淺析烏海市千里山水庫旱限水位的確定

0 引言

旱限水位是干旱預(yù)警等級的一個(gè)重要的確定指標(biāo)，指的是江、河、湖以及水庫為了保障供水、維持生態(tài)環(huán)境而保障的最低水位，是提高抗旱能力的主要手段之一。水庫作為現(xiàn)代社會(huì)蓄水、用水的主要設(shè)施之一，其功能的發(fā)揮具有明顯的季節(jié)性特征，尤其是在北方比較干旱的地區(qū)，夏季多雨以及冬季干旱等氣候特點(diǎn)極大地影響了水庫功能的發(fā)揮，因此，在不同的季節(jié)，水庫的旱限水位確定也要具有針對性，不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，如多雨季節(jié)可能造成洪澇災(zāi)害，而干旱時(shí)期又可能導(dǎo)致水庫的需水量不足，因此，必須要采用分期分級的旱限水位設(shè)計(jì)，來確保水庫的抗旱能力。烏海市千里山水庫位于我國的西北部，受氣候影響較大，全年枯水期較長，必須要對其的旱限水位采取分期分級的方式進(jìn)行確定。

1 烏海市千里山水庫概況

烏海市千里山水庫位于海勃灣區(qū)東南的千里山鎮(zhèn)，總庫容616萬m，距市區(qū)26km，坐落于黃河以及支流千里溝上。根據(jù)我國現(xiàn)行《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，烏海市千里山水庫等別為Ⅳ等，屬于?。á瘢┬退畮?，主要建筑物大壩、溢洪道、排沙洞、輸水洞按4級建筑物設(shè)計(jì)。

2 烏海市千里山水庫旱限水位的確定

基于千里山水庫所在地的氣候特征以及用戶供水需求，確定采用分級分期旱限水位多目標(biāo)優(yōu)化的計(jì)算方法，首先確定水庫旱限水位的變化規(guī)律，然后采用簡便計(jì)算方法確定旱限水位，具體思路見圖1。

圖1 烏海市千里山水庫分級分期旱限水位確定思路

烏海市千里山水庫的供水用戶分為四級，依次是生態(tài)、生活、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)。其中的農(nóng)業(yè)用水具有很強(qiáng)的季節(jié)性特征，主要集中在5、6、7三個(gè)月份，其他用水則在全年分布較為平均。四級供水用戶中，工業(yè)用水為主，設(shè)計(jì)保證率為90%，農(nóng)業(yè)用水設(shè)計(jì)保證率為70%。工業(yè)供水破壞深度在10%以下，農(nóng)業(yè)供水破壞深度在30%以下。

基于千里山水庫所在地的年均降水量、月均流入量、月均供水量以及月均水位綜合考慮，將水文年分為5個(gè)時(shí)期，具體見表1。

表1 千里山水庫水文年

2.1 千里山水庫分級分期旱限水位的定義

分級分期旱限水位是能夠反映水庫干旱程度的最重要指標(biāo)之一。如果水庫的水位在旱限水位以下，則代表水庫此時(shí)正在發(fā)生干旱事件，需水量不足，需要做好將來可能出現(xiàn)缺水問題的應(yīng)對措施，如限制供水等措施，保障不會(huì)因?yàn)樗畮斓男杷繂栴}而對社會(huì)用水造成太大影響。千里山水庫的來水源包括雨水、黃河水等，導(dǎo)致其枯水期具有明顯的季節(jié)性特征，而由于枯水期帶來的水庫供水問題概率較高。基于此，本文將千里山水庫的旱限水位根據(jù)一年內(nèi)不同的時(shí)期相應(yīng)的需水能力進(jìn)行分期設(shè)置。同時(shí)，將旱限水位分為旱警水位和旱保水位兩級，在千里山水庫蓄水能力較低時(shí)，如枯水期等，采取旱保水位進(jìn)行供水限制，而在水庫蓄水能力較高時(shí)，供水限制采取輕度措施，確保在不同時(shí)期千里山水庫都能夠保障供水需求。

通過圖2顯示，千里山水庫在旱警水位以上時(shí)，采取充分供水的措施；而當(dāng)水位在旱警水位下，旱保水位之上時(shí)，水庫的供水措施就要采取一級限供措施；而當(dāng)水庫水位低于旱保水位時(shí)，就要采取二級限供的控制措施。

圖2 烏海市千里山水庫分級分期旱限水位

2.2 分級分期旱限水位優(yōu)化計(jì)算方法

千里山水庫為多用戶供水系統(tǒng)，保障各用戶的供水率以及降低供水破壞深度是主要任務(wù)。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算

①用戶供水保證率是保障用戶供水的概率，其值數(shù)越大，保障程度就越高，采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

i為供水用戶；

N為供水總時(shí)段；

R為i用戶在t時(shí)段用水需求滿足的情況，若滿足則為1，未滿足則為0。

②用戶最大供水破壞深入是水庫保障用戶用水需求的蓄水量，該值越大，則說明水庫缺水程度越嚴(yán)重。其計(jì)算公式為：

式中：

i為用戶，t為時(shí)段；

Def代表用戶的缺水量；

Dem代表用戶的需水量。

值得注意的是，供水用戶的用水保障率必須要保持在設(shè)計(jì)用水保障率之上，而供水用戶的供水破壞深度必須要保持在允許最大供水破壞深度之下。

2.2.2 約束條件的計(jì)算

①水量平衡約束計(jì)算。

式中：S代表水庫t時(shí)段末期的儲(chǔ)水量，S代表水庫t時(shí)段初期的儲(chǔ)水量；I為來水量，E為蒸發(fā)滲漏損失量，R為總出水量。

②旱限水位供水策略約束計(jì)算。

式中：

SW代表用戶在改時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際供水量；

Z代表水庫在該時(shí)間段內(nèi)的初水量；

姿t，1和 姿t，2代表水庫在不同蓄水時(shí)段對用戶的限制供水比例；

Z代表水庫旱警水位；

Z代表水庫旱保水位。

而水位之間相互的約束關(guān)系為Z≤Z≤Z≤Z，其中Z的代表千里山水庫的蓄水最低水位，Z代表千里山水庫的蓄水上限水位。

2.3 烏海市千里山水庫旱限水位的確定

在生態(tài)和生活供水方面，烏海市千里山水庫能夠?qū)崿F(xiàn)完全滿足，所以，只對工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水采取限制措施。具體的措施是：供水限制為一級時(shí)，對農(nóng)業(yè)供水進(jìn)行限制；供水限制為二級，對工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水同時(shí)限制。因此，旱限水位以保障工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水率以及確保最小破壞深度為目的。在這種情況下，千里山水庫的分期旱警、旱保水位見圖3和圖4。

圖3 千里山水庫分期旱警水位

圖4 千里山水庫分期旱保水位

從圖3中可以看出，千里山水庫的旱警水位具有明顯的季節(jié)性特征，隨著用水量的增加其變化幅度也較大。而圖4中的旱保水位則變化較小，年內(nèi)波動(dòng)較小，主要是因?yàn)橥ㄟ^旱警水位控制農(nóng)業(yè)供水，保障水庫內(nèi)的蓄水量，而工業(yè)供水在年內(nèi)分布比較均勻，從而降低了供水破壞深度和總供水破壞次數(shù)。

通過圖3、圖4中可以看出，千里山水庫的旱限水位在灌溉期以及灌溉高峰期的旱警水位變化最大，這說明農(nóng)業(yè)集中供時(shí)期對供水系統(tǒng)影響最為嚴(yán)重。而在枯水期的12月-翌年4月，旱保水位變化比較明顯，主要是由于該時(shí)期的旱保水位對工業(yè)供水影響較大。這說明旱保水位對供水用戶的影響主要來自于旱保水位控制的階段，而不是用水量。

在供水保證率和破壞深度方面，千里山水庫的農(nóng)業(yè)供水保證率、工業(yè)供水保證率與農(nóng)業(yè)供水最大破壞深度均有著明顯的競爭關(guān)系，這也充分表明對農(nóng)業(yè)供水采取強(qiáng)度較高的限制措施可促進(jìn)水庫蓄水量的增加，有利于提高工業(yè)用水的保證率。

根據(jù)千里山水庫供水的實(shí)際情況，確定計(jì)算旱限水位的工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水的權(quán)重系數(shù)，本文充分考慮了各系數(shù)之間的差異性以及競爭協(xié)同關(guān)系等因素，選擇了CRITIC方法確定客觀權(quán)重，具體見表2。

表2 千里山水庫旱限水位計(jì)算客觀權(quán)重

通過表2各項(xiàng)權(quán)重可以看出，工業(yè)供水保障率最低，其他權(quán)重指數(shù)比較接近，主要是由于工業(yè)供水保障率差異較小的原因，根據(jù)確定的權(quán)重，利用前文提出的公式，計(jì)算出千里山水庫的旱限水位，具體見圖5。

圖5 千里山水庫分級分期旱限水位

2.4 烏海市千里山水庫旱限水位合理性分析

為驗(yàn)證本文對烏海市千里山水庫旱限水位確定計(jì)算的合理性，采用對比的方法進(jìn)行驗(yàn)證，就是將千里山水庫不設(shè)置旱限水位以及采取本文計(jì)算確定旱限水位的供水保證率以及最大破壞深度進(jìn)行對比分析，不設(shè)置旱限水位的數(shù)據(jù)來源于千里山水庫2009年-2015年的實(shí)際數(shù)據(jù)，具體見表3。

通過表3可以看出，千里山水庫在不設(shè)置旱限水位的2009年-2015年，無論是工業(yè)供水還是農(nóng)業(yè)供水其各項(xiàng)指標(biāo)都遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求，而采用本文計(jì)算方法進(jìn)行分級分期設(shè)置旱限水位后，各用戶的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，本文所提優(yōu)化方法及簡便計(jì)算方法計(jì)算的旱限水位，各項(xiàng)供水指標(biāo)均達(dá)設(shè)計(jì)要求。在分級分期旱限水位控制下，從枯水期開始對供水進(jìn)行控制，能夠有效提高千里山水庫的抗旱能力和供水能力，保障了用戶的供水安全，有效地降低了缺水事件發(fā)生的概率和程度。這也證實(shí)了本文提出的水庫分級分期旱限水位確定方法有效實(shí)用，具有很強(qiáng)的合理性。

表3 烏海市千里山水庫旱限水位供水指標(biāo)對比分析

3 結(jié)束語

綜上所述，由于烏海市千里山水庫的蓄水情況具有明顯的季節(jié)性差異特征，文章采取了分級分期的方式對其旱限水位進(jìn)行計(jì)算確定。將千里山水庫的水文年分為枯水期、灌溉高峰期、灌溉期、主汛期以及蓄水期5個(gè)時(shí)期；同時(shí)，由于生態(tài)和生活供水方面能夠?qū)崿F(xiàn)完全滿足，所以，只對工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水采取限制措施，而權(quán)重系數(shù)的確定也選擇了工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水的供水保障率和最大破壞深度，最后計(jì)算出千里山水庫的分級分期旱限水位。并通過合理性分析驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可行性。