察汗烏蘇河流域西臺-哇沿水庫生態聯合調度預案設計

王 增 平

(青海省水利水電勘測設計研究院，西寧 810002)

0 引 言

水庫聯合調度可以捕捉入庫徑流的時空差異，充分發揮水庫的庫容補償與水文補償作用，從而提高系統對水資源的優化配置能力和供水保障能力[1]。水庫的生態調度就是利用水庫的調蓄作用，在滿足經濟社會需水的同時保證生態環境用水得到滿足[2,3]。察汗烏蘇河流域位于柴達木盆地，屬于內陸河。由于缺乏龍頭調節水庫，流域水資源不能得到充分利用，水資源供需矛盾，灌溉高峰期存在經濟與生態“搶水”現象，工程性缺水問題特別顯著。流域供水工程主要有熱水灌區引水口、察汗烏蘇引水口、西臺水庫和察汗烏蘇鎮城鎮引水口和擬建的哇沿水庫，供水工程概化關系見圖1。

圖1 察汗烏蘇河流域供水工程概化圖

本文面向生態保護研究流域內西臺-哇沿水庫的優化調度問題，對提高流域內供水保障能力、緩解工程性和資源性缺水、維持河道生態環境和保護下游湖泊濕地生態健康具有非常重要的意義。

1 研究數據與方法

1.1 工程供水方案

哇沿水庫建設以前，流域內供水工程主要有熱水灌區引水口、察汗烏蘇引水口、西臺水庫和察汗烏蘇鎮城鎮引水口。由于缺乏龍頭調節水庫，流域水資源不能得到充分利用。考慮到城鄉供水的可靠性及減少水體污染，農業用水等其他用水從河道取水利于河道生態的保護和降低工程投資。本研究水庫的供水方案預設為：經哇沿水庫調節后，城鄉供水采用管道引水配送至各供水點，其他用水經水庫調節后放水到河道，仍由原先的工程設施從河道中取水。

1.2 水庫運行方式

哇沿水庫為年調節水庫，天然來水過程應盡量滿足下游河道內生態需水和國民經濟需水，多余水量蓄在庫中，水位達到正常蓄水位后，由溢洪道下泄洪水。下游缺水時，由水庫按照缺水過程放水到河道。

1.3 設計徑流量

考慮到水庫供水量中農業灌溉占90%以上，因此以75%枯水年(水文年)徑流作為水庫調度計算的典型來水資料[4,5]。哇沿水庫壩址和察汗烏蘇水文站75%枯水年徑流量分別為9 152、9 840 萬m3。徑流量月分配成果見表1。

表1 枯水年(水文年)徑流月分配成果(P=75%) 萬m3

1.4 水庫聯合調度的方法

利用哇沿水庫斷面和察蘇水文站斷面之間的區間來水對下游需水(包括國民經濟需水和察蘇水文站斷面河道內生態需水)進行第一次平衡，其缺水過程即為西臺水庫和哇沿水庫的供水過程；其次用西臺水庫根據上述供水過程進行第二次平衡，其缺水過程即為哇沿水庫的供水過程，在保證河道內生態水量的前提下，設計水庫的運行方案和調度過程線。

2 水庫供水片區需水量及需水過程

察汗烏蘇河流域哇沿水庫的供水對象主要有城鄉居民生活、城鎮生產、農業生產、城鎮生態。本文以2020年流域的綜合需水量過程線依據研究水庫的調度方案。

2.1 城鄉居民生活

根據流域水資源規劃成果，2020年流域總人口為3.653 萬人，其中城鎮人口為1.354 萬人，農村人口為2.299 萬人；城鎮居民生活需水定額為100 L/(人·d)，農村居民生活需水定額為55 L/(人·d)；計算出城鎮居民生活需水量為49 萬m3，農村居民生活需水量為46 萬m3，城鄉居民生活總需水量為95.64 萬m3。

2.2 城鎮生產

城鎮生產包括工業、建筑業及第三產業。2020年流域工業

增加值為51 851 萬元，建筑業增加值為13 331 萬元，第三產業增加值為11 626 萬元；工業萬元增加值需水定額為80 m3，建筑業為18 m3，第三產業為18 m3；計算出工業需水量為415 萬m3，建筑業需水量為24 萬m3，第三產業需水量為21 萬m3，城鎮生產總需水量為459.72 萬m3(見表2)。

表2 察汗烏蘇河流域城鎮生產需水量計算表

2.3 農村生產

農村生產包括農林牧灌溉及牲畜。察汗烏蘇流域地處柴達木盆地，氣候干旱、降雨量小，基本上沒有旱作農業的條件，灌溉期缺水就意味著農作物將大量減產或絕收。根據《灌溉與排水工程設計規范》(GB5028899)，確定灌溉設計保證率為75%。計算得到灌區設計灌水率3.48 m3/(s·萬hm2)，灌溉需水量計算見表3。

2020年流域牲畜數量為17.23 萬頭，其中大牲畜為1.09 萬頭，小牲畜為16.14 萬頭；大牲畜需水定額35 L/(頭·d)，小牲畜需水定額為8 L/(頭·d)；計算出大牲畜需水量為14 萬m3，小牲畜需水量為47 萬m3，大小牲畜總需水量為61 萬m3。

表3 察汗烏蘇河流域灌溉需水量計算表

2.4 城鎮生態

城鎮生態主要包括城鎮綠化和環境衛生(見表4)。2020年城鎮綠化面積為5.42 hm2，環境衛生面積為9.60 hm2；城鎮綠化需水定額為2 998.5 m3/hm2，環境衛生需水定額為899.55 m3/hm2；計算出城鎮綠化需水量為1.62 萬m3，環境衛生需水量為0.86 萬m3，總需水量為2.48 萬m3。

表4 察汗烏蘇河流域城鎮生態需水量計算表

2.5 需水過程線

2020年城鄉居民生活需水量為95.64 萬m3，城鎮生產需水量為459.72 萬m3，農村生產需水量為6 189 萬m3，城鎮生態需水量為2.48 萬m3，總需水量為6 746.52 萬m3。根據計算的城鄉居民生活、城鎮生產、農村生產、城鎮生態等行業的逐月需水量，進行疊加后作為哇沿水庫供水片區需水過程線見表5。

表5 哇沿水庫供水片區需水過程線 萬m3

3 水庫聯合調度預案設計

3.1 水庫調度過程分析

(1)區間來水平衡分析。哇沿水庫斷面和察蘇水文站斷面之間的區間來水為688 萬m3，察蘇水文站斷面處河道內生態需水量為2 743 萬m3，國民經濟需水量為6 746.52 萬m3，一次平衡分析后計算出缺水量為8 801 萬m3，水量過程線見圖2。

圖2 一次平衡后水量過程線

(2)西臺水庫調度分析。西臺水庫是哇沿水庫的反調節水庫，其調節方式可以按照自身有利的方式確定。由于水庫所在地區蒸發量大，應該縮短水在庫中的滯留時間以減少水量損失。到4月份西臺水庫蓄滿，此時哇沿水庫也達到最大庫容。西臺水庫從5月份開始供水，在6月份供水完畢。水庫總蓄水量為691 萬m3，總供水量為581 萬m3。西臺水庫調節后二次平衡水量計算見圖3。

圖3 二次平衡后水量過程線

西臺水庫調節后的缺水量即是哇沿水庫的供水量8 911 萬m3。由于西臺水庫對需水過程進行了調節，增加中間蒸發和滲漏損失110 萬m3。雖然哇沿水庫供水量增加，但供水過程發生了優化，灌溉高峰期哇沿水庫的供水量有所削減。

(3)哇沿水庫調度分析。哇沿水庫供水過程是經過一次平衡和二次平衡后的缺水過程。根據哇沿水庫壩址斷面處的徑流量對供水片區的用水按照逐月過程進行調節計算，計算過程見圖4。根據計算結果，水庫從9月份開始蓄水，起始水位為死水位，對應死庫容為600 萬m3，第二年4月份水庫蓄水量達到最大值2 035 萬m3，5月份開始供水，到8月份回落到死水位，水庫的調節能力為1 435 萬m3。

圖4 哇沿水庫水量調度過程

河道內生態需水量采用Tennant法計算[6,7]。察汗烏蘇河豐水期一般在4-9月，枯水期在10-3月。根據察汗烏蘇河沿河生態環境的特點，確定枯水期以維持河道不斷流為準，河道生態環境需水量取當月來水的10%；豐水期考慮河道兩岸植物的需水，河道生態環境需水量取當月來水的20%。河道內生態需水過程線均在水庫下泄水量之下，生態水量都能得到有效保證。

3.2 水庫調度規則設計

水庫調度函數作為水庫調度規則研究的主要方面，水庫調度函數通常采用線性回歸法對優化樣本進行模擬，使得調度過程在時間尺度上呈現出一定的連續性規則，以便于制定水庫的運行方案，為管理部門決策提供依據[8,9]。根據枯水期水庫聯合調節供需一次平衡和二次平衡分析后，得到西臺水庫和哇沿水庫的水量最優調度過程線。通過MATLAB多元擬合水庫壩址斷面典型設計來水量(P=75%)、水庫蓄水量、水庫下泄量和調度時段之間的函數關系，得到水庫調度函數為：

Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q來水

(1)

水庫調度函數模擬仿真圖可作為指導水庫實時運行的決策依據，利用水利信息化技術、水庫來水量預報技術、水庫調度智能決策系統、河道內生態流量監測預警系統、水庫水位-庫容關系等相關數據，制定水庫調度計劃方案，為決策者和管理者提供技術數據。水庫調度函數模擬仿真見圖5，水庫水位調度過程見圖6。

圖5 哇沿水庫調度三維仿真圖

4 結 語

(1)本文面向生態研究了察汗烏蘇河流域西臺-哇沿水庫的優化調度過程和調度規則，河道內生態流量能得到有效保證，調度方案一定程度上緩解了流域資源性和工程性缺水問題，提高了流域的供水保障能力。

(2)西臺水庫為注入式水庫，總供水量為581 萬m3。哇沿水庫的供水量8 911 萬m3，水庫從9月份開始蓄水，起始水位為死水位，對應死庫容為600 萬m3，第二年4月份水庫蓄水量達到最大值2 035 萬m3，5月份開始供水，到8月份回落到死水位，水庫的調節能力為1 435 萬m3。

圖6 哇沿水庫水位調度過程

(3)哇沿水庫壩址斷面來水量、水庫蓄水量和水庫下泄量之間通過多元線性擬合得到水庫調度函數為：Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q來水。利用水利信息化技術、水庫來水量預報技術、水庫調度智能決策系統、河道內生態流量監測預警系統等制定枯水期(P=75%)水庫調度設計預案，可為決策者和管理者提供技術支撐。

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