基于水利樞紐工程水資源配置任務(wù)研究

王曉慶

(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

1 研究背景

某流域位于我國西南部，全長(zhǎng)1158 km，在最大水利樞紐工程壩址處，徑流量占水文站斷面流量的95%以上。該水利工程具有保障流域生態(tài)供水的作用，兼顧防洪、灌溉以及水力發(fā)電等作用，是該流域中重要的水利樞紐工程。水庫設(shè)計(jì)蓄水位為1850 m，庫容為20×108m3，死水位為1750 m，死庫容為8.5×108m3，可調(diào)節(jié)庫容為12.5×108m3，水利樞紐工程裝機(jī)容量為800 MW，年均發(fā)電量為21.3×108kW·h。

2 區(qū)域水資源特點(diǎn)分析2.1 水資源的年內(nèi)變化情況顯著

該流域?yàn)榈湫偷拇箨懶詺夂颍陜?nèi)氣溫變化明顯且晝夜溫差大、氣候干燥、平均日照時(shí)間長(zhǎng)、蒸發(fā)量大、區(qū)域降水量較少。流域水資源補(bǔ)給源主要為雪融水，形成于山區(qū)、消耗于平原。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，該流域的地表水資源量為76.5×108m3，水資源補(bǔ)給量為0.92×108m3。該流域由于特殊的水資源補(bǔ)給特點(diǎn)，導(dǎo)致水資源的年內(nèi)變化情況極為顯著，流域汛期的水資源量約占全年水量的75%，因此，徑流年內(nèi)分配呈現(xiàn)為失衡的狀態(tài)。雪融水不僅是流域的主要補(bǔ)給水源，當(dāng)雪融水流經(jīng)至平原區(qū)域后將成為地下水的主要補(bǔ)給源。地下水與補(bǔ)給量之間具有相關(guān)性，若遭遇枯水期時(shí)，地下水的補(bǔ)給量將會(huì)明顯降低，并且在區(qū)域用水需求較大以及水資源開發(fā)利用程度較大的背景下，區(qū)域灌區(qū)的水位呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)[1]。除上述問題外，區(qū)域水資源年內(nèi)的高度集中，導(dǎo)致自然來水與需求之間嚴(yán)重失衡，從而導(dǎo)致流域頻繁發(fā)生干旱等自然災(zāi)害。灌區(qū)中工業(yè)及生活用水的供應(yīng)應(yīng)建立起較為穩(wěn)定的關(guān)系，但根據(jù)實(shí)際情況來看，灌區(qū)用水高峰經(jīng)常發(fā)生在流域的枯水期；而在流域的汛期，既要保障生態(tài)供水，同時(shí)需要進(jìn)行集中下泄。為了能夠有效地控制區(qū)域中干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生，需要在水資源的調(diào)節(jié)過程中考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此，流域需要配備相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行自然水資源的調(diào)蓄。

2.2 區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與水資源分布不協(xié)調(diào)

流域中河川徑流補(bǔ)給來自上游山區(qū)雪融水，平原地區(qū)水資源補(bǔ)給幾乎可以忽略，且城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)較為集中，人口基數(shù)較大，灌溉區(qū)域數(shù)量眾多。不僅是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要區(qū)域，也是水資源消耗的主要區(qū)域。根據(jù)政府的相關(guān)規(guī)劃部署，流域中游區(qū)域計(jì)劃加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，隨之將激化水資源供需之間的矛盾[2]。

根據(jù)當(dāng)前區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及流域水資源的分布、調(diào)配情況來看，二者之間具有極大的不適應(yīng)性。當(dāng)前區(qū)域已有需水工程的供水能力僅達(dá)到流域總水資源的10%，分析流域水資源的補(bǔ)給情況發(fā)現(xiàn)，只有對(duì)水資源實(shí)施科學(xué)的配置才能達(dá)到區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境的目的。因此，在當(dāng)前區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與水資源分布不協(xié)調(diào)、水資源供需矛盾顯著的狀態(tài)下，應(yīng)采用增加水利樞紐工程的方式進(jìn)行水資源的合理配置。

3 當(dāng)前區(qū)域水資源開發(fā)利用以及供需情況分析

3.1 區(qū)域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析

目前該區(qū)域年綜合總用水量為73.5×108m3，其中農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的98.5%，灌溉區(qū)年地表水總引水量(包括雪融水、河流水以及水庫水)為64.2×108m3，地表水資源開發(fā)利用率為83.1%。區(qū)域中地下水資源總利用量為8.2×108m3，地下水資源開發(fā)利用率為100%。由于河川徑流補(bǔ)給來自雪融水，年內(nèi)的分配情況極為不平均，尤其在3—6月枯水期階段，河流的徑流量約占全年徑流量的17%，但灌區(qū)同期的需水量約占全年需水量的40%。加之灌區(qū)所在地區(qū)的地理位置因素，致使水庫中蒸發(fā)、滲漏損失較為嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)可知，灌區(qū)平原水庫的年損失量為5.9×108m3，約占地表水限額引水量的9.5%。另外，流域的泥沙總量為3379.6×104t，這部分泥沙將隨徑流進(jìn)入灌區(qū)平原水庫，造成水庫有效庫容遞減約7%，并導(dǎo)致水庫發(fā)生泥沙淤積，不利于水庫的供水。

3.2 針對(duì)當(dāng)前供需狀態(tài)的分析

當(dāng)前區(qū)域年綜合總用水量為73.5×108m3，在灌溉保障率為50%的前提下，可為流域干流提供生態(tài)水量為9.7×108m3，灌區(qū)的缺水總量為2.4×108m3，剩余水量為2.8×108m3。目前，通過采用限額引水的方式能夠有效地保障流域干流的生態(tài)供水需求，但由于區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，在流域的枯水期仍會(huì)形成缺水等問題。當(dāng)灌溉保障率為75%時(shí)，3—6月枯水期的缺水量為4.15×108m3，剩余水量為1.9×108m3。缺水的原因，主要是由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，灌溉需水量顯著地增加。雖然當(dāng)前已經(jīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)流域干流區(qū)域采取了治理措施，但仍然存在無法滿足枯水期農(nóng)業(yè)灌溉用水的需求的現(xiàn)象[3-4]。

4 區(qū)域水資源供需分析

區(qū)域中灌溉保障率為75%時(shí)，水資源供需調(diào)節(jié)方案如表1所示。

表1 區(qū)域中灌溉保障率為75%時(shí)水資源供需調(diào)節(jié)方案

由表1可知，方案一為不采取節(jié)水措施，灌區(qū)的缺水量為7.1×108m3，缺水的主要原因是由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，需水量增加，造成了供需矛盾的激化，灌溉設(shè)計(jì)保證率僅達(dá)到10.2%，長(zhǎng)系列計(jì)算灌溉庫容為7.8×108m3。方案二中灌區(qū)實(shí)施節(jié)水改造后有效地提升了水資源的利用率，但灌區(qū)仍存在缺水的情況，缺水量為1.9×108m3，分析原因是平原水庫中具有大量的泥沙淤積，影響了調(diào)蓄水平，灌溉設(shè)計(jì)保證率僅達(dá)到41.4%，長(zhǎng)系列計(jì)算灌溉庫容為1.9×108m3。方案三為將平原地區(qū)中灌溉效率較差及存在的較大損失的水庫廢棄，在此狀態(tài)下灌區(qū)的缺水量為3.0×108m3，缺水的主要原因是由于廢棄平原水庫同時(shí)會(huì)降低調(diào)蓄庫容量，導(dǎo)致流域出現(xiàn)水庫調(diào)蓄能力不足的情況，灌溉設(shè)計(jì)保證率僅達(dá)到32.8%，長(zhǎng)系列計(jì)算灌溉庫容為2.9×108m3；方案四為新建水利樞紐工程建成后將不再出現(xiàn)灌區(qū)缺水的情況，此時(shí)灌溉設(shè)計(jì)保證率可達(dá)到75.9%，說明新建水利樞紐工程建成投入使用后，能夠提升灌區(qū)水資源的調(diào)蓄，增加灌區(qū)供水，使水資源的分配更加的合理。

5 水資源合理配置保障措施

新建水利樞紐工程與平原水庫采用聯(lián)合調(diào)度方式運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 新建水利樞紐工程與平原水庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式

由圖1可見，流域的蓄水期(7—10月，次年1—2月)，當(dāng)新建水利樞紐工程的庫容水位高于生態(tài)調(diào)水水位后將形成人造下泄洪水，淹沒下游植被，當(dāng)庫容水位低于生態(tài)調(diào)水水位時(shí)則會(huì)顯著減少下游植被淹沒的次數(shù)。在流域汛期新建水利樞紐工程的最大庫容水位不得超過1820 m。10月根據(jù)水庫實(shí)際的蓄水情況進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)水庫庫容高于灌溉供水調(diào)度線后可不進(jìn)行水庫蓄水，僅實(shí)施來水發(fā)電，若低于灌溉供水調(diào)度線時(shí)，在有需水要求的情況下可根據(jù)下游工農(nóng)業(yè)的需求進(jìn)行放水發(fā)電。由于所在地區(qū)冬季氣溫較低，為了防止水庫發(fā)生輸水冰凌，應(yīng)下泄生態(tài)基礎(chǔ)流量，平原地區(qū)水庫進(jìn)行蓄水反調(diào)節(jié)。在供水期11—12月時(shí)若供水低于發(fā)電泄水則可按照發(fā)電放水，反之按照實(shí)際需求供水；次年3—6月按照電調(diào)服從水調(diào)的原則，對(duì)于存在春旱缺水的情況進(jìn)行一定的補(bǔ)給，并根據(jù)灌溉供水進(jìn)行供水發(fā)電。

6 結(jié) 語

通過新建水利樞紐工程能夠?qū)α饔蛩Y源進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)控，能夠在保障生態(tài)供水的情況下對(duì)流域?qū)嵤┥鷳B(tài)供水、提供汛期供水，有效地改善了灌區(qū)供水能力。由此可見，該工程在流域水資源的配置中具有重要的作用及意義。