水庫旱限水位制定各因子影響分析

劉 勇

（廣東省水文局汕頭水文分局 廣東 汕頭 515041）

1 以灌溉為主要應(yīng)用的水庫——寶樓水庫旱限水位分析

寶樓水庫位于汕尾市城區(qū)東沖鎮(zhèn)的寶樓溪（發(fā)源于與黃江流域分界的寶樓山并獨立入海，流域面積約40km2，河長11km）上游。水庫距離汕尾市區(qū)15km，大壩以上流域控制面積11.56km2，水庫設(shè)計總庫容1075萬m3，為中型水庫。水庫正常蓄水位19.30m（珠基，下同），相應(yīng)庫容835.23萬m3；死水位8.50m，相應(yīng)庫容100萬m3。校核洪水位21.58m，設(shè)計洪水位20.17m，主壩壩頂高程22.20n。水庫是以灌溉為主，兼顧供水、防洪的綜合型水利樞紐工程。水庫于1965年建成，2005年進行除險加固施工。統(tǒng)計水庫1965年～2001年共37年降水量資料，分析計算得到水庫年平均降雨量1812mm。水庫多年平均徑流量1156萬m3。設(shè)計灌溉農(nóng)田面積為東沖鎮(zhèn)、捷勝鎮(zhèn)等11000畝，實際運行灌溉面積8000畝。供水范圍包括紅海灣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，乾圩、東洲坑、遮浪圩、田乾等街道、村委。

1.1 用水需求與指標確定

寶樓水庫是以灌溉、供水為主要功能的大型水庫。旱限水位的確定應(yīng)考慮農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水、環(huán)境生態(tài)等用水需水。依據(jù)水庫設(shè)計標準、用水需求及抗旱工作要求，確定1個月為干旱預(yù)警期。

1.1.1 指標確定

（1）農(nóng)業(yè)灌溉。水庫灌區(qū)面積11000畝，寶樓水庫灌區(qū)農(nóng)作物主要為水稻，土壤為粘壤土，依據(jù)《廣東省一年三熟灌溉定額》，壤土灌溉用水定額均值451m3/畝，查取Cv=0.26，Cs=2Cvm，渠系利用系數(shù)為0.7。灌溉設(shè)計保證率75%條件下，Kp=1.161，凈用水定額523.61m3/畝，毛用水定額748m3/畝，灌溉用水總量785.42萬m3。作物生長季各月灌溉用水量見表1。

（2）環(huán)境生態(tài)。環(huán)境生態(tài)需水量取入庫多年平均年徑流量的10%，每月均為9.63萬 m3，見表 1。

（3）城市供水。由于水庫功能為灌溉用水，兼顧供水，供水為水庫發(fā)電尾水和底涵沖沙放水，沒有定額任務(wù)，故此次計算不考慮城市供水。

（4）水庫來水。水庫偏旱年景來水按75%設(shè)計頻率考慮，Kp=0.722，對應(yīng)頻率來水量為791萬m3，典型年各月來水量見表1。

（5）水庫應(yīng)供水量。各月水庫應(yīng)供水量為各月用水總量與來水量之差。當(dāng)來水量大于月用水總量時，表示水庫來水滿足用水需求，水庫應(yīng)供水量為零。各月計算結(jié)果見表1，最大應(yīng)供水量為10月份的162.1萬m3。

依據(jù)水庫旱限水位確定辦法，最大應(yīng)供水情況發(fā)生在10月，應(yīng)供水量為161.2萬m3，加上死庫容100萬m3為262.1萬m3，相應(yīng)庫水位為12.36m（珠基，下同）。寶樓水庫主壩底涵管口高程8.50m，灌溉供水管高程10.50m。該水庫旱限水位取上述最高水位12.36m。

1.1.2 預(yù)警重現(xiàn)期

逐年統(tǒng)計自1972年～2012年日水位低于12.36m的天數(shù)，最大為2010年的247天，最少為0天（1973年、1975年、1978年、1979年、2000年、2001年、2002年、2003年、2005年、2006年、2007年、2012共12年）。1972年～2012年41年中共有12年達到旱限預(yù)警標準，重現(xiàn)期為3.4年。

2 以發(fā)電為主要應(yīng)用的水庫——南告水庫旱限水位確定

南告水庫位于汕尾市陸河縣螺溪鎮(zhèn)南告村，螺河的支流均前溪中游，東距陸河縣城河田鎮(zhèn)約10km。水庫壩址以上集水面積152.7km2，主河道長27.1km，平均坡降14.6‰。南告水電站設(shè)計多年平均降雨量為2323mm。水庫是以發(fā)電為主要目的的中型水利工程。發(fā)電引水進口高程299.5m，發(fā)電死水位307.00m，相應(yīng)死庫容760萬m3，大壩壩頂高程347.00m，防洪汛限水位330.00m。南告水庫同時是螺河流域唯一的控制型水利工程，下泄水量為影響下游徑流的最重要因素。

表1 寶樓水庫應(yīng)供水量逐月滑動計算結(jié)果 （單位：萬m3 ）

表2 南告水庫應(yīng)供水量逐月滑動計算結(jié)果 （單位：萬m3 ）

2.1 用水需求

南告水庫是以發(fā)電為主要功能的中型水電設(shè)施，沒有設(shè)計城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)。依據(jù)水庫設(shè)計標準、用水需求及抗旱工作要求，確定1個月為干旱預(yù)警期。

2.2 指標確定

（1）發(fā)電。南告水庫出水除汛期超汛限時溢洪道進行泄洪外，其他出水均為發(fā)電出流。水庫偏旱年景發(fā)電出水按75%設(shè)計頻率考慮，為21901萬m3，取與之接近的2005年實際發(fā)電出水量21931萬m3作為典型年計算。

（2）環(huán)境生態(tài)。環(huán)境生態(tài)需水量取入庫多年平均年徑流量的10%，為每月平均214.1萬m3。

經(jīng)計算，南告水庫發(fā)電各月發(fā)電出水量均大于各月生態(tài)需水量，故用水總量為各月發(fā)電出水量，見表2。

（3）水庫來水。水庫偏旱年景來水按75%設(shè)計頻率考慮，為24536萬m3，并取與之接近的2005年來水量（21802萬m3）作為典型年，各月來水分配見表2。

（4）水庫應(yīng)供水量。各月水庫應(yīng)供水量為各月用水總量與來水量之差。當(dāng)來水量大于月用水總量時，表示水庫來水滿足用水需求，水庫應(yīng)供水量為零。各月計算結(jié)果見表2，最大應(yīng)供水量為12月份的約1519萬m3。

依據(jù)水庫旱限水位確定辦法，最大應(yīng)供水量（1519萬m3）加上死庫容（760萬m3）為2279萬m3，對應(yīng)水庫水位320.46m為旱限水位。此水位高于南告水庫發(fā)電涵管進水口高程299.50m。

但考慮到南告水庫以發(fā)電作為水庫應(yīng)用目標，無額定發(fā)電量目標，且發(fā)電尾水全部排入河道，各月發(fā)電尾水均滿足河道環(huán)境生態(tài)用水需求。故從工程運行實際考慮，死庫容750萬m3加上環(huán)境生態(tài)用水214.1萬m3，共964.1萬m3，對應(yīng)水位309.30m，該水位可作為水庫實際運行控制的旱限水位。

2.3 預(yù)警重現(xiàn)期

由于水庫2000年以前的實測資料不完整，且資料與水庫除險加固施工后的設(shè)計運行指標差別大，故將計算出的旱限水位309.30m與水庫實際運行中2001年～2011年共11年歷史資料進行對比，統(tǒng)計水庫水位出現(xiàn)低于旱限水位的年份和對應(yīng)天數(shù)，當(dāng)?shù)陀诤迪匏坏奶鞌?shù)大于預(yù)警期時，認為該年達到旱限年，包括2004年，2005年，2007年，2008年。近11年出現(xiàn)4次水位達到旱限，重現(xiàn)期為2.75年。考慮到水庫實際運行期間，會在枯水季低于死水位運行發(fā)電，故認為計算出的旱限水位是合理的。

3 對影響旱限水位各水文要素變量分析

設(shè)定旱限水位主要用于對水資源利用情況做出預(yù)警，因此，制定科學(xué)合理的旱限水位，一方面有利于對水資源進行科學(xué)保護和利用，另一方面也能兼顧水庫自身的效益。由計算可以看出，影響旱限水位確定的主要因素是：水庫自身水利設(shè)計要素（如發(fā)電和供水出水口高程等）、對應(yīng)設(shè)計頻率來水過程、用水（出流）情況和生態(tài)需水量因子。進一步分析以上各因子對旱限水位確定的影響比重，可以更好的有針對性的掌握現(xiàn)實情況和制定更加符合實際的旱限水位，做到水資源合理預(yù)警和科學(xué)利用相結(jié)合。以下對各因子水量提高或降低10%進行對比分析。

3.1 環(huán)境生態(tài)需水量影響

當(dāng)前，根據(jù)水利部頒布的計算方法，環(huán)境生態(tài)需水量統(tǒng)一采用多年入庫徑流量的10%。假設(shè)增加環(huán)境生態(tài)需水量至20%，則寶樓水庫的月均生態(tài)需水量增至19.27萬m3，不改變其他設(shè)計要素，則計算得到的最大應(yīng)供量10月171.7萬m3，相應(yīng)旱限水位取上述最高水位12.53m。較原設(shè)計的旱限水位提高了0.17m，相應(yīng)的預(yù)警重現(xiàn)期將縮短至2.5～3年左右。對于南告水庫，環(huán)境生態(tài)用水量成為影響旱限值的唯一因子，生態(tài)蓄水增加至20%后，旱限水位提高到311.56m，較原設(shè)計值提高2.26m，預(yù)警重現(xiàn)期縮短到1～2年。

3.2 減少灌溉用水量影響

對寶樓水庫，假設(shè)由于節(jié)水措施的實行，當(dāng)前的設(shè)計灌溉保證率75%條件下的用水量減少10%，保持月度分配比例不變，則計算得到最大月應(yīng)供水量為10月146.54萬m3，較原應(yīng)供水量減少15.66萬m3，相應(yīng)旱限水位為12.08m，較原設(shè)計的旱限水位降低了0.28m，相應(yīng)的預(yù)警重現(xiàn)期明顯增加，增至5年左右。

3.3 減少水庫來水量影響

對寶樓水庫，假設(shè)水庫來水量減少10%，即來水量為711.9萬m3，反推計算來水頻率約為85%，逐月徑流分配比例不變，則最大應(yīng)供量為10月的262.42萬m3，相應(yīng)旱限水位為12.37m，較原設(shè)計旱限水位差別很小。

3.4 提高供水保證率影響

假設(shè)旱限水位計算標準中灌溉用水保證率提高至80%，則對應(yīng)灌溉用水總量818.57萬m3，用水總量較原設(shè)計提高4%。作物種類及生長季計算的各月灌溉用水量分配比例不變，則計算得到的最大應(yīng)供水量為10月167.73萬m3，相應(yīng)旱限水位12.46m，較原設(shè)計旱限水位提高0.10m，預(yù)警重現(xiàn)期約縮短至2.5～3年左右。若供水保證率提高到85%，則對應(yīng)灌溉總量863.96萬m3，相應(yīng)旱限水位12.62m，較原設(shè)計旱限水位提高0.26m，預(yù)警重現(xiàn)期縮短至2年左右。

3.5 “時歷法”計算序列及典型來水分配過程的影響

在進行水庫來水量和用水量計算時，對逐月的來水、用水量均采用了時歷法進行典型年定額分配，但實際上，典型年的水量過程本身就是不重現(xiàn)的偶然過程，且寶樓、南告水庫在實際運用中也是多年調(diào)節(jié)水庫，以偶然過程模擬運算，并不能準確反映水庫多年供用水或所在流域多年的來水情況。在上述增加環(huán)境生態(tài)需水量、減少灌溉用水量、減少水庫來水量等因子對旱限水位影響的計算中，尤其當(dāng)較高用水保證率、水庫調(diào)節(jié)運行機制復(fù)雜的條件下，用固定的歷年典型分配考慮稀遇的徑流變化和供、用水組合情況，則進一步放大了誤差對成果的影響。

4 結(jié)語

旱限水位的作用主要是預(yù)警，即提出一個水資源可持續(xù)利用的量化指標。在旱限水位的各影響因子中，用水因子的影響明顯大于供水因子的影響。

由于水庫的工程運用標準和供水能力是限定的，所以對于灌溉型應(yīng)用的寶樓水庫，客觀上在制定旱限水位時，不可能較大幅度地提高灌溉、用水的保證率，只有采取切實有效的措施強化節(jié)約用水意識，減少用水量，通過灌區(qū)改造，提高灌溉渠系的利用系數(shù)、減少滲漏和加強供水管網(wǎng)維護，才能有效降低旱限水位的設(shè)定值，減少預(yù)警響應(yīng)次數(shù)，更有效更科學(xué)的利用好水庫水資源。

而對發(fā)電型應(yīng)用的南告水庫，旱限水位則是兼顧發(fā)電效益和環(huán)境生態(tài)效益的重要目標，從計算可以看出，若提高環(huán)境需水量指標，旱限預(yù)警周期將明顯縮短，且像南告水庫這樣對中小流域徑流調(diào)節(jié)起決定性作用的重要水利工程，遇特殊水環(huán)境事件或需水庫進行公益性供水時，還可能犧牲部分經(jīng)濟效益。隨著水資源重要性的提升，其所承載的環(huán)境、生態(tài)和社會需求不斷增加，制定科學(xué)有效的旱限水位指標還有待在實踐中進一步優(yōu)化。陜西水利

[1]汕尾市城區(qū)寶樓水庫除險加固工程初步設(shè)計報告.汕尾市水利水電建筑工程勘測設(shè)計室,2004.

[2]汕頭水情手冊.廣東省水文局汕頭分局,2006.

[3]黃振平.水文統(tǒng)計學(xué).北京：中國水利水電出版社,2011.

[4]劉光文.水文分析與計算.北京,水利水電出版時,1989.

[5]芮孝芳.水文學(xué)原理.北京,中國水利水電出版社,2004.