基于典型入庫徑流的水庫供水預(yù)警研究—以溫嶺市湖漫水庫為例

李其峰

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

基于典型入庫徑流的水庫供水預(yù)警研究—以溫嶺市湖漫水庫為例

李其峰

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

針對以水庫為主水源的區(qū)域，為避免因干旱災(zāi)害在不知情或準(zhǔn)備不足時發(fā)生，開展了水庫供水預(yù)警研究。在明確了水庫供水預(yù)警含義的基礎(chǔ)上，選取蓄水量為預(yù)警指標(biāo)，將水庫預(yù)警線劃分為2個等級、3個時期，并提出了基于典型入庫徑流量及過程的預(yù)警線確定方法。以溫嶺市城區(qū)的主要水源 — 湖漫水庫為例，在確定預(yù)警期基礎(chǔ)上，劃定了水庫分級分期預(yù)警線，以便更好地指導(dǎo)干旱期湖漫水庫供水運(yùn)行管理，使溫嶺市城區(qū)社會經(jīng)濟(jì)不受干旱影響，確保平穩(wěn)有序度過不同程度的干旱期。

供水預(yù)警；湖漫水庫；分級分期預(yù)警

1 問題的提出

干旱災(zāi)害是我國乃至世界的主要自然災(zāi)害之一。在干旱分類上，目前比較公認(rèn)的是美國氣象學(xué)會提出將干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱等四類[1]。近年來區(qū)域性氣候變化導(dǎo)致降水時空變化加劇，造成干旱持續(xù)時間增強(qiáng)，使我國本已供需矛盾突出的水資源問題變得更加嚴(yán)峻，干旱災(zāi)害頻次和危害顯著增加，因此我國更加重視抵御旱災(zāi)工作和對干旱的相關(guān)研究。干旱預(yù)警作為我國抗旱工作的首要環(huán)節(jié)，在抗旱減災(zāi)中發(fā)揮著十分重要的作用[2]。目前，關(guān)于干旱預(yù)警的研究多數(shù)是氣象、農(nóng)業(yè)等部門從行業(yè)特點(diǎn)出發(fā)，提出一系列關(guān)于氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱的預(yù)警方法，整體上側(cè)重于區(qū)域旱情整體預(yù)警，具有明顯的行業(yè)特征。但對具體對象進(jìn)行干旱預(yù)警的研究不足，特別是針對以水循環(huán)過程中水文因子為研究對象的干旱預(yù)警研究較少，相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)還比較薄弱。

水庫供水預(yù)警是從水文角度表征干旱預(yù)警的一種形式。水庫作為重要的蓄水工程，對保證以水庫為主要水源區(qū)域的供水安全起著極其重要的作用。為應(yīng)對可能發(fā)生的持續(xù)干旱，水庫蓄水量需保持在一定的水平上，這就需要明確水庫蓄水量下降到何種程度時應(yīng)作出預(yù)警。因此，建立以水庫水源為主體的預(yù)警機(jī)制，實(shí)行水庫供水預(yù)警管理，主動應(yīng)對可能發(fā)生影響用水對象正常用水的干旱事件，對保障城鄉(xiāng)供水安全具有十分重要的意義。

目前水庫供水預(yù)警研究有水庫供水風(fēng)險研究、水庫可供水量警戒線劃定、旱限水位確定等。目前學(xué)者對水庫供水風(fēng)險的研究，主要集中在供水風(fēng)險指標(biāo)的定義與選取、指標(biāo)間的相互作用與影響以及供水風(fēng)險的評價與管理等方面[3-4]，通過選取合適指標(biāo)建立供水風(fēng)險分析多目標(biāo)模型，分析存在的供水風(fēng)險，提出解決措施。該類研究方法相對復(fù)雜，需建立較為復(fù)雜的模型，在實(shí)際水庫調(diào)度管理中應(yīng)用還有一定差距。水庫可供水量警戒線劃定以曹升樂等學(xué)者提出針對山東省的水庫可供水量警戒線為代表，以假定水庫在未來時段沒有入庫徑流量情況下分3個月、2個月、1個月確定黃色、橙色、紅色等三條警戒線[5-6]。該方法對降雨量考慮相對簡單，比較適用于北方年內(nèi)連續(xù)少雨的情況，但對于南方，特別是浙江省年內(nèi)、年際降雨分布差異較大，用該方法劃定的警戒線水位偏高，易發(fā)生“空報”情況。旱限水位確定是以國家防汛抗旱指揮部辦公室發(fā)布的《旱限水位（流量）確定方法》文件為指導(dǎo)，在全國得到普遍推廣使用。水庫旱限水位是以逐月或數(shù)月滑動計算水庫應(yīng)供水量與死庫容之和最大值所對應(yīng)的水庫水位作為依據(jù)，并考慮庫內(nèi)取水設(shè)施高程等因素，綜合分析確定。在實(shí)際工作中水庫多數(shù)是全年使用單一旱限水位，確定的標(biāo)準(zhǔn)較高，雖然能夠保證干旱時期用水對象用水安全，但難以體現(xiàn)入庫徑流量年內(nèi)差異以及對不同用水對象的供水控制管理。

本次研究提出水庫供水預(yù)警含義、預(yù)警指標(biāo)以及預(yù)警線表現(xiàn)形式，并參考旱限水位確定方法，提出基于典型入庫徑流的分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值確定方法。以溫嶺市城區(qū)主要水源湖漫水庫為研究對象，以長系列水庫入庫徑流量、供水區(qū)用水量等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出湖漫水庫分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值，劃定水庫供水預(yù)警線，為水庫干旱期興利調(diào)度提供依據(jù)，更好地指導(dǎo)干旱期水庫供水管理工作。

2 水庫供水預(yù)警研究

2.1 供水預(yù)警含義

目前采用水文方法開展干旱預(yù)警研究相對較少，其中具有代表性的是劉寧提出的采用水文方法開展干旱預(yù)警，其定義為通過監(jiān)控供水水源及用水對象需水狀況，當(dāng)用水對象干旱缺水程度達(dá)到預(yù)警閾值時，發(fā)布預(yù)警信息，提早采取抗旱應(yīng)急措施，最大程度地減輕旱災(zāi)損失[2]。本次研究參考上述干旱預(yù)警定義，界定水庫供水預(yù)警含義為遇特殊干旱年或持續(xù)干旱期，通過監(jiān)測與水庫相關(guān)的指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)降低至某一預(yù)警閾值時，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號，報告危險情況，以避免缺水在不知情或準(zhǔn)備不足的情況下發(fā)生，從而最大程度地減輕因缺水而造成損失的行為。

根據(jù)水庫供水預(yù)警含義，一般情況下水庫發(fā)出預(yù)警信號是基于判斷水庫相關(guān)指標(biāo)達(dá)到某一預(yù)警閾值，可能難以滿足未來一段時間內(nèi)發(fā)生持續(xù)干旱情況下的用水需求。本次研究界定 “未來一段時間”為預(yù)警期，該預(yù)警期是確定預(yù)警閾值的關(guān)鍵因素。一般情況下，預(yù)警期越長，預(yù)警的參考意義和應(yīng)用價值越大，但預(yù)警準(zhǔn)確性越低，造成水資源閑置，使其不能得到充分利用[7]。本文通過對比分析天然徑流量與用水對象需水量確定水庫供水預(yù)警期。

2.2 預(yù)警指標(biāo)及閾值

根據(jù)干旱預(yù)警水文指標(biāo)選取的原則，選取的指標(biāo)應(yīng)具有代表性較強(qiáng)、可監(jiān)測分析、能夠模擬預(yù)測等特點(diǎn)。一般針對地表水的水文指標(biāo)有流量、水文、入庫徑流量、蓄水量等。水庫供水預(yù)警是以水庫為主體，與之相關(guān)的指標(biāo)有入庫徑流量、蓄水量等。水庫蓄水量指標(biāo)更加直觀、易監(jiān)測，因此本次研究選取蓄水量作為預(yù)警指標(biāo)。

水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值是表征水庫蓄水量滿足供水對象一定程度需水要求的臨界值，是以水庫蓄水量變化為研究對象，采用特定供水對象不同保證程度下的用水需求作為截斷水平，通過水庫供水量與供水對象需水量的供需分析，取蓄水量的臨界值。

水庫供水對象包括城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等不同類型用水戶，由于不同用水戶的重要程度不同，其供水優(yōu)先等級有差異[8]。為體現(xiàn)水庫對不同用水對象供水保障的優(yōu)先次序，確定分級預(yù)警指標(biāo)閾值在實(shí)際工作中更有指導(dǎo)意義。通過劃分水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值等級，使水庫蓄水量達(dá)到不同標(biāo)準(zhǔn)時，對不同用水對象進(jìn)行限制供水，以滿足重要程度較高用戶的用水需求，更好地指導(dǎo)干旱期水庫供水調(diào)度管理?；诖耍敬窝芯繉⒐┧A(yù)警指標(biāo)閾值分為2個等級，由低到高分別用橙色、紅色表示。

由于水庫入庫徑流量年內(nèi)差異較大以及用水對象季節(jié)性用水有所不同，如果全年采用單一供水預(yù)警指標(biāo)閾值，可能導(dǎo)致枯水時預(yù)警指標(biāo)閾值以下蓄水不使用，豐水時產(chǎn)生大量棄水，影響水資源高效利用，限制水庫調(diào)蓄能力的正常發(fā)揮[9]。因此，確定分期預(yù)警指標(biāo)閾值在實(shí)際中更為合理。結(jié)合研究實(shí)例中水庫入庫徑流量年內(nèi)分布（見表2）可以看出，多年平均情況下4 — 6月、7 — 9月、10月至次年3月3個時期水庫月平均入庫徑流量分別為365萬，450萬，147萬m3，入庫徑流量總量分別占全年入庫徑流量的33.0%、40.6%、26.5%。結(jié)合水庫所在區(qū)域降雨成因，可以看出水庫入庫徑流量明顯呈現(xiàn)梅汛期（4 — 6月）、臺汛期（7 — 9月）和平水期（10月至次年3月）3個分期的特點(diǎn)。因此，本文將供水預(yù)警指標(biāo)閾值按照水庫入庫徑流量年內(nèi)分布特點(diǎn)分為3個時期。

在確定以水庫蓄水量作為供水預(yù)警指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分級分期確定水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值。

2.3 供水預(yù)警線及表現(xiàn)形式

供水預(yù)警線是指根據(jù)發(fā)出預(yù)警信號的水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值而確定的參考線，包括橙色預(yù)警線和紅色預(yù)警線。分級分期供水預(yù)警線表征的含義如下：①橙色預(yù)警線為較低級別預(yù)警，該等級預(yù)警線是以滿足生活用水量、工業(yè)及三產(chǎn)用水量、損失水量為截斷水平，經(jīng)供需分析確定水庫蓄水量閾值；②紅色預(yù)警線為較高級別預(yù)警，該等級預(yù)警線是以滿足生活用水量、損失水量為截斷水平，經(jīng)供需分析確定水庫蓄水量閾值。

考慮到水庫供水預(yù)警是為促進(jìn)水庫更好地做好供水調(diào)度管理，而現(xiàn)狀水庫供水調(diào)度規(guī)則多數(shù)由不同形式的供水調(diào)度圖或調(diào)度函數(shù)表示[10]。因此，為便于調(diào)度運(yùn)行，本次水庫供水預(yù)警線以圖形表示，分為2個等級、每一等級分為3個分期。分級分期供水預(yù)警線形式示意見圖1。

圖1 水庫分級分期供水預(yù)警線示意圖

2.4 指標(biāo)閾值確定方法

2.4.1 基本思路

參考國家防汛抗旱總指揮部發(fā)布的水庫旱限水位確定方法，提出確定基于典型入庫徑流的水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值的基本思路和計算方法。在確定水庫供水預(yù)警期、典型入庫徑流量過程、不同等級截斷水平基礎(chǔ)上，以預(yù)警期為計算時 長，逐月滑動計算，得出若干組各月水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值，按照分級、分期預(yù)警等級劃分要求，統(tǒng)計得到分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值。具體計算過程如下：

第1步，確定水庫供水預(yù)警期。采用天然水文干旱分析法，對水庫長系列入庫徑流量過程，以生活和工業(yè)用水量為截斷水平，經(jīng)逐月對比分析，得出每年連續(xù)月入庫徑流量小于截斷水平的月數(shù)最大值系列。選取生活和工業(yè)供水量保證率為95%，統(tǒng)計分析月數(shù)系列，剔除占總年數(shù)5%的月數(shù)較大的年度，選取剩余年系列中月數(shù)最大值作為水庫供水預(yù)警期。

第2步，確定典型入庫徑流量過程。在明確截斷水平的前提下，水庫入庫徑流量是影響預(yù)警指標(biāo)閾值的最主要因素，因此，典型入庫徑流量過程對確定預(yù)警指標(biāo)閾值更有意義。當(dāng)實(shí)測長系列大于30 a時，從中選擇典型入庫徑流量過程，如果實(shí)測系列不足時，則生成設(shè)計入庫徑流量過程。長系列中選擇典型入庫徑流量過程方法為：以第1步中剩余年系列為基礎(chǔ)，選擇包含月數(shù)值等于或略低于供水預(yù)警期的3 ～ 5個年度入庫徑流量過程作為 典型入庫徑流量過程。

第3步，計算各月預(yù)警指標(biāo)閾值。根據(jù)確定預(yù)警期、選擇典型入庫徑流量過程以及不同等級下的截斷水平，以預(yù)警期為計算時長，逐月滑動計算，得出各月水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值。在計算某一月份水庫預(yù)警指標(biāo)閾值時，當(dāng)該月后續(xù)月數(shù)少于預(yù)警期時，則用次年月入庫徑流量過程補(bǔ)齊。

第4步，確定分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值。統(tǒng)計分析各月預(yù)警指標(biāo)閾值，選擇月預(yù)警指標(biāo)閾值之和最大的年份作為確定預(yù)警指標(biāo)閾值的代表年。按照不同等級的截斷水平，確定分級預(yù)警指標(biāo)閾值，同時按照各分期包含的月份，取各期內(nèi)月平均值作為該期預(yù)警指標(biāo)閾值。

2.4.2 計算方程

（1）各月水庫預(yù)警指標(biāo)閾值（蓄水量）方程：

（2）分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值方程：

式中：Vn′(m)為第n級預(yù)警線第m期對應(yīng)蓄水量（萬m3），其中n = 1，2分別為橙色預(yù)警線、紅色預(yù)警線，m = 1， 2，3分別為梅汛期、臺汛期、平水期；為第n級預(yù)警線第T0年第t時段預(yù)警指標(biāo)閾值（萬m3），T0為確定預(yù)警指標(biāo)閾值的代表年。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究對象基本情況

溫嶺市地處浙江東南沿海，全市陸域面積926 km2，地勢自西和西南向東漸傾，西部和西南部為海拔100 ～ 250 m的低山丘陵，北部、中部和東部為平原。溫嶺市屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，溫濕適中，雨量充沛，年平均降雨量為1 649.6 mm，全年3 — 6月和8 — 9月為2個明顯的雨期，夏秋2季受副熱帶高壓控制，晴熱無雨易造成干旱。

湖漫水庫位于溫嶺市東南部，水庫集雨面積32.48 km2，總庫容3 503萬m3，是1座年調(diào)節(jié)型水庫。湖漫水庫是溫嶺市最大的水庫，隨著城區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展用水量增加，主要功能由興利轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)供水。水庫特征參數(shù)見表1。

表1 湖漫水庫特征參數(shù)表

湖漫水庫作為溫嶺市最重要的供水水庫，承擔(dān)城區(qū)南部城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水任務(wù)，對水庫供水保障能力要求很高。為保障在遇持續(xù)干旱情況下城鄉(xiāng)供水安全，能夠?qū)赡馨l(fā)生的供水緊張局面作出預(yù)警，及早采取應(yīng)對措施。因此，開展湖漫水庫供水預(yù)警研究對于溫嶺市城區(qū)供水安全至關(guān)重要。

3.2 相關(guān)參數(shù)計算

湖漫水庫入庫徑流量根據(jù)水庫實(shí)測資料得到，系列為1964 — 2009年。水庫水量損失主要有蒸發(fā)損失和滲漏損失，其中，蒸發(fā)損失根據(jù)水面蒸發(fā)觀測資料和多年平均水面面積確定，滲漏損失根據(jù)水文地質(zhì)條件，選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取蓄水量的0.3%。用水量主要是湖漫水庫供水區(qū)內(nèi)生活、工業(yè)及三產(chǎn)等用水量，采用現(xiàn)狀湖漫水庫取水水廠的供水?dāng)?shù)據(jù)。

湖漫水庫入庫徑流量、損失水量、供水區(qū)用水量等相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計成果見表2。

表2 湖漫水庫相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計成果表 萬m3

3.3 預(yù)警指標(biāo)閾值分析

3.3.1 預(yù)警期分析

根據(jù)湖漫水庫長系列入庫徑流量、用水量、損失水量等數(shù)據(jù)，采用預(yù)警期確定方法，以用水量和損失水量為截斷水平，分析湖漫水庫每年連續(xù)入庫徑流量小于截斷水平之和的月數(shù)最大值，得出每年月數(shù)最大值系列成果見表3。

表3 湖漫水庫年連續(xù)缺水月數(shù)最大值統(tǒng)計表

從表3可以看出，連續(xù)入庫徑流量小于截斷水平之和的月數(shù)最大值為2000年的12個月，其次是1964年的11個月。按照生活和工業(yè)供水量95.0%保證率，剔除上述月數(shù)較大的2 a，選取剩余年系列中月數(shù)最大值，可以得出湖漫水庫供水預(yù)警期為9個月。

3.3.2 分期分級預(yù)警指標(biāo)閾值分析

根據(jù)水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值確定基本思路及計算方法，得出湖漫水庫分期分級預(yù)警指標(biāo)閾值（水庫蓄水量,見表4和圖2）。

表4 湖漫水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值成果表 萬m3

圖2 湖漫水庫供水預(yù)警線成果圖

分析湖漫水庫供水預(yù)警線成果可以得出：

（1）梅汛期（4 — 6月），橙色預(yù)警線、紅色預(yù)警線分別對應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)閾值為1 640萬，790萬m3。

（2）臺汛期（7 — 9月），橙色預(yù)警線、紅色預(yù)警線分別對應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)閾值為1 750萬，940萬m3。

（3）平水期（10月至次年3月），橙色預(yù)警線、紅色預(yù)警線分別對應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)閾值為1 580萬，760萬m3。

3.4 預(yù)警響應(yīng)啟動

預(yù)警響應(yīng)是指水庫發(fā)出預(yù)警信息后采取的減少可能因干旱導(dǎo)致?lián)p失的行為。水庫供水預(yù)警指標(biāo)閾值是以一定系列歷史入庫徑流量資料為基礎(chǔ)確定的，由于未來面臨降水的不確定性，因此，水庫供水預(yù)警線僅是啟動應(yīng)急響應(yīng)的重要依據(jù)，并非充分條件。水庫供水預(yù)警響應(yīng)啟動還需進(jìn)一步對比氣象部門預(yù)測的未來預(yù)警期內(nèi)降水量與預(yù)警期分析中相關(guān)年份降雨量，以確定是否啟動限制供水、增加外調(diào)水等應(yīng)急抗旱措施。

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）

Study on the Warning of Water Supply for the Reservoir Based on the Typical Reservoir Runoff

LI Qi - feng
(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

In view of the areas using reservoirs as major water sources，the early warning to reservoir storage is needed in order to take measures ahead of the water shortage. This paper de fi ned early warning of water storage，selected storage capacity as early warning indicators which are divided into three periods of the two grades，and put forward the method to determine the staging and grading threshold of the warning index on the base of the runoff into the reservoir. This paper took Human Reservoir, the main water source of the urban area in Wen-ling city，as research object，identi fi ed the staging and grading threshold of the warning index which is based on the speci fi c period of early warning. The results of this study can guide water supply operation management of Human Reservoir during the drought period，so that the urban area would not be unduly in fl uenced by the lack of water in terms of the economy and society，and it can get through different degrees of drought period smoothly.

the warning of water supply；Human Reservoir；the staging and grading of the warning index

TV679.1

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0064 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.021

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金項目（50809063）；浙江省科技計劃項目（2015F30023）；浙江省水利廳科技計劃項目（RC1525）。

李其峰(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事水資源配置與規(guī)劃研究。E - mail：leeqifeng2004@163.com