水庫(kù)下泄的生態(tài)環(huán)境用水需求控制研究

鐘 偉 , 張技濤 , 張衛(wèi)國(guó)

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192）

水庫(kù)下泄的生態(tài)環(huán)境用水需求控制研究

鐘 偉 , 張技濤 , 張衛(wèi)國(guó)

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192）

針對(duì)現(xiàn)有部分水庫(kù)每年度的控制運(yùn)用計(jì)劃，采用原有的單一下泄生態(tài)基流或是初設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)下泄水量等調(diào)度方式，存在難以與日益增長(zhǎng)的下游生態(tài)環(huán)境用水需求相匹配等問(wèn)題。從區(qū)域水資源優(yōu)化配置和高效利用的角度出發(fā)，提出建立不同頻率下水庫(kù)下泄水量需求控制區(qū)間的研究方法，并以寧?？h白溪水庫(kù)為例進(jìn)行應(yīng)用分析。結(jié)果表明，該方法具有實(shí)際操作性，可合理指導(dǎo)水庫(kù)調(diào)度控制下泄水量，有效應(yīng)對(duì)下游區(qū)域用水變化需求。

水庫(kù)；生態(tài)環(huán)境用水；寧海縣

1 問(wèn)題的提出

現(xiàn)行的水庫(kù)管理制度和調(diào)度運(yùn)行模式主要考慮如何處理、協(xié)調(diào)防洪和興利的矛盾及利益，忽視了水庫(kù)下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水變化需求[1]。目前我國(guó)多數(shù)水庫(kù)在每年的控制運(yùn)用計(jì)劃中，針對(duì)下放生態(tài)環(huán)境水量?jī)H按單一的河道生態(tài)基流考慮，或者按水庫(kù)早期設(shè)計(jì)時(shí)的下放水量設(shè)計(jì)值考慮。然而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，國(guó)家正大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，城鄉(xiāng)居民對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)宜居的愿景日益強(qiáng)烈，水庫(kù)下游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域也迫切期待水庫(kù)增加下泄水量改善其生態(tài)環(huán)境用水條件。由于目前多數(shù)水庫(kù)尚無(wú)一套完整的精細(xì)化生態(tài)調(diào)度應(yīng)對(duì)策略，現(xiàn)狀部分水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行采用的單一生態(tài)基流或初步設(shè)計(jì)時(shí)的下泄水量，均難以與下游區(qū)域日益增長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境用水需求相匹配；部分水庫(kù)或是通過(guò)粗放型的放水補(bǔ)給方式，造成水資源的浪費(fèi)，不利于區(qū)域水資源的高效利用。

目前，關(guān)于水庫(kù)下泄的生態(tài)用水調(diào)度控制，我國(guó)提出了許多基于改進(jìn)遺傳算法[2]、FS - DDDP算法[3]、層次分析法和模糊評(píng)價(jià)相結(jié)合[4]等數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，但這些方法由于實(shí)際應(yīng)用中需考慮的因素較多以及客觀條件要求高，在水庫(kù)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度實(shí)施過(guò)程中仍存在一定局限性。本文立足于此，通過(guò)寧?？h白溪水庫(kù)流域?qū)嵗芯苛怂畮?kù)下泄的生態(tài)環(huán)境用水需求控制方案，即從水資源優(yōu)化配置及實(shí)際可操作的角度出發(fā)，充分考慮水庫(kù)下游區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用情況，經(jīng)區(qū)域自身供需平衡分析，確定不同工況條件下區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水最大、最小缺口，采用水庫(kù)下泄生態(tài)基流與干流河道取水需求耦合的方法，建立不同頻率下水庫(kù)逐月下泄的用水量需求控制區(qū)間。從而為水庫(kù)控制運(yùn)用計(jì)劃的制定與實(shí)施提供指導(dǎo)，以滿足水庫(kù)下游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境用水訴求，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展有著重要意義[5]。

2 下泄水量需求控制方案

考慮到水庫(kù)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境供水水源除干流河道取水外，一般還包括當(dāng)?shù)匦∷畮?kù)、山塘等水源，而該部分水源一般還承擔(dān)著區(qū)域生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉等任務(wù)。因此，需充分了解當(dāng)?shù)氐乃Y源開(kāi)發(fā)利用情況，梳理清楚當(dāng)?shù)厮Y源的供、用、耗、排關(guān)系，并通過(guò)供需平衡分析，明確其生態(tài)環(huán)境用水缺口，以便更合理分析水庫(kù)控制下泄的生態(tài)環(huán)境水量方案。具體分析方法如下：

（1）實(shí)地調(diào)查。針對(duì)水庫(kù)下游河道取水區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，梳理其水資源開(kāi)發(fā)利用情況，分析其近年來(lái)用水結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)，明確各部門(mén)（生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境等）用水需求；

（2）用水缺口分析。結(jié)合區(qū)域水利工程布局，建立基于模擬的水資源配置模型，進(jìn)行區(qū)域水資源供需平衡計(jì)算，分析不同頻率條件下的各部門(mén)用水缺口情況；

（3）干流河道取水需求分析?？紤]當(dāng)?shù)厮聪蛏鷳B(tài)環(huán)境用戶供水與不供水兩種情景，結(jié)合干流河道其他供水任務(wù)，分析區(qū)域向干流河道取水最大、最小需求；

（4）水庫(kù)下泄水量需求控制分析。耦合水庫(kù)下泄生態(tài)基流與不同工況下的區(qū)域向干流河道取水需求量，即：①若區(qū)域向河道取水需求量小于（等于）生態(tài)基流，則不再額外放水，控制生態(tài)基流量下泄即可；②反之，考慮兩者融合，以區(qū)域向河道取水需求量進(jìn)行控制下泄，從而構(gòu)建水庫(kù)下泄的用水量需求控制區(qū)間。

水庫(kù)下泄水量需求控制方法技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)下泄水量需求控制方法技術(shù)路線圖

3 實(shí) 例

3.1 區(qū)域概況

白溪是寧波市寧?？h最大的溪流，位于寧?？h西南部，流域面積627 km2，白溪上游建有白溪水庫(kù)，控制集水面積254 km2，總庫(kù)容16 840萬(wàn)m3，興利庫(kù)容13 500萬(wàn)m3，主要承擔(dān)防洪、供水任務(wù)，通過(guò)寧波市白溪水庫(kù)引水工程每年可向?qū)幉ㄊ刑峁?.73億m3優(yōu)質(zhì)水，較好的保障了寧波市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

近年來(lái)寧海縣的經(jīng)濟(jì)社會(huì)取得迅速發(fā)展，寧海生態(tài)示范縣也在大力推進(jìn)，白溪水庫(kù)下游岔路、前童、躍龍等鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施在不斷改善，公共服務(wù)水平在不斷提升，尤其重視水生態(tài)修復(fù)和保護(hù)，力爭(zhēng)促進(jìn)當(dāng)?shù)厝伺c自然和諧相處，對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)宜居的愿景日益強(qiáng)烈，由于當(dāng)?shù)氐男∷畮?kù)、山塘除補(bǔ)給生態(tài)環(huán)境用水外，還承擔(dān)當(dāng)?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)用水，區(qū)域自身水源工程條件難以保障日益增長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境用水需求，亟需區(qū)域上游的白溪水庫(kù)下泄水量補(bǔ)充。由于白溪水庫(kù)初設(shè)時(shí)主要考慮保障生態(tài)基流，現(xiàn)難以與下游生態(tài)環(huán)境用水需求相匹配，亟需研究合理的水庫(kù)下泄水量控制方案，以回饋區(qū)域生態(tài)環(huán)境。水庫(kù)下游區(qū)域供水結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)域供水結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 干流河道取水需求分析

3.2.1 區(qū)域用水結(jié)構(gòu)變化及需求預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)白溪水庫(kù)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)研及資料整理統(tǒng)計(jì)，近10 a來(lái)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域總用水量相對(duì)平衡，但區(qū)域用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度變化，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，生活及工業(yè)用水呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)；隨著寧波市農(nóng)田水利建設(shè)的進(jìn)一步加強(qiáng)和節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，區(qū)域農(nóng)業(yè)用水呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但逐步趨于平穩(wěn)；隨著寧海生態(tài)示范縣建設(shè)以及人民生活水平的提高，水庫(kù)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)宜居的愿景日益強(qiáng)烈，生態(tài)用水占總水量的比例呈現(xiàn)大幅度上升趨勢(shì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)估算，該比例由2007年的6.4%提高到2016年的9.9%。

考慮未來(lái)以2020年為基準(zhǔn)，以《寧?？h域總體規(guī)劃（2007— 2020）》為基礎(chǔ)，分析區(qū)域未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平。結(jié)合《寧波市水資源綜合規(guī)劃》，主要采用定額法進(jìn)行生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等部門(mén)的用水需求預(yù)測(cè)。針對(duì)區(qū)域河道外生態(tài)環(huán)境用水，結(jié)合當(dāng)?shù)赜盟Y(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)及生態(tài)用水發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)其用水比例將達(dá)到11.0%，85%頻率下生態(tài)年需水量為263萬(wàn)m3。同時(shí)，考慮到下游部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)為歷史文化名鎮(zhèn)景區(qū)，近年來(lái)為體現(xiàn)其水文化以促進(jìn)旅游發(fā)展，景區(qū)考慮未來(lái)引白溪干流水進(jìn)行景區(qū)內(nèi)河道環(huán)境換水，平均每年需換水363萬(wàn)m3?？紤]寧波市水資源綜合規(guī)劃確定生態(tài)環(huán)境供水標(biāo)準(zhǔn)至少達(dá)75%保證率，以及根據(jù)當(dāng)?shù)貙?duì)用戶對(duì)生態(tài)宜居愿景的強(qiáng)烈需求，暫擬定其供水標(biāo)準(zhǔn)提升至85%的情景，不同保證率條件下生態(tài)環(huán)境需水預(yù)測(cè)合計(jì)成果見(jiàn)表1。

表1 不同保證率白溪干流外區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水預(yù)測(cè)成果表

3.2.2 水資源配置模型建立及工況擬定

根據(jù)白溪水庫(kù)下游區(qū)域的水利工程布局，結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源的供、用、耗、排關(guān)系，建立了基于模擬的水資源配置模型。同時(shí)，為分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境最大、最小用水缺口情況，通過(guò)當(dāng)?shù)厮吹墓┧畻l件控制，擬定如下2種工況：①工況1：當(dāng)?shù)匦∷畮?kù)、山塘不放水供給生態(tài)環(huán)境；②工況2：當(dāng)?shù)匦∷畮?kù)、山塘放水供給生態(tài)環(huán)境。

3.2.3 干流河道取水需求分析

針對(duì)上述2種工況，采用水資源配置模擬模型，通過(guò)長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算，獲得不同頻率條件下的生態(tài)環(huán)境缺水量。此外，由于在本實(shí)例中，近年來(lái)當(dāng)?shù)匦∷畮?kù)、山塘供水任務(wù)壓力逐年增加，白溪水庫(kù)下游干流河道將承擔(dān)區(qū)域部分農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)，即工況1條件下50%、75%、85%不同頻率需通過(guò)白溪干流分別供水742萬(wàn)，984萬(wàn)，1 085萬(wàn)m3/a。因此，原有的水庫(kù)下泄生態(tài)基流調(diào)度方式難以保障下游區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)環(huán)境用水需求，本文綜合考慮農(nóng)業(yè)灌溉供水量與生態(tài)環(huán)境缺水量之和作為干流河道取水需求量，以保證在分析水庫(kù)下泄水量滿足區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水的同時(shí)，保障農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)。具體成果見(jiàn)表2 ～ 3及圖3。

表2 不同工況不同頻率條件下區(qū)域生態(tài)環(huán)境缺水量表 萬(wàn)m3

表3 不同工況不同頻率條件下區(qū)域向干流河道取水需求表 萬(wàn)m3

圖3 不同頻率區(qū)域白溪干流取水需求量區(qū)間圖

3.3 水庫(kù)下泄水量需求控制方案

根據(jù)本文擬定的生態(tài)環(huán)境用水需求控制方案，采用水庫(kù)下泄生態(tài)基流與區(qū)域向干流河道取水需求耦合的方法進(jìn)行分析。擬定白溪水庫(kù)下泄水量控制原則如下：

（1）下游區(qū)域通過(guò)干流河道取水需求量大于白溪水庫(kù)壩址處生態(tài)基流，則白溪水庫(kù)以干流河道取水需求量進(jìn)行下泄。

（2）下游區(qū)域通過(guò)干流河道取水需求量小于（等于）白溪壩址生態(tài)基流，則白溪水庫(kù)以壩址處生態(tài)基流進(jìn)行下泄。

通過(guò)白溪水庫(kù)徑流來(lái)水量分析，白溪水庫(kù)壩址處生態(tài)基流為1 872萬(wàn)m3/a（156萬(wàn)m3/月）。結(jié)合不同工況區(qū)域向白溪干流河道取水的需求量，計(jì)算白溪水庫(kù)下泄水量。具體成果見(jiàn)表 4 ～ 5、圖 4 ～ 5。

表4 不同工況不同頻率條件下白溪水庫(kù)下泄水量需求表

表5 不同工況不同頻率條件下白溪水庫(kù)逐月下泄水量需求區(qū)間表 萬(wàn)m3

圖4 不同頻率白溪水庫(kù)取水量需求圖

圖5 不同頻率下白溪水庫(kù)下泄水量需求圖

由上述成果可見(jiàn)，結(jié)合區(qū)域供需平衡分析，并通過(guò)耦合水庫(kù)下泄生態(tài)基流與不同工況下的區(qū)域向干流河道取水需求量，可獲得不同頻率條件下的白溪水庫(kù)的逐月下泄水量需求上限及下限，如85%頻率，工況1（小水庫(kù)、山塘不供水）、工況2（小水庫(kù)、山塘供水）條件下白溪水庫(kù)下泄水量需求分別為2 329萬(wàn)m3（下泄上限）和2 039 m3（下泄下限）。研究的不同頻率白溪水庫(kù)下泄水量需求控制區(qū)間，可為未來(lái)白溪水庫(kù)控制運(yùn)用調(diào)度計(jì)劃提供重要參考及指導(dǎo)，既可保障下游區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)，又滿足區(qū)域日益增長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境用水需求，對(duì)促進(jìn)區(qū)域水資源高效利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)和諧發(fā)展均有著重要意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水庫(kù)原有單一的下泄生態(tài)基流或是初設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)下泄水量等調(diào)度方式，均難以與日益增長(zhǎng)的下游生態(tài)環(huán)境用水需求相匹配，本文旨在為水庫(kù)在控制運(yùn)用計(jì)劃制定過(guò)程中，提供一套水庫(kù)下泄的用水量需求控制調(diào)度應(yīng)對(duì)策略。通過(guò)建立下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的水資源配置模型，分析區(qū)域供需平衡關(guān)系及相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境用水缺口，并結(jié)合干流河道其他供水任務(wù)，分析不同頻率下的區(qū)域向干流河道取水最大、最小需求值，再采用水庫(kù)下泄生態(tài)基流與干流河道取水需求耦合的方法，建立不同頻率下水庫(kù)逐月下泄的用水量需求控制區(qū)間。該方法符合國(guó)家提倡的水資源優(yōu)化配置及高效利用要求，在實(shí)際調(diào)度操作中是可行的，可較好的指導(dǎo)水庫(kù)逐月下泄水量調(diào)度控制，在滿足下游河道其他供水任務(wù)的同時(shí)，有效的保障下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水量。

[1] 王慧斌.水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵與模型探析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(3)：34 - 37.

[2] 陳端,陳求穩(wěn),陳進(jìn)，等.基于改進(jìn)遺傳算法的生態(tài)友好型水庫(kù)調(diào)度[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012(3)：1 - 6.

[3] 艾學(xué)山,范文濤.水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型及算法研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2008(3)：451 - 455.

[4] 葉季平,王麗萍.大型水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型及算法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010(1)：64 - 67.

[5] 康玲,黃云燕,楊正祥,等.水庫(kù)生態(tài)調(diào)度模型及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2010(2)：134 - 137.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

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鐘 偉(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事水文水資源研究工作。 E - mail：303259083@qq.com