白龜山水庫水資源特征及其安全影響因素

徐 源，王紅萍，2，劉永強，劉 建

(1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430072；2.水資源安全保障湖北省協同創新中心，湖北武漢430072；3.河南省白龜山水庫管理局，河南平頂山467031；4.淮河流域水資源保護局水資源保護科學研究所，安徽蚌埠233001)

0 引 言

白龜山水庫位于沙潁河上游沙河干流上，是河南省平頂山市的主要水源，同時與上游昭平臺水庫共同構成沙潁河下游生態用水的保障水源，對保障沙潁河河流健康具有重要意義[1]。沙潁河是淮河的最大支流，其健康狀況直接影響淮河干流健康。淮河歷史上多次發生的水污染事件均與沙潁河有關[2,3]。過去相關研究證明，一定的流量是保證河流健康的基本條件[4- 6]。沙潁河上游是河南省的暴雨中心，對沙潁河流量的調控起重要作用。但是，近年來(尤其是2012年～2014年)，白龜山流域及其上游昭平臺流域連續干旱，水庫水位急劇下降，為了保障平頂山市生活用水和下游生態用水，2014年3次動用水庫死庫容，并通過南水北調跨流域調水緩解水庫危機[7]。本文通過分析白龜山流域降水、水庫入流、出流和水庫運行狀況，揭示白龜山水庫水資源變化特征，并探討威脅其流域水資源安全的主要因素。

1 水庫概況

白龜山水庫距源頭石人山116 km，與上游51 km處的昭平臺水庫組成梯級水庫，聯合控制沙河干流洪水，總控制流域面積2 740 km2(1 430/1 310)，占所在的沙潁河流域面積的7%左右。盡管水庫修建初衷是控制沙潁河洪水，但其已成為平頂山市工業、城市生活用水的主要水源，并兼具灌溉、養殖以及保障下游生態需水的功能。

白龜山水庫總庫容9.22 億m3，大壩為均質土壩，高程110.4 m。根據設計，其正常蓄水位為103 m，相應庫容3.02億m3；最低控制水位97.5 m，相應庫容0.66億m3；汛限水位102 m，相應庫容2.40億m3。

2 水庫多年水資源特征分析

2.1 水庫水資源年變化特征

2.1.1 降水量

降水是白龜山水庫入庫水量的重要來源，而白龜山水庫受上游昭平臺水庫調節的影響很大。2002年～2014年期間，白龜山水庫降水量年際變化大，變異系數達到0.203。年均降水量為743 mm，較1951年～2010年多年平均值900 mm[8]減少了17%；而同期上游昭平臺流域年均降水量為936 mm，與1952年～2008年多年平均值963.6 mm相比[9]，減少量不到3%。可見，上游山區降水量基本與早期持平，下游降水量則減少明顯，人類活動對局部氣候的影響明顯(上游昭平臺流域是山區，人類活動影響相對較小，白龜山流域基本是平原區，人類活動程度高[10])。

2.1.2 入庫水量

入庫水量多少直接關系到水庫水資源量的多少。2002年～2014年期間白龜山水庫年入庫水量平均值為6.63億m3，與1963年～2013年多年平均值6.69億m3基本持平。年入庫水量差異系數達到0.58，高于年降水量差異系數。

2002年～2014年期間，按年降水量相當的年份分組比較，白龜山水庫入庫水量明顯不斷減少。如2012年、2013年和2014年相比，2012年和2013年降水量相當，但是入庫流量從5.78億m3驟降到1.74億m3，到2014年，即使降水量略有增加，入庫水量仍保持在很低水平。這既與降雨的產流過程有關，也與昭平臺水庫的下泄水量相關。

相關性分析表明，白龜山水庫入庫水量不僅受本地降水量的影響[11]；還與上游昭平臺水庫降水量密切相關，且相關性高于其與本流域降水量的相關性(見表1)。

上述分析說明，昭平臺水庫下泄水量也是白龜山水庫主要水源。2002年～2014年期間，昭平臺水庫年下泄水量接近甚至超過白龜山水庫入庫水量的50%(2014年枯水年除外)(見表2)。

表1 白龜山入庫水量及上游降水量相關性分析

注：**表示0.01級別(雙尾)，相關性顯著；*表示0.05級別(雙尾)，相關性顯著。

表2 昭平臺水庫下泄水量占白龜山水庫入庫水量的百分比 %

2.1.3 出庫水量

2002年～2014年期間，蒸發滲漏損失一般全年總量約0.6億m3，占總消耗水量的25%左右，主要跟水面面積有關。生產生活用水量最穩定也最大，約占總消耗水量的50%～60%。2005年以前穩定在1.2億～1.3億m3之間，2006開始增加，自2008后穩定在1.4億～1.5億m3之間。農業灌溉用水量一般年份約0.4億m3，占總消耗水量的15%～25%。枯水年灌溉用水波動較大，一方面由于干旱，需求會增加；另一方面，枯水年可能導致水庫蓄水量不足，水位下降，供給受到限制(如2014年)。而水庫水閘下泄水量主要滿足水位控制要求，受入庫水量控制波動很大。

2.1.4 基于年尺度的水資源供需平衡分析

水庫的降水和入庫水量年際變化大。除2013年、2014年2個枯水年外，水庫的入庫水量占降水量的比值接近或超過50%。這可能是屆時白龜山水庫降水量較大；且因流域水文的同步性[12]，上游昭平臺水庫的降水量也較大，下泄水量較多，共同導致了白龜山水庫入庫水量較多。除2013年外，水庫的年入庫水量能滿足其年用水需求，一般情況下耗水占入庫水量的比值基本都不超過50%。2013年超過100%是因為入庫水量較少而用水量并未減少，2014年停供了農業水(表3)。除了2013年、2014年外，水庫每年都下泄大量水，有的年份甚至超過入庫跟耗水的余量動用了自身庫容，這說明水庫具有下泄生態水量的潛力，此時需要考慮的是水庫蓄積部分水。

整體上來說，近年來雖然水庫水資源量有一定程度減少，消耗水量略微上升，但大多數年份水資源供需矛盾不突出，也能保障下游生態水量，問題的關鍵就在于2012年的汛期蓄水較少，之后遭遇2013年、2014年這樣的連枯年，水資源供需出現尖銳的矛盾，不僅無法供給生態水，生產生活用水都難以保障，水庫庫容持續減少，威脅大壩的安全。如果事前能夠加強降雨徑流預報，提前蓄水，之后通過上游昭平臺水庫緊急調水和南水北調中線工程調水則可以緩解。

表3 白龜山水庫來水、耗水和泄水占比及兩水庫降水集中指數

注：耗水是生產生活用水、農業用水和蒸發滲漏損失的和。

表4 白龜山水庫各月入庫水量占全年的百分比 %

3.2 水庫水資源年內季節變化特征

3.2.1 降水量

白龜山水庫及其上游降水年內分布極不均勻，降水主要集中在汛期6月～9月，7月～8月暴雨集中，10月～次年4月，是旱季，降水稀少。采用降水集中指數PCI表示年內降水的分異性[13, 14]。即

式中，pi為每月的降水量。當PCI<10，降水年內分配均衡，差異不大；11≤PCI≤20，降水呈季節性變化；PCI>20，降水月際變化顯著。

2002年～2014年，白龜山水庫及其上游降水量呈季節性變化，2007年以前，月際變化并不顯著，2007年以后，月際變化的顯著性增強，說明汛期的水資源利用潛力大。

3.2.2 入庫水量

2002年～2014年間，各月入庫水量占比總體上來說符合白龜山流域的特點，6月～9月水量較為豐富，7月、8月水量集中。由降水年際變化可知：2010年是豐水年，2013、2014年是枯水年，豐水年6月～9月汛期水量集中強度大，占全年的74.58%；而出現2013年、2014年連枯年的原因主要是汛期降水量明顯偏少，入庫水量僅占全年的45%左右(見表4)。合理利用汛期水量是可行的(2014年干旱9月份水庫通過南水北調調水)。

3.2.3 出庫水量

出庫水量中，工業與生活用水年內基本穩定，月均1 000萬～1 200萬m3；蒸發滲漏受溫度、氣壓影響[15]，5月～9月在500萬～700萬m3之間，其余月份在250萬～500萬m3之間，年內雖有起伏，但是始終在一定的水平上波動的；只有農業用水不是連續的，主要跟作物生長周期相關。每年5月～9月，氣溫高，正是冬小麥灌漿成熟和夏玉米生長的時期，雖然降水在此時相對較豐，但是仍然不能滿足其需求，需要灌溉作為補充[16-17]；水閘泄水量跟當月入庫水量緊密相關。

3.2.4 基于月尺度的水資源供需平衡分析

絕大多數年份汛期和非汛期的入庫水量是能滿足其用水需求的，僅2013和2014年非汛期不滿足，主要是枯水年降水偏少導致全年的入庫水量都較少，其他年份汛期和非汛期都有一定余量。而汛期的余量基本都是通過水閘下泄，蓄水不多，非汛期不僅將余量全部下泄，甚至動用了部分庫容，這說明不論是汛期還是非汛期，水庫都能保證下游河道的生態水量。水庫年內來水集中在汛期，用水量也是汛期偏多，如果大多數年份水庫能蓄積部分水，特別是汛期，而不是將其大量下泄，可以提高水資源的利用效率，2012年汛期蓄水還緩解隨后2013年、2014年連枯年出現的供水不足的局面。

表5 典型年各月耗水量、下泄水量占入庫水量的百分比 %

進一步選取2007年(平水年),2010年(豐水年),2012年、2013年、2014(枯水年)(見表5)作進一步分析：

豐水年和平水年易發生缺水的時段是枯水期和汛前期，除了平水年少數幾個月外都能保證下游的生態水量，如 2007年、2010年5月～7月為滿足防洪要求需大量泄水。若能合理控制下泄水量，則既能保證生態用水，又能蓄積部分水量供枯水期使用應對可能出現的缺水局面。這樣的年份汛期雨洪資源利用是影響大壩安全的主要因素。枯水年全年的水量幾乎都不滿足，比如2012年，10月前的汛期下泄水過多，從10月開始，入庫水量就開始不滿足用水需求，一直持續到2014年9月。對于2013、2014這樣的連枯年，如果水庫的調蓄能力得到充分發揮，可以緩解這個局面，不足的部分通過調水補充。這說明枯水年汛期降水量的多少是影響大壩安全的主要因素。

4 白龜山水庫多年運行狀況

白龜山水庫水資源的利用情況受其調度規則影響。關于水庫汛限水位動態控制，提高汛期洪水資源利用效率的研究也做了大量的工作，也取得了一定成效[18-20]；但通過水庫多年來的調度線(見圖1)可以看出，2002年～2014年以來，很少如期望的情況，水庫水位線在汛期后上升到103 m，以備下一個汛期到來前冬、春枯水季節正常使用，汛限水位的動態設計成果并沒有充分發揮作用。發生2012年汛期蓄水不足，2013年、2014年水庫水位持續走低的情況也沒有提出有效的應對措施，接近或低于死水位水庫亦會出現險情。歷史上，1976年汛期棄水過多，之后也遭遇1977年、1978年連枯年庫水位接近死水位的情況。多年來人們習慣于暴雨洪水的研究，忽視對旱情災害的分析，往往當旱情來臨時才采取相關措施，錯失抗旱良機。實際上，水庫功能的發揮不僅在于防汛，抗旱也是很重要的一方面，特別是連續干旱。2012年～2014年持續形成冬春夏連旱，高溫強度大、范圍廣、持續時間長，歷史罕見，2014年7月干旱重現期甚至高于百年一遇[21]。

5 結 語

(1)水庫降水量年際差異系數0.20，而入庫水量差異系數0.58，昭平臺水庫下泄水量接近或超過入庫水量的50%。這說明降水量和上游昭平臺水庫下泄水是白龜山水庫來水的重要來源，近年來水庫水資源量有一定程度的減少；用水量年際較穩定，2007年開始略微增加。整體上說，除極少數枯水年外，入庫水量不僅能滿足用水需求，還有保障下游生態用水的潛力。

(2)水庫降水量年內呈季節性變化，從2007年開始這種變化顯著，說明汛期雨洪資源有很大的利用潛力，入庫水量年內集中在汛期；用水高峰期在5月～9月；大多數年份的不僅能滿足用水需求，還能滿足生態用水，但汛期水資源利用不充分，連枯年水量嚴重不足。

由此可見，沙潁河上游的白龜山水庫是可以向下游供給生態用水的，一般年份汛期洪水的利用是影響白龜山水庫安全的主要因素；而連枯年的汛期降水量是影響水庫安全的主要因素。但是，本文均是從實際數據出發分析水量的變化規律，說明水庫利用汛期水資源的可能性。如果能結合水資源的配置模型，對生產生活、農業、生態水量進行具體的近期和遠期的水資源年際年內具體的配置，則可以與生產實踐更好的結合。對于2013年、2014這樣的連枯年也可以進行具體的研究，揭示旱災發生的機理、規律，找到適合本地區的研判方法；結合已開展的降水、墑情、地下水監測以及中長期降水預報，可以針對旱災開展預報預警，減輕旱災對工農業生產的影響。

圖1 白龜山水庫多年運行水位

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