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(shù)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(shè)的水庫等水利工程，因受當(dāng)時經(jīng)濟社會條件和開發(fā)理念等因素制約，規(guī)劃設(shè)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］。《中華人民共和國水法》明確規(guī)定：開發(fā)、利用水資源，應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)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(zhì)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(diào)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(diào)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(dǎo)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(diào)度圖優(yōu)化，提出了生態(tài)庫容和水庫調(diào)度的優(yōu)化算法，但研究只給出了計算調(diào)度的結(jié)果，無實際調(diào)度策略，尚無法直接指導(dǎo)水庫運行調(diào)度。

因此，開展基于生態(tài)流量保障的水庫調(diào)度方案研究以指導(dǎo)綜合利用水庫日常運行調(diào)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(diào)度圖，以期對流域內(nèi)其他綜合利用水庫調(diào)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(xué)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(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法、整體分析法4 大類［4-7］；其中水文學(xué)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(xué)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(zhǔn)，而不是對應(yīng)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(dān)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(yīng)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(zhǔn)分別核定不同時段對應(yīng)的生態(tài)流量。

1.2 累計距平法

設(shè)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??；若T0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(guān)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(jié)束，若假定的水文年起始日期T0是合理的，那么Slk～τ的關(guān)系曲線應(yīng)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(yīng)豐水期，遞減階段對應(yīng)枯水期。若要出現(xiàn)完整的遞增和遞減階段，則只有在關(guān)系曲線取得最大值或最小值時，即當(dāng)取得最大值對應(yīng)的即為豐水期的起始日期；當(dāng)取得最小值對應(yīng)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(diào)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(diào)節(jié)性能。工程以防洪、供水為主，結(jié)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(guān)系曲線如下所示（見圖1）?？梢钥闯?，當(dāng)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）?？梢钥闯觯鹪聫搅骼塾嬀嗥街笖?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(biāo)準(zhǔn)。考慮天然徑流豐水期和枯水期變化，分別選取對應(yīng)時段的多年平均徑流量作為生態(tài)流量計算基準(zhǔn)，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(diào)度方案制定

水庫生態(tài)調(diào)度方案核心在于明確各用水部門用水次序，然后繪制調(diào)度圖指導(dǎo)水庫調(diào)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(guān)規(guī)定，結(jié)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(chǔ)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(shè)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(shè)計代表年。設(shè)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(diào)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(diào)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(shè)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(diào)水位線，逆時序調(diào)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(shè)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(diào)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(yīng)的是較枯月份對應(yīng)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(wù)，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(diào)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，要確保枯水月份的灌溉需水。

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(yīng)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(yīng)。

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(diào)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(dāng)加大生活供水量，但灌溉供水需參考水文預(yù)報，及時調(diào)節(jié)灌溉供水比例，在預(yù)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(jié) 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(yīng)時段的年平均徑流量為基準(zhǔn)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(guān)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(chǔ)上，滿足灌溉和發(fā)電用水的用水次序。

（3）在調(diào)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(diào)度方案中如何保障生態(tài)流量具有指導(dǎo)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。