水庫蓄水問題研究進(jìn)展

劉 穎，梅亞東，王現(xiàn)勛，李學(xué)海

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072；2. 長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

水庫蓄水按其時(shí)期不同，可分為常規(guī)蓄水和初期蓄水，常規(guī)蓄水過程復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：①庫區(qū)及下游范圍廣，既要滿足下游用水，又要兼顧電力需求，蓄水會受到多種限制；②來水的不確定性將使蓄水問題更為棘手。因此，下游用水、來水等將影響常規(guī)蓄水。而初期蓄水時(shí)要試用新建工程，水工建筑物尚未經(jīng)過水荷載的作用，各方面性能不能處于完全受控狀態(tài)[1]，將可能受到一系列工程因素的限制。所以，水庫在進(jìn)行初期蓄水時(shí)，除用水和來水外，還需考慮工程因素。

水庫蓄水時(shí)水資源利用矛盾突出[2]，受諸多因素影響，因此，識別蓄水影響因素，協(xié)調(diào)好來水、用水與蓄水的關(guān)系，合理分配供、蓄水量，明確蓄水風(fēng)險(xiǎn)，制定行之有效的蓄水方案至關(guān)重要。本文依據(jù)近年來水庫蓄水問題的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對蓄水影響因素進(jìn)行分類和梳理，總結(jié)水庫蓄水方案的研究現(xiàn)狀、探討蓄水風(fēng)險(xiǎn)問題，在提出現(xiàn)階段存在問題的基礎(chǔ)上展望未來的研究重點(diǎn)，以期為研究水庫蓄水問題提供參考。

1 水庫蓄水影響因素研究

常規(guī)蓄水的影響因素主要為下游用水、工程發(fā)電要求和來水，而初期蓄水還需考慮施工進(jìn)度、庫岸穩(wěn)定、工程安全、移民搬遷進(jìn)度等工程因素。

根據(jù)各因素對蓄水的作用方式，可分為三類：一類為目標(biāo)性影響因素，即水庫除蓄水外，還需滿足其他目標(biāo)，如完成一定的發(fā)電量；另一類為限制性影響因素，分為工程限制因素和非工程限制因素，工程限制因素為施工進(jìn)度、庫岸穩(wěn)定性、工程安全、移民搬遷進(jìn)度等，直接妨礙蓄水過程；非工程限制因素指下游用水限制，要求水庫下泄流量具有相應(yīng)閾值；第三類因素為來水，一般影響蓄水時(shí)間。本文分別對三類影響因素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納。

1.1 目標(biāo)性影響因素

以發(fā)電為主的水庫，目標(biāo)性影響因素為發(fā)電要求。發(fā)電要求主要影響蓄水的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在初期蓄水方面，景連才[3]以保證率75%組合年來水過程為例，說明了三年蓄滿能使察爾森水庫獲得更多初期發(fā)電效益；在常規(guī)運(yùn)用蓄水上，甘富萬[4]提出：相較提前連續(xù)蓄水，分旬控制蓄水既能保證防洪、又可明顯提高三峽水庫的發(fā)電效益；左建等[5]論證了三峽水庫年均發(fā)電量會隨水庫起蓄時(shí)間的提前而增加。

1.2 限制性影響因素

1.2.1 工程限制因素

工程限制因素分為施工進(jìn)度、庫岸穩(wěn)定性、工程安全、庫區(qū)移民搬遷進(jìn)度等。

(1)施工進(jìn)度。施工進(jìn)度對蓄水的影響體現(xiàn)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，如：杜菁等[6]在分析提前蓄水可行性時(shí)指出：黃花寨水電站的蓄水時(shí)間應(yīng)隨施工進(jìn)度的加快而提前。

(2)庫岸穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，學(xué)者對庫岸穩(wěn)定性的研究大部分集中于蓄水過程對庫岸穩(wěn)定性的影響，如：鐘式范等[7]認(rèn)為庫水通過沖刷等作用會降低庫岸穩(wěn)定性；王明華等[8]指出：蓄水促使鄂西南某水庫滑坡變形模式發(fā)生改變；卻少有人探討庫岸穩(wěn)定性如何影響蓄水。

(3)工程安全。水工建筑物存在安全隱患會明顯影響蓄水速度。我國學(xué)者對此因素的研究趨勢為：是否產(chǎn)生影響-如何影響。如：2003年，涂俊欽等[9]認(rèn)為江埡水庫的壩頭灌漿裂縫等工程缺陷會影響蓄水速度；2012年，李太成等[10]指出：蜀河水電站壩基帷幕灌漿施工質(zhì)量等缺陷將導(dǎo)致初期蓄水速度較慢。

(4)庫區(qū)移民搬遷進(jìn)度。移民搬遷進(jìn)度通常滯后于水庫工程的建設(shè)，進(jìn)而有可能會限制蓄水水位。陳鵠等[11]從經(jīng)濟(jì)的角度闡述了移民搬遷滯后致使白市水電站建成后無法蓄至擬定水位發(fā)電，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.2 非工程限制因素

非工程限制因素指水庫蓄水的同時(shí)，受到下游生產(chǎn)、生態(tài)、防洪、航運(yùn)等用水需求的限制，根據(jù)它們對蓄水過程的限制方式可分為兩類：一類限制水庫下泄流量，如：李紅剛[12]在考慮下游生態(tài)、航運(yùn)等用水的基礎(chǔ)上，指出小灣水電站初期蓄水時(shí)應(yīng)滿足下游用水的基本流量；李建樂等[13]考慮到金王寺水庫河段的生態(tài)環(huán)境需水，認(rèn)為應(yīng)按壩址多年平均流量的10%下泄生態(tài)基流；王炎等[14]在研究三峽水庫蓄水問題時(shí)，選定四大家魚和中華鱘的生態(tài)需水作為河段的生態(tài)需水量，要求月最小下泄流量不低于此生態(tài)需水量。

另一類則影響蓄水的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，如：為保證三峽水庫初期蓄水時(shí)兼顧通航，裴金林等[15]對比了提前蓄水、正常蓄水、有控制延長蓄水和推遲蓄水4種方案，認(rèn)為有控制延長蓄水較優(yōu)；李雨[16]基于防洪討論了三峽水庫汛末蓄水方式，他建議三峽水庫應(yīng)提前均勻蓄水、分段控制。

1.3 來水限制因素

目前，學(xué)者針對來水影響水庫蓄水問題，開展了一些研究，如：閔要武[17]等基于保證率，構(gòu)建了對三峽水庫蓄水不利的來水情況，為水庫蓄水提供了理論基礎(chǔ)；李雨[16]在討論來水豐、枯對三峽水庫起蓄時(shí)間的影響時(shí)得出：隨著來水量減少，水庫的起蓄時(shí)間將提前；李長春等[18]在分析長江干流和兩湖地區(qū)徑流特性的基礎(chǔ)上提出：由于兩湖地區(qū)來水在三峽蓄水時(shí)期總體偏枯，有必要適時(shí)提前開展蓄水任務(wù)；耿旭[19]等認(rèn)為：在來水較豐的年份，三峽水庫的蓄水時(shí)間可適當(dāng)推遲?？梢?，目前的研究重在討論其對蓄水時(shí)間的影響。

2 水庫蓄水方案研究

識別蓄水影響因素，協(xié)調(diào)好來水、用水與蓄水之間的關(guān)系、制定合理的蓄水方案至關(guān)重要。國外對水庫蓄水方案問題的研究相對成熟，自20世紀(jì)中后期開始，許多理論、模型相繼被提出[20-24]，為水庫的蓄、泄水量提供了指導(dǎo)和建議。我國學(xué)者張國慶等[25]也在1992年指出：水庫蓄水時(shí)要特別考慮對下游的影響，應(yīng)合理分配水量以滿足各用水部門的最低要求。

2.1 防洪度汛

防洪作為水庫功能的重中之重，在研究水庫蓄水時(shí)受到了廣泛關(guān)注。Jay R. Loud[26-27]基于防洪，概化制定了串、并聯(lián)水庫的蓄水規(guī)則，為水庫蓄、泄水量提供了理論參考；萬俊等[28]系統(tǒng)研究了白盆珠水庫汛期蓄水運(yùn)用方式，擬定了水庫的攔蓄水位、為水庫度汛提供了建議；劉心愿等[29]為確保防洪安全，科學(xué)地劃分了三峽汛末防洪庫容，為研究水庫汛末蓄水調(diào)度問題提供了新思路；何小聰?shù)萚30]在研究溪洛渡、向家壩、三峽水庫群汛期蓄水方式時(shí)指出：“等比例蓄水”具有更高的聯(lián)合防洪效益。

2.2 滿足發(fā)電

作為水庫興利任務(wù)，蓄水與發(fā)電問題也一直是研究的熱點(diǎn)，如：Ngo等[31]以越南HoaBinh水庫為例，將MIKE 11仿真模型和SCE(the Shuffled Complex Evolution)優(yōu)化算法結(jié)合，在考慮水庫發(fā)電的基礎(chǔ)上得到了HoaBinh水庫的優(yōu)化蓄泄方案；2012年，TD Asfaw等[32]以馬來西亞Perak河上的Temenggor、Bersia、Kenering和Chenderoh四個(gè)水庫為對象，以水庫群發(fā)電量最大為目標(biāo)，得到的最優(yōu)方案提高了水庫群的總發(fā)電量、并保證了蓄水。

2.3 兼顧生態(tài)

隨著水庫建成后生態(tài)環(huán)境受到不可避免的影響后，考慮生態(tài)的水庫蓄水方案研究逐漸開展。Brain D Richter等[33]在描述水庫運(yùn)行改變天然徑流過程的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)在水庫蓄水時(shí)添加生態(tài)約束，以修復(fù)天然徑流；李瓊芳等[34]分析了不同蓄水方案對三峽水庫下游生態(tài)用水的影響，驗(yàn)證了提前蓄水能顯著提高下游最小生態(tài)徑流的滿足度，更有利于中華鱘產(chǎn)卵；趙越等[35]模擬了三峽水庫正常蓄水和提前蓄水時(shí)中華鱘產(chǎn)卵場的流場分布，并結(jié)合中華鱘對流速、水深等因子的喜好得出：提前蓄水能顯著增加中華鱘產(chǎn)卵棲息地的加權(quán)可利用面積，減輕蓄水對其產(chǎn)卵的不利影響。

2.4 綜合利用

在考慮水庫多種功能并行的基礎(chǔ)上，學(xué)者開始對水庫的綜合利用與蓄水展開研究，如：李義天等[36-37]指出：推遲蓄水不僅影響三峽水庫的蓄滿率和航運(yùn)，且發(fā)電效益不可觀，而提前、分旬控制蓄水既可顯著提高發(fā)電效益、又可兼顧防洪；彭?xiàng)畹萚38]聯(lián)合防洪、發(fā)電和航運(yùn)多個(gè)目標(biāo)，對三峽水庫蓄水時(shí)機(jī)和方式進(jìn)行決策，論證了汛末提前分階段蓄水能充分發(fā)揮水庫的綜合效益；汪蕓等[39]建立的以年均蓄滿率最大為目標(biāo)、下游防洪和生態(tài)用水為約束的蓄水方案表明：分階段提前蓄水能提高丹江口水庫蓄滿率，且綜合利用效益顯著。

2.5 水庫群蓄水

近幾年，學(xué)者將研究的對象移向水庫群，如：周研來等[40]研究的溪洛渡-向家壩-三峽梯級水庫的較優(yōu)聯(lián)合蓄水方案表明：同步起蓄和異步起蓄方案均能使水庫群年均發(fā)電量和蓄水率提高，而前者發(fā)電效益較優(yōu)、后者蓄水效益高；針對溪洛渡、向家壩與三峽水庫蓄水時(shí)間同步性，導(dǎo)致的三峽水庫蓄水難度加大問題，陳炯宏等[41]提出分階段攔蓄，以提高三峽的蓄滿率；丁毅等[42]給出了長江流域三峽上游水庫群可先于三峽蓄水，并要分段控制蓄水位上升進(jìn)程的建議；彭?xiàng)頪43]和王冬等[44]也針對長江流域水庫群聯(lián)合蓄水問題進(jìn)行了研究，均給出了應(yīng)分批蓄水的結(jié)論。

3 水庫蓄水風(fēng)險(xiǎn)研究

水庫蓄水涉及來水、用水及工程等方面，入庫流量的不確定性、各部門用水的競爭性、工程的不穩(wěn)定性均會造成蓄水風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)者針對蓄水風(fēng)險(xiǎn)問題，也進(jìn)行了研究，如：葉琰[45]用蒙特卡洛法比較得出：在有來水預(yù)報(bào)情況下，萬安水庫的主、后汛期的蓄水風(fēng)險(xiǎn)明顯小于無預(yù)報(bào)情況；馮平等[46]以崗南水庫為例建立了超汛限水位蓄水風(fēng)險(xiǎn)效益分析方法，認(rèn)為在蓄水風(fēng)險(xiǎn)增加不大的條件下，水庫的蓄水位可適當(dāng)高于汛限水位。

4 水庫蓄水存在問題及研究展望

4.1 存在問題

(1)國外對蓄水影響因素的研究較少，而國內(nèi)對于工程影響因素的討論不多。由于工程影響因素多且繁雜，涉及社會、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)、人文等諸多方面，在研究中若要量化研究其影響程度相對困難，因此大多數(shù)現(xiàn)有的研究均集中在定性探討，如：工程隱患將影響初次蓄水速度，但其影響程度尚較難確定。

(2)國內(nèi)對于目標(biāo)性影響因素和限制性影響因素的研究雖然相對詳盡，然而，蓄水總歷時(shí)長，每一階段水庫的任務(wù)不盡相同，少有學(xué)者在理論研究中對蓄水過程進(jìn)行階段劃分、明確各階段的主導(dǎo)影響因素并制定相應(yīng)的蓄水方案。

(3)關(guān)于蓄水方案問題，國外的研究重在理論與方法創(chuàng)新，但在國內(nèi)的蓄水方案研究中，大部分學(xué)者選取的研究實(shí)例多集中于長江、金沙江等，對我國其他江河的研究相對較少，因此現(xiàn)有的研究成果具有一定的局限性。

4.2 研究展望

基于此，本文認(rèn)為水庫蓄水問題未來的研究重點(diǎn)可為以下幾點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)對工程性限制因素的研究。水庫的初期蓄水至關(guān)重要，既是對蓄水機(jī)理的探究又是對新建工程的試驗(yàn)，因此必須加深對工程性限制因素的研究、量化其對蓄水的影響程度；

(2)分段研究蓄水過程。蓄水總歷時(shí)長、水庫的階段功能和任務(wù)不盡相同，應(yīng)首先對蓄水過程進(jìn)行分段，在探討各階段水庫任務(wù)的基礎(chǔ)上，明確主導(dǎo)影響因素，進(jìn)而擬定各階段的蓄水方案、確定合理的蓄泄水過程。

(3)擴(kuò)大研究區(qū)域。目前我國對水庫蓄水方案的研究多集中在長江、金沙江流域，研究成果具有一定的地理局限性，因此應(yīng)拓寬研究范圍，對我國其余江河水庫進(jìn)行研究。

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