徑流調節概率法在多年調節水庫中的應用

黃鑫平

（廣東省天中勘測規劃設計有限公司惠州分公司，廣東惠州 516300）

0 引言

針對徑流在天然狀態下產生的供需矛盾，可以考慮水利設施的建設，以調節的方式改善原始狀態，興利除害，充分發揮水資源的利用價值，緩解水利問題。其中，徑流調節概率法屬于徑流調節的常見方法，工程實踐中可聯合應用調度圖，有效應對多年調節復雜度高的工程場景，保證徑流調節的有效性。

1 工程概況

顯崗水庫是綜合利用開發沙河水利資源的骨干工程之一。水庫壩址以上集雨面積295km2，占沙河全流域集雨面積的23.6%，干流河長39.56km，干流坡降2.7‰。設計洪水標準為500年一遇，設計洪水位27.30m，相應庫容12555萬m3；正常蓄水位24.00m，相應庫容6875萬m3；死水位15.55m，相應庫容226萬m3；水庫直接供水的灌區引水涵管進口底高程較高，在水位18.99m時才能滿足灌溉取水需求，90%保證率灌溉保證率時水庫水位不低于19.00m。

2 徑流

2.1 雨量資料

本工程流域范圍內有顯崗水庫雨量站，該站建于1960年，現設立在主壩與2#壩交接處的水庫管理局辦公樓上，采用ST1型虹吸式雨量計自動觀測儀觀測和人工觀測兩種方法，全年每天早上8時觀測，8:20前報送雨情至市水文分局，3h累計雨量≥50mm時加報。顯崗雨量站為國家站，水文氣象測驗、整編均按規范執行，資料質量完整可靠、資料系列較長、代表性好，可作為本次設計年徑流量及年內分配的依據。

本次收集到顯崗水庫建庫以來雨量觀測資料，資料系列為1960—2019年，水文年系列長度為59年，滿足本次興利調節計算需要。

2.2 設計年徑流

流域范圍內的雨水具有冬春少、夏秋多的雨量分布特征。全年內，汛期為4—9月，雨量約占全年降雨總量的83%。降雨為徑流的主要來源途徑，徑流年內分配與降雨基本相應。考慮到缺乏流域實測徑流資料的特殊性，需要探尋適宜的方法，作為年徑流設計時的技術支撐[1]。為此，提出如下兩種可用于設計年徑流的方法。

方法一：查閱《廣東省水文圖集》，從中識別反映流域重心的年徑流深，綜合已經掌握的流域面積數據展開計算。

方法二：用顯崗雨量站多年平均降雨量作為流域平均降雨量，根據《圖集》中的年降水量、年徑流深等值線查出顯崗流域重心的年降水量和年徑流深，計算出徑流系數為0.61，再乘以顯崗多年平均雨量得出多年平均年徑流量。

上述兩種方法計算的多年平均年徑流量成果見表1。

從表1來看，兩種方法的計算結果相差在2.0%以下，相差很小，可見顯崗水庫雨量站可以作為流域代表站。因此本次使用由顯崗站實測降雨量計算得出的設計值，具體為：年徑流深1133.4mm，多年平均流量10.6m3/s，多年平均年徑流量33435.3萬m3，計算成果見表2。

表2 顯崗水庫設計年徑流成果

2.3 徑流調節計算

顯崗水庫集灌溉、防洪、發電多項功能于一體，屬于多功能的大（Ⅱ）型水利樞紐。縱觀水庫演變進程，發現供水對象及規模較之于以往均有變化，原本灌區供水為主的功能在現階段相對淡化，逐步朝著生態供水、城鎮居民供水等方向發展。

本次需水量規劃水平年取2030年。其中顯崗水庫灌區設計保證率為90%，城鎮供水保證率95%，生態供水保證率結合水庫實際能達到的程度擬定（根據興利調節計算成果，保證率為灌溉一致，取值90%）[2]。

3 灌溉需水

3.1 作物組成、灌區主要渠系情況

灌區內土質以砂壤土為主，農業生產以水稻為主，兼有玉米、冬瓜、香蕉、甘蔗、花生、蔬菜等經濟作物，水田耕作制度大多為雙季稻連作加喜涼的冬季作物，冬種作物一般為蔬菜、蠶豆或油菜等，經濟作物以蔬菜為主，在此基礎上輔以甘蔗、花生等經濟作物。

3.2 灌溉定額分析

灌區砂壤土灌溉定額均值為650m3/畝，Cvm為0.23（相應Kp值10%、50%、90%頻率分別為0.719、0.983、1.304）。經濟作物灌溉需水量相對較小，經濟作物灌溉定額可按水田定額的30%計算。

經過配套設施的完善和節水改造措施的落實，顯崗灌區的灌溉狀況發生改變，此時取灌溉水利用系數η為0.6175，田間水利用系數η2為0.95，渠系水利用系數η1為0.65。

3.3 供水需水量

根據《惠州市博羅縣顯崗水庫應急備用水源供水工程供水方案》、《顯崗水庫城鎮供水分配方案報告》（均為批復），至2030年，顯崗水庫對湖鎮鎮的供水量5萬t/日，長寧鎮的供水量5萬t/日，龍華鎮鎮的供水量2萬t/日，園洲鎮的供水量5萬t/日，龍溪街道辦4萬t/日，羅陽街道辦9萬t/日，合計顯崗水庫的城鎮供水規模為日供水30萬m3。但其中只有園洲鎮的供水量5萬t/日的《博羅縣園洲鎮羅浮供水有限公司供水工程初步設計報告》取得批復。

考慮水庫調度主要針對近期情況，因此本次供水需水量按現狀的湖鎮鎮的3萬t/d、長寧鎮的3萬t/d及已批復的園洲鎮5萬t/d，合計供水11萬t/d[3]。

3.4 下游河道生態補水量

顯崗水庫是沙河的骨干水庫，需下泄一定的流量來滿足下游河道生態需水要求。

取多年平均流量的10%進行下游河道生態用水計算，即1.06m3/s，折合3343.5萬m3/年。

4 徑流調節計算

4.1 水庫水量損失

分別確定水庫蒸發增損量和滲漏損失量兩項數據，共同作為水庫的水量損失。考慮顯崗水庫為大型水庫、且雨量資料系列較長，為保證徑流調節計算成果的合理性，本次采用長系列法進行徑流調節計算，簡化計，水庫水量損失按天然徑流的百分比進行扣除，以凈徑流進行長系列調節計算；結合《廣東省博羅縣顯崗水庫灌區續建配套與節水改造工程初步設計報告》里水量損失計算成果，水庫的天然徑流量按來水量扣除5%的水量損失來計算[4]。

4.2 水庫特征水及興利庫容

顯崗水庫大壩設計洪水標準為500年一遇，設計洪水位27.30m，相應庫容12555萬m3；正常蓄水位、死水位分別為24.00m、15.55m，相應庫容分別為6875萬m3、226萬m3。滿足灌溉引水需要的高程為19.00m，對應的庫容為1640萬m3。

大洞水庫死水位25m，對應庫容18萬m3；正常蓄水位37m，對應庫容790萬m3。

4.3 水量平衡計算分區

根據顯崗水庫灌區的水源及灌溉渠道分布情況，將灌區分為3個水量平衡區。

水量平衡區一：大洞水庫平衡區，大洞水庫直接灌溉范圍面積0.56萬畝，水庫按年調節水庫進行調蓄計算，缺水部分由顯崗水庫直接補充。

水量平衡區二：白勘角水閘區間，包括從白勘角水閘、雞心嶺水閘引水的灌溉區域，灌溉面積合計4.55萬畝，該片區先有顯崗水庫下游區間水進行水量平衡計算，缺水部分由顯崗水庫直接補充。

水量平衡區三：顯崗水庫直接供水區域，顯崗水庫直接供水的灌區面積2.14萬畝（放水涵管進口底高程較高，在水位19.00m時才能滿足灌溉取水需求），另外還有城鎮供水、下游生態補水及水量平衡區一、二的補水，顯崗水庫為本供水系統的骨干水庫，由最終的顯崗水庫調蓄計算后確定各供水對象的供水保證程度。

4.4 徑流調節計算

興利調節計算按照水量平衡原則進行興利調節計算，當庫容低于死庫容時認為興利破壞，當庫容超過正常庫容時，多余水量為棄水。

白勘角水閘區間徑流利用系數，考慮下游河道生態需水的影響，河道引水的徑流利用率本地區一般取值0.5。

各興利保證率，N年中，K年滿足的某個興利對象的保證率經驗頻率。

式中：N——系列長度，本次為59年；k——某個興利對象供水滿足的年數；Pk——某個興利對象供水保證率。

另外，顯崗水庫直接供水的灌區涵管進口底高程較高，在水位19.00m時才能滿足灌溉取水需求，因此在灌區設計保證率時，水庫的水位不能低于19.00m。

水庫的興利庫容僅6649萬m3（滿足灌溉的水位19.00m以上興利庫容僅5235萬m3），相比于多年平均徑流量33435.3萬m3，水庫調節系數為19.9%（滿足灌溉的水位19.00m以上調節系數僅15.7%），水庫調節性能為年調節水庫，實際水庫來水量相對較為豐富，年調節可以滿足興利需求。

經長系列興利調節計算，灌溉供水，1963年、1964年、2002年、2011年等共4年灌溉遭到破壞，則灌溉保證率為93.3%，滿足灌溉保證率90%的要求。生態供水，在下泄生態流量1.06m3/s情況下，除上述灌溉供水破壞的年份外，其余年份都能保證，則生態供水保證率為93.3%，取整為90%，與灌溉供水保證率一致，可見水庫水量相對較為充足。城鎮供水，考慮90%保證率灌溉供水水量75%，僅1963年遭到破壞，則城鎮供水保證率為98.3%，經過數據的對比分析可以發現達到95%的城鎮供水保證率要求；如僅考慮城鎮供水，則目前系列全部年份都可以滿足，考慮系列長度有限，仍按1963年破壞考慮，即城鎮供水保證率為98.3%，滿足城鎮供水保證率95%的要求[5]。

5 調度圖繪制

防破壞線的繪制：通過逆時序對各設計代表年進行徑流調節計算，從死庫容對應的水位開始起調，然后取各月水庫有效蓄水量的上包線作為防破壞線；根據水庫實際情況，繪制90%保證率的生態、灌溉、生活供水防破壞線，90%保證率的灌溉、生活供水防破壞線，超過90%枯水年灌溉用水已部分破壞、生活供水防破壞線，95%保證率僅生活供水防破壞線。

發電調度：在水庫水位19.00m以上結合灌溉等興利需求進行發電，在來水豐富的4—7月份水庫水位低于水庫汛限水位（或正常蓄水位）2.0m以內、8月份為低于水庫汛限水位2.0~1.0m的過渡月份、其余月份水庫水位低于水庫汛限水位（或正常蓄水位）1.0m以內，電站按保證出力發電，盡量通過發電控制水庫水位上漲；由于水庫在溢洪道泄洪時水頭差較大，發電效果較好，結合電站設計水頭較大的特點，水庫泄洪時（或水位超過汛限水位）電站加大出力發電。

各防破壞線，結合趨勢適當修勻調整，保證調度圖各個區域的合理性。調度圖見圖1。

圖1 顯崗水庫運行調度

6 結語

綜上所述，文中結合工程實例，針對工程特點，首先對工程灌溉定額及供水需水量進行了分析，并就徑流調節計算中的水庫水量損失、興利庫容及水量平衡計算進行了詳細的研究，綜合考慮類似工程的工作經驗，經過分析后篩選出關鍵參數，以便進行工程規模的論證。富有邏輯地計算與分析后，提高了水庫的綜合利用效益，采用的徑流調節概率法在該工程中具有可行性，可在類似工程中推廣應用。