逆序遞推法在珊溪水庫旱警水位計算中的應用

張 偉,朱子云,吳 敏

(1.溫州市水利建設管理中心,浙江 溫州 325000;2.浙江萬容水利工程咨詢有限公司,浙江 溫州 32500)

汛限水位作為防汛領域的重要指標之一,其對水庫調度、防洪減災等工作中發揮了重要作用[1]。為了加快明確抗旱領域水位特征指標,李國英部長在全國水旱災害防御工作視頻會議明確要求“加快推進江河湖庫旱警水位(流量)確定工作”,2022年水利部防御司出臺《2022年江河湖庫旱警水位(流量)測站名錄》,珊溪水庫被列入水利部1278個旱警水位(流量)核定的測站之一,依照《水利部辦公廳關于做好2022年旱警水位(流量)確定及應用工作的通知》(辦防〔2022〕194號)文件要求,開展珊溪水庫旱警水位計算分析工作。

1 珊溪水庫概況及興利調度原則

1.1 工程概況

珊溪水庫工程與趙山渡引水工程作合稱為珊溪水利樞紐工程[2]。珊溪水庫工程壩址在文成縣珊溪鎮上游1km,距溫州市區117km。珊溪水庫工程是以灌溉、城市供水為主,兼有發電、防洪等綜合效益工程,工程等別為Ⅰ等工程。珊溪水庫控制流域面積1529km2,壩址多年平均徑流量18.5億m3,水庫正常蓄水位142m,相應庫容12.91億m3;總庫容18.24億m3;死水位117m,相應死庫容5.95億m3[3]。

珊溪壩址至趙山渡區間流域面積為684.4km2,水庫正常蓄水位22m,相應庫容2785萬m3。輸水渠系向溫州、瑞安、平陽等市縣城鎮居民生活供水及工農業供水,年供水量7.3億m3,其中生活及工業供水6.53億m3,農業供水0.77億m3,改善農田灌溉292.67hm2[4]。

1.2 水庫興利調度原則

珊溪水庫主要功能為防洪、供水及灌溉,兼顧發電,結合水庫《珊溪水利樞紐2022年度水庫控制運用計劃》,其運行調度如圖1所示,相應的興利調度原則為:

圖1 珊溪水庫運行調度圖

珊溪水庫屬多年調節水庫,發揮著電力補償、提高系統枯水期出力的功能。為保證下游居民生產和生活用水的要求,珊溪水庫日內供水流量(即發電流量)分配應服從于供水要求。按滿足珊溪發電流量和珊溪～趙山渡區間流量經趙山渡水庫調節后不小于引水總干渠最大引用流量的最小出力發電并擔任調峰任務。

以珊溪水庫月初水位所在調度圖的位置,確定供水、發電運行方式,但在調度過程中應結合入庫流量強度控制加大出力,確保該時段末水位盡量不低于上調度線。

在滿足下游用水條件下,合理安排發電計劃,控制水位下降幅度,并適當控制珊溪水庫水位下降速度,盡量使水位下降平緩。

結合水庫運行計劃,分析圖1中的保證供水線可知,該曲線的擬定是依照水庫在滿足設計供水規模、生態流量未調整前的數值、區域內的生產生活及降水蒸發等需水量。但在本次數據收集及研究過程中,水庫尚未達到原設計供水規模、水庫泄放生態流量發生調整。由于水庫現狀運行情況及生態流量的改變,會導致計算出的預警水位線與保證供水線局部有所偏差。

2 水庫旱警水位計算方法

2.1 分級旱情水位

依據水利行業標準《水情預警信號》(SL758-2018)和《溫州市水利旱情預警管理辦法(試行)》,水利旱情預警等級由低至高分為藍色、黃色、橙色和紅色四級,分別代表輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱;珊溪水庫將上述等級旱情分別對應75%保證率、85%保證率、90%保證率、95%保證率。

2.2 旱警水位計算方法

采用逆序遞推法[5]對水庫旱警水位進行計算,計算時以單位水文年為中期,同時假定水庫調度期間的末水位為死水位,并根據水庫的調度原則進行逆序遞推至各月初期的水位值,該水位即為旱警水位:

Zhj,t=f(Wa,t+Wloss,t-Wp1,t+f′(Zhj,t+1))

(1)

(2)

式中:Zhj,t為水庫第t月的旱警水位;Zhj,t+1為水庫第t+1月的旱警水位;Wa,t為第t月的綜合需水量;Wloss,t為水庫第t月蒸發、滲漏損失水量;Wp1,t為一般枯水年第t月的水庫來水水位;f( )為水庫庫容-水位曲線;f′( )為水庫水位-庫容曲線;ZE為水庫調度期間的末水位;ZD為水庫死水位。

3 水庫旱警水位計算

3.1 水庫徑流量

水庫流域年平均降水量1876.9mm,年內降水差異較大,主要集中于4～9月份,利用同一流域的峃口水文站的相關觀測數據,采用水文比擬法計算水庫壩址年徑流,同時考慮到設計流域與參證站流域降雨量的差異,用逐年雨量修正系數,對每年的徑流進行修正還原計算。相關徑流了計算成果圖2所示。水庫多年平均流量為59m3/s。

圖2 珊溪水庫流域年平均流量曲線圖

3.2 流域綜合需水量

3.2.1 生產生活用水

珊溪水庫2010—2021年供水情況分析,水庫生產生活(含城市供水及少量灌溉用水)年供水量介于22497～39612萬m3之間,總體呈歷年增長的趨勢。珊溪年度生產生活用水按照已有供水系列中的最大值向上取整后確定為40000萬m3,考慮到生產生活用水受季節性影響,其中因炎熱天氣使得夏季用水量最大,冬季因取暖用水而用水較多,春秋最小。因此,文章在月際間用水分配時將考慮季節影響。

3.2.2 塘河生態補水

2010年—2021年度向塘河生態調水量介于15042～31193萬m3,多年平均值為21660萬m3。塘河生態補水來源實質上是珊溪水庫供水規模未達到原設計供水規模,補水利用兩者之間的差值。因此,塘河生態補水采用珊溪設計供水規模與本次采用生產生活用水規模的差值向下取整后取22000萬m3。

3.2.3 下游河道生態需水

在珊溪水庫工程設計要求,珊溪水電站發電尾水不小于枯水期(12月份至次年4月份)的平均流量33.6m3/s,但部分時段存在不放水情況。本階段根據環保最新要求,珊溪水庫壩址各月推薦值為12.40～30.30m3/s(占壩址多年平均流量的20.7%～50.6%),年均14.50m3/s(占壩址多年平均流量的24.2%)。各月最小下泄流量推薦值見下表所示。根據《飛云江流域綜合規劃》,珊溪水庫壩址生態基流為2.5m3/s,由表1可知水庫最小下泄流量均高于該生態基流值,因此本階段不再考慮生態基流。

3.3 水庫蒸發及滲漏

水庫蒸發量計算主要采用水庫月平均水面面積與當月多年平均月蒸發深度的乘積[]。計算時,結合壩址以上多年降雨量,計算其相應壩址以上的徑流深度為1219mm,因此相應的陸面蒸發量為658mm。在95%保證率干旱年下,水庫死水位117.0m與常水位140.0m的平均值128.5m時的庫面面積27Km2、陸面蒸發量658mm、水面蒸發量1250mm考慮,進而求出蒸發損失量為1600萬m3。

由于珊溪水庫滲漏損失未收集到相關監測數據,文章計算時,結合水庫區域地質情況,其滲漏損失量計算為:

W漏=K2W庫

(4)

式中:W漏為水庫滲漏損失量;K2為損失系數,可以結合地質情況取1～1.5%,文章取值1%;W庫為水庫平均蓄水量。

采用式(4),保守考慮正常水位下珊溪水庫庫容12.91億m3,求得其年滲漏損失約為1290萬m3。

3.4 旱警水位計算

結合3.1節～3.3節的數據,采用式(1)～式(3),計算可得珊溪水庫各預警條件下的分期旱警水位情況,如表2所示。

表2 各預警條件下旱警水位計算成果表 m

4 成果分析

根據表2中的旱警水位計算成果,結合圖1中水庫保證供水線,繪制保證供水線、藍色預警、黃色預警、橙色預警及紅色預警曲線圖,如圖3所示。

圖3 各預警條件下珊溪水庫旱警水位計算成果曲線圖

結合水庫運行調度圖1和旱警水位計算成果曲線圖3可知:

1)利用逆序遞推法計算旱警水位成果顯示,警戒水位季節性影響較大,整體呈現春季預警水位小、夏秋預警水位大的特點,分析原因在于:研究區域位于南方,夏季時間長、溫度高、區域整體耗水量大。

2)預警水位曲線與保證供水線趨勢基本一致,汛期較保證供水區偏低,而非汛期基本處在保證供水區附近,同時交叉區主要集中在5～6月以及10～12月。分析主要原因:①現狀水庫供水并未達到原設計供水規模,導致部分時段預警水位線低于保證供水線;②按照環保新規定,水庫泄放生態流量較原設計少,使得部分時段預警水位線高于保證供水線;③每年的5月份開始,研究區域已經進入梅汛期,區域降水量增加、溫度升高導致需水量增大,每年的10月份,研究區域梅汛期結束,區域降水量減少、溫度降低導致需水量增減少,結合生態流量的調整導致其兩處交叉點的產生。

從運行調度角度,在水庫供水規模達到設計規模同時水庫按照運行調度圖的調度方式進行調度時,可以滿足95%保證率下的水庫供水需求。采用預留水量的方式進行處理時,因未考慮水庫來水條件會使得部分時段警戒水位高于運行調度圖較多,對水庫水資源利用效率有所影響。考慮到珊溪水庫是溫州城區的“大水缸”,也是溫州地區唯一的大型水庫,水庫的蓄水是溫州城區經濟社會發展和生活用水的重要保障。

5 結 語

文章結合江河湖庫旱警水位(流量)確定工作的相關要求,根據珊溪水庫的實際運行調度情況,采用逆序遞推法,通過確定水庫來水、溫州市區生產生活用水、下游河道生態用水及向塘河的生態補水等,進而得出水庫的藍色預警、黃色預警、橙色預警及紅色預警等4種條件下的48個旱警水位值,成果顯示采用逆序遞推法計算得出的水庫旱警水位基本合理,為溫州市編制供水安全保障應急預案提供依據。同時,計算成果能夠有效指導本水庫的抗旱、供水、灌溉及發電等調度工作,有利于保證社會經濟用水程度,充分發揮本水庫的防洪、供水及灌溉,兼顧發電功能。

此外,考慮到旱警水位具有動態性,珊溪水庫在運行調度時,各用水戶用水逐步調減的順序為先下游河道生態水、塘河生態調水,最后是生產生活供水。