)省之一,開展了河流、水庫(kù)旱限水位確定研究工作,并取得了顯著的試點(diǎn)效果。遼寧省是一個(gè)經(jīng)濟(jì)大省,工農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá),同時(shí)也是一個(gè)水旱頻繁的省份。歷史上水旱災(zāi)害對(duì)全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成的損失非常嚴(yán)重,加快防災(zāi)減災(zāi),提高防汛抗旱能力,是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。在防洪決策中,河流具有警戒水位和保證水位,水庫(kù)具有汛限水位、正常高水位和校核水位。在抗旱方面,沒有河流、湖泊和水庫(kù)的干旱預(yù)警指標(biāo),嚴(yán)重影響了抗旱工作。目前,迫切需要一個(gè)表征干旱情況的指標(biāo),因此開展旱限水位確定研究非常必要。
結(jié)合各用水領(lǐng)域的重要程度,給出供水的優(yōu)先順序,在不同干旱程度下,針對(duì)不同用水戶制定相應(yīng)的供水限制計(jì)劃。因此,河流、湖泊和水庫(kù)的干旱限制水位也應(yīng)按等級(jí)確定,當(dāng)位于不同的水位時(shí),應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的供水限制,以確保滿足重要用水戶的用水要求。給出分級(jí)干旱限制水位對(duì)實(shí)際應(yīng)用有很大的作用。各用水戶供水先后次序是:首先,居民生活供水保證率為97%;其次,工業(yè)供水保證率為95%;第三,農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率為75%;最后,生態(tài)供水保證率為50%。根據(jù)各用水戶供水先后次序,當(dāng)發(fā)生干旱時(shí),供水限制順序?yàn)樯鷳B(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)級(jí)居民生活。
水庫(kù)的來水及供水受季節(jié)差異的影響,根據(jù)調(diào)查全省在生活、工業(yè)、生態(tài)等方面的用水變化較小,農(nóng)業(yè)用水較大,集中在5—6月份。干旱年份時(shí),7月份也有一定的補(bǔ)水,但是水量較少,水庫(kù)來水量集中在7—8月份,另外就是開春的4月份。一般情況下,水庫(kù)供水量最大集中在5—6月份,7—8月份是水庫(kù)蓄水階段,水庫(kù)的來水能夠滿足各用水戶的用水量要求。汛期過后,水庫(kù)的蓄水應(yīng)該能夠滿足秋季到第二年春季各用水戶的用水需求。因此,水庫(kù)的旱限水位在不同月份實(shí)際上是動(dòng)態(tài)變化的,由于7—8月份水量較大,能夠滿足用水戶用水要求,水庫(kù)的旱限水位最低;汛期結(jié)束后,水庫(kù)蓄水量需滿足秋季至第二年春季需水量,此時(shí)旱限水位最高,隨著汛期的到來,水庫(kù)旱限水位逐漸降低。為此,水庫(kù)的分期階段旱限水位應(yīng)根據(jù)水庫(kù)的來水、用水變化來確定。
水庫(kù)旱限水位采用逆序遞推的方法計(jì)算[10]。假定調(diào)度期末水位恰好達(dá)到水庫(kù)死水位,依據(jù)水庫(kù)興利調(diào)節(jié)原理,逆序遞推得到各月初水位。各月初水位即為月旱限水位,如下式所示:
Qhx,i=Ws,i+We,i+Wloss,i-Wp,i+Qhx,i(1≤i≤T)
(1)
Zh,i=f(Qhx,i)
(2)
ZT+1=Zdead
(3)
式中,T—水庫(kù)計(jì)算月時(shí)段數(shù);Qhx,i—水庫(kù)i月的旱限水量,m3;Zhx,i—水庫(kù)i月的旱限水位,m;f(Qhx,i)—水庫(kù)庫(kù)容-水位曲線;Ws,i—旱限水位對(duì)應(yīng)的月社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量,m3;We,i—旱限水位對(duì)應(yīng)的月下泄生態(tài)流量,m3/s;Wp,i—旱限水位對(duì)應(yīng)的月的水庫(kù)設(shè)計(jì)來水量,m3;Wloss,i—水庫(kù)月蒸發(fā)、滲漏損失水量,m3;ZT+1—調(diào)度期末水位,m;Zdead—水庫(kù)死水位,m;Zlimit—水庫(kù)汛限水位,m;Znormal—水庫(kù)正常蓄水位,m。
基于上文對(duì)于分期、分級(jí)旱限水位的分析,本次以大伙房水庫(kù)為例,首先以用水總量為考慮對(duì)象,根據(jù)用水、來水變化,確定年內(nèi)各月的旱限水位;其次,按照不同用水部門的優(yōu)先順序,根據(jù)用水、來水的年內(nèi)變化,確定分期、分級(jí)旱限水位。
大伙房水庫(kù)各月用水、來水、應(yīng)供水量見表1。由于農(nóng)業(yè)灌溉,5、6月份用水總量最大,其余各月較小,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。對(duì)于水庫(kù)來水,4月份由于桃花水,來水有所增加,5月份又降低,6月份又開始增加,在7、8月份達(dá)到最大,9月份大幅回落。
根據(jù)上述用水總量、來水量過程,由水量平衡方程計(jì)算得到各月應(yīng)供水量,見表1。7、8月份有大量的富余來水,9月份有少量富余,4月份也有很少的富余,即可以認(rèn)為7、8、9月份來水滿足用水,不需水庫(kù)放水,為水庫(kù)蓄水期,汛后的10月—次年6月來水小于用水,需要水庫(kù)放水,為水庫(kù)供水期。
表1 大伙房水庫(kù)各月用水、來水、應(yīng)供水量 單位:106m3
在每年的10月份,水庫(kù)蓄水量應(yīng)能夠滿足10月—次年6月的用水量,在這期間,隨著水庫(kù)放水,庫(kù)水位逐漸降低,因此,每個(gè)月都有一個(gè)蓄水量,對(duì)應(yīng)一個(gè)庫(kù)水位,這個(gè)水位就是每個(gè)月的旱限水位。根據(jù)上述論述,10月—次年6月期間,每個(gè)月的水庫(kù)蓄水量應(yīng)為當(dāng)月至次年6月各月應(yīng)供水量的總和,對(duì)應(yīng)的水位為各月的旱限水位,據(jù)此原理的計(jì)算結(jié)果見表2,按照大伙房水庫(kù)調(diào)度圖,采用水文年,即4月—次年3月,繪制表2中旱限水位過程線,如圖1所示??梢?,在4、5月份,旱限水位約119m,7、8月份達(dá)到最低,10月份最大,達(dá)到122m此后逐漸降低,整個(gè)變化過程與大伙房水庫(kù)調(diào)度下限較為相似。
表2 大伙房水庫(kù)各月旱限水位計(jì)算表 單位:106m3
圖1 根據(jù)大伙房水庫(kù)總用水量計(jì)算的旱限水位
計(jì)算(生活+工業(yè)+農(nóng)業(yè)+環(huán)境)的各月用水量,并結(jié)合各月水庫(kù)來水,計(jì)算應(yīng)供水量,分析蓄水期和供水期,在此基礎(chǔ)上計(jì)算供水期各月應(yīng)供水量及其庫(kù)水位,為旱限水位Ⅰ。
計(jì)算(生活+工業(yè)+農(nóng)業(yè))的各月用水量,并結(jié)合各月水庫(kù)來水,計(jì)算應(yīng)供水量,分析蓄水期和供水期,在此基礎(chǔ)上計(jì)算供水期各月應(yīng)供水量及其庫(kù)水位,為旱限水位Ⅱ。
計(jì)算(生活+工業(yè))的各月用水量,并結(jié)合各月水庫(kù)來水,計(jì)算應(yīng)供水量,分析蓄水期和供水期,在此基礎(chǔ)上計(jì)算供水期各月應(yīng)供水量及其庫(kù)水位,為旱限水位Ⅲ。
計(jì)算(生活)的各月用水量,并結(jié)合各月水庫(kù)來水,計(jì)算應(yīng)供水量,分析蓄水期和供水期,在此基礎(chǔ)上計(jì)算供水期各月應(yīng)供水量及其庫(kù)水位,為旱限水位Ⅳ。
大伙房水庫(kù)分級(jí)、分期旱限水位計(jì)算表見表3,按照水文年的不同級(jí)別旱限水位月變化過程如圖2所示。
表3 大伙房水庫(kù)分級(jí)、分期旱限水位計(jì)算表 單位:106m3
圖2 大伙房水庫(kù)不同級(jí)別旱限水位月變化過程
(1)計(jì)算結(jié)果合理性
根據(jù)大伙房水庫(kù)歷年資料統(tǒng)計(jì),1月份最低水位已連續(xù)11年低于121m,其中1989年1月28日至31日水位低于121m,其余年份各月水位低于121m。根據(jù)大伙房水庫(kù)調(diào)度情況,4月上旬至5月中旬、9月上旬至次年3月水庫(kù)運(yùn)行下限為121m,基本符合水庫(kù)的抗旱極限水平。如圖3所示。
圖3 大伙房水庫(kù)調(diào)度圖
(2)2種計(jì)算方法對(duì)比分析
通過2種方法對(duì)比,以用水總量為考慮對(duì)象的方法,給出了各月旱限水位,即分期旱限水位,該旱限水位只是針對(duì)保障所有用戶情況下的狀況,未考慮干旱年時(shí)來水不足,針對(duì)不同用戶確定的旱限水位。按照不同用水部門的優(yōu)先順序方法,確定了分期、分級(jí)旱限水位,給出了干旱年份生+工+農(nóng)+環(huán)、生+工+農(nóng)、生+工、生活4種供水情況下水庫(kù)旱限水位,能夠更加準(zhǔn)確掌握不同供水對(duì)象組合時(shí)旱限水位情況。
通過大伙房水庫(kù)旱限水位計(jì)算研究確定的旱限水位能夠有效指導(dǎo)大伙房水庫(kù)抗旱調(diào)度工作,保證不同重要性用水戶供水程度,真正發(fā)揮了干旱年份水庫(kù)按照供水限制順序?yàn)樯鷳B(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及居民生活的供水。對(duì)于以用水總量為考慮對(duì)象的旱限水位,缺少不同重要用水戶用水限制,此時(shí)生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及居民生活等用水優(yōu)先考慮順序?qū)⒑茈y劃定。文中以用水重要性情況下計(jì)算確定的水庫(kù)分期、分級(jí)旱限水位,很好地解決了用戶重要性供水分級(jí)的問題。另外旱限水位是動(dòng)態(tài)的,還需要開展大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,定期并及時(shí)更新確定旱限水位,才能有效保證干旱年份用水戶用水需求。