基于生態基流保障下的庫群聯合供水能力淺析

劉 哲，馬永勝

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 流域及工程概況

1.1 流域概況

澽水河為黃河的一級支流，流經韓城市中部；澽水河流域位于渭河北岸，流域內主要河流如下：

澽水河發源于黃龍縣大嶺南麓青化川化塔，于薛峰鄉上景峰村后進入韓城市境內，由東南流向轉為東北流向。在趙廉墳處匯入柏峪川水，其后又恢復東南流向。在薛峰村東匯入小迷川水，在胡凹村東匯入侯家峪水，出土門口進入平川地帶。先后又接納了板橋溝水、沙子溝水、潦水、芝水，到司馬遷祠東南匯入黃河，主河槽全長86 km，境內流程35 km。年平均徑流量1.27 億m3，境內徑流占29.3%，全流域面積795 km2，境內流域面積320.5 km2。

小迷川為澽水河左岸支流，發源于黃龍山區任家溝，源頭高程1623 m，河流走向基本呈西北至東南，在韓城市板橋鎮薛峰村北匯入澽水河，流域面積53.2 km2，河流長度22.47 km；水庫壩址位于板橋鎮王坪村附近，距小迷川入匯口1.6 km，壩址以上控制流域面積46.6 km2，河道長度20.87 km，壩址以上河床平均比降2.12%。

侯家峪為澽水河右岸支流，發源于黃龍山區嶺西至禹山一帶，源頭高程為1228 m，河流走向基本呈東西走向，在韓城市板橋鎮嶺底村西北530 m 處匯入澽水河，總流域面積40.3 km2，河流長度16.1 km；水庫壩址位于板橋鎮胡凹村附近，距侯家峪匯流口0.9 km，壩址以上控制流域面積34.6 km2，河道長度15.2 km，壩址以上河床平均比降2.08%。

1.2 工程概況

澽水河流域是韓城市社會經濟中心，經過多年水利工程建設，已形成以澽水河干流薛峰水庫為主水源、地下水為補充、“380”巖溶水為備用的供水格局。隨著社會經濟不斷發展，中心城區用水量逐年攀升，薛峰水庫[1]供水任務也逐漸由農灌供水為主向城市供水為主轉變，近三年城鎮供水量年均增長均超過14%，年均用水量已超過1000 萬m3，農灌供水量嚴重短缺。為保護地下水環境，限制中心城區“380”巖溶水過度開發，2019年韓城市政府要求原自備水源井將逐步關閉，作為應急備用水源。進一步將供水任務轉移到主要的地表水源——薛峰水庫。為了緩解薛峰水庫日益凸顯的供水壓力，建立區域地表水源連通聯調系統，修建了小迷川水庫[2]、侯家峪水庫[3]作為薛峰水庫的補充水源。

4.2.1 徑流成果分析

圖1 薛峰水庫供水系統位置示意圖

人臉匹配技術能夠對各個交通路口進出學校的行人進行檢測，并通過人臉對身份進行識別，通常用于檢測某個人在哪里出現，用于考勤或者是定位嫌疑人的移動軌跡。

小迷川水庫：位于澽水河小迷川支流匯入口上游，小（1）型庫。水庫總庫容452 萬m3，興利庫容263 萬m3，淤積庫容83 萬m3，調洪庫容106 萬m3。

第三，不僅如此，數碼攝影的強大融合能力，甚至讓傳統二維照片的“決定性瞬間”也黯然失色。按下快門的瞬間與物體被拍攝的瞬間相吻合，銜接過去與現實的可能性正是基于這兩個瞬間的吻合。攝影大師布列松曾經制造過難以計數的決定性瞬間，巴特認為這個存在過的瞬間就是攝影的本質，斯蒂格勒認為瞬間是從一去不復返的過去中抓回真實事物，就像我們抓住“星星發出的延遲的光線”[9]18。然而，數碼攝影借由與各種超鏈接、混合媒介的結合，輕易拉長或擴大了這種瞬間，其中包括將瞬間延展為電影。它“被看作一種對時間的更有彈性的感知，未來和過去彼此交纏，與現在具有同樣決定性”[1]149。

侯家峪水庫：位于澽水河侯家峪支流匯入口上游，?。?）型庫。水庫總庫容323 萬m3，興利庫容161 萬m3，淤積庫容81 萬m3，調洪庫容75 萬m3。

基于上述情況，韓城市相繼規劃建設了小迷川水庫、侯家峪水庫，作為薛峰水庫補充水源，以保障中心城區及薛峰灌區未來發展用水。

薛峰水庫供水系統位置示意圖見圖1。

2 水資源開發利用現狀

薛峰水庫建于1973 年，建設時未設置專門的生態水量下泄措施，僅以汛期難以存蓄的洪水下泄補充生態用水，導致流域水生態環境較為脆弱。為維護河道生態健康，保障河流生態系統良性循環，2019 年5 月5 日韓城市水務局發布《關于保障澽水河、盤河正常生態基流工作的通知》（韓水發【2019】43 號文），要求“在正常供水情況下，澽水河生態基流不能低于多年平均徑流量的15%”。

通過上述水庫群聯合調度方式研究和聯調優化模型設計原則，按照大協調分解系統的理論，建立的水庫群聯合優化調度流程圖，見圖2。

表2為改善因子a對最優值的影響。結果顯示，當其他參數不變時，隨著a的增加，N*顯著增加，m*基本保持不變，全周期期望維修費率逐漸變小。這是因為對MC實施的不完全維修效果越好，則只依靠不完全維修就能夠更好的維持系統運行，替換維修的需求就越小，維修費率也就會變小。

3 水庫群聯合優化調度模型

3.1 水庫群聯合優化調度模型設計

本文對澽水河流域薛峰水庫、小迷川水庫、侯家峪水庫的水庫群聯合優化調度系統進行整體設計，按照系統論的理論和方法，以大系統分解協調方式，確定其最優聯合調度模式[4]，統籌考慮聯合調度系統內各水庫（水源）特性，在滿足既定生態基流要求下，應對不同城鎮生產、生活以及農業灌溉需水，進行多方案綜合比選，從而使得庫群系統獲得效益最大化[5]。因此，澽水河流域內水庫群聯合優化調度模型設計原則如下：

企業持續發展的需要。企業進行人工成本管理，不是為了壓低員工工資水平，根本目的是充分挖掘人員潛力，提高工作效率，有效提高企業的競爭力與生命力，促進企業的持續發展。

首先，聯合調度系統涉及薛峰水庫、小迷川水庫、侯家峪水庫三個獨立水源，需建立庫群聯合調度模型，進行三水庫的聯合優化調度；若天然徑流滿足聯調系統需要時，預留各斷面生態基流，來水依次滿足生態、城市用水及農業灌水要求，余水按照先干流、后支流的優先順序充蓄水庫；若天然徑流無法滿足聯調系統需要，則依次薛峰水庫、小迷川水庫、侯家峪水庫滿足城市用水需要，然后解決農業需水要求；在調節過程中，應充分利用薛峰水庫“徑流多、庫容大”的干流調節能力，優先利用澽水河干流以及薛峰水庫水量，不足部分再根據“以缺定供”原則，利用小迷川水庫、侯家峪水庫調蓄，盡量發揮薛峰水庫以大帶小的龍頭水庫調節性能。

3.2 水庫群聯合優化調度流程圖

近來年隨著中心城區經濟社會的快速發展，建成區范圍的不斷擴大，城鎮用水量逐年攀升，灌區面積受城市拓展擠壓，原北干渠、中干渠有效灌溉面積已基本喪失，設計灌溉面積由16.05 萬畝逐年減少至現狀約6.1 萬畝，水庫供水結構發生了較大調整，供水能力不足的問題日益凸顯。

生態需水：生態基流按水庫壩址處下泄多年平均天然徑流量不低于15%推算。

圖2 澽水河流域水庫群聯合優化調度流程圖

4 澽水河流域水庫群聯合優化調度計算與分析

4.1 生態基流要求

按照《通知》要求“在正常供水情況下，澽水河生態基流最低不能低于15%”，滿足北方河流生態基流要求為河道天然徑流量的10%～30%相關規范要求。薛峰水庫壩址處調節時段1975 年～2015 年共40 年內多年平均徑流量為5916 萬m3，河道生態基流量為0.282 m3/s；小迷川水庫、侯家峪水庫壩址處生態基流分別為0.021 m3/s、0.015 m3/s。

4.2 水庫供水能力分析

我長期坐著工作，腰酸背疼不說，還有輕微失眠癥，體力也不斷下降。有次，我去體育館鍛煉，教練指著旁邊“蹲”著的阿姨對我說：“你也試試吧！”

依據徑流分析，薛峰水庫壩址流域在一般平水年（P＝50%）、一般干旱年（P＝75%）和特大干旱年（P＝95%）情況下，年來水量分別為3653 萬m3、2307 萬m3和1952 萬m3。從1975年～2015 年40 年天然徑流量過程中扣除壩址上游生活、生產耗水量后，則規劃水平年壩址斷面設計入庫水量為5916 萬m3。按照同樣的水文分析計算方法，小迷川、侯家峪水庫壩址多年平均壩址處天然入庫徑流量分別為431 萬m3、320 萬m3。

此外，由于上述各水庫壩址取水斷面上游、未規劃其它水利工程，可不考慮上游用水要求。因此，不再進行扣水計算，規劃水平年設計入庫水量即為壩址天然徑流量。

薛峰水庫：位于澽水河干流，是韓城市唯一一座以農田灌溉和城市供水為主，兼防洪、攔泥綜合效益的中型水庫，總庫容4360 萬m3，設計供水能力4000 萬m3，設計灌溉面積16.05 萬畝。興利庫容3024 萬m3，防洪庫容240萬m3，已淤積庫容396 萬m3。

4.2.2 對象需水量

基于以上討論，本文重點考慮抗滑樁受荷段底端的土拱跨中前緣M點的三向應力狀態。其中，M點水平面內的應力為σx和σy，σx為樁后土拱拱頂處的軸向壓應力，σy為樁側土拱對樁后土拱的反力，豎向應力σz可由受荷段底端的土體自重應力算出，因此，M點三向應力表達式為：

任意隧道與赤道面的唯一區別在于，赤道面隧道物體的起始點為(R,0,0)，而任意隧道的起始點可設為(Rcosθ,0,Rsinθ)。兩者的運動方程是一樣的，接下來我們將對其進行討論。

城市需水：韓城市第二水廠供水水源為薛峰水庫，設計能力為5 萬t/d。

灌溉需水：薛峰水庫灌區現有效灌溉面積6.1 萬畝。毛灌溉定額為151 m3/畝，灌溉水利用系數0.60，灌溉需水量為921 萬m3。

4.2.3 水庫群聯合調度供水量

優先滿足三個水庫各自壩址下游多年平均徑流量15%河道生態基流；其次滿足生活、工業用水，時段保證率不小于95%控制；再次為農灌需用水，灌溉保證率不低于50%。三水庫調節起調水位為均為死水位，調節時段為月，起調月份為1975年7 月，調節末時段為2015 年6 月，進行時段閉合循環調節計算。成果見表1。

表1 澽水河流域水庫群聯合優化調度前后結果對比分析表單位：萬m3/a

（1）對于生態基流，原設計方案由于薛峰水庫在20 世紀70 年代設計時未設生態放水口、也沒有生態放水任務，小迷川水庫、侯家峪水庫設計時預留了10%生態基流，其生態下泄水量分別為：13.7 萬m3、7.96 萬m3；庫群優化調度方案中，薛峰水庫壩址處保障生態基流的下泄水量700 萬m3，小迷川、侯家峪水庫壩址處年下泄生態基流水量分別為：50 萬m3、35 萬m3，三庫合計生態下泄生態基流水量為785 萬m3，較原設計方案增加762 萬m3。

（2）對于城市供水，薛峰水庫近三年平均城市供水量1113 萬m3，小迷川、侯家峪水庫設計城市供水量分別為：48.9 萬m3、65.5 萬m3，因此原設計方案下三水庫合計城市供水為1228 萬m3，對應的城市供水保證率僅84.1%，不滿足城市供水要求；通過庫群聯合優化調度，庫群組成的聯調系統合計城市供水量1620 萬m3，時段保證率95%，滿足規范要求，城市供水量增加量約392 萬m3。

（3）對于農業灌溉，薛峰水庫現狀近三年實際灌溉農灌供水量約為357 萬m3，小迷川、侯家峪水庫設計農灌供水量分別為：155.7 萬m3、63.6 萬m3，因此三水庫合計農灌水量為577 萬m3，灌溉保證率達到62.7%。在聯合優化調度情況下，聯調系統雖然農灌供水量減少為383 萬m3，但其供水保證率未有較大降低，農灌年保證率51.6%，仍能滿足規范要求灌溉50%的年保證率。

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5 結論

本文從協調澽水河流域生態用水要求、提升水資源供給側的安全保障能力出發，通過建立流域內庫群連通聯調系統，采用合適的優化計算方法，確定合理的流域水資源開發利用方案，優先保障河道生態基流、統籌協調城鎮及農灌用水，合理調配水資源，取得了較為顯著的效果。