基于生態(tài)基流保障下的庫(kù)群聯(lián)合供水能力淺析

劉 哲，馬永勝

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 流域及工程概況

1.1 流域概況

澽水河為黃河的一級(jí)支流，流經(jīng)韓城市中部；澽水河流域位于渭河北岸，流域內(nèi)主要河流如下：

澽水河發(fā)源于黃龍縣大嶺南麓青化川化塔，于薛峰鄉(xiāng)上景峰村后進(jìn)入韓城市境內(nèi)，由東南流向轉(zhuǎn)為東北流向。在趙廉墳處匯入柏峪川水，其后又恢復(fù)東南流向。在薛峰村東匯入小迷川水，在胡凹村東匯入侯家峪水，出土門(mén)口進(jìn)入平川地帶。先后又接納了板橋溝水、沙子溝水、潦水、芝水，到司馬遷祠東南匯入黃河，主河槽全長(zhǎng)86 km，境內(nèi)流程35 km。年平均徑流量1.27 億m3，境內(nèi)徑流占29.3%，全流域面積795 km2，境內(nèi)流域面積320.5 km2。

小迷川為澽水河左岸支流，發(fā)源于黃龍山區(qū)任家溝，源頭高程1623 m，河流走向基本呈西北至東南，在韓城市板橋鎮(zhèn)薛峰村北匯入澽水河，流域面積53.2 km2，河流長(zhǎng)度22.47 km；水庫(kù)壩址位于板橋鎮(zhèn)王坪村附近，距小迷川入?yún)R口1.6 km，壩址以上控制流域面積46.6 km2，河道長(zhǎng)度20.87 km，壩址以上河床平均比降2.12%。

侯家峪為澽水河右岸支流，發(fā)源于黃龍山區(qū)嶺西至禹山一帶，源頭高程為1228 m，河流走向基本呈東西走向，在韓城市板橋鎮(zhèn)嶺底村西北530 m 處匯入澽水河，總流域面積40.3 km2，河流長(zhǎng)度16.1 km；水庫(kù)壩址位于板橋鎮(zhèn)胡凹村附近，距侯家峪匯流口0.9 km，壩址以上控制流域面積34.6 km2，河道長(zhǎng)度15.2 km，壩址以上河床平均比降2.08%。

1.2 工程概況

澽水河流域是韓城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心，經(jīng)過(guò)多年水利工程建設(shè)，已形成以澽水河干流薛峰水庫(kù)為主水源、地下水為補(bǔ)充、“380”巖溶水為備用的供水格局。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，中心城區(qū)用水量逐年攀升，薛峰水庫(kù)[1]供水任務(wù)也逐漸由農(nóng)灌供水為主向城市供水為主轉(zhuǎn)變，近三年城鎮(zhèn)供水量年均增長(zhǎng)均超過(guò)14%，年均用水量已超過(guò)1000 萬(wàn)m3，農(nóng)灌供水量嚴(yán)重短缺。為保護(hù)地下水環(huán)境，限制中心城區(qū)“380”巖溶水過(guò)度開(kāi)發(fā)，2019年韓城市政府要求原自備水源井將逐步關(guān)閉，作為應(yīng)急備用水源。進(jìn)一步將供水任務(wù)轉(zhuǎn)移到主要的地表水源——薛峰水庫(kù)。為了緩解薛峰水庫(kù)日益凸顯的供水壓力，建立區(qū)域地表水源連通聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，修建了小迷川水庫(kù)[2]、侯家峪水庫(kù)[3]作為薛峰水庫(kù)的補(bǔ)充水源。

4.2.1 徑流成果分析

圖1 薛峰水庫(kù)供水系統(tǒng)位置示意圖

人臉匹配技術(shù)能夠?qū)Ω鱾€(gè)交通路口進(jìn)出學(xué)校的行人進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)人臉對(duì)身份進(jìn)行識(shí)別，通常用于檢測(cè)某個(gè)人在哪里出現(xiàn)，用于考勤或者是定位嫌疑人的移動(dòng)軌跡。

小迷川水庫(kù)：位于澽水河小迷川支流匯入口上游，?。?）型庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容452 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容263 萬(wàn)m3，淤積庫(kù)容83 萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容106 萬(wàn)m3。

第三，不僅如此，數(shù)碼攝影的強(qiáng)大融合能力，甚至讓傳統(tǒng)二維照片的“決定性瞬間”也黯然失色。按下快門(mén)的瞬間與物體被拍攝的瞬間相吻合，銜接過(guò)去與現(xiàn)實(shí)的可能性正是基于這兩個(gè)瞬間的吻合。攝影大師布列松曾經(jīng)制造過(guò)難以計(jì)數(shù)的決定性瞬間，巴特認(rèn)為這個(gè)存在過(guò)的瞬間就是攝影的本質(zhì)，斯蒂格勒認(rèn)為瞬間是從一去不復(fù)返的過(guò)去中抓回真實(shí)事物，就像我們抓住“星星發(fā)出的延遲的光線”[9]18。然而，數(shù)碼攝影借由與各種超鏈接、混合媒介的結(jié)合，輕易拉長(zhǎng)或擴(kuò)大了這種瞬間，其中包括將瞬間延展為電影。它“被看作一種對(duì)時(shí)間的更有彈性的感知，未來(lái)和過(guò)去彼此交纏，與現(xiàn)在具有同樣決定性”[1]149。

侯家峪水庫(kù)：位于澽水河侯家峪支流匯入口上游，?。?）型庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容323 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容161 萬(wàn)m3，淤積庫(kù)容81 萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容75 萬(wàn)m3。

基于上述情況，韓城市相繼規(guī)劃建設(shè)了小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)，作為薛峰水庫(kù)補(bǔ)充水源，以保障中心城區(qū)及薛峰灌區(qū)未來(lái)發(fā)展用水。

薛峰水庫(kù)供水系統(tǒng)位置示意圖見(jiàn)圖1。

2 水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

薛峰水庫(kù)建于1973 年，建設(shè)時(shí)未設(shè)置專(zhuān)門(mén)的生態(tài)水量下泄措施，僅以汛期難以存蓄的洪水下泄補(bǔ)充生態(tài)用水，導(dǎo)致流域水生態(tài)環(huán)境較為脆弱。為維護(hù)河道生態(tài)健康，保障河流生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，2019 年5 月5 日韓城市水務(wù)局發(fā)布《關(guān)于保障澽水河、盤(pán)河正常生態(tài)基流工作的通知》（韓水發(fā)【2019】43 號(hào)文），要求“在正常供水情況下，澽水河生態(tài)基流不能低于多年平均徑流量的15%”。

通過(guò)上述水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方式研究和聯(lián)調(diào)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)原則，按照大協(xié)調(diào)分解系統(tǒng)的理論，建立的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度流程圖，見(jiàn)圖2。

表2為改善因子a對(duì)最優(yōu)值的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，隨著a的增加，N*顯著增加，m*基本保持不變，全周期期望維修費(fèi)率逐漸變小。這是因?yàn)閷?duì)MC實(shí)施的不完全維修效果越好，則只依靠不完全維修就能夠更好的維持系統(tǒng)運(yùn)行，替換維修的需求就越小，維修費(fèi)率也就會(huì)變小。

3 水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型設(shè)計(jì)

本文對(duì)澽水河流域薛峰水庫(kù)、小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)的水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)論的理論和方法，以大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方式，確定其最優(yōu)聯(lián)合調(diào)度模式[4]，統(tǒng)籌考慮聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)各水庫(kù)（水源）特性，在滿(mǎn)足既定生態(tài)基流要求下，應(yīng)對(duì)不同城鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活以及農(nóng)業(yè)灌溉需水，進(jìn)行多方案綜合比選，從而使得庫(kù)群系統(tǒng)獲得效益最大化[5]。因此，澽水河流域內(nèi)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型設(shè)計(jì)原則如下：

企業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要。企業(yè)進(jìn)行人工成本管理，不是為了壓低員工工資水平，根本目的是充分挖掘人員潛力，提高工作效率，有效提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力與生命力，促進(jìn)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

首先，聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)涉及薛峰水庫(kù)、小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)三個(gè)獨(dú)立水源，需建立庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型，進(jìn)行三水庫(kù)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度；若天然徑流滿(mǎn)足聯(lián)調(diào)系統(tǒng)需要時(shí)，預(yù)留各斷面生態(tài)基流，來(lái)水依次滿(mǎn)足生態(tài)、城市用水及農(nóng)業(yè)灌水要求，余水按照先干流、后支流的優(yōu)先順序充蓄水庫(kù)；若天然徑流無(wú)法滿(mǎn)足聯(lián)調(diào)系統(tǒng)需要，則依次薛峰水庫(kù)、小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)滿(mǎn)足城市用水需要，然后解決農(nóng)業(yè)需水要求；在調(diào)節(jié)過(guò)程中，應(yīng)充分利用薛峰水庫(kù)“徑流多、庫(kù)容大”的干流調(diào)節(jié)能力，優(yōu)先利用澽水河干流以及薛峰水庫(kù)水量，不足部分再根據(jù)“以缺定供”原則，利用小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)調(diào)蓄，盡量發(fā)揮薛峰水庫(kù)以大帶小的龍頭水庫(kù)調(diào)節(jié)性能。

3.2 水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度流程圖

近來(lái)年隨著中心城區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，建成區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大，城鎮(zhèn)用水量逐年攀升，灌區(qū)面積受城市拓展擠壓，原北干渠、中干渠有效灌溉面積已基本喪失，設(shè)計(jì)灌溉面積由16.05 萬(wàn)畝逐年減少至現(xiàn)狀約6.1 萬(wàn)畝，水庫(kù)供水結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大調(diào)整，供水能力不足的問(wèn)題日益凸顯。

生態(tài)需水：生態(tài)基流按水庫(kù)壩址處下泄多年平均天然徑流量不低于15%推算。

圖2 澽水河流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度流程圖

4 澽水河流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度計(jì)算與分析

4.1 生態(tài)基流要求

按照《通知》要求“在正常供水情況下，澽水河生態(tài)基流最低不能低于15%”，滿(mǎn)足北方河流生態(tài)基流要求為河道天然徑流量的10%～30%相關(guān)規(guī)范要求。薛峰水庫(kù)壩址處調(diào)節(jié)時(shí)段1975 年～2015 年共40 年內(nèi)多年平均徑流量為5916 萬(wàn)m3，河道生態(tài)基流量為0.282 m3/s；小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)壩址處生態(tài)基流分別為0.021 m3/s、0.015 m3/s。

4.2 水庫(kù)供水能力分析

我長(zhǎng)期坐著工作，腰酸背疼不說(shuō)，還有輕微失眠癥，體力也不斷下降。有次，我去體育館鍛煉，教練指著旁邊“蹲”著的阿姨對(duì)我說(shuō)：“你也試試吧！”

依據(jù)徑流分析，薛峰水庫(kù)壩址流域在一般平水年（P＝50%）、一般干旱年（P＝75%）和特大干旱年（P＝95%）情況下，年來(lái)水量分別為3653 萬(wàn)m3、2307 萬(wàn)m3和1952 萬(wàn)m3。從1975年～2015 年40 年天然徑流量過(guò)程中扣除壩址上游生活、生產(chǎn)耗水量后，則規(guī)劃水平年壩址斷面設(shè)計(jì)入庫(kù)水量為5916 萬(wàn)m3。按照同樣的水文分析計(jì)算方法，小迷川、侯家峪水庫(kù)壩址多年平均壩址處天然入庫(kù)徑流量分別為431 萬(wàn)m3、320 萬(wàn)m3。

此外，由于上述各水庫(kù)壩址取水?dāng)嗝嫔嫌?、未?guī)劃其它水利工程，可不考慮上游用水要求。因此，不再進(jìn)行扣水計(jì)算，規(guī)劃水平年設(shè)計(jì)入庫(kù)水量即為壩址天然徑流量。

薛峰水庫(kù)：位于澽水河干流，是韓城市唯一一座以農(nóng)田灌溉和城市供水為主，兼防洪、攔泥綜合效益的中型水庫(kù)，總庫(kù)容4360 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)供水能力4000 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積16.05 萬(wàn)畝。興利庫(kù)容3024 萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容240萬(wàn)m3，已淤積庫(kù)容396 萬(wàn)m3。

4.2.2 對(duì)象需水量

基于以上討論，本文重點(diǎn)考慮抗滑樁受荷段底端的土拱跨中前緣M點(diǎn)的三向應(yīng)力狀態(tài)。其中，M點(diǎn)水平面內(nèi)的應(yīng)力為σx和σy，σx為樁后土拱拱頂處的軸向壓應(yīng)力，σy為樁側(cè)土拱對(duì)樁后土拱的反力，豎向應(yīng)力σz可由受荷段底端的土體自重應(yīng)力算出，因此，M點(diǎn)三向應(yīng)力表達(dá)式為：

任意隧道與赤道面的唯一區(qū)別在于，赤道面隧道物體的起始點(diǎn)為(R,0,0)，而任意隧道的起始點(diǎn)可設(shè)為(Rcosθ,0,Rsinθ)。兩者的運(yùn)動(dòng)方程是一樣的，接下來(lái)我們將對(duì)其進(jìn)行討論。

城市需水：韓城市第二水廠供水水源為薛峰水庫(kù)，設(shè)計(jì)能力為5 萬(wàn)t/d。

灌溉需水：薛峰水庫(kù)灌區(qū)現(xiàn)有效灌溉面積6.1 萬(wàn)畝。毛灌溉定額為151 m3/畝，灌溉水利用系數(shù)0.60，灌溉需水量為921 萬(wàn)m3。

4.2.3 水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度供水量

優(yōu)先滿(mǎn)足三個(gè)水庫(kù)各自壩址下游多年平均徑流量15%河道生態(tài)基流；其次滿(mǎn)足生活、工業(yè)用水，時(shí)段保證率不小于95%控制；再次為農(nóng)灌需用水，灌溉保證率不低于50%。三水庫(kù)調(diào)節(jié)起調(diào)水位為均為死水位，調(diào)節(jié)時(shí)段為月，起調(diào)月份為1975年7 月，調(diào)節(jié)末時(shí)段為2015 年6 月，進(jìn)行時(shí)段閉合循環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算。成果見(jiàn)表1。

表1 澽水河流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度前后結(jié)果對(duì)比分析表單位：萬(wàn)m3/a

（1）對(duì)于生態(tài)基流，原設(shè)計(jì)方案由于薛峰水庫(kù)在20 世紀(jì)70 年代設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)生態(tài)放水口、也沒(méi)有生態(tài)放水任務(wù)，小迷川水庫(kù)、侯家峪水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了10%生態(tài)基流，其生態(tài)下泄水量分別為：13.7 萬(wàn)m3、7.96 萬(wàn)m3；庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度方案中，薛峰水庫(kù)壩址處保障生態(tài)基流的下泄水量700 萬(wàn)m3，小迷川、侯家峪水庫(kù)壩址處年下泄生態(tài)基流水量分別為：50 萬(wàn)m3、35 萬(wàn)m3，三庫(kù)合計(jì)生態(tài)下泄生態(tài)基流水量為785 萬(wàn)m3，較原設(shè)計(jì)方案增加762 萬(wàn)m3。

（2）對(duì)于城市供水，薛峰水庫(kù)近三年平均城市供水量1113 萬(wàn)m3，小迷川、侯家峪水庫(kù)設(shè)計(jì)城市供水量分別為：48.9 萬(wàn)m3、65.5 萬(wàn)m3，因此原設(shè)計(jì)方案下三水庫(kù)合計(jì)城市供水為1228 萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)的城市供水保證率僅84.1%，不滿(mǎn)足城市供水要求；通過(guò)庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，庫(kù)群組成的聯(lián)調(diào)系統(tǒng)合計(jì)城市供水量1620 萬(wàn)m3，時(shí)段保證率95%，滿(mǎn)足規(guī)范要求，城市供水量增加量約392 萬(wàn)m3。

（3）對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉，薛峰水庫(kù)現(xiàn)狀近三年實(shí)際灌溉農(nóng)灌供水量約為357 萬(wàn)m3，小迷川、侯家峪水庫(kù)設(shè)計(jì)農(nóng)灌供水量分別為：155.7 萬(wàn)m3、63.6 萬(wàn)m3，因此三水庫(kù)合計(jì)農(nóng)灌水量為577 萬(wàn)m3，灌溉保證率達(dá)到62.7%。在聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度情況下，聯(lián)調(diào)系統(tǒng)雖然農(nóng)灌供水量減少為383 萬(wàn)m3，但其供水保證率未有較大降低，農(nóng)灌年保證率51.6%，仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求灌溉50%的年保證率。

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5 結(jié)論

本文從協(xié)調(diào)澽水河流域生態(tài)用水要求、提升水資源供給側(cè)的安全保障能力出發(fā)，通過(guò)建立流域內(nèi)庫(kù)群連通聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，采用合適的優(yōu)化計(jì)算方法，確定合理的流域水資源開(kāi)發(fā)利用方案，優(yōu)先保障河道生態(tài)基流、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)及農(nóng)灌用水，合理調(diào)配水資源，取得了較為顯著的效果。