并聯供水水庫庫容補償提高洪水資源化利用程度研究

王 霞，鄭雄偉，張曉文

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

水資源是區域社會經濟發展的基礎資源和戰略資源。由于我國水資源時空分布不均，水資源多少問題已成為制約經濟社會可持續發展的因素之一[1]。水多則洪澇災害頻繁；水少則干旱缺水、環境惡化。尤其是許多濱海城市，獨流入海的流域洪水暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高，水資源供需不平衡嚴重制約當地社會經濟發展。

洪水具有水害和水利雙重特性，洪水是災害的根源，又是水資源的重要組成部分[2]?？茖W合理利用和調度流域水利工程，有效利用洪水，解決水資源短缺危機和防洪減災，提高洪水資源化利用程度是十分必要的[3- 4]。

隨著治水思路的不斷拓展，水資源“空間均衡、系統治理”的理念進一步深化，治水戰略從以往“入海為安”正逐漸轉變為“給洪水出路，讓洪水為我所用”的洪水資源化治水戰略[5]。洪水資源安全利用是緩解水資源短缺和防洪減災的有效措施和方法。洪水資源化的內涵是通過工程措施和非工程措施調蓄洪水，實現洪水由水害向水利的轉換，實現防洪和興利的統一。即在不增加防洪風險的前提下，利用工程和非工程措施化害為利，用于經濟社會需水和生態環境等需水，最大限度地發揮洪水的資源效益[6]。

合理利用流域水庫的水文特性和水庫特性并進行補償，通過科學調度，可以提高洪水資源化利用程度，將防洪減災與興利抗旱有效結合，實現水資源時空均衡。

2 實例

本文以并聯的東屏水庫和長林水庫為例，充分利用東屏水庫庫容大、調節性能強的優勢補償長林水庫；補償的方式是以輸水隧洞連通兩座水庫，將長林溪的洪水徑流引至東屏水庫，提高洪水資源化利用程度，為當地飲用水安全提供保障，同時提高水庫下游防洪保護對象的防洪能力。

2.1 三門縣水資源概況

三門縣位于浙江沿海中部，東瀕東海，南接臨海市，北臨寧?？h，西接天臺山，東北界象山縣。全縣陸地總面積約1000km2，多年平均降水量1630mm，多年平均水資源總量10.16億m3，人均2404m3，域內多為山溪性河流，源短流急，暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高。三門縣處在溫臺沿海產業帶上，為浙江東南沿海的新興城市。三門縣內目前缺乏調節能力較大的蓄水工程，現狀供水能力和保證率不足。

2.2 水源工程方案

2.2.1方案一：分別興建東屏、長林水庫

因東屏溪和長林溪集雨面積均不大，分別在兩溪上建設東屏水庫和長林水庫。其中白溪支流東屏溪上東屏水庫集水面積18.7km2，白溪支流長林溪上長林水庫集水面積11.9km2。

2.2.2方案二：興建東屏水庫和長林水庫并連通

東屏溪較長林溪地形地質條件和成庫條件好，政策處理量少，因此擬擴大東屏水庫規模，減少成庫條件較差的長林水庫規模，通過輸水隧洞將長林溪的洪水和徑流引至東屏水庫，以發揮東屏水庫容積大、調節能力強的優勢，提高工程的供水效益，達到與方案一同樣的效果[7]，見表1。

從表1中可知，若2個方案達到基本一致的供水能力，方案一的長林水庫正常蓄水位需抬高至150m，較方案二高42m，且長林溪的地質條件相對較差，并不適合建高壩；方案二東屏水庫適當加高壩高，即可達到與方案一同樣的供水能力；方案一的單方供水投資達到41.4元/m3，高于方案二33.5元/m3。因此推薦建設東屏水庫和長林水庫，并通過輸水隧洞連通。

3 庫容補償措施及效果分析

3.1 兩庫庫容特性對比

比較東屏水庫和長林水庫的特性，東屏水庫集水面積是長林水庫的1.57倍，但興利庫容是長林水庫的19倍；從調節性能看，東屏水庫是多年調節水庫，而長林水庫是不完全年調節水庫。兩者對比見表2。從兩庫的庫容特性差異來看，東屏水庫可對長林水庫進行庫容補償。

3.2 兩庫引水供水聯合調度模型

兩庫以輸水隧洞連通，引長林水庫的徑流和部分汛期洪水入東屏水庫充分利用的方式進行庫容補償，其目的是合理利用東屏水庫庫容大、調節能力強的特性，提高長林水庫的洪水資源化利用程度。

兩庫連通輸水隧洞規模大小決定了洪水資源化程度利用程度的高低，但輸水隧洞規模大小同時受到供水投資等因素制約。為合理確定兩庫補償方式，建立兩庫聯合引水供水調度的數學模型。模型的目標函數如下。

3.2.195%保證率下兩水庫供水能力最大

(1)

式中，W95%max—95%保證率下東屏水庫和長林水庫年最大供水量，m3；Wi.D95%—95%保證率下第i月東屏水庫供水量，m3；Wi.C95%—95%保證率下第i月長林水庫供水量，m3。

表1 三門縣中部和東南部地區水源工程方案比選論證表

表2 東屏水庫和長林水庫特性對比表

注：長林水庫可自流分洪引水至東屏水庫。

3.2.2年均棄水量最小

(2)

式中，Wqmin—東屏水庫和長林水庫年均最小棄水量，m3；Wq.i.D—東屏水庫第i月最小棄水量，m3；Wq.i.C—長林水庫第i月最小棄水量，m3；n—統計序列年系列長度。

3.2.3單方供水投資最小

(3)

以95%保證率下兩庫供水能力最大，兩庫年均棄水量最小，單方供水投資盡量小為模型的目標函數。

模型的約束條件包含：東屏水庫自身有棄水時不從長林水庫引水；東屏水庫和長林水庫下游的灌溉供水和生態環境用水大于等于其基本需求；東屏水庫對長林水庫下游的南林村和坎下金村防洪減災效益盡量大；庫容限制約束；水量平衡約束[8]、滿足各供水對象用水保證率和不超過其允許破壞深度等。

模型的計算精度為1952—2015年共計64年長系列逐日徑流調節計算，以目標關聯函數方法求解模型。

3.3 輸水隧洞設計引水流量的確定

論證輸水隧洞設計引水流量時，在建立兩庫長系列逐日徑流調節聯合調度模型分析基礎上，充分考慮小流域洪水源短流急的特點，同時對2年一遇、3年一遇、5年一遇等頻率的洪水進行逐時計算，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對長系列逐日徑流調節聯合調度模型的計算成果進行復核修正。

以10、20、30m3/s的輸水隧洞設計引水流量模擬兩庫聯合調度，通過方案比選后推薦了綜合效益佳、操作性強的方案，方案比選成果見表3。

從表3中可以看出，隨著引水規模的加大，東屏水庫多年平均增加引水量、輸水隧洞可比投資都逐漸增加；但方案二比方案一的差額引洪水量單方投資為17.1元/m3，而方案三比方案二的差額引洪水量單方投資為44.8元/m3，因此以設計引水流量20m3/s的輸水隧洞從長林水庫引洪至東屏水庫，用東屏水庫的庫容補償長林水庫來提高洪水資源化利用程度是合適的，相對該地區洪水資源化利用而言是經濟合理的。

3.4 庫容補償的有效性分析

(1)從東屏水庫與長林水庫入庫徑流豐枯遭遇對比分析，因兩庫所在流域同屬白溪流域，水文條件相似，入庫徑流豐枯幾乎同步。因此，主要考慮利用兩庫的不同庫容特性進行補償。分別分析兩庫豐豐、平平、枯枯遭遇時庫容補償的有效性。汛期兩庫同豐，即同時發生大洪水(5年一遇以上)時，兩庫同時棄水，兩庫同時發生低頻率洪水時，東屏水庫可將長林水庫可能發生的棄水引入加以利用，經技術經濟比較，對于集水面積為11.9km2，多年平均流量0.39m3/s的長林溪小流域，推薦采用20m3/s的設計引水流量，為引長林溪的中小洪水入東屏水庫創造了條件，引水模數為1.68m3/(s/km2)。

模擬兩庫64年長系列徑流引水供水聯合調度過程中，長林水庫年均引入東屏水庫約680萬m3。

(2)若兩庫不做庫容補償，要達到相同的水資源利用率，長林水庫需將規模從131萬m3擴大至1444萬m3，增加工程投資1.62億元。

4 結論和建議

近年來，我國利用單個水庫、蓄滯洪區等實現洪水資源化利用已有較多實踐，單個水利工程的洪水資源化能力是有限的，從流域整體水資源綜合利用出發，利用水庫的水文特性和庫容特性補償，可以在提高洪水資源化利用程度和流域防洪減災等方面發揮重要作用，是實現洪水資源安全利用及水資源可持續利用的重要舉措[5]。

表3 兩庫并聯輸水隧洞設計引水流量比較表

本文研究并聯供水水庫的水文補償和庫容補償特性，由于東屏水庫和長林水庫水文特性相似，豐枯幾乎同步，因此選擇通過庫容補償提供洪水資源化利用程度，通過兩座水庫連通輸水隧洞的規模合理選擇和科學安全調度，盡量引長林溪洪水入東屏水庫資源化利用，提高東屏水庫的供水能力；同時也減輕長林溪下游的防洪壓力。將防洪減災與抗旱興利有機結合，使水資源綜合效益最大。

本文建立兩庫長系列逐日徑流調節聯合調度模型論證輸水隧洞引水流量，同時充分考慮小流域洪水源短流急的特點，逐時計算2年一遇、3年一遇、5年一遇等低頻率洪水，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對長系列逐日徑流調節聯合調度模型的計算成果進行復核修正。研究表明，通過設計引水流量20m3/s的引輸水隧洞并聯兩座水庫，可充分利用東屏水庫庫容大，調節性能強的優勢，補償長林水庫。模擬兩庫引水供水聯合調度的徑流調節過程可知，兩庫庫容補償提高洪水資源化利用程度過程中，對中小洪水的利用程度較高。在實際的引洪入庫資源化調度過程中，需結合洪水預報、確定每場洪水合適的引水時機和引水規模，同時也可輔以兩水庫攔蓄洪尾、東屏水庫汛限動態水位等措施提高洪水資源化利用程度[9]。

通過水庫補償特性分析，可以論證補調水工程的可行性及規模，更好地進行流域水庫聯合調度，充分發揮水庫間的補償作用，優化水資源配置，保障供用水安全[10]。