王德明 王新昌 趙新昌
(莒縣仕陽水庫管理服務(wù)中心,山東 日照 276526)
水庫具有防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、改善環(huán)境等功能。如何因地制宜做好水庫防洪與興利調(diào)度是水庫運行管理的關(guān)鍵,也是新時代經(jīng)濟社會發(fā)展的必然要求。近幾年,山東省日照市莒縣仕陽水庫立足自身工程實際,探索精準(zhǔn)化管理和精準(zhǔn)化調(diào)度方式,采用小流量、分階段、預(yù)調(diào)騰出庫容迎汛等防汛防洪措施,既利用小流量放水發(fā)電發(fā)揮了發(fā)電效益,又能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間向下游輸送生態(tài)補源用水,改善了下游受益區(qū)的水生態(tài)質(zhì)量,更重要的是,有效騰出了大汛來臨前的水庫庫容,使得水庫納蓄水能力和防洪調(diào)節(jié)能力得到增強,調(diào)度效果非常理想。
仕陽水庫總庫容1.36億m3,興利庫容0.6987億m3,水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5000年一遇,壩后水電站4臺機組總裝機1140kW,設(shè)計多年平均發(fā)電量200萬kW·h。仕陽水庫是一座以防洪、灌溉、生態(tài)和城市供水為主,結(jié)合發(fā)電、漁業(yè)養(yǎng)殖等綜合利用的多年調(diào)節(jié)大(2)型水庫。水庫承擔(dān)著下游30萬人、24.5萬畝耕地以及許多重要交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全保障任務(wù)。
莒縣仕陽水庫控制流域面積281km2,其中山區(qū)占70%,丘陵占20%,平原占10%,較大支流有4條,干流平均坡度3‰;流域多年平均降水量781.60mm。多年平均徑流量0.90億m3(見表1);流域內(nèi)暴雨面上分布不均,降水量年內(nèi)分布季節(jié)性強,主要集中在汛期7—9月,汛期降水量占年降水量的83%,降水量年際變化大;洪水過程呈陡漲陡落型。這些洪水特點,要求水庫必須具有更加準(zhǔn)確精細(xì)的興利與防洪調(diào)度措施,才能夠充分發(fā)揮水庫工程經(jīng)濟效益,保障工程安全運行。
表1 莒縣仕陽水庫歷年逐月平均來水量 單位:萬m3
莒縣仕陽水庫傳統(tǒng)功能是以防洪和灌溉為主,兼有發(fā)電和漁業(yè)養(yǎng)殖等綜合利用功能。隨著新時期社會進步與發(fā)展,水庫工程功能發(fā)生了變化:一是隨著下游工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展,防洪功能更加突出;二是灌區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)從以水稻、小麥等糧食作物為主,轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰?、蔬菜大棚等多種經(jīng)濟作物為主,原有的大水漫灌式灌溉功能基本喪失,轉(zhuǎn)為高效節(jié)水式、點需求式灌溉;三是增加了河道生態(tài)用水和城市供水功能。這些變化造成了實際用水遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原來灌溉用水量,使得年度內(nèi)可放水量減小,造成水庫汛前蓄水位偏高,從而加大了防洪壓力。同時,用水時段和用水特性發(fā)生了變化,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉主要在7、8兩月,占到興利庫容的一半左右,而目前,這兩個月已經(jīng)沒有用水需求,而年前的12月和當(dāng)年的1—5月需要生態(tài)補水,用水特性是流量小、持續(xù)時間長,以保持河道良好觀感和生態(tài)。這些特點就需要對水庫進行精準(zhǔn)化調(diào)度,才既能照顧好用水的方方面面,充分發(fā)揮水庫興利效益,又能確保防洪安全。
如上所述,由于灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,原來傳統(tǒng)的小麥冬灌、春灌及水稻的泡田、插秧、灌漿等大用水量逐漸減少,導(dǎo)致水庫灌溉用水量減少,近3年中,灌溉用水量已接近為零。無用水需求,導(dǎo)致汛前庫水位偏高。
水庫汛期調(diào)度運用計劃是從保障水庫工程安全出發(fā)制定的宏觀調(diào)控計劃,側(cè)重點是超過汛限水位啟動溢洪閘溢洪,保證大壩安全。僅按汛期調(diào)度運用計劃執(zhí)行防洪調(diào)度,一方面造成水利資源浪費,對具有發(fā)電功能的水庫來說,至少損失了發(fā)電經(jīng)濟效益;另一方面使汛前水位偏高,當(dāng)遇大暴雨洪水時,往往更易造成下泄流量偏大,形成人為洪峰,給下游造成防洪壓力。而興利調(diào)度計劃往往以保障各單位用水需求為內(nèi)容,確定的是用水量的安排和保障計劃,缺乏對來水和用水進行深度融合的考慮,達(dá)不到充分興利的目的。
新時期環(huán)境治理和水生態(tài)維護日趨重要,對供水單位提出了新要求。河道內(nèi)保持生態(tài)流量是綠水青山的根本需要,水庫長期以明流形式泄放流量,在提升河道水生態(tài)質(zhì)量的同時,能否做到既能不間斷泄放生態(tài)流量,又能利用生態(tài)流量放水發(fā)電充分興利,同時在汛前預(yù)騰庫容,增大水庫蓄納水能力、防洪能力,成為水庫調(diào)度必須要考慮的問題。
水庫調(diào)度是指運用水庫調(diào)蓄能力,在保證工程安全的前提下,根據(jù)水庫承擔(dān)任務(wù)的主次,按照綜合利用水資源的原則進行調(diào)度,達(dá)到防洪、興利的目的。水庫調(diào)度精準(zhǔn)化控制主要是指以防洪為主,兼具灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的綜合利用多年調(diào)節(jié)大中型水庫,在批復(fù)的汛期調(diào)度運用方案和興利調(diào)度計劃之下,更好地進行興利與防洪調(diào)度,使水庫防洪、經(jīng)濟、生態(tài)、社會效益最大化。調(diào)度精準(zhǔn)化控制主要適用于區(qū)域降雨季節(jié)性強、汛期時段劃分明顯、水庫具備多年可靠水文資料的大中型水庫。
從表1可以看出,年前11月至當(dāng)年5月,水庫來水較少,下游河道天然徑流基本能夠維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境需求;年前的12月和當(dāng)年的1—4月來水稀少,下游呈現(xiàn)長期斷流的干旱狀態(tài),屬于需要生態(tài)補源時間段;7—9月來水占全年來水量的78%,而本時間段一般無供水需求(即使有供水需求也可以通過考慮用來水解決)。因此根據(jù)此類情況,年前11月至當(dāng)年6月重點是興利調(diào)度,通過充分興利調(diào)度降低水庫蓄水位,保障后續(xù)汛期水庫更能充分發(fā)揮調(diào)蓄能力;而7—10月重點是防洪調(diào)度,需緊盯天氣變化和來水預(yù)報情況,嚴(yán)格控制水庫按照汛期控制運用方案調(diào)度。因此,6月底至7月初這個時間段就成了興利調(diào)度和防洪調(diào)度階段劃分的節(jié)點,確定這個時間節(jié)點的(仕陽水庫以7月1日為時間參考點)水庫蓄水狀態(tài),就是水庫調(diào)度精準(zhǔn)化分期控制的主要內(nèi)容。分期節(jié)點要根據(jù)水庫具體的水文特性確定,每年的節(jié)點還要根據(jù)國家防總或省防總公布的年度宏觀汛情預(yù)報進行適當(dāng)修正。
具體調(diào)度過程中,興利調(diào)度宜遵循水庫蓄水量“前高后低”的原則,盡量延長水庫高水位運行時間,這樣既能夠提高漁業(yè)生產(chǎn)效益,又能夠增強庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境。實際操作中,5月以前,僅做到放水滿足基本興利要求,6月份開始要在滿足興利需求放水的基礎(chǔ)上,利用發(fā)電放水預(yù)騰庫容,使水庫水位達(dá)到7月1日計劃控制蓄水量。在防洪調(diào)度階段,水庫蓄水遵循“由低到高”的原則,進入主汛期,要密切注意天氣變化,結(jié)合水文預(yù)報、中長期天氣預(yù)報,適時利用電站調(diào)節(jié),保持水庫蓄水量由低到高逐漸增加,直至汛末達(dá)到興利要求,遇強降雨洪水,應(yīng)棄則棄,確保按照汛期調(diào)度計劃執(zhí)行。根據(jù)中短期天氣預(yù)報和水文預(yù)報,預(yù)測汛后水庫水位不超過汛中限制水位,不調(diào)洪;預(yù)測汛后水庫水位超過汛中限制水位,提前利用電站發(fā)電放水調(diào)洪,仍不能保證庫水位低于限制水位時,盡早開啟溢洪閘,首選小流量泄洪,并及時攔蓄尾水。
水庫汛期控制運用方案只是著重強調(diào)了汛中限制水位、防洪高水位、允許超蓄水位(汛末蓄水位)和下游河道各級安全泄量等指標(biāo)的控制,在保證工程安全的前提下,保證汛末蓄水達(dá)到興利庫容要求。由于歷年汛情的復(fù)雜性,不可能實現(xiàn)逐一把這些指標(biāo)和期間對應(yīng)起來,往往產(chǎn)生一定水資源浪費或者汛末不能蓄滿庫的現(xiàn)象。但從水庫歷年來水和調(diào)度情況分析,每個水庫也都有各自的來、出水規(guī)律。興利與防洪調(diào)度蓄水量控制就是利用這種規(guī)律,可確定一個既能滿足興利,又能滿足防洪界點的水庫蓄水量,作為精準(zhǔn)化調(diào)度控制參數(shù)。
界點蓄水量的確定方法:7月1日為仕陽水庫時間節(jié)點,水庫蓄水量為控制興利與防洪調(diào)度的蓄水量界點值,這個界點值至少要滿足三個要求:一是滿足防洪要求,即7月1日水庫蓄水量低于汛中限制水位相應(yīng)蓄水量;二是滿足興利要求,7—9月來水占全年的78%,為滿足興利需要,考慮75%的年來水保證率,那么設(shè)計年7—9月的來水量為78%×75%=58.5%的全年來水量,設(shè)計7月1日蓄水量加上58.5%的全年來水量(歷年7—9月平均來水量之和)再減去7—9月用水量的值不低于汛末允許蓄水量(興利庫容+死庫容);三是統(tǒng)計歷年有棄水年份的7月1日水庫蓄水量,求得棄水年歷年7月1日水庫平均蓄水量,做到設(shè)計年7月1日水庫蓄水量不大于棄水年歷年7月1日水庫平均蓄水量。通過上述三方面的整合推求,就可確定一個蓄水量數(shù)值作為興利與防洪調(diào)度控制的蓄水量參數(shù)。以此確定仕陽水庫7—9月電站調(diào)節(jié)能力為100萬m3/d,確定設(shè)計年7月1日水庫蓄水量為死庫容+50%的興利庫容。
興利調(diào)度流量控制,以滿足興利目標(biāo)為主,結(jié)合河道生態(tài)維護需要(延長下游河道明流時間),宜選擇小流量長時間輸送,同時還要滿足電站運行管理的需要。仕陽水庫把年前12月和當(dāng)年1—6月分成四個供水時期,每個供水時期10—15天,放水流量宜滿足電站2臺以上機組運行需要,一般放水流量6~8m3/s,至7月初基本能夠達(dá)到防洪要求的蓄水量目標(biāo)。
防洪調(diào)度流量控制,宏觀上以汛期控制運用方案制定的調(diào)度原則進行,然后遵循以下原則進行調(diào)度控制:一是防洪調(diào)度宜早不宜遲原則,提前調(diào)度可以實現(xiàn)下泄流量較?。欢菆猿质紫瓤紤]利用發(fā)電調(diào)洪再考慮溢洪閘泄洪的原則,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)漁業(yè)資源損失的減免和發(fā)電效益;三是錯峰原則,考慮區(qū)間洪水疊加對于下游防洪影響;四是先小后大原則,能夠控制在子河行洪的盡量不超子河,能夠控制在河槽行洪的盡量不超河槽(按照安全泄量等級逐級控制調(diào)度),遇非常洪水,也要根據(jù)具體洪水預(yù)報充分利用水庫調(diào)節(jié)能力逐級確定下泄流量,確保工程和下游全面安全。
水庫蓄洪水總量是年初蓄水量與當(dāng)年來水量總和,而興利水利用率主要包含發(fā)電用水量與蓄洪水總量的相關(guān)內(nèi)容。仕陽水庫采用精準(zhǔn)調(diào)度措施,最大化利用了水資源,保證了水庫工程功能的充分發(fā)揮。從截取的近年仕陽水庫調(diào)度運用情況表(見表2)中分析發(fā)電用水量、興利水利用率、最大溢洪閘泄量,可以看出年度水庫調(diào)度水平,已達(dá)到優(yōu)化調(diào)度最理想狀態(tài)。
表2 莒縣仕陽水庫調(diào)度運用情況(部分)
多年來,仕陽水庫堅持科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度控制,取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益。但每個水庫地理環(huán)境、流域特性等千變?nèi)f化,每年的氣候、降水也復(fù)雜多變,不存在兩個相同的水庫工程,也不存在兩個相同的水文年。因此,本文探討的水庫優(yōu)化精準(zhǔn)調(diào)度的思路和方法,不一定每座水庫都適用。每座水庫只有因地制宜、與時俱進地分析、研究適合自身水庫的年度調(diào)度控制方式、方略,才能做好水庫運行調(diào)度工作。