并聯(lián)供水水庫(kù)庫(kù)容補(bǔ)償提高洪水資源化利用程度研究

王 霞，鄭雄偉，張曉文

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

水資源是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源和戰(zhàn)略資源。由于我國(guó)水資源時(shí)空分布不均，水資源多少問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的因素之一[1]。水多則洪澇災(zāi)害頻繁；水少則干旱缺水、環(huán)境惡化。尤其是許多濱海城市，獨(dú)流入海的流域洪水暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高，水資源供需不平衡嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

洪水具有水害和水利雙重特性，洪水是災(zāi)害的根源，又是水資源的重要組成部分[2]?？茖W(xué)合理利用和調(diào)度流域水利工程，有效利用洪水，解決水資源短缺危機(jī)和防洪減災(zāi)，提高洪水資源化利用程度是十分必要的[3- 4]。

隨著治水思路的不斷拓展，水資源“空間均衡、系統(tǒng)治理”的理念進(jìn)一步深化，治水戰(zhàn)略從以往“入海為安”正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖o洪水出路，讓洪水為我所用”的洪水資源化治水戰(zhàn)略[5]。洪水資源安全利用是緩解水資源短缺和防洪減災(zāi)的有效措施和方法。洪水資源化的內(nèi)涵是通過(guò)工程措施和非工程措施調(diào)蓄洪水，實(shí)現(xiàn)洪水由水害向水利的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)防洪和興利的統(tǒng)一。即在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下，利用工程和非工程措施化害為利，用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水和生態(tài)環(huán)境等需水，最大限度地發(fā)揮洪水的資源效益[6]。

合理利用流域水庫(kù)的水文特性和水庫(kù)特性并進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)科學(xué)調(diào)度，可以提高洪水資源化利用程度，將防洪減災(zāi)與興利抗旱有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水資源時(shí)空均衡。

2 實(shí)例

本文以并聯(lián)的東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)為例，充分利用東屏水庫(kù)庫(kù)容大、調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)補(bǔ)償長(zhǎng)林水庫(kù)；補(bǔ)償?shù)姆绞绞且暂斔矶催B通兩座水庫(kù)，將長(zhǎng)林溪的洪水徑流引至東屏水庫(kù)，提高洪水資源化利用程度，為當(dāng)?shù)仫嬘盟踩峁┍Ｕ?，同時(shí)提高水庫(kù)下游防洪保護(hù)對(duì)象的防洪能力。

2.1 三門縣水資源概況

三門縣位于浙江沿海中部，東瀕東海，南接臨海市，北臨寧?？h，西接天臺(tái)山，東北界象山縣。全縣陸地總面積約1000km2，多年平均降水量1630mm，多年平均水資源總量10.16億m3，人均2404m3，域內(nèi)多為山溪性河流，源短流急，暴漲暴落，大部分淡水直注入海，水量利用率不高。三門縣處在溫臺(tái)沿海產(chǎn)業(yè)帶上，為浙江東南沿海的新興城市。三門縣內(nèi)目前缺乏調(diào)節(jié)能力較大的蓄水工程，現(xiàn)狀供水能力和保證率不足。

2.2 水源工程方案

2.2.1方案一：分別興建東屏、長(zhǎng)林水庫(kù)

因東屏溪和長(zhǎng)林溪集雨面積均不大，分別在兩溪上建設(shè)東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)。其中白溪支流東屏溪上東屏水庫(kù)集水面積18.7km2，白溪支流長(zhǎng)林溪上長(zhǎng)林水庫(kù)集水面積11.9km2。

2.2.2方案二：興建東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)并連通

東屏溪較長(zhǎng)林溪地形地質(zhì)條件和成庫(kù)條件好，政策處理量少，因此擬擴(kuò)大東屏水庫(kù)規(guī)模，減少成庫(kù)條件較差的長(zhǎng)林水庫(kù)規(guī)模，通過(guò)輸水隧洞將長(zhǎng)林溪的洪水和徑流引至東屏水庫(kù)，以發(fā)揮東屏水庫(kù)容積大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，提高工程的供水效益，達(dá)到與方案一同樣的效果[7]，見(jiàn)表1。

從表1中可知，若2個(gè)方案達(dá)到基本一致的供水能力，方案一的長(zhǎng)林水庫(kù)正常蓄水位需抬高至150m，較方案二高42m，且長(zhǎng)林溪的地質(zhì)條件相對(duì)較差，并不適合建高壩；方案二東屏水庫(kù)適當(dāng)加高壩高，即可達(dá)到與方案一同樣的供水能力；方案一的單方供水投資達(dá)到41.4元/m3，高于方案二33.5元/m3。因此推薦建設(shè)東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)，并通過(guò)輸水隧洞連通。

3 庫(kù)容補(bǔ)償措施及效果分析

3.1 兩庫(kù)庫(kù)容特性對(duì)比

比較東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)的特性，東屏水庫(kù)集水面積是長(zhǎng)林水庫(kù)的1.57倍，但興利庫(kù)容是長(zhǎng)林水庫(kù)的19倍；從調(diào)節(jié)性能看，東屏水庫(kù)是多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，而長(zhǎng)林水庫(kù)是不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。兩者對(duì)比見(jiàn)表2。從兩庫(kù)的庫(kù)容特性差異來(lái)看，東屏水庫(kù)可對(duì)長(zhǎng)林水庫(kù)進(jìn)行庫(kù)容補(bǔ)償。

3.2 兩庫(kù)引水供水聯(lián)合調(diào)度模型

兩庫(kù)以輸水隧洞連通，引長(zhǎng)林水庫(kù)的徑流和部分汛期洪水入東屏水庫(kù)充分利用的方式進(jìn)行庫(kù)容補(bǔ)償，其目的是合理利用東屏水庫(kù)庫(kù)容大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的特性，提高長(zhǎng)林水庫(kù)的洪水資源化利用程度。

兩庫(kù)連通輸水隧洞規(guī)模大小決定了洪水資源化程度利用程度的高低，但輸水隧洞規(guī)模大小同時(shí)受到供水投資等因素制約。為合理確定兩庫(kù)補(bǔ)償方式，建立兩庫(kù)聯(lián)合引水供水調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。模型的目標(biāo)函數(shù)如下。

3.2.195%保證率下兩水庫(kù)供水能力最大

(1)

式中，W95%max—95%保證率下東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)年最大供水量，m3；Wi.D95%—95%保證率下第i月東屏水庫(kù)供水量，m3；Wi.C95%—95%保證率下第i月長(zhǎng)林水庫(kù)供水量，m3。

表1 三門縣中部和東南部地區(qū)水源工程方案比選論證表

表2 東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)特性對(duì)比表

注：長(zhǎng)林水庫(kù)可自流分洪引水至東屏水庫(kù)。

3.2.2年均棄水量最小

(2)

式中，Wqmin—東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)年均最小棄水量，m3；Wq.i.D—東屏水庫(kù)第i月最小棄水量，m3；Wq.i.C—長(zhǎng)林水庫(kù)第i月最小棄水量，m3；n—統(tǒng)計(jì)序列年系列長(zhǎng)度。

3.2.3單方供水投資最小

(3)

以95%保證率下兩庫(kù)供水能力最大，兩庫(kù)年均棄水量最小，單方供水投資盡量小為模型的目標(biāo)函數(shù)。

模型的約束條件包含：東屏水庫(kù)自身有棄水時(shí)不從長(zhǎng)林水庫(kù)引水；東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)下游的灌溉供水和生態(tài)環(huán)境用水大于等于其基本需求；東屏水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)林水庫(kù)下游的南林村和坎下金村防洪減災(zāi)效益盡量大；庫(kù)容限制約束；水量平衡約束[8]、滿足各供水對(duì)象用水保證率和不超過(guò)其允許破壞深度等。

模型的計(jì)算精度為1952—2015年共計(jì)64年長(zhǎng)系列逐日徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，以目標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)方法求解模型。

3.3 輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量的確定

論證輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量時(shí)，在建立兩庫(kù)長(zhǎng)系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型分析基礎(chǔ)上，充分考慮小流域洪水源短流急的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)2年一遇、3年一遇、5年一遇等頻率的洪水進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對(duì)長(zhǎng)系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型的計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核修正。

以10、20、30m3/s的輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量模擬兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，通過(guò)方案比選后推薦了綜合效益佳、操作性強(qiáng)的方案，方案比選成果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，隨著引水規(guī)模的加大，東屏水庫(kù)多年平均增加引水量、輸水隧洞可比投資都逐漸增加；但方案二比方案一的差額引洪水量單方投資為17.1元/m3，而方案三比方案二的差額引洪水量單方投資為44.8元/m3，因此以設(shè)計(jì)引水流量20m3/s的輸水隧洞從長(zhǎng)林水庫(kù)引洪至東屏水庫(kù)，用東屏水庫(kù)的庫(kù)容補(bǔ)償長(zhǎng)林水庫(kù)來(lái)提高洪水資源化利用程度是合適的，相對(duì)該地區(qū)洪水資源化利用而言是經(jīng)濟(jì)合理的。

3.4 庫(kù)容補(bǔ)償?shù)挠行苑治?/h3>

(1)從東屏水庫(kù)與長(zhǎng)林水庫(kù)入庫(kù)徑流豐枯遭遇對(duì)比分析，因兩庫(kù)所在流域同屬白溪流域，水文條件相似，入庫(kù)徑流豐枯幾乎同步。因此，主要考慮利用兩庫(kù)的不同庫(kù)容特性進(jìn)行補(bǔ)償。分別分析兩庫(kù)豐豐、平平、枯枯遭遇時(shí)庫(kù)容補(bǔ)償?shù)挠行?。汛期兩?kù)同豐，即同時(shí)發(fā)生大洪水(5年一遇以上)時(shí)，兩庫(kù)同時(shí)棄水，兩庫(kù)同時(shí)發(fā)生低頻率洪水時(shí)，東屏水庫(kù)可將長(zhǎng)林水庫(kù)可能發(fā)生的棄水引入加以利用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)于集水面積為11.9km2，多年平均流量0.39m3/s的長(zhǎng)林溪小流域，推薦采用20m3/s的設(shè)計(jì)引水流量，為引長(zhǎng)林溪的中小洪水入東屏水庫(kù)創(chuàng)造了條件，引水模數(shù)為1.68m3/(s/km2)。

模擬兩庫(kù)64年長(zhǎng)系列徑流引水供水聯(lián)合調(diào)度過(guò)程中，長(zhǎng)林水庫(kù)年均引入東屏水庫(kù)約680萬(wàn)m3。

(2)若兩庫(kù)不做庫(kù)容補(bǔ)償，要達(dá)到相同的水資源利用率，長(zhǎng)林水庫(kù)需將規(guī)模從131萬(wàn)m3擴(kuò)大至1444萬(wàn)m3，增加工程投資1.62億元。

4 結(jié)論和建議

近年來(lái)，我國(guó)利用單個(gè)水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等實(shí)現(xiàn)洪水資源化利用已有較多實(shí)踐，單個(gè)水利工程的洪水資源化能力是有限的，從流域整體水資源綜合利用出發(fā)，利用水庫(kù)的水文特性和庫(kù)容特性補(bǔ)償，可以在提高洪水資源化利用程度和流域防洪減災(zāi)等方面發(fā)揮重要作用，是實(shí)現(xiàn)洪水資源安全利用及水資源可持續(xù)利用的重要舉措[5]。

表3 兩庫(kù)并聯(lián)輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量比較表

本文研究并聯(lián)供水水庫(kù)的水文補(bǔ)償和庫(kù)容補(bǔ)償特性，由于東屏水庫(kù)和長(zhǎng)林水庫(kù)水文特性相似，豐枯幾乎同步，因此選擇通過(guò)庫(kù)容補(bǔ)償提供洪水資源化利用程度，通過(guò)兩座水庫(kù)連通輸水隧洞的規(guī)模合理選擇和科學(xué)安全調(diào)度，盡量引長(zhǎng)林溪洪水入東屏水庫(kù)資源化利用，提高東屏水庫(kù)的供水能力；同時(shí)也減輕長(zhǎng)林溪下游的防洪壓力。將防洪減災(zāi)與抗旱興利有機(jī)結(jié)合，使水資源綜合效益最大。

本文建立兩庫(kù)長(zhǎng)系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型論證輸水隧洞引水流量，同時(shí)充分考慮小流域洪水源短流急的特點(diǎn)，逐時(shí)計(jì)算2年一遇、3年一遇、5年一遇等低頻率洪水，分析引洪水量，然后采用頻差法分析各方案的引洪水量的差異，再對(duì)長(zhǎng)系列逐日徑流調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)度模型的計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核修正。研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)引水流量20m3/s的引輸水隧洞并聯(lián)兩座水庫(kù)，可充分利用東屏水庫(kù)庫(kù)容大，調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)償長(zhǎng)林水庫(kù)。模擬兩庫(kù)引水供水聯(lián)合調(diào)度的徑流調(diào)節(jié)過(guò)程可知，兩庫(kù)庫(kù)容補(bǔ)償提高洪水資源化利用程度過(guò)程中，對(duì)中小洪水的利用程度較高。在實(shí)際的引洪入庫(kù)資源化調(diào)度過(guò)程中，需結(jié)合洪水預(yù)報(bào)、確定每場(chǎng)洪水合適的引水時(shí)機(jī)和引水規(guī)模，同時(shí)也可輔以兩水庫(kù)攔蓄洪尾、東屏水庫(kù)汛限動(dòng)態(tài)水位等措施提高洪水資源化利用程度[9]。

通過(guò)水庫(kù)補(bǔ)償特性分析，可以論證補(bǔ)調(diào)水工程的可行性及規(guī)模，更好地進(jìn)行流域水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮水庫(kù)間的補(bǔ)償作用，優(yōu)化水資源配置，保障供用水安全[10]。