李 臻，張維蓉

(水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100020)

初期蓄水期系指水庫從封堵導流設施并開始蓄水至水庫水位達到初期運用起始水位(一般指死水位或灌溉、供水、發(fā)電的最低水位)的蓄水時段。合理擬定水庫初期蓄水計劃，并制定初期蓄水期的洪水度汛方案，對水庫的蓄水安全和興利運用具有重要影響。水庫初期蓄水計劃或度汛方案不合理，會導致工程無法及時發(fā)揮供水、灌溉或發(fā)電等綜合效益，給項目管理單位和國家造成較大的經(jīng)濟損失，更有甚者可能危及工程安全乃至下游人民群眾生命和財產(chǎn)安全。筆者在系統(tǒng)分析國內多項大型水利樞紐工程初期蓄水方案的基礎上，重點針對干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐工程初期蓄水期供水安全保障問題進行了典型研究，并提出相應的對策建議，為大型水利樞紐工程擬定初期蓄水計劃提供借鑒與參考。

1 大型水利樞紐初期蓄水特征分析

水庫初期蓄水安排受移民搬遷、工程形象進度、工程安全、下游供水等諸多因素影響，目前尚無明確的擬定蓄水方案的準則和要求[1]。國內水庫初期蓄水方面的研究多以水電站工程為主，其核心研究內容是在滿足工程度汛安全前提下，協(xié)調水庫來水、上下游用戶的用水要求和水庫蓄水的矛盾，盡可能減少對第三方用水的不利影響[2- 5]，對蓄水時機、蓄水方案、工程措施等方面進行優(yōu)化，力求盡早發(fā)揮水庫發(fā)電效益[6- 10]。與水電站工程相比，大型水利樞紐工程通常具有防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)、航運等多種綜合利用任務，各項開發(fā)任務之間的協(xié)調關系更加復雜，初期蓄水期的目標函數(shù)和約束條件更多、蓄水時機和蓄水方案更加復雜，從移民搬遷、工程形象進度、工程安全和下游供水要求等直接因素方面探求大型水利樞紐工程的初期蓄水特征十分困難。考慮到移民搬遷、工程形象進度、工程安全和下游供水要求既是影響水庫初期蓄水方案的因素，同時也是水庫工程規(guī)劃設計考慮的重要方面，均可以體現(xiàn)在工程的地質條件、壩址成庫條件和徑流洪水特性中，而這些條件和特性往往能夠從工程死庫容、最大壩高、壩址徑流量、集水面積降水量等工程特性指標中得以體現(xiàn)。自“十三五”以來，國家發(fā)展改革委、水利部先后組織實施了172項重大水利工程和150項重大水利工程，其中涉及數(shù)十項大型水利樞紐工程。本文對“十三五”以來19座已開工的和11座可研報告已經(jīng)水利部審查通過的大型水庫(水利樞紐)工程初期蓄水下閘時機、蓄水時間等進行了統(tǒng)計分析，并重點分析了水庫初期蓄水時機和蓄水時間與水庫集水面積降水量、死庫容、最大壩高、壩址徑流量與死庫容倍比系數(shù)之間的散點關系，見表1。

表1 大型水利樞紐工程水庫初期蓄水時機與蓄水時間統(tǒng)計分析表

1.1 初期蓄水下閘時機特征

分析表1和圖1、圖2可知，我國近期建設(擬建)的大型水利樞紐工程初期蓄水下閘時機呈現(xiàn)以下特征：

(1)30座大型水庫(水利樞紐)中，有7座水庫在汛期下閘蓄水，占比為23.3%，有23座水庫選擇在非汛期下閘蓄水，占比為76.7%。

(2)汛期下閘蓄水的7座水庫中，水庫死庫容大小與當?shù)亟邓畯搅鳁l件具有明顯負相關性：4座位于降雨量400mm以下的干旱地區(qū)的水庫，其死庫容均大于8000萬m3；3座位于降雨量400mm以上地區(qū)的水庫，其死庫容均在2000萬m3以下。

(3)非汛期下閘蓄水的23座水庫，水庫死庫容大小與當?shù)亟邓畯搅鳁l件相關性不顯著。

(4)限于各水庫工程前期工作深度不同導致的資料限制，本文對30座水庫中的22座水庫初期蓄水時間與下閘時機的關系進行了分析。其中，汛期下閘蓄水的5座水庫，有4座初期蓄水時間大于200d，占80%以上；有1座水庫初期蓄水時間小于200d。非汛期下閘蓄水的17座水庫，有6座初期蓄水時間大于200d，占35%；11座初期蓄水時間小于200d，占65%。

圖1 水庫的死庫容與壩址集雨面積降水量關系散點圖

圖2 初期蓄水時間與壩址集雨面積降水量關系散點圖

1.2 初期蓄水時間特征

分析表1和圖3—6可知，我國近期建設(擬建)的大型水利樞紐工程初期蓄水時間呈現(xiàn)以下特征：

圖3 初期蓄水時間與壩址集雨面積降水量關系散點圖

圖4 初期蓄水時間與水庫死庫容關系散點圖

圖5 初期蓄水時間與水庫最大壩高關系散點圖

圖6 初期蓄水時間與水庫壩址徑流量/死庫容倍比系數(shù)關系散點圖

(1)初期蓄水時間與水庫集雨面積內的降水徑流條件具有一定的相關性，盡管無論是降水量不足800mm的干旱半干旱地區(qū)水庫還是降水量超過800mm的濕潤半濕潤地區(qū)水庫，其初期蓄水時間都出現(xiàn)了高于200d的情況，但總體來看，仍以干旱半干旱區(qū)域居多；且初期蓄水時間超過250d的5座大型水庫均位于干旱和半干旱地區(qū)。

(2)初期蓄水時間與水庫死庫容呈現(xiàn)一定程度的正相關性，即水庫的死庫容越大，相應所需的初期蓄水時間越長。

(3)初期蓄水時間與水庫最大壩高也呈現(xiàn)一定程度的正相關性，但相關程度不如與死庫容大小的關系明顯，即水庫最大壩高也在一定程度上體現(xiàn)了水庫總庫容、死庫容的大小。

(4)初期蓄水時間與水庫壩址徑流量與死庫容倍比系數(shù)呈現(xiàn)較好的負相關性，即水庫的徑流條件越好、死庫容越小，相應所需的初期蓄水時間越短。

1.3 初期蓄水特征

綜合以上分析可知，我國大型水利樞紐(水庫)工程初期蓄水具有以下幾方面特征：

(1)水庫初期蓄水下閘時機多選擇在非汛期進行，主要是盡可能減少或避免汛期下閘蓄水帶來的臨時度汛風險；對于選擇在汛期下閘的水庫，多分布在干旱半干旱地區(qū)，其降水徑流條件相對較差、死庫容相對較大、初期蓄水所需時間相對較長，選擇在汛期下閘蓄水，能夠緩解下游水資源供水矛盾，在滿足工程安全的前提下利用汛期水量大的優(yōu)勢盡快蓄水至死水位。

(2)水庫初期蓄水時間與工程死庫容、最大壩高呈正相關性，與水庫降水徑流條件呈負相關性。工程最大壩高越高、死庫容越大表明了水庫初期蓄水的要求越高，水庫降水徑流條件差則說明水庫初期蓄水期的上下游水資源供需矛盾更加突出。

根據(jù)國內30座大型水利樞紐工程初期蓄水特征分析結論，干旱半干旱地區(qū)高壩大庫的初期蓄水時間往往更長，初期蓄水下閘時機選擇更難、下游供水安全保障矛盾更突出，其初期蓄水問題值得進一步深入研究。

2 初期蓄水期供水保障問題識別

水庫初期蓄水計算需統(tǒng)籌考慮上、下游用水對象的用水需求。對于水庫上游用水對象，可分析預測其經(jīng)濟社會發(fā)展帶來的新增耗水，并從水庫設計徑流中優(yōu)先扣除。對于水庫下游用水對象，可根據(jù)當?shù)厮Y源條件以及各用水對象的重要程度，統(tǒng)籌考慮河道內生態(tài)基流、城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。從國內眾多大型水庫初期蓄水實踐看，水庫初期蓄水期上下游用水對象的供水要求是可以滿足的，但對于以干旱半干旱地區(qū)水庫而言，流域水資源供需矛盾較為突出，水庫下游綜合利用要求高，水庫蓄水要求和下游用水保障之間的矛盾較為突出，其初期蓄水期下游用水對象供水保障難度較大。

本文以新疆葉爾羌河的阿爾塔什水利樞紐工程為例，該水庫所在葉爾羌河河發(fā)源于喀喇昆侖山北脈喀喇昆侖山冰川，流經(jīng)克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣，喀什地區(qū)葉城、塔什庫爾干、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚等6縣，并于阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣與和田河匯合后注入塔里木河，河流全長1281km，流域面積8.58萬km2，流域多年平均降水量為70mm?？ㄈ赫臼侨~爾羌河主要控制站點，卡群站以上為流域徑流形成區(qū)，多年平均天然徑流量為66.5億m3。擬建的阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河卡群水文站上游55km處，多年平均徑流量為64.17億m3，P=50%、P=75%、P=90%年份徑流量分別為62.97億、55.4億、49.44億m3，水庫死庫容8.69億m3，正常蓄水位對應庫容21.29m3?？ㄈ赫疽韵轮了锬竞訁R合口之間為葉爾羌河徑流耗散區(qū)，分布有葉爾羌河流域大型灌區(qū)(設計灌溉面積651.5萬畝)，考慮灌區(qū)各取水口斷面灌溉用水過程及河道輸水損失后，折算到卡群斷面的灌區(qū)地表水引水量為54.41億m3。根據(jù)《塔里木河近期綜合治理規(guī)劃報告》，葉爾羌河黑尼亞孜水文站斷面需年均下泄塔里木河干流生態(tài)水量3.3億km2，如折算至卡群站則需下泄生態(tài)水量9.71億m3。由此可知，如要優(yōu)先保障下游灌區(qū)用水及下泄塔里木河生態(tài)水量，阿爾塔什水利樞紐在平水年份(P=50%)就已經(jīng)無水可蓄，水庫蓄水與下游供水保障的矛盾十分突出。

3 初期蓄水期供水保障對策研究

為解決該水庫初期蓄水供水保障問題，從以下方面進行了研究：一是協(xié)調各用水對象供水保障與水庫蓄水的優(yōu)先級，明確初期蓄水原則；二是分析來水與用水過程匹配程度，確定下閘蓄水時機；三是調整水庫上下游其他水工程聯(lián)合調度運行方式，減緩初期蓄水影響。

3.1 明確供水優(yōu)先級及蓄水原則

前已述及，如優(yōu)先保障下游農(nóng)業(yè)灌溉及下泄塔里木河干流生態(tài)水量，則阿爾塔什水利樞紐在平水年甚至枯水年情境下幾乎無水可蓄，工程效益也將無法及時發(fā)揮。因此，有必要分析確定下游用水對象用水保障的優(yōu)先級，提出水庫蓄水原則，盡可能平衡好水庫蓄水與下游農(nóng)業(yè)灌溉及下泄塔里木河生態(tài)水量之間的關系。

葉爾羌河流域灌區(qū)沿干流兩岸呈南北走向狹長分布(南北長400km，東西寬40～80km)，灌區(qū)采用“多級引水、集中引枯、分級引洪”方式從葉爾羌河干流引水，經(jīng)東、西岸大渠等骨干渠系向灌區(qū)內24座平原水庫補水，經(jīng)調蓄后滿足灌區(qū)內生產(chǎn)生活用水需求。由于葉爾羌河流域基本無有效降雨，葉爾羌河供水一旦發(fā)生破壞，不僅對灌區(qū)農(nóng)作物生長有重大影響，還將給灌區(qū)內上百萬少數(shù)民族群眾的生產(chǎn)生活帶來極大影響，不利于邊疆穩(wěn)定和民族團結。因此，阿爾塔什水利樞紐初期蓄水期需要盡可能減少對下游灌區(qū)供水的影響。

葉爾羌河下游生態(tài)用水需求可分為2個方面，一是初期蓄水期水庫壩址斷面生態(tài)流量下泄要求，二是下泄塔里木河干流生態(tài)水量。前者是基本生態(tài)需求，在水庫初期蓄水期應盡可能予以滿足，后者則可以根據(jù)實際情況統(tǒng)籌考慮。葉爾羌河為塔里木河九大源流之一，也是現(xiàn)狀能向塔里木河干流下泄水量的4條源流之一。根據(jù)國務院批復的《塔里木河近期綜合治理規(guī)劃》，葉爾羌河流域多年平均下泄塔里木河干流生態(tài)水為3.3億m3(黑尼亞孜斷面)，占4條源流下泄塔里木河干流水量46.5億m3的1/15。從水量上看，葉爾羌河對塔里木河干流生態(tài)的貢獻相對阿克蘇河、和田河等其他源流相對較小。因此，在阿爾塔什水利樞紐初期蓄水時，可減少葉爾羌下泄水量，同時統(tǒng)籌協(xié)調其他源流下泄水量，以減少對塔里木河干流生態(tài)用水的影響。

因此，阿爾塔什水利樞紐初期蓄水的優(yōu)先級為，優(yōu)先滿足葉爾羌河下游灌區(qū)灌溉用水以及平原水庫蓄水，其余水量優(yōu)先蓄到庫內，剩余水量向塔里木河干流輸水。

3.2 確定初期蓄水下閘時機

初期蓄水下閘時機除考慮工程形象面貌、庫區(qū)移民搬遷等因素外，還需考慮河流洪水特性對工程蓄水安全影響，以及徑流特性對下游用水保障的影響。限于篇幅限制，本文不在此處探討工程形象面貌和庫區(qū)移民搬遷等常規(guī)因素，對干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐初期蓄水的影響。

(1)洪水特性對工程蓄水安全影響

葉爾羌河洪水除具有冰川積雪消融型、暴雨型、消融與暴雨混合型的洪水成因之外，還具有冰川突發(fā)型洪水。根據(jù)喀群水文站實測洪水資料，年最大洪水全部發(fā)生在7—9月，其中以8月頻次最高，7、8、9月發(fā)生年最大洪峰流量的頻率分別為33%、60%、7%。如在汛期下閘蓄水，水庫水位上升速率較快，壩體穩(wěn)定及安全運行將面臨較大風險。因此，根據(jù)河流洪水特性可知，7、8月發(fā)生大洪水的頻次較高，蓄水存在一定程度的風險，9月洪水頻次相對較低，風險相對7、8月較小。

(2)徑流特性對下游用水保障的影響

葉爾羌河多年平均徑流量為66.5億m3，全年徑流主要集中6—9月，約占年徑流量的80%；灌區(qū)考慮平原水庫蓄豐補枯作用后多年平均灌溉需補水量為54.4億m3。由圖7可知，5—10月壩址月均來水流量大于灌區(qū)需補水流量，水庫可蓄水量較豐富，非汛期11月至來年4月天然來水不足，下泄河道生態(tài)基流和灌區(qū)用水需求后水庫基本無水可蓄。因此，考慮壩址徑流特性后，宜選擇汛期下閘蓄水，充分利用汛期余水進行蓄水。此外，汛期蓄水，有利于庫水位盡快從導流洞下閘水位抬高至泄流底孔底板高程，縮短對下游供水的影響時間。

綜合考慮上述2方面因素，推薦該工程從汛期9月1日起下閘蓄水。

圖7 多年平均月均壩址來水流量和灌區(qū)需補水流量過程線

3.3 與其他水工程聯(lián)合調度運用方式

為減緩對下游農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)影響，在阿爾塔什水利樞紐蓄水前，需盡可能通過調度措施使上游下坂地水庫和下游平原水庫處于高水位狀態(tài)。待到導流洞下閘蓄水后，一方面可安排下游平原水庫在次年春灌用水高峰期向農(nóng)業(yè)供水，另一方面如遇后續(xù)時段天然來水不足，通過加大上游下坂地水庫泄流量以縮短阿爾塔什水利樞紐蓄水時間。限于篇幅限制，本文列出了是否考慮上、下游水庫聯(lián)合調度4種情景下，阿爾塔什水利樞紐下閘時間分別為8月1日和9月1日的初期蓄水計算成果，見表2。對比可知：

(1)不同情景下，9月1日下閘蓄水至死水位的時間與8月1日下閘相比，蓄水期更長，主要原因是8月為全年徑流最大的月份，盡早下閘可充分利用該月徑流及早蓄水。

(2)8月1日下閘情況下，不考慮與當?shù)仄渌畮炻?lián)合調度，豐、平、枯水年份蓄水時間在326～367d之間；考慮下游平原水庫或上游下坂地水庫聯(lián)合調度，則平、豐水年蓄水期將大幅縮短；如考慮上下游水庫聯(lián)合調度，則豐、平、枯年份蓄水期將大幅縮短，約在36～50d。

(3)9月1日下閘情況下，無論采用何種水庫調度情景，初期蓄水期均在317d以上，考慮上下游全部水庫參與聯(lián)合調度情景與不考慮水庫聯(lián)合調度情景相比，水庫蓄水期可縮短約14～34d。

表2 不同情景下阿爾塔什水利樞紐初期蓄水計算成果 單位：d

從對比結果看，利用上、下游水庫聯(lián)合調度在豐、平水年份的作用較為明顯，但是上下游水庫能否按照計劃在下閘前蓄至正常蓄水位，與下閘時機之前的徑流情況有關，問題較為復雜，本文不再對此進行贅述。

3.4 一般性原則

基于上述考慮，提出干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐初期蓄水一般性原則：

(1)優(yōu)先滿足下游河道生態(tài)基流用水需求，對于生態(tài)基流以外的生態(tài)水量供水順序可以適當延后，必要時可考慮在水資源條件具備的情況下，如當來水頻率大于50%時，需考慮下泄生態(tài)水量要求。

(2)若天然來水大于灌區(qū)需補水過程要求，按灌區(qū)用水要求下泄；若天然來水小于灌區(qū)需補水過程要求，則按天然來水下泄，維持庫水位不變。

(3)滿足其他如庫水位變幅、施工形象面貌、庫區(qū)移民搬遷、度汛安全等其他控制性要求。

(4)為配合工程初期蓄水，可統(tǒng)籌上下游水庫調度運行方式，在下閘蓄水前盡可能使其他水庫水位處于“庫滿”狀態(tài)，下閘蓄水后，優(yōu)先利用水庫蓄水向農(nóng)業(yè)和生態(tài)供水，不足由河流補充。

4 結語

在分析總結國內大型水利樞紐工程初期蓄水特征的基礎上，重點針對干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐工程初期蓄水存在的主要問題，通過典型研究提出了初期蓄水期供水優(yōu)先級及蓄水原則、初期蓄水下閘時機和水工程聯(lián)合調度運用方式等，為今后的大型水利樞紐工程初期蓄水計劃擬定工作提供借鑒與參考。限于資料和篇幅限制，本文重點從下閘蓄水時機選擇、下游供水優(yōu)先級順序，以及通過水工程聯(lián)合調度減緩下游供水影響等方面進行了研究，對于初期蓄水與度汛安全的關系，以及保障生態(tài)流量下泄的工程措施等問題未進行深入研究，有待今后進一步研究探討。