贛江中下游枯水期水量調(diào)度研究

劉衛(wèi)林，王永文

(南昌工程學院江西省水文水資源與水環(huán)境重點實驗室，南昌 330099)

1 研究背景

贛江是江西省第一大河流，是長江下游以南的重要支流之一。近年來，受贛江流域枯水期連續(xù)干旱、來水偏枯、河道下切、上游新建水電工程攔蓄來水、沿線用水量增加等因素影響，冬春季節(jié)贛江中下游沿江流量明顯不足，造成該地區(qū)居民生活飲用水和工農(nóng)業(yè)用水的取水困難，引起江西省政府的高度重視和社會各界的普遍關注，并已成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定的重要影響因素。

根據(jù)《贛江流域水量分配方案研究報告》中水量分配方案模擬模型分析計算成果，在13座大型水庫參與調(diào)度的情況下，如果保證河道內(nèi)生態(tài)用水逐月滿足要求，那么2015年及2030年各分水初步預選方案均有不同程度的缺水［1］。其中，50%頻率的方案缺水量較小，而95%頻率的方案缺水量較大，缺水涉及范圍更廣，3個頻率年的方案缺水月份大多在7，8，9，10，11，12等月份;如考慮各區(qū)域中、小型水庫的局部調(diào)蓄作用，50%和75%頻率的來水情況下，各初步預選方案可以得到滿足，95%頻率的來水情況下，袁水和錦江的一些節(jié)點仍有缺水。干旱缺水時，因水量或水質(zhì)不能滿足生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水要求，河流生態(tài)與環(huán)境遭受破壞的水危機開始顯現(xiàn)。贛江中下游沿線分布著許多重要的城鎮(zhèn)，尤其是省會城市南昌，區(qū)域內(nèi)人口眾多，經(jīng)濟發(fā)達，居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境用水量較大，干旱年份枯水期河道來水偏枯，加之流域內(nèi)可調(diào)節(jié)利用的水資源量有限，供需矛盾日益突出。因此，贛江中下游河段枯水調(diào)度方案的制定對于緩解流域用水緊張局面，保障贛江中下游地區(qū)用水安全，維持贛江健康生命及區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

2 贛江中下游徑流變化趨勢分析

贛江是長江八大支流之一，江西省第一大河流，也是鄱陽湖流域最大的支流。贛江發(fā)源于江西、福建兩省交界的石城縣贛源崠，自南向北流經(jīng)贛州、吉安、峽江、樟樹等20多個縣(市)，至南昌市分4支匯入鄱陽湖，主河長823 km，贛江控制站外洲水文站以上集水面積為82 948 km2。贛江在贛州以上為上游，貢水為主河道，習慣上稱為東源，河長255 km，在贛州市城北與章水匯合后，始稱贛江。贛江自贛州市至新干縣為中游，河段長303 km。贛江在新干以下稱為下游，新干至吳城干流長208 km。贛江地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，四季分明，光照充足;年平均氣溫17.6℃，年平均蒸發(fā)量815.7 mm，年平均降水量1 542.6 mm，降水主要集中在4—6月份，期間降水量占全年降水量的46.8%;平均年徑流系數(shù)為0.53，水資源較為豐富;徑流主要由降水形成，其地區(qū)分布及年際年內(nèi)變化與降水量的分布和變化規(guī)律相似，在地區(qū)、時間分配上極不均勻，有明顯的地區(qū)性和季節(jié)性。

2.1 徑流變化趨勢分析

根據(jù)贛江中下游的水文測站的分布現(xiàn)狀，選取了資料系列較長、可靠性較高的吉安、外洲水文站作為代表站，利用1970—2009年40 a的年、月徑流資料，采用 Mann-Kendall法［2－4］來檢驗徑流變化趨勢，檢驗結果見表1。從表1可以看出，在α=0.05的顯著性水平下，吉安、外洲站年、季徑流變化趨勢基本一致。夏、秋及冬季徑流量檢驗統(tǒng)計值均為正值，表明贛江中下游夏、秋及冬季徑流存在增大趨勢，但增大趨勢不明顯。春季、全年徑流量檢驗統(tǒng)計值為負值，表明贛江中下游春季、年徑流系列總體呈現(xiàn)弱下降趨勢，但減小趨勢不顯著。

表1 贛江中下游徑流趨勢Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗值Table 1 Mann-Kendall results of the variation tendency of runoff in middle and lower Ganjiang River

另外，根據(jù)吉安、外洲站年徑流模比系數(shù)數(shù)據(jù)，采用累積距平法［2］得到年徑流模比系數(shù)累積距平序列，從而繪制累積距平曲線，如圖1。由圖1可知，吉安、外洲站年徑流趨勢基本一致，可初步將近40 a年徑流系列基本概化為2個上升期和2個下降期，上升期為1970—1976年及1991—2002年，其間徑流均呈上升趨勢;下降期為1977—1990年及2003—2009年，其間徑流均呈下降趨勢。2003年后，徑流量呈下降態(tài)勢。

圖1 1970—2009年贛江中下游降水量及徑流模比系數(shù)累積距平曲線Fig.1 Cumulative anomaly curves of annual rainfall and runoff modulus coefficient in middle and lower Ganjiang River from 1970 to 2009

2.2 降水變化趨勢分析

采用Mann-Kendall方法計算贛江中下游降水變化趨勢分析結果，結果表明，近40 a來，在顯著性水平α=0.05下，贛江中下游年和四季的平均降水與徑流變化趨勢基本一致。春季、夏季、秋季、冬季和年均降水 Mann-Kendall統(tǒng)計值分別為－0.373 92，0.917 81，0.237 95， －0.305 94 和－0.174 77，統(tǒng)計值的正負表明趨勢是增加或減小，則贛江中下游春季、冬季和年均降水均存在減小趨勢，降水減小趨勢不明顯;夏秋季降水Mann-Kendall統(tǒng)計值為正，表明夏秋季降水有增加趨勢，但其增加趨勢不顯著。

由圖1中1970—2009年贛江中下游年均降雨量變化過程線可見。贛江中下游降雨與徑流具有較好的同步性。初步認為贛江中下游徑流變化與該區(qū)域降雨變化關系密切。然而通過降雨量與徑流量相關分析，年降水和年徑流相關性不強，尤其是在1980年以后，年降水量與年徑流相關性更差。這是由于1980年以后，國內(nèi)經(jīng)濟社會全面快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水利建設等人類活動對流域下墊面產(chǎn)生一定影響，致使降水與徑流間的關系出現(xiàn)較大波動。由此可見，降雨變化是贛江中下游徑流變化的最主要影響因素之一，但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，其他因素(如下墊面、城鎮(zhèn)化建設、水利工程等)影響力逐漸增強。然而如要定量區(qū)分各因素對流域徑流變化的影響，需要進一步的模擬分析。

根據(jù)前述分析，2003年后贛江中下游徑流呈下降態(tài)勢，而流域內(nèi)經(jīng)濟社會需水總量又不斷增長，這在一定程度上加劇了水資源供需矛盾。尤其是近幾年贛江枯水位不斷刷新歷史最低值，枯水期水資源短缺問題更加突出，因此，有必要開展枯水期流域水量期調(diào)度。通過實施水量調(diào)度，從空間和時間上合理配置水資源，提高水資源利用率，基本上解決枯水期供水需水矛盾。

3 贛江中下游控制斷面最小流量分析

河段控制斷面最小需水流量需考慮滿足河道外城鎮(zhèn)、農(nóng)村人口生活用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水要求，河道內(nèi)滿足生態(tài)環(huán)境用水及稀釋自凈流量要求。本次研究考慮到南昌河段位于贛江中下游河道末端，是省會城市南昌生活、生產(chǎn)用水的重要取水河段，擬定為贛江中下游枯水調(diào)度控制目標河段。

3.1 河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量

根據(jù)贛江干流生態(tài)環(huán)境功能，分別采用90%頻率最枯月平均流量法、河道輸沙需水量和蒸發(fā)滲漏需水量，計算各控制斷面的生態(tài)環(huán)境需水量，并采用外包線法確定生態(tài)環(huán)境需水量。通過對贛江中下游防治河流水質(zhì)污染需水量、輸沙需水量和蒸發(fā)滲漏需水量的分析，后兩者需水量較小或為0。因此，以贛江中下游防治河流水質(zhì)污染需水量作為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。采用目前國內(nèi)常用的 Q90法和7Q10法，分析贛江河道水質(zhì)污染需水量。1993年以后，由于萬安水庫的調(diào)節(jié)，外洲水文站的月均最小流量有所加大，故采用1950—2009年共60 a資料系列和1950—1993年共44 a資料系列，分別進行分析計算，結果表明河道生態(tài)需水為246～310 m3/s。根據(jù)江西省水利科學研究院2008年1月編制的《贛江流域水量分配方案研究報告》，贛江外洲水文站控制斷面河道生態(tài)環(huán)境需水量約為275 m3/s?？紤]分析成果使用的一致性，河道生態(tài)環(huán)境需水采用275 m3/s。

3.2 河道外需水量

在已批準實施的贛江流域水量分配協(xié)商確認方案基礎上，計算各河段河道外用水量。贛江河道外需水量以各用水區(qū)為單元，分別計算各行業(yè)需水百分比;根據(jù)縣區(qū)水量分配方案計算各用水區(qū)內(nèi)各行業(yè)需水量;然后根據(jù)不同行業(yè)不同回歸系數(shù)分別計算各用水區(qū)需水量、耗水量和回歸水量。經(jīng)計算，樟樹－南昌河段用水戶正常日需(取)水總量871.48萬m3，日平均取水流量101 m3/s。

3.3 控制斷面最小流量確定

河段控制斷面最小流量為河道內(nèi)最小需水流量與河道外最小需水流量之和。按以上思路得出贛江中下游控制河段最小需水流量。本次枯水調(diào)度南昌河段控制流量確定為376 m3/s。

4 贛江中下游枯水期水量調(diào)度

4.1 水量調(diào)度范圍及調(diào)度期

本次水量調(diào)度范圍為從萬安水庫起到南昌外洲斷面為止的贛江干流。沿線依次有棟背、吉安、樟樹和外洲等水文站;所涉及行政區(qū)劃包括萬安縣、泰和縣、安?？h、吉安縣、吉安市、吉水縣、峽江縣、新干縣、新余市、豐城市、樟樹市、高安市、新建縣、南昌縣以及南昌市。萬安水庫至南昌外洲水文站斷面距離長約511 km。根據(jù)萬安水庫以下河道特點和中下游河段主要水文斷面位置、重要引水閘門分布等情況，以上游建有大型水庫的支流匯入點為界，由上游往下游將贛江中下游河道劃分為吉安段、樟樹段和南昌段3個取水河段。萬安水庫以下河段示意情況見圖2。本次水量調(diào)度主要考慮萬安、龍?zhí)丁⑸溪q江、油羅口、團結、長岡、南車、老營盤、白云山、社上、飛劍潭、江口、上游等13座大型水庫，以萬安水庫為主要調(diào)水對象，對贛江中下游河道水量進行調(diào)配，其上游5座大型水庫考慮對其進行水量補充。經(jīng)萬安水庫調(diào)水后河道流量仍不滿足枯水調(diào)度河道控制流量時，根據(jù)可調(diào)水量，按就近調(diào)水原則，由其他7座大型水庫對河道進行水量補充。

圖2 贛江中下游河段示意圖Fig.2 Sketch map of the middle and lower reaches of Ganjiang River

枯水年頻率分別選擇75%，85%，90%，97%。根據(jù)各控制站1956—2008年枯水期徑流系列，進行頻率分析，得到各控制站的不同頻率枯水代表年，最終以外洲水文站選定的枯水代表年進行贛江枯水調(diào)度的分析計算。在進行水量調(diào)度時，考慮贛江流域枯水期的8個月(7至次年2月份)進行水量的月和旬調(diào)度，同時假定各子區(qū)內(nèi)的蓄水工程具有月調(diào)節(jié)能力。

4.2 枯水調(diào)度原則與方法

4.2.1 枯水調(diào)度原則

(1)調(diào)水盡量滿足用戶的正常用水需求，如遇特枯年份，則應保證用戶的最小用水需求。

(2)以萬安水庫為主要調(diào)水對象，對贛江中下游河道水量進行調(diào)配，其上游5座大型水庫考慮對其進行水量補充。

(3)經(jīng)萬安水庫調(diào)水后河道流量仍不滿足枯水調(diào)度河道控制流量時，根據(jù)可調(diào)水量，按就近調(diào)水原則，由其他7座大型水庫對河道進行水量補充。

(4)南昌河段位于贛江中下游河道末端，是省會城市南昌生活、生產(chǎn)用水的重要取水河段，擬定為贛江中下游枯水調(diào)度控制目標河段。枯水調(diào)度河道控制流量南昌段原則上按376 m3/s，特枯年份根據(jù)可調(diào)度水量、最小需水量反推確定。

4.2.2 枯水調(diào)度方法

首先分析在正常運行方式下，即保持萬安水庫原有運行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，不同頻率枯水代表年缺水情況。根據(jù)各河段不同典型年天然徑流、區(qū)間入流、萬安水庫各典型年出流以及各河段需水量，按照以下公式進行贛江中下游枯水期南昌斷面水量計算:

在上述缺水量基礎上，根據(jù)不同頻率枯水年南昌段缺水量與萬安水庫及其它13座水庫可調(diào)水量分析結果，進行不同頻率枯水代表年水量調(diào)度計算:

(1)考慮正常用水情況下，在保證南昌段河道徑流376 m3/s情況下，通過加大萬安水庫下泄流量，分析不同頻率枯水代表年缺水量。若不缺水，則此時的水庫下泄流量即為水庫的調(diào)水量。

(2)根據(jù)(1)分析，若仍然不能滿足南昌段河道控制流量，考慮萬安水庫及其它13座水庫同時調(diào)水，在保證南昌段河道徑流376 m3/s情況下，分析不同頻率枯水代表年缺水量。若不缺水，則此時的水庫下泄流量即為水庫的調(diào)水量。

(3)根據(jù)(2)分析，若仍不能滿足南昌段河道控制流量，考慮最小用水量情況下，通過加大萬安水庫下泄流量，分析不同頻率枯水代表年缺水量。若不缺水，則此時的水庫下泄流量即為水庫的調(diào)水量。

(4)根據(jù)(3)分析，仍不能滿足南昌段河道控制流量，考慮最小用水量情況下，通過萬安水庫及其它13座水庫同時調(diào)水，分析不同頻率枯水代表年缺水量。若不缺水，則此時的水庫下泄流量即為水庫的調(diào)水量。

(5)根據(jù)(4)分析，仍不能滿足南昌段河道控制流量，考慮最小用水量情況下，采用試算法進行水量調(diào)度計算。首先給定南昌段河道控制流量，考慮區(qū)間入流、區(qū)間用水、河道損失等進行逐河段演進計算，直至棟背斷面。如果演算后最小水庫庫容不能滿足要求，則重新給定南昌段河道控制流量并進行演算，直至滿足要求為止。此時計算得到的南昌段河道控制流量為能達到的最大流量。

4.3 贛江中下游枯水期缺水量分析

保持萬安水庫原有運行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，根據(jù)各河段不同典型年天然徑流、區(qū)間入流、萬安水庫各典型年出流以及各河段需水，按照式(1)、(2)進行贛江中下游枯水期供需分析計算，贛江南昌段不同頻率典型年缺水情況見表2。

從表2中可以看出，頻率P=75%典型年缺水量僅0.45×108m3，頻率P=85%的典型年缺水量2.27×108m3，缺水量不大，初步分析由萬安水庫調(diào)水來保障南昌376 m3/s的流量是可能的。對于P=90%典型年缺水量6.08×108m3，P=97%典型年缺水量10.11×108m3，僅靠萬安水庫調(diào)水是不能保證南昌段376 m3/s的流量。

4.4 贛江中下游枯水期水量調(diào)度結果

根據(jù)正常運行情況下南昌段控制斷面水量缺失情況與萬安水庫可調(diào)水量分析比較，在頻率P=75%及P=85%典型年情況下，只需加大萬安水庫下泄流量，即可滿足南昌段控制斷面376 m3/s的流量要求;在頻率P=90%及P=97%典型年情況下，僅靠萬安水庫調(diào)水是不能保證南昌段376 m3/s的流量。根據(jù)調(diào)度原則，此時調(diào)用其他水庫水量對贛江中下游進行供水。江口水庫在上述兩典型年情況下，水庫已經(jīng)到死庫容，已無力對下游進行供水，因此，僅考慮對萬安水庫上游5個水庫及其下游6座水庫進行調(diào)水。經(jīng)分析計算，在頻率P=90%及P=97%典型年情況下，通過萬安上游5座水庫以及中游6座水庫的調(diào)水，南昌段最小流量可達到332 m3/s和290 m3/s。由于文章篇幅限制，僅給出97%枯水下贛江南昌段調(diào)度結果，見表3。

以P=97%的典型年枯水調(diào)度為例進行分析。從表3可知，當遭遇頻率P=97%的典型年時，采用正常需水量，同時保持萬安水庫原有運行方式，按照式(1)、式(2)計算，缺水量將達10.11 ×108m3，結果見表4。從表4可以看出:南昌段外洲水文站流量低于376 m3/s的時間分別在10月中旬至11月上旬、11月下旬至12月下旬和1月中、下旬。通過萬安水庫調(diào)水后，南昌段流量只能達到276 m3/s，吉安段吉安水文站最小流量135 m3/s。根據(jù)調(diào)度原則，此時調(diào)用其他水庫水量對贛江中下游進行供水。江口水庫在P=97%時，水庫已經(jīng)到死庫容，已無力對下游進行供水，因此，首先對萬安水庫上游5個水庫進行調(diào)水，在南昌段缺水時間段調(diào)入，補充萬安水庫入流。通過萬安水庫上游的5座水庫對萬安補水后，南昌段最小流量可達到277 m3/s。根據(jù)調(diào)度原則，再調(diào)用其他6座水庫水量，在南昌段缺水時間段調(diào)入，補充南昌段河道水量。經(jīng)過萬安上游5座水庫以及中游6座水庫的調(diào)水，南昌段最小流量可達到280 m3/s，吉安段吉安水文站流量不低于135 m3/s。

表2 贛江南昌段不同頻率典型年缺水情況Table 2 Water shortage in different typical years in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of different frequencies萬m3

表3 贛江南昌段最小用水量情況下P=97%典型年枯水調(diào)度結果Table 3 Water regulation results in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of minimum water consumption(frequency P=97%)

當遭遇頻率P=97%的典型年時，各地各部門應節(jié)約用水，均采用最小需水量，保持萬安水庫原有運行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，按照式(1)、式(2)計算，缺水量將達8.68 ×108m3，結果見表4。從表4可以看出，南昌段外洲水文站流量低于376 m3/s的時間分別在10月中旬至11月上旬、11月下旬至12月下旬和1月中、下旬。通過萬安水庫調(diào)水后，由于萬安水庫水量有限，不能保證南昌段流量達到376 m3/s，只能達到296 m3/s，相應吉安段吉安水文站最小流量138 m3/s。根據(jù)調(diào)度原則，此時調(diào)用其他水庫水量對贛江中下游進行供水。江口水庫在P=97%時，水庫已經(jīng)到死庫容，已無力對下游進行供水，因此，首先對萬安水庫上游5個水庫進行調(diào)水。通過萬安水庫上游的5座水庫對萬安補水后，南昌段最小流量可達到296 m3/s。根據(jù)調(diào)度原則，再調(diào)用其他6座水庫水量。經(jīng)過萬安上游5座水庫以及中游6座水庫的調(diào)水，南昌段最小流量可達到299 m3/s，吉安段吉安水文站流量不低于138 m3/s。

表4 贛江南昌段97%頻率典型年正常用水及最小用水情況下不同時段缺水量Table 4 Calculated results of water shortage in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of normal and minimum water consumption(frequency P=97%) 萬m3

5 結語

針對近年來贛江流域枯水年枯水季因河道徑流量較少而引起的贛江沿岸地區(qū)生產(chǎn)生活用水安全問題，進行了贛江中下游枯水期水量調(diào)度研究。利用贛江流域中、下游主要水文站1970—2009年的徑流資料，對贛江流域年、月徑流變化趨勢進行了分析。結果表明2003年后贛江中下游徑流呈下降態(tài)勢，這在一定程度上加劇了水資源供需矛盾。尤其是近幾年贛江枯水位不斷刷新歷史最低值，枯水期水資源短缺問題更加突出，因此，有必要開展枯水期流域水量期調(diào)度。

在分析河道合理流量和水庫可調(diào)水量基礎上，考慮贛江中下游地區(qū)水資源、自然生態(tài)環(huán)境的實際情況和社會經(jīng)濟發(fā)展水平，提出贛江中下游枯水期水量調(diào)度原則與方法，制定出贛江中下游枯水調(diào)度方案，為贛江流域的水資源管理和調(diào)配提供技術支撐。然而可操作的枯水調(diào)度方案制定，是個復雜性問題，本文只是做了嘗試性探討，有許多問題值得進一步研究，如:如何準確地預測未來用水需求和各地區(qū)各行業(yè)的節(jié)水潛力，了解各部門用水彈性;如何進行全流域主要取排水口的計量管理［5－6］。

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