枯季西江中游梯級水庫調度對梧州流量影響初探

方神光，崔麗琴

(珠江水利科學研究院，水利部珠江河口海岸工程技術研究中心，廣州 510611)

水庫生態調度是在保證防洪、發電、灌溉等效益的條件下，調節下泄流量的時間序列，盡可能恢復下游水流的自然節律過程，并通過人造洪峰等恢復自然水位漲落特征，調節水質、水溫和泥沙沖淤，進行流域自然生態環境修復。如1991-1996年，美國田納西河流域管理局[1]為提高水庫泄流水量和水質，從生態角度對水庫調度方式進行調整從而改善水庫下游水生態環境。建于1942年的哥倫比亞的大古力水壩(GCD)[2]在1982年以前承擔發電和防洪任務，之后提出考慮溯河產卵魚類的產卵問題，開始采用幫助幼魚過壩、增大下泄流量、模擬高流量脈沖等方法，有效地提高了洄游魚類的過壩率，解決其產卵問題及大壩水生物繁殖問題。巴西水庫Tucuruí[3]在其水庫調度中制定了水電站的運行水位不能超過72 m的調度規則，各項生態指標能有效地得到保障從而確保下游群落的生態安全；胡和平等[4]提出基于生態流量過程線的水庫生態調度方法，應用在黃河某子流域，針對下游生態環境提出4個生態目標，結果顯示生態目標與發電目標并不是完全對立，在滿足生態目標的同時發電量僅減少7.6%。曾勇[5]提出跨界水沖突博弈模型，基于博弈論與最優方法，考慮參與人非合作及合作行為、河道最小生態需求、水資源的質與量，將模型運用于官廳水庫流域的張家口市、北京市跨界的水量和水質沖突問題，合理確定排污少、經濟效益高的水質水量聯合調度方案。康玲和黃云燕等[6]提出逐步優化算法(POA)，分析計算了漢江的最小生態流量、適宜生態流量以及四大家魚產卵所需要的洪水脈沖過程。小浪底調水調沙(2003-2005)[7]過程中，將生態引入調度總目標中，通過加大上游水庫下泄流量的方法，緩解了淤積現象，有效的改善下游生態環境。王煜等[8]建立了針對中華鱘產卵場建立了葛洲壩下游河段水動力數學模型進行水庫生態調度，以中華鱘產卵期為調度周期，將產卵場產卵適合度作為作為指標，同時考慮水庫防洪、航運效益建立雙目標水庫生態調度模型，結果顯示生態調度后中華鱘在產卵期(10-11月)同比歷史可增加39%適合產卵水域面積，而發電量僅損失0.15%，取得了較好成果。

西江流域魚類資源非常豐富，但由于人類活動影響，尤其是西江干流各梯級水庫的開發很少考慮水生生態需求，導致魚類生境萎縮，魚類集中產卵場已由歷史上的29個縮減為17個。梧州斷面是西江中上游洪水進入下游的控制性斷面，相關研究顯示[9,10]，該斷面流量達到1 800和2 100 m3/s時可分別滿足西江干流的生態流量和河口壓咸流量的需要。為此，本文基于西江中游河網及梯級水庫整體數學模型[11]，考慮盡量減少對防洪發電等影響的前提下，探討利用龍灘和巖灘正常蓄水位與汛限水位間的庫容開展梧州斷面流量調度方面的研究工作。

1 數學模型及典型水文年選取

1.1 計算范圍及數學模型

本研究課題主要利用龍灘和巖灘正常蓄水位與汛限水位間庫容調節下游梧州控制斷面流量，因此涉及的西江中上游干支流河段主要有紅水河、柳江、黔江、郁江和潯江，如圖1所示，同時控制水文站的分布位置也作為計算范圍重要依據；因此，紅水河段上游選取到北盤江匯入口附近的蔗香水文站、下游止于石龍三江口，總長約632 km，該河段現有梯級電站主要有：龍灘、巖灘、大化、百龍灘、樂灘和橋鞏；柳江計算河段上游始于柳州水文站、下游止于石龍三江口，總長約158 km，分布有紅花電站；黔江上游始于石龍三江口、下游止于桂平三江口，總長約122 km；郁江段上游始于南寧、下游止于桂平三江口，總長約382 km，主要有西津電站和貴港水利樞紐；潯江段上游始于桂平三江口、下游止于長洲樞紐，總長約155 km。

圖1 西江中游河網水系圖Fig.1 Water system in the middle reach of Xijiang River

收集了2010年紅水河、2009年柳江、2009年黔江、2006-2010年黔江及2010年潯江河道水深地形資料(85高程)，依據地形資料建立了西江中游河網及梯級水庫聯解數學模型，水動力數學模型采用一維圣維南方程組，西江中游為樹狀河網，且支流上分布有數量較多的梯級水庫電站，導致大壩上下游水流失去了水力連續性，建模過程中提出了河網、子河網、河道、節點四個層面的計算求解概念，四者通過水利樞紐調度方式、外部邊界條件的傳遞關系連接成一個整體，應用實測水文資料對該模型開展了大量的率定和驗證工作[11,12]。

1.2 水文典型年選取

枯水季節梧州斷面流量過程對珠江河口能否滿足對珠海、澳門地區的供水、能否增加河口徑流以壓制咸水上溯以及能否滿足河口地區補充淡水的需要具有重要影響。梧州枯水季節為12月至次年3月，其中絕大多數以1月份來流量最小，因此搜集了近些年從1997-2014年共計18年梧州站實測水文數據，對一月平均流量進行粗略統計如圖2所示。由圖可見，隨著西江干流梯級電站建立，一月份梧州站平均流量呈現增長趨勢，尤其在2009年龍灘水庫投入運行后流量增加較為明顯。2009年龍灘建成前在豐水年基本能滿足1 800 m3/s的生態流量，但難以滿足2 100 m3/s的抑咸流量；2009年龍灘建成后在豐水年與平水年，梧州站基本能滿足生態和抑咸需要的流量，可見，由于上游龍灘水庫調節庫容較大，枯水期對梧州控制斷面流量的增加起到了重要的作用。因此，本次調度以龍灘作為主要調節水庫，考慮到龍灘下泄流量傳遞至梧州時間較長，此處增加巖灘水電站進行輔助調節；根據近5年來1月份流量來看，2012年1月份流量最小，僅為1 703 m3/s，相當于龍灘水庫建成前梧州站重要枯水期(12月-次年2月)60%頻率的枯季流量，大于最枯月平均流量1 490 m3/s；鑒于龍灘水庫建成后對梧州枯季斷面流量影響巨大，為反應近年來枯季流量的真實情況，因此選取枯水年份2012年1月1日0時至2012年2月29日0時共計1440小時水文數據進行生態調度計算研究。

圖2 梧州站一月份歷年平均流量值Fig.2 Average flux in Jan. at Wuzhou station

2 調度方案設置與計算步驟

2.1 調度方案設置

考慮到枯季水庫調度要保證發電、航運、取水和生態等綜合需求，此處調度主要考慮利用汛前騰空正常蓄水位與汛限水位間的庫容作為可利用水量，即當水庫水位低于汛限水位時調度停止。尹小玲等[13]針對枯季梧州流量對龍灘下泄流量的響應分析顯示，龍灘下泄流量是梧州控制斷面流量重要的組成部分，兩者具有很好的線性關系，且枯水和偏枯水年時龍灘需要至少下泄600～800 m3/s的流量才能保證下游的生態和壓咸需要。因此，此處將龍灘保證下泄800 m3/s的流量作為龍灘最基本的調度方案，為對比需要，將保證下泄1 000 m3/s作為加大調控方案，巖灘則主要作為調節中轉水庫進行利用，設計調度如表1所示。

2.2 區間入流還原和計算步驟

由于建立的數學模型范圍幾乎包含了西江中游主要干支流，此處依據主要支流水系和控制水文站點分布情況，將計算范圍區間入流還原分為四個大的子區間分別進行還原：北盤江入流口-橋鞏段，橋鞏、柳州站-武宣段，南寧-貴港段，貴港、武宣-梧州段，分別對區間控制水文站的流量進行了比較驗證，限于篇幅，圖3給出了還原后的武宣和梧州流量的驗證圖，證實了此處還原后的2012年1月1日0時至2012年2月29日0時區間水文過程的可靠性。設計主要步驟如下：

表1 水庫調度方案Tab.1 Plans of cascade reservoirs dispatch

(1)將整體計算模型劃分為4段：北盤江入流口-橋鞏段，橋鞏、柳州站-武宣段，南寧-貴港段，貴港、武宣-梧州段，根據區段間主要支流匯入口設置區間入流位置斷面；

(2)分別單獨建立劃分出來的4個區段的河網及梯級水庫數學模型，由于這些區段模型取自整體大模型，已經進行過率定和驗證，可直接用于區間入流還原計算；

(3)根據劃分區段間的控制水文站點，給出2012年1月1日0時至2012年2月29日0時每段上游流量邊界條件和下游水位邊界條件，還原每段區間入流；

(4)將各區段還原的區間入流放入到整體大模型中，對設置的5個龍灘調度方案進行模擬計算和分析。

圖3 主要控制站點流量驗證Fig.3 Flux verification at main control stations

圖4 梯級水庫調度計算結果Fig.4 Results by numerical simulations of dispatch of cascade reservoirs

3 調度結果分析和比較

3.1 調度計算結果

根據表1設計的龍灘和巖灘調度方案中，兩個水庫正常蓄水位分別是375和223 m，汛限水位分別是359.3和220.5 m，統計調度前后梧州控制斷面流量達到或超過生態基流和抑咸流量的時間，5種方案的計算成果如圖4所示，分析如下：

(1)方案1采用龍灘單庫調節，從1月1日至2月29日全程，龍灘水庫始終保持800 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續下降但始終高于汛限水位359.3 m。經過龍灘調節，梧州控制斷面達到或超過生態需流的時間由調度前432 h提高至調度后766 h，滿足率由調度前40%提高至調度后79%；達到或超過抑咸所需流量的時間由調度前175 h提高至調度后418 h，滿足率由調度前16.2%提高至調度后38.7%。

(2)方案2采用龍灘單庫調度并加大調節力度，可見從1月1日至2月21日，龍灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續下降至汛限水位359.3 m，因此從2月21日至2月29日，龍灘水庫停止調度，按入庫流量下泄，壩前水位保持不變。通過龍灘單庫加大調節力度可見，梧州控制斷面達到或超過生態需流的時間由調度前432 h提高至調度后664 h，滿足率由調度前40%提高至調度后89.7%；達到或超過抑咸所需流量的時間由調度前175 h提高至調度后418 h，滿足率由調度前16.2%提高至調度后61.5%。

(3)方案3采用巖灘單庫調度，顯示從1月1日至1月10日，巖灘水庫始終保持800 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位持續下降至汛限水位220.5 m；因此從1月11日至2月29日，巖灘水庫停止調度，按入庫流量下泄，壩前維持汛限水位。經過巖灘單庫調度，梧州控制斷面達到或超過生態需流的時間僅僅提高了6 h，流量達標率僅提高0.5%；抑咸流量達標時間提高19 h，達標率僅提高1.7%。

(4)方案4采用巖灘單庫調度并加大調節力度從1月1日至1月7日，巖灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，由于入庫流量小于出庫流量，壩前水位下降至汛限水位220.5 m，之后便停止調度，維持壩前汛限水位不變。經巖灘單庫極大下泄力度，梧州控制斷面達到或超過生態需流的時間僅提高4 h，對抑咸流量提高沒有效果。

(5)方案5采用龍灘、巖灘聯合加大下泄強度調度，顯示：①對龍灘水庫，從1月1日至2月21日始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量小于出庫流量，壩前水位逐漸下降至汛限水位359.3 m，之后即停止調度維持汛限水位不變；②對巖灘水庫，從1月1日至2月21日，巖灘水庫始終保持1 000 m3/s的下泄流量，入庫流量為龍灘出庫流量，兩者相等，巖灘壩前水位維持不變。2月21日至2月28日，龍灘停止調度，巖灘繼續以1 000 m3/s流量下泄，入庫流量小于出庫流量，壩前水位下降至汛限水位220.5 m，之后停止調度以維持壩前水位不變。經過龍灘和巖灘雙庫聯合調度，梧州控制斷面達到或超過生態需流的時間由調度前432 h提高至調度后997 h，達標率由調度前40%提高至調度后92.3%；達到或超過抑咸所需流量的時間由調度前175 h提高至調度后708 h；達標率由調度前16.2%提高至調度后65.6%。

3.2 梯級水庫生態調度方案比較分析

梧州控制斷面流量過程對西江下游及珠江河口三角洲的生態、供水和抑咸等具有重要的意義，因此以梧州控制斷面生態和抑咸流量需求為目標，以2012年1月1日至2月29日枯季水文過程作為典型，采用西江中游河網及梯級水庫數學模型對以龍灘為主、巖灘為輔的不同調度組合方案進行了模擬計算，獲得了各調節方案下的梧州控制斷面枯季流量過程，分析可見：

(1)由于龍灘水電站是紅水河梯級開發的大型水庫，其調節庫容達111.5 億m3，因此采用龍灘單庫調度的方案1、方案2以及龍灘和巖灘聯合調度的方案5都能取得較為明顯的效果，可以使梧州斷面生態流量由調度前僅40%的保證率提高到70.9%～92.3%，將壓咸流量由調度前僅16.2%的保證率提高到38.7%～65.6%；

(2)巖灘水電站是紅水河綜合利用規劃的第五個梯級電站，其調節庫容10.5 億m3，相對龍灘小很多，因此采用巖灘單庫調度的方案3和方案4，對梧州斷面流量提高幾乎影響很小；但由于巖灘水庫相對龍灘水庫距離下游梧州控制斷面更近，且其調節庫容可進行不完全年調節，相對除龍灘以外的紅水河上其他梯級水庫來講較大，極為適合作為龍灘生態調度的中轉水庫進行利用，可以顯著縮短水量調度的時間；

(3)在方案5中，實際上是先后利用了龍灘和巖灘的部分庫容進行梧州控制斷面的生態流量調度，先利用龍灘庫容，巖灘此時作為中轉庫容，在龍灘這部分庫容使用完畢后，才開始利用巖灘，因此采用方案5進行調節后的梧州控制斷面生態和抑咸流量改善最為顯著，可見若同時再合理利用下游其他梯級水庫的這部分庫容，不僅可以進一步提高梧州控制斷面的流量保證率，而且還可以大大縮短調度時間和提高調度效率。

由計算和分析顯示，利用龍灘和巖灘正常運行水位與汛限水位間的庫容可以有效提高梧州控制斷面枯季的徑流量。西江中游是梯級水庫分布和建設最為集中的區域，同時也是防洪的重點區域，為保證汛期防洪安全，一般在汛前4月份要將水庫水位降至汛限水位，由此會產生或多或少的棄水，若能有效利用好該棄水，可以避免與發電等其他需水造成沖突，使給出的實施方案更為切實可行。

4 結 論

針對枯季梧州控制斷面水文徑流過程對西江中下游河道生態以及珠江河口三角洲抑制咸潮入侵、保障供水的重要性，本文選取近年偏枯的2012年1-2月水文條件作為典型年，應用率定和驗證過的西江中游河網及梯級水庫整體數學模型，探討枯季利用龍灘和巖灘的汛前棄水改善梧州控制斷面徑流的可能性，以達到提高枯季梧州控制斷面徑流量的目的，主要結論有：

(1)單獨利用龍灘或龍灘與巖灘聯合調度對提高梧州控制斷面徑流量具有顯著作用，可以使梧州斷面生態流量由調度前僅40%的保證率提高到70.9%～92.3%，將壓咸流量由調度前僅16.2%的保證率提高到38.7%～65.6%；

(2)單獨利用巖灘汛前棄水對改善梧州斷面徑流量作用很小，但由于巖灘距離下游控制斷面更近，且庫容相對較大，可以作為龍灘枯季開展生態調度的中轉水庫，能有效提高龍灘調度對下游控制斷面的反應時間和效率；

(3)總體來看，在西江中游梯級水庫的防洪或生態調度中，若能發揮上游龍灘大型水庫的主導作用以及其他梯級水庫輔助中轉作用，在此方面開展進一步的研究探討，能最大程度提高梯級水庫的防洪和生態效益。

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