爛竹沖水庫時段汛限水位設置與洪水資源化利用

范光強

益陽市赫山區龍光橋街道農業綜合服務中心，湖南益陽 413000

益陽市水旱災害頻發，且因降雨時空分布不均，灌溉水資源短缺，水資源不足已經成為制約農業生產和社會發展的重要因素[1]。益陽市龍光橋街道是益陽市農業生產重點基地，主要種植農作物為水稻，水庫蓄水是山丘區主要灌溉水。隨著國家對糧食生產的重視，大面積推廣雙季水稻種植，洪水災害與水資源短缺成為本地區經濟發展的瓶頸問題。如何挖掘當地水資源利用潛力，以水資源可持續利用支撐農業生產和地區經濟社會發展，成為關系到糧食安全和的人民利益重要問題。

汛期既是水庫防洪除害的主要時期，也是增加水庫蓄水量、實現興利目標的關鍵時期，防洪與興利矛盾尤為突出[2]。洪水資源安全利用是緩解水資源供需矛盾的重要途徑，也是處理好水庫防洪與蓄水矛盾，以及實現洪水資源安全利用、提升水庫綜合利用效益的重要手段之一[3]。利用洪水利害的雙重特性，從洪水控制向洪水資源管理利用轉變，提高水庫洪水資源化利用能力、優化水庫防洪參數、合理進行水庫洪水資源化調度是一種直接經濟的非工程措施，可有效地利用雨洪資源，變主汛期洪水為可利用水資源。目前，益陽市中小型水庫汛限水位設置如何在確保水庫安全的前提下，有效地發揮水庫工程的供水作用，合理地利用正常水位以下重疊庫容。而傳統的水庫調度方式單一，缺乏靈活性，未能充分發揮水庫的調節功能，導致出現許多水庫汛期棄水，汛后無水可蓄的矛盾和長期的低水位運行無法滿足興利要求的尷尬局面[4]。故選擇益陽市赫山區龍光橋街道具有典型代表意義的爛竹沖水庫為研究對象，對水庫氣象水文特征、水庫蓄水供水情況等進行研究，分析傳統調度方式的不足之處，研究爛竹沖水庫汛限水位分時段動態水位設置，為解決目前爛竹沖水庫灌溉受益區灌溉水源短缺、防洪與水庫興利矛盾提供技術支撐，指導該地區其他13座小型水庫合理運行調度，也為水資源調度的決策服務提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 爛竹沖水庫概況

爛竹沖水庫位于湖南省益陽市赫山區龍光橋街道高嶺村(112°22′E，28°31′N)，是湘江一級支流撇洪新河支流清溪河上游的一座以灌溉為主，結合防洪、養殖、供水等綜合效益的小(一)型水利工程，屬于調節型水庫。庫區位于亞熱帶濕潤性季風氣候區，氣候溫和，四季分明，嚴寒期短，無霜期長，溫差較大，日照時間長。根據赫山區氣象站氣象觀測資料統計，多年平均降雨量為1 482.7 mm，多年平均蒸發量為1 181.0 mm；歷年最大風速為20.0 m/s，多年汛期最大風速平均值為12.0 m/s。

水庫大壩控制集雨面積2.44 km2，干流長度2.17 km，干流平均坡降1.2%，設計總庫容150.39萬m3。水庫正常蓄水位為76.11 m(1985年國家高程基準，下同)，相應庫容為109.26萬m3，設計洪水位為77.00 m，相應庫容為124.48萬m3，校核洪水位為78.31 m，相應庫容為150.39萬m3，死水位為58.36 m，死庫容為0.12萬m3。水庫于2012年進行了除險加固，之后從未出現任何險情和隱患，并經歷了2016、2017年特大高洪水位的考驗，不超設計標準洪水狀況下，水庫防汛安全可靠。

水庫原設計灌溉面積3.67 km2，現實際灌溉面積2.53 km2，受益人口0.45萬人；水庫下游防洪保護面積4 km2，保護人口0.5萬人。

1.2 研究方法

從水庫歷史蓄水動態和水庫本身防洪現狀出發，分析水庫設計洪水和復核水庫防洪標準，對防洪調度執行時段汛限水位作初步設定，根據水庫實際防洪能力，對水庫實施洪水資源化優化進行研究，挖掘水資源利用潛力，根據水庫特征參數進行時段汛限水位的推求，并進行了動態控制的嘗試。

2 結果與分析

2.1 蓄水分析

爛竹沖水庫壩頂高程80.36 m，校核洪水位對應庫容150.39萬m3。根據益陽市赫山區防汛抗旱指揮部批準的、湖南創先項目管理有限公司編制的《益陽市赫山區龍光橋街道小型水庫調度規程》，爛竹沖水庫設定汛限水位為75.1 m。

根據氣象與水文數據統計結果，爛竹沖水庫控制集雨區內30年一遇暴雨24 h降水量為207.0 mm，經洪水復核，相應洪水總量43.9萬m3，洪峰流量18.5 m3/s，此時爛竹沖水庫溢洪道自由敞泄，若起調水位為正常水位76.11 m，最高洪水位77.01 m，相應庫容為124.48萬m3，相應溢洪道泄洪流量4.84 m3/s，最高洪水位與設計洪水相符。

統計2018—2022年各年的每月15日水位的爛竹沖水庫日水位記錄，并通過本水庫水位庫容曲線(圖1)推導蓄水情況(表1)。其中，爛竹沖水庫每年水位從1月開始逐月升高，4—5月期間水位上升最大，并于6月達最大值，一般控制不超過汛限水位在75.1 m，但未達設計正常蓄水位，存在蓄水空間，7—9月水位急劇降低，干旱年份逼近死水位。

表1 2018—2022年爛竹沖水庫每月15日平均水位及庫容統計表

圖1 爛竹沖水庫水位—庫容對應曲線

根據當地氣候特征和益陽市1959—2022年的月平均降雨量(表2)可知，益陽市赫山區主要降雨時段為春、夏季，秋冬季干旱少雨，每年3月開始降雨量顯著增加，水庫蓄水主要來源在夏季梅雨期(5月中下旬至7月上旬)為水庫主蓄水期。6—7月降水量約占每年降水的23.6%，但在6—7月，爛竹沖水庫水位并未保持上升，且7月蓄水位下降明顯，說明2018—2022年梅雨后段降水產生洪水未作水資源攔蓄利用，全部或部分放棄，而與此同時水庫仍存在可利用庫容。

表2 1959—2022年益陽市赫山區月平均降雨量、月最大降水量及最小降水量

2.2 供水分析

爛竹沖水庫供水主要是灌溉供水，主要農作物為雙季水稻，7月上旬，早稻進行收割，晚稻要進行栽植，稻田翻耕和搶插晚稻耗水量大。此外，每年從7月中旬至9月下旬，在西太平洋副熱帶高壓控制下，常年出現伏旱天氣，持續高溫，無降雨，日照長，蒸發旺盛，農田需水量大，需要使用水庫蓄水進行集中灌溉供水，加之蒸發作用，水庫蓄水多在9月下旬基本耗盡，蓄水位接近死水位，后期灌區2.53 km2耕地、油菜、蔬菜等，無水可供，對晚稻、秋冬作物等影響大，每年有近0.67 km2田地因缺水減產或失收。

2.3 傳統洪水調度方式分析

爛竹沖水庫傳統防洪調度時段是每年4—9月為汛期，以提前預泄的方式進行防洪調度，從防洪限制水位起調。當預測入庫流量≤10年一遇時，開啟輸水隧洞適當數量的輸水臥管，按入庫流量控制下泄，水庫來多少泄多少，水位維持在防洪限制水位以下；當預測入庫流量＞10年一遇時，當入庫流量增大，水位逐步提高到正常蓄水位，溢洪道開始自由敞泄；當水位上升后又逐步下降至防洪限制水位時，保持輸水隧洞適當數量的輸水臥管下泄，直到水庫來多少泄多少平衡，水位維持在防洪限制水位以下；歷史最大下泄流量為8.49 m3/s，最高洪水位達到77.51 m(出現于2016年7月3日10:00)。

按此調度方式，擴大了水庫防洪庫容，提高了水庫抵御超設計標準洪水的能力，確實能最大限度地保證水庫安全度汛，但是壓縮了水庫興利庫容，水庫長期處于低水位運行狀態，造成梅雨期結束后無洪水攔蓄的矛盾和長期的低水位運行無法滿足興利要求的尷尬局面。

2.4 時段汛限水位設置分析

為了充分發揮水庫的工程效益，一方面要充分利用水庫的興利庫容，另一方面要抓住梅雨期尾期攔蓄洪水，將部分洪水轉化為資源水，盡量挖掘可利用水資源的潛力。為達到以上目標，應將傳統汛限水位進行分時段動態設置，根據水庫工程現狀、當地氣象水文特征，水庫調度原則、目標、任務，綜合降雨、蓄水、防洪、供水等數據分析，宜將每年的汛期設置為4個時段：

第一時段：前汛期，每年4月1—4月30日，水庫處于低水位運行期，以蓄水為主。

第二時段：主汛期前期，每年5月1—6月20日，水庫水位低于傳統汛限水位時為蓄水期，當水位接近傳統汛限水位時，開始執行防洪起調，上游來多少利用涵管宣泄多少，維持來水與泄水平衡，蓄水位不超過汛限水位75.11 m。

第三時段：主汛期后期，每年6月20—7月10日，處于梅雨期后期，根據天氣降雨形勢，執行動態汛限水位起調，動態汛限水位控制在75.11～76.11 m之間，可以逐步提高汛限水位，也可以一次性提高汛限水位到正常蓄水位，力爭水庫蓄水位安全達到正常蓄水位76.11 m，充分發揮水庫興利庫容的作用，增加水庫蓄水量，變部分洪水為資源水。

第四時段：后汛期，每年7月10—9月30日。因梅雨結束后，當地長時間處于高溫少雨天氣，常年出現不同程度伏旱天氣，農業灌溉用水大幅增加，水庫蓄水位快速下降，8月以后，水庫已處于低水位狀態。

3 結論

通過設置時段汛限水位管理水庫運行，抓住梅雨期后期降雨，在每年6月20—7月10日，執行動態汛限水位起調，根據天氣降雨形勢適時上調汛限水位到正常蓄水位，在不減少設計防洪庫容的情況下，動態汛限水位控制在75.11～76.11 m之間，能確保水庫安全運行，也可充分發揮水庫正常庫容的蓄水能力，爛竹沖水庫可以增加蓄水15.86萬m3以上，為灌區耕地多提供一次以上全面灌溉水源，減少因旱災缺水造成的減產或失收損失。