水庫旱限水位計算確定研究

李海軍

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

近年來我國旱災(zāi)頻發(fā)，范圍擴大，損失增加。干旱限制水位是確定江河、湖泊、水庫干旱預(yù)警等級的關(guān)鍵指標(biāo)，是抗旱應(yīng)急響應(yīng)的依據(jù)[1]。為開展江河、湖泊、水庫的干旱預(yù)警工作，2011年12月6日水利部下發(fā)了《關(guān)于確定干旱極限水位(流量)的通知》，全國正式著手開始干旱極限水位(流量)確定工作，許多專家及學(xué)者對旱限水位開展大量實踐研究[2- 9]。遼寧省作為全國3大試點省之一，開展了河流、水庫旱限水位確定研究工作，并取得了顯著的試點效果。遼寧省是一個經(jīng)濟大省，工農(nóng)業(yè)相對發(fā)達，同時也是一個水旱頻繁的省份。歷史上水旱災(zāi)害對全省經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展造成的損失非常嚴重，加快防災(zāi)減災(zāi)，提高防汛抗旱能力，是一項緊迫的任務(wù)。在防洪決策中，河流具有警戒水位和保證水位，水庫具有汛限水位、正常高水位和校核水位。在抗旱方面，沒有河流、湖泊和水庫的干旱預(yù)警指標(biāo)，嚴重影響了抗旱工作。目前，迫切需要一個表征干旱情況的指標(biāo)，因此開展旱限水位確定研究非常必要。

1 水庫旱限水位確定方法

1.1 分級旱限水位

結(jié)合各用水領(lǐng)域的重要程度，給出供水的優(yōu)先順序，在不同干旱程度下，針對不同用水戶制定相應(yīng)的供水限制計劃。因此，河流、湖泊和水庫的干旱限制水位也應(yīng)按等級確定，當(dāng)位于不同的水位時，應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的供水限制，以確保滿足重要用水戶的用水要求。給出分級干旱限制水位對實際應(yīng)用有很大的作用。各用水戶供水先后次序是：首先，居民生活供水保證率為97%；其次，工業(yè)供水保證率為95%；第三，農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率為75%；最后，生態(tài)供水保證率為50%。根據(jù)各用水戶供水先后次序，當(dāng)發(fā)生干旱時，供水限制順序為生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)級居民生活。

1.2 分期旱限水位

水庫的來水及供水受季節(jié)差異的影響，根據(jù)調(diào)查全省在生活、工業(yè)、生態(tài)等方面的用水變化較小，農(nóng)業(yè)用水較大，集中在5—6月份。干旱年份時，7月份也有一定的補水，但是水量較少，水庫來水量集中在7—8月份，另外就是開春的4月份。一般情況下，水庫供水量最大集中在5—6月份，7—8月份是水庫蓄水階段，水庫的來水能夠滿足各用水戶的用水量要求。汛期過后，水庫的蓄水應(yīng)該能夠滿足秋季到第二年春季各用水戶的用水需求。因此，水庫的旱限水位在不同月份實際上是動態(tài)變化的，由于7—8月份水量較大，能夠滿足用水戶用水要求，水庫的旱限水位最低；汛期結(jié)束后，水庫蓄水量需滿足秋季至第二年春季需水量，此時旱限水位最高，隨著汛期的到來，水庫旱限水位逐漸降低。為此，水庫的分期階段旱限水位應(yīng)根據(jù)水庫的來水、用水變化來確定。

1.3 旱限水位計算方法

水庫旱限水位采用逆序遞推的方法計算[10]。假定調(diào)度期末水位恰好達到水庫死水位，依據(jù)水庫興利調(diào)節(jié)原理，逆序遞推得到各月初水位。各月初水位即為月旱限水位，如下式所示：

Qhx,i=Ws,i+We,i+Wloss,i-Wp,i+Qhx,i(1≤i≤T)

(1)

Zh,i=f(Qhx,i)

(2)

ZT+1=Zdead

(3)

式中，T—水庫計算月時段數(shù)；Qhx，i—水庫i月的旱限水量，m3；Zhx，i—水庫i月的旱限水位,m；f(Qhx，i)—水庫庫容-水位曲線；Ws，i—旱限水位對應(yīng)的月社會經(jīng)濟需水量，m3；We，i—旱限水位對應(yīng)的月下泄生態(tài)流量，m3/s；Wp，i—旱限水位對應(yīng)的月的水庫設(shè)計來水量，m3；Wloss，i—水庫月蒸發(fā)、滲漏損失水量，m3；ZT+1—調(diào)度期末水位,m；Zdead—水庫死水位,m；Zlimit—水庫汛限水位,m；Znormal—水庫正常蓄水位,m。

2 大伙房水庫旱限水位計算確定

基于上文對于分期、分級旱限水位的分析，本次以大伙房水庫為例，首先以用水總量為考慮對象，根據(jù)用水、來水變化，確定年內(nèi)各月的旱限水位；其次，按照不同用水部門的優(yōu)先順序，根據(jù)用水、來水的年內(nèi)變化，確定分期、分級旱限水位。

2.1 用水總量的分期旱限水位

大伙房水庫各月用水、來水、應(yīng)供水量見表1。由于農(nóng)業(yè)灌溉，5、6月份用水總量最大，其余各月較小，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。對于水庫來水，4月份由于桃花水，來水有所增加，5月份又降低，6月份又開始增加，在7、8月份達到最大，9月份大幅回落。

根據(jù)上述用水總量、來水量過程，由水量平衡方程計算得到各月應(yīng)供水量，見表1。7、8月份有大量的富余來水，9月份有少量富余，4月份也有很少的富余，即可以認為7、8、9月份來水滿足用水，不需水庫放水，為水庫蓄水期，汛后的10月—次年6月來水小于用水，需要水庫放水，為水庫供水期。

表1 大伙房水庫各月用水、來水、應(yīng)供水量 單位：106m3

在每年的10月份，水庫蓄水量應(yīng)能夠滿足10月—次年6月的用水量，在這期間，隨著水庫放水，庫水位逐漸降低，因此，每個月都有一個蓄水量，對應(yīng)一個庫水位，這個水位就是每個月的旱限水位。根據(jù)上述論述，10月—次年6月期間，每個月的水庫蓄水量應(yīng)為當(dāng)月至次年6月各月應(yīng)供水量的總和，對應(yīng)的水位為各月的旱限水位，據(jù)此原理的計算結(jié)果見表2，按照大伙房水庫調(diào)度圖，采用水文年，即4月—次年3月，繪制表2中旱限水位過程線，如圖1所示。可見，在4、5月份，旱限水位約119m，7、8月份達到最低，10月份最大，達到122m此后逐漸降低，整個變化過程與大伙房水庫調(diào)度下限較為相似。

表2 大伙房水庫各月旱限水位計算表 單位：106m3

圖1 根據(jù)大伙房水庫總用水量計算的旱限水位

2.2 分級、分期旱限水位

計算(生活+工業(yè)+農(nóng)業(yè)+環(huán)境)的各月用水量，并結(jié)合各月水庫來水，計算應(yīng)供水量，分析蓄水期和供水期，在此基礎(chǔ)上計算供水期各月應(yīng)供水量及其庫水位，為旱限水位Ⅰ。

計算(生活+工業(yè)+農(nóng)業(yè))的各月用水量，并結(jié)合各月水庫來水，計算應(yīng)供水量，分析蓄水期和供水期，在此基礎(chǔ)上計算供水期各月應(yīng)供水量及其庫水位，為旱限水位Ⅱ。

計算(生活+工業(yè))的各月用水量，并結(jié)合各月水庫來水，計算應(yīng)供水量，分析蓄水期和供水期，在此基礎(chǔ)上計算供水期各月應(yīng)供水量及其庫水位，為旱限水位Ⅲ。

計算(生活)的各月用水量，并結(jié)合各月水庫來水，計算應(yīng)供水量，分析蓄水期和供水期，在此基礎(chǔ)上計算供水期各月應(yīng)供水量及其庫水位，為旱限水位Ⅳ。

大伙房水庫分級、分期旱限水位計算表見表3，按照水文年的不同級別旱限水位月變化過程如圖2所示。

表3 大伙房水庫分級、分期旱限水位計算表 單位：106m3

圖2 大伙房水庫不同級別旱限水位月變化過程

2.3 合理性及對比分析

(1)計算結(jié)果合理性

根據(jù)大伙房水庫歷年資料統(tǒng)計，1月份最低水位已連續(xù)11年低于121m，其中1989年1月28日至31日水位低于121m，其余年份各月水位低于121m。根據(jù)大伙房水庫調(diào)度情況，4月上旬至5月中旬、9月上旬至次年3月水庫運行下限為121m，基本符合水庫的抗旱極限水平。如圖3所示。

圖3 大伙房水庫調(diào)度圖

(2)2種計算方法對比分析

通過2種方法對比，以用水總量為考慮對象的方法，給出了各月旱限水位，即分期旱限水位，該旱限水位只是針對保障所有用戶情況下的狀況，未考慮干旱年時來水不足，針對不同用戶確定的旱限水位。按照不同用水部門的優(yōu)先順序方法，確定了分期、分級旱限水位，給出了干旱年份生+工+農(nóng)+環(huán)、生+工+農(nóng)、生+工、生活4種供水情況下水庫旱限水位，能夠更加準(zhǔn)確掌握不同供水對象組合時旱限水位情況。

3 結(jié)論

通過大伙房水庫旱限水位計算研究確定的旱限水位能夠有效指導(dǎo)大伙房水庫抗旱調(diào)度工作，保證不同重要性用水戶供水程度，真正發(fā)揮了干旱年份水庫按照供水限制順序為生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及居民生活的供水。對于以用水總量為考慮對象的旱限水位，缺少不同重要用水戶用水限制，此時生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及居民生活等用水優(yōu)先考慮順序?qū)⒑茈y劃定。文中以用水重要性情況下計算確定的水庫分期、分級旱限水位，很好地解決了用戶重要性供水分級的問題。另外旱限水位是動態(tài)的，還需要開展大量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，定期并及時更新確定旱限水位，才能有效保證干旱年份用水戶用水需求。