基于生態(tài)流量保障的青山水庫調度方案研究

李強偉，黃揚程，徐競喆，張 巍

（1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2. 水利部農(nóng)村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012；3. 諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800）

0 引 言

早年建設的水庫等水利工程，因受當時經(jīng)濟社會條件和開發(fā)理念等因素制約，規(guī)劃設計時過度追求供水、灌溉和發(fā)電等興利效益，較少考慮工程攔河筑壩（閘）對河流健康狀態(tài)的影響，造成部分河段減脫水，影響了河流連通性和水生生物生境［1］?！吨腥A人民共和國水法》明確規(guī)定：開發(fā)、利用水資源，應當首先滿足城鄉(xiāng)生活用水，并兼顧農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水以及航運需求。生態(tài)環(huán)境用水以法的形式納入到水資源開發(fā)利用之中；《中華人民共和國長江保護法》明確規(guī)定：長江流域水資源保護與利用，應當根據(jù)流域綜合規(guī)劃，優(yōu)先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水，保障基本生態(tài)用水，并統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水以及航運等需要。長江流域高質量發(fā)展對水資源開發(fā)利用中生態(tài)用水提出了更高的要求。

目前，綜合利用水庫調度方案中很少將生態(tài)用水單獨作為用水需求進行考慮，即使考慮了，也未明確生態(tài)用水次序，容易與生活、灌溉等用水產(chǎn)生矛盾。高雪山等［2］研究了基于生態(tài)流量保障的水庫綜合調度方案編制，明確了生態(tài)用水次序，但確定供水防破壞線和生態(tài)流量防破壞線時未考慮天然來水情況，導致水位線物理意義不明確。雍婷等［3］研究了基于生態(tài)流量要求的調度圖優(yōu)化，提出了生態(tài)庫容和水庫調度的優(yōu)化算法，但研究只給出了計算調度的結果，無實際調度策略，尚無法直接指導水庫運行調度。

因此，開展基于生態(tài)流量保障的水庫調度方案研究以指導綜合利用水庫日常運行調度是必要和迫切的。本文以長江流域浙江省諸暨市的青山水庫為例，繪制基于生態(tài)流量保障的水庫調度圖，以期對流域內(nèi)其他綜合利用水庫調度方案編制提供有益的借鑒。

1 生態(tài)流量計算研究

1.1 生態(tài)流量計算方法

國內(nèi)外學者已提出了上百種河流生態(tài)流量核定的計算方法。按照計算原理可分為：水文學法、水力學法、棲息地法、整體分析法4 大類［4-7］；其中水文學方法因所需數(shù)據(jù)少、使用方便，是目前最為廣泛使用的一種方法。本文采用水文學方法中的Tennant 法核定生態(tài)流量［8-9］。

Tennant 法一般以多年平均流量的百分比作為生態(tài)流核定值，未考慮天然徑流節(jié)律變化。豐水期、枯水期都采用統(tǒng)一計算基準，而不是對應時段的多年平均流量，這種核定方法對豐水期影響不大。但對于枯水期，由于綜合利用水庫還要承擔生活供水、灌溉等興利功能，生態(tài)流量值相較于同時段天然來水比值較大，且占用一定的興利庫容，容易造成用水矛盾。因此，有必要對水庫入庫徑流資料進行分析，明確水文年（由豐水期起至枯水期訖的連續(xù)12 個月）的豐水期和枯水期，采用相應時段的多年平均流量的一定百分比作為生態(tài)流量核定值。本文采用劉賽艷等［10］提出的累計距平法，基于長系列水文資料，將工程所在流域水文年劃分為豐水期和枯水期，然后以此為計算基準分別核定不同時段對應的生態(tài)流量。

1.2 累計距平法

設某水庫工程長系列入庫徑流序列為｛Qi（Δt）｝（i =1，2，…，m*n），Δt 代表單位時段時長，一般取月或旬；m 代表每個水文年單位時段的個數(shù)，一般取12 或24；n 代表長系列徑流資料的年數(shù)，一般至少要求30 a；Qi（Δt）代表長系列徑流數(shù)據(jù)按照時間順序排列后（從第一年的1 月份或1 月上旬開始），第i 個單位時段的平均流量。假定T0為水文年的起始時段，以長系列徑流數(shù)據(jù)第一年的T0開始，以m 為間隔，對徑流序列進行截?。蝗鬞0為1 月或1 月上旬，則可以得到n 個水文年的徑流過程，若T0為其他日期，則可以得到n-1 個水文年徑流過程；對得到的水文年按照時間順序排列，第k（k =1，2，…，N/（N = n 或（n-1））個水文年的年徑流平均值為Qk，逐時段（一個水文年有m 個時段）徑流量為Qlk（l = 1，2，…，m），逐時段徑流量累計距平為Slk（l =1，2，…，m），累計距平的和指數(shù)為t+k，各代表式計算關系如下：

則對長系列徑流資料，以不同的T0作為水文年起始時段，可得到m 個累計距平的平均和指數(shù)計算公式如下：

水文年從豐水期開始至枯水期結束，若假定的水文年起始日期T0是合理的，那么Slk～τ的關系曲線應該是一個完整的遞增階段和一個完整的遞減階段，遞增階段對應豐水期，遞減階段對應枯水期。若要出現(xiàn)完整的遞增和遞減階段，則只有在關系曲線取得最大值或最小值時，即當取得最大值對應的即為豐水期的起始日期；當取得最小值對應的即為枯水期的開始，一個水文年中至之間為豐水期，其余時段為枯水期。

2 青山水庫調度方案研究

2.1 工程背景

青山水庫位于浙江省諸暨市浦陽江支流瀆溪江流域，壩址以上集水面積50 km2，正常蓄水位和防洪限制水位均為76.16 m，死水位59.66 m，興利庫容813.0 萬m3，具備年調節(jié)性能。工程以防洪、供水為主，結合灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。青山水庫供水保證率為95%，灌溉為季節(jié)性灌溉（5 ～10月），灌溉用水一般以電站尾水的方式進入灌渠，以提高水資源利用率，獲得季節(jié)性電能。

2.2 生態(tài)流量計算

青山水庫有1965—2014 年連續(xù)50 a 的逐月入庫徑流數(shù)據(jù)資料，以月為單位時段，采用累計距平法計算，瀆溪江流域關系曲線如下所示（見圖1）?？梢钥闯?，當T0取為3 月時，得最大值，取為8 月時得最小值，即瀆溪江流域的豐水期為3 月至7 月，枯水期為8 月至次年2 月。以3 月為水文年的起始日期，計算多年月平均流量的逐月徑流累計距平指數(shù)曲線（見圖2）?？梢钥闯?，逐月徑流累計距平指數(shù)有完整的遞增和遞減段，且在7 月末出現(xiàn)最大值，也驗證了8 月為枯水期的開始日期。

選用Tennant 法，以多年平均徑流量的10%作為青山水庫生態(tài)流量計算標準?？紤]天然徑流豐水期和枯水期變化，分別選取對應時段的多年平均徑流量作為生態(tài)流量計算基準，青山水庫各月生態(tài)流量核定值如下（見表1）。

表1豐水期和枯水期生態(tài)流量核定值

2.3 生態(tài)調度方案制定

水庫生態(tài)調度方案核心在于明確各用水部門用水次序，然后繪制調度圖指導水庫調度運行。因浙江省屬于長江經(jīng)濟帶省份，故引用《中華人民共和國長江保護法》相關規(guī)定，結合青山水庫興利功能，明確青山水庫須優(yōu)先滿足生活供水，在保障生態(tài)用水的基礎上，滿足灌溉和發(fā)電用水需求。

選用青山水庫1965—2014 年連續(xù)50 a 的逐月實測入庫徑流資料，采用設計代表年法，選取入庫徑流接近95%保證率的3 個年份作為設計代表年。設計代表年入庫徑流修正后作為來水過程，以供水、生態(tài)需水、灌溉（發(fā)電）、蒸發(fā)（滲漏）為用水過程，逆時序調節(jié)計算，得到控制性水位過程線，繪制青山水庫基于生態(tài)流量保障的調度圖。

2.3.1 保證供水線和限制供水線確定

青山水庫首先要保證生活供水，故單獨以生活供水為用水過程，設計代表年凈來水量（凈來水量=修正后入庫凈流量-蒸發(fā)（滲漏））為來水過程，以2 月末死水位59.66 m 作為起調水位線，逆時序調節(jié)計算，得到上包線和下包線；上包線即為保證供水線，下包線為限制供水線。

保證供水線與限制供水線之間為保障生活供水區(qū)，即設計保證率以內(nèi)的年份水位落在此區(qū)域內(nèi)，暫停其他需水部門供水，優(yōu)先保證正常生活供水；限制供水線與死水位之間為限制供水區(qū)，即水位落在此區(qū)域，暫停其他需水部門供水的同時，降低生活供水比例。

2.3.2 生態(tài)流量保障線

生態(tài)流量的供水優(yōu)先級僅次于生活供水，按照與生活供水同等的保證率，以生活供水和生態(tài)流量為用水過程，再次逆時序調節(jié)計算，取上包線作為生態(tài)流量保障線；取上包線作為生態(tài)流量保障線，考慮到了上包線對應的是較枯月份對應的水位，即在優(yōu)先滿足生活供水的前提下，保障了枯水時段生態(tài)流量的需求，符合實際情況。

生態(tài)流量保障線和保證供水線之間為生態(tài)流量保障區(qū)，水位位于此區(qū)間，生態(tài)流量須足額連續(xù)泄放，保障下游生態(tài)需水。

2.3.3 限制灌溉線

青山水庫兼顧灌溉功能，因灌溉為次要供水任務，灌溉保障率遠小于生活供水保證率，即在生活供水保障率的來水條件下，灌溉用水是允許破壞的，允許破壞深度一般為正常灌溉需水的40% ～60%，本文取60%。即以正常生活供水、生態(tài)需水、破壞后的灌溉需水為用水過程，再次逆時序調節(jié)，取上包線作為限制灌溉線；取上包線作為限制灌溉線原因同生態(tài)流量保障線取用規(guī)則，要確?？菟路莸墓喔刃杷?。

限制灌溉線與生態(tài)流量保障線之間為限制灌溉區(qū)，水位位于此區(qū)間，應按照正常灌溉需水的0.6倍供水，生態(tài)流量和生活用水正常供應。

因限制灌溉線是按照95%保證率來水條件下，折減灌溉用水調節(jié)水量所得，因此限制灌溉線與正常蓄水位（防洪限制水位）之間的區(qū)域為正常供水區(qū)，即水位位于此區(qū)間，各用水部門均可正常供水，若有需要，可以適當加大生活供水量，但灌溉供水需參考水文預報，及時調節(jié)灌溉供水比例，在預測來水較枯的月份，仍需要對灌溉用水進行削減，避免生活供水和生態(tài)流量遭到破壞（見圖3）。

3 結 論

（1）采用累計距平法對長系列水文資料進行分析，確定生態(tài)流量控制斷面水文年的豐、枯水期；采用Tennant 法取對應時段的年平均徑流量為基準計算生態(tài)流量，更符合水文節(jié)律。

（2）以青山水庫為例，引用《中華人民共和國長江保護法》相關規(guī)定，明確了青山水庫優(yōu)先滿足生活供水，在保障生態(tài)需水的基礎上，滿足灌溉和發(fā)電用水的用水次序。

（3）在調度圖中明確了豐、枯水期間的保障生態(tài)流量線和生態(tài)流量保障區(qū)，保障了枯水時段生態(tài)流量的需求，這對水庫調度方案中如何保障生態(tài)流量具有指導意義。

（4）采用Tennant 法計算生態(tài)流量，豐、庫水期均采用多年平均流量的10%，未考慮不同時期河流的實際生態(tài)需水情況，有待進一步研究。