白龜山水庫(kù)水資源特征及其安全影響因素

徐 源，王紅萍，2，劉永強(qiáng)，劉 建

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430072；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430072；3.河南省白龜山水庫(kù)管理局，河南平頂山467031；4.淮河流域水資源保護(hù)局水資源保護(hù)科學(xué)研究所，安徽蚌埠233001)

0 引 言

白龜山水庫(kù)位于沙潁河上游沙河干流上，是河南省平頂山市的主要水源，同時(shí)與上游昭平臺(tái)水庫(kù)共同構(gòu)成沙潁河下游生態(tài)用水的保障水源，對(duì)保障沙潁河河流健康具有重要意義[1]。沙潁河是淮河的最大支流，其健康狀況直接影響淮河干流健康?；春託v史上多次發(fā)生的水污染事件均與沙潁河有關(guān)[2,3]。過(guò)去相關(guān)研究證明，一定的流量是保證河流健康的基本條件[4- 6]。沙潁河上游是河南省的暴雨中心，對(duì)沙潁河流量的調(diào)控起重要作用。但是，近年來(lái)(尤其是2012年～2014年)，白龜山流域及其上游昭平臺(tái)流域連續(xù)干旱，水庫(kù)水位急劇下降，為了保障平頂山市生活用水和下游生態(tài)用水，2014年3次動(dòng)用水庫(kù)死庫(kù)容，并通過(guò)南水北調(diào)跨流域調(diào)水緩解水庫(kù)危機(jī)[7]。本文通過(guò)分析白龜山流域降水、水庫(kù)入流、出流和水庫(kù)運(yùn)行狀況，揭示白龜山水庫(kù)水資源變化特征，并探討威脅其流域水資源安全的主要因素。

1 水庫(kù)概況

白龜山水庫(kù)距源頭石人山116 km，與上游51 km處的昭平臺(tái)水庫(kù)組成梯級(jí)水庫(kù)，聯(lián)合控制沙河干流洪水，總控制流域面積2 740 km2(1 430/1 310)，占所在的沙潁河流域面積的7%左右。盡管水庫(kù)修建初衷是控制沙潁河洪水，但其已成為平頂山市工業(yè)、城市生活用水的主要水源，并兼具灌溉、養(yǎng)殖以及保障下游生態(tài)需水的功能。

白龜山水庫(kù)總庫(kù)容9.22 億m3，大壩為均質(zhì)土壩，高程110.4 m。根據(jù)設(shè)計(jì)，其正常蓄水位為103 m，相應(yīng)庫(kù)容3.02億m3；最低控制水位97.5 m，相應(yīng)庫(kù)容0.66億m3；汛限水位102 m，相應(yīng)庫(kù)容2.40億m3。

2 水庫(kù)多年水資源特征分析

2.1 水庫(kù)水資源年變化特征

2.1.1 降水量

降水是白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量的重要來(lái)源，而白龜山水庫(kù)受上游昭平臺(tái)水庫(kù)調(diào)節(jié)的影響很大。2002年～2014年期間，白龜山水庫(kù)降水量年際變化大，變異系數(shù)達(dá)到0.203。年均降水量為743 mm，較1951年～2010年多年平均值900 mm[8]減少了17%；而同期上游昭平臺(tái)流域年均降水量為936 mm，與1952年～2008年多年平均值963.6 mm相比[9]，減少量不到3%?？梢?jiàn)，上游山區(qū)降水量基本與早期持平，下游降水量則減少明顯，人類活動(dòng)對(duì)局部氣候的影響明顯(上游昭平臺(tái)流域是山區(qū)，人類活動(dòng)影響相對(duì)較小，白龜山流域基本是平原區(qū)，人類活動(dòng)程度高[10])。

2.1.2 入庫(kù)水量

入庫(kù)水量多少直接關(guān)系到水庫(kù)水資源量的多少。2002年～2014年期間白龜山水庫(kù)年入庫(kù)水量平均值為6.63億m3，與1963年～2013年多年平均值6.69億m3基本持平。年入庫(kù)水量差異系數(shù)達(dá)到0.58，高于年降水量差異系數(shù)。

2002年～2014年期間，按年降水量相當(dāng)?shù)哪攴莘纸M比較，白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量明顯不斷減少。如2012年、2013年和2014年相比，2012年和2013年降水量相當(dāng)，但是入庫(kù)流量從5.78億m3驟降到1.74億m3，到2014年，即使降水量略有增加，入庫(kù)水量仍保持在很低水平。這既與降雨的產(chǎn)流過(guò)程有關(guān)，也與昭平臺(tái)水庫(kù)的下泄水量相關(guān)。

相關(guān)性分析表明，白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量不僅受本地降水量的影響[11]；還與上游昭平臺(tái)水庫(kù)降水量密切相關(guān)，且相關(guān)性高于其與本流域降水量的相關(guān)性(見(jiàn)表1)。

上述分析說(shuō)明，昭平臺(tái)水庫(kù)下泄水量也是白龜山水庫(kù)主要水源。2002年～2014年期間，昭平臺(tái)水庫(kù)年下泄水量接近甚至超過(guò)白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量的50%(2014年枯水年除外)(見(jiàn)表2)。

表1 白龜山入庫(kù)水量及上游降水量相關(guān)性分析

注：**表示0.01級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著；*表示0.05級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著。

表2 昭平臺(tái)水庫(kù)下泄水量占白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量的百分比 %

2.1.3 出庫(kù)水量

2002年～2014年期間，蒸發(fā)滲漏損失一般全年總量約0.6億m3，占總消耗水量的25%左右，主要跟水面面積有關(guān)。生產(chǎn)生活用水量最穩(wěn)定也最大，約占總消耗水量的50%～60%。2005年以前穩(wěn)定在1.2億～1.3億m3之間，2006開(kāi)始增加，自2008后穩(wěn)定在1.4億～1.5億m3之間。農(nóng)業(yè)灌溉用水量一般年份約0.4億m3，占總消耗水量的15%～25%?？菟旯喔扔盟▌?dòng)較大，一方面由于干旱，需求會(huì)增加；另一方面，枯水年可能導(dǎo)致水庫(kù)蓄水量不足，水位下降，供給受到限制(如2014年)。而水庫(kù)水閘下泄水量主要滿足水位控制要求，受入庫(kù)水量控制波動(dòng)很大。

2.1.4 基于年尺度的水資源供需平衡分析

水庫(kù)的降水和入庫(kù)水量年際變化大。除2013年、2014年2個(gè)枯水年外，水庫(kù)的入庫(kù)水量占降水量的比值接近或超過(guò)50%。這可能是屆時(shí)白龜山水庫(kù)降水量較大；且因流域水文的同步性[12]，上游昭平臺(tái)水庫(kù)的降水量也較大，下泄水量較多，共同導(dǎo)致了白龜山水庫(kù)入庫(kù)水量較多。除2013年外，水庫(kù)的年入庫(kù)水量能滿足其年用水需求，一般情況下耗水占入庫(kù)水量的比值基本都不超過(guò)50%。2013年超過(guò)100%是因?yàn)槿霂?kù)水量較少而用水量并未減少，2014年停供了農(nóng)業(yè)水(表3)。除了2013年、2014年外，水庫(kù)每年都下泄大量水，有的年份甚至超過(guò)入庫(kù)跟耗水的余量動(dòng)用了自身庫(kù)容，這說(shuō)明水庫(kù)具有下泄生態(tài)水量的潛力，此時(shí)需要考慮的是水庫(kù)蓄積部分水。

整體上來(lái)說(shuō)，近年來(lái)雖然水庫(kù)水資源量有一定程度減少，消耗水量略微上升，但大多數(shù)年份水資源供需矛盾不突出，也能保障下游生態(tài)水量，問(wèn)題的關(guān)鍵就在于2012年的汛期蓄水較少，之后遭遇2013年、2014年這樣的連枯年，水資源供需出現(xiàn)尖銳的矛盾，不僅無(wú)法供給生態(tài)水，生產(chǎn)生活用水都難以保障，水庫(kù)庫(kù)容持續(xù)減少，威脅大壩的安全。如果事前能夠加強(qiáng)降雨徑流預(yù)報(bào)，提前蓄水，之后通過(guò)上游昭平臺(tái)水庫(kù)緊急調(diào)水和南水北調(diào)中線工程調(diào)水則可以緩解。

表3 白龜山水庫(kù)來(lái)水、耗水和泄水占比及兩水庫(kù)降水集中指數(shù)

注：耗水是生產(chǎn)生活用水、農(nóng)業(yè)用水和蒸發(fā)滲漏損失的和。

表4 白龜山水庫(kù)各月入庫(kù)水量占全年的百分比 %

3.2 水庫(kù)水資源年內(nèi)季節(jié)變化特征

3.2.1 降水量

白龜山水庫(kù)及其上游降水年內(nèi)分布極不均勻，降水主要集中在汛期6月～9月，7月～8月暴雨集中，10月～次年4月，是旱季，降水稀少。采用降水集中指數(shù)PCI表示年內(nèi)降水的分異性[13, 14]。即

式中，pi為每月的降水量。當(dāng)PCI<10，降水年內(nèi)分配均衡，差異不大；11≤PCI≤20，降水呈季節(jié)性變化；PCI>20，降水月際變化顯著。

2002年～2014年，白龜山水庫(kù)及其上游降水量呈季節(jié)性變化，2007年以前，月際變化并不顯著，2007年以后，月際變化的顯著性增強(qiáng)，說(shuō)明汛期的水資源利用潛力大。

3.2.2 入庫(kù)水量

2002年～2014年間，各月入庫(kù)水量占比總體上來(lái)說(shuō)符合白龜山流域的特點(diǎn)，6月～9月水量較為豐富，7月、8月水量集中。由降水年際變化可知：2010年是豐水年，2013、2014年是枯水年，豐水年6月～9月汛期水量集中強(qiáng)度大，占全年的74.58%；而出現(xiàn)2013年、2014年連枯年的原因主要是汛期降水量明顯偏少，入庫(kù)水量?jī)H占全年的45%左右(見(jiàn)表4)。合理利用汛期水量是可行的(2014年干旱9月份水庫(kù)通過(guò)南水北調(diào)調(diào)水)。

3.2.3 出庫(kù)水量

出庫(kù)水量中，工業(yè)與生活用水年內(nèi)基本穩(wěn)定，月均1 000萬(wàn)～1 200萬(wàn)m3；蒸發(fā)滲漏受溫度、氣壓影響[15]，5月～9月在500萬(wàn)～700萬(wàn)m3之間，其余月份在250萬(wàn)～500萬(wàn)m3之間，年內(nèi)雖有起伏，但是始終在一定的水平上波動(dòng)的；只有農(nóng)業(yè)用水不是連續(xù)的，主要跟作物生長(zhǎng)周期相關(guān)。每年5月～9月，氣溫高，正是冬小麥灌漿成熟和夏玉米生長(zhǎng)的時(shí)期，雖然降水在此時(shí)相對(duì)較豐，但是仍然不能滿足其需求，需要灌溉作為補(bǔ)充[16-17]；水閘泄水量跟當(dāng)月入庫(kù)水量緊密相關(guān)。

3.2.4 基于月尺度的水資源供需平衡分析

絕大多數(shù)年份汛期和非汛期的入庫(kù)水量是能滿足其用水需求的，僅2013和2014年非汛期不滿足，主要是枯水年降水偏少導(dǎo)致全年的入庫(kù)水量都較少，其他年份汛期和非汛期都有一定余量。而汛期的余量基本都是通過(guò)水閘下泄，蓄水不多，非汛期不僅將余量全部下泄，甚至動(dòng)用了部分庫(kù)容，這說(shuō)明不論是汛期還是非汛期，水庫(kù)都能保證下游河道的生態(tài)水量。水庫(kù)年內(nèi)來(lái)水集中在汛期，用水量也是汛期偏多，如果大多數(shù)年份水庫(kù)能蓄積部分水，特別是汛期，而不是將其大量下泄，可以提高水資源的利用效率，2012年汛期蓄水還緩解隨后2013年、2014年連枯年出現(xiàn)的供水不足的局面。

表5 典型年各月耗水量、下泄水量占入庫(kù)水量的百分比 %

進(jìn)一步選取2007年(平水年),2010年(豐水年),2012年、2013年、2014(枯水年)(見(jiàn)表5)作進(jìn)一步分析：

豐水年和平水年易發(fā)生缺水的時(shí)段是枯水期和汛前期，除了平水年少數(shù)幾個(gè)月外都能保證下游的生態(tài)水量，如 2007年、2010年5月～7月為滿足防洪要求需大量泄水。若能合理控制下泄水量，則既能保證生態(tài)用水，又能蓄積部分水量供枯水期使用應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的缺水局面。這樣的年份汛期雨洪資源利用是影響大壩安全的主要因素。枯水年全年的水量幾乎都不滿足，比如2012年，10月前的汛期下泄水過(guò)多，從10月開(kāi)始，入庫(kù)水量就開(kāi)始不滿足用水需求，一直持續(xù)到2014年9月。對(duì)于2013、2014這樣的連枯年，如果水庫(kù)的調(diào)蓄能力得到充分發(fā)揮，可以緩解這個(gè)局面，不足的部分通過(guò)調(diào)水補(bǔ)充。這說(shuō)明枯水年汛期降水量的多少是影響大壩安全的主要因素。

4 白龜山水庫(kù)多年運(yùn)行狀況

白龜山水庫(kù)水資源的利用情況受其調(diào)度規(guī)則影響。關(guān)于水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制，提高汛期洪水資源利用效率的研究也做了大量的工作，也取得了一定成效[18-20]；但通過(guò)水庫(kù)多年來(lái)的調(diào)度線(見(jiàn)圖1)可以看出，2002年～2014年以來(lái)，很少如期望的情況，水庫(kù)水位線在汛期后上升到103 m，以備下一個(gè)汛期到來(lái)前冬、春枯水季節(jié)正常使用，汛限水位的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)成果并沒(méi)有充分發(fā)揮作用。發(fā)生2012年汛期蓄水不足，2013年、2014年水庫(kù)水位持續(xù)走低的情況也沒(méi)有提出有效的應(yīng)對(duì)措施，接近或低于死水位水庫(kù)亦會(huì)出現(xiàn)險(xiǎn)情。歷史上，1976年汛期棄水過(guò)多，之后也遭遇1977年、1978年連枯年庫(kù)水位接近死水位的情況。多年來(lái)人們習(xí)慣于暴雨洪水的研究，忽視對(duì)旱情災(zāi)害的分析，往往當(dāng)旱情來(lái)臨時(shí)才采取相關(guān)措施，錯(cuò)失抗旱良機(jī)。實(shí)際上，水庫(kù)功能的發(fā)揮不僅在于防汛，抗旱也是很重要的一方面，特別是連續(xù)干旱。2012年～2014年持續(xù)形成冬春夏連旱，高溫強(qiáng)度大、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，歷史罕見(jiàn)，2014年7月干旱重現(xiàn)期甚至高于百年一遇[21]。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)水庫(kù)降水量年際差異系數(shù)0.20，而入庫(kù)水量差異系數(shù)0.58，昭平臺(tái)水庫(kù)下泄水量接近或超過(guò)入庫(kù)水量的50%。這說(shuō)明降水量和上游昭平臺(tái)水庫(kù)下泄水是白龜山水庫(kù)來(lái)水的重要來(lái)源，近年來(lái)水庫(kù)水資源量有一定程度的減少；用水量年際較穩(wěn)定，2007年開(kāi)始略微增加。整體上說(shuō)，除極少數(shù)枯水年外，入庫(kù)水量不僅能滿足用水需求，還有保障下游生態(tài)用水的潛力。

(2)水庫(kù)降水量年內(nèi)呈季節(jié)性變化，從2007年開(kāi)始這種變化顯著，說(shuō)明汛期雨洪資源有很大的利用潛力，入庫(kù)水量年內(nèi)集中在汛期；用水高峰期在5月～9月；大多數(shù)年份的不僅能滿足用水需求，還能滿足生態(tài)用水，但汛期水資源利用不充分，連枯年水量嚴(yán)重不足。

由此可見(jiàn)，沙潁河上游的白龜山水庫(kù)是可以向下游供給生態(tài)用水的，一般年份汛期洪水的利用是影響白龜山水庫(kù)安全的主要因素；而連枯年的汛期降水量是影響水庫(kù)安全的主要因素。但是，本文均是從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)分析水量的變化規(guī)律，說(shuō)明水庫(kù)利用汛期水資源的可能性。如果能結(jié)合水資源的配置模型，對(duì)生產(chǎn)生活、農(nóng)業(yè)、生態(tài)水量進(jìn)行具體的近期和遠(yuǎn)期的水資源年際年內(nèi)具體的配置，則可以與生產(chǎn)實(shí)踐更好的結(jié)合。對(duì)于2013年、2014這樣的連枯年也可以進(jìn)行具體的研究，揭示旱災(zāi)發(fā)生的機(jī)理、規(guī)律，找到適合本地區(qū)的研判方法；結(jié)合已開(kāi)展的降水、墑情、地下水監(jiān)測(cè)以及中長(zhǎng)期降水預(yù)報(bào)，可以針對(duì)旱災(zāi)開(kāi)展預(yù)報(bào)預(yù)警，減輕旱災(zāi)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

圖1 白龜山水庫(kù)多年運(yùn)行水位

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