丹江口水利樞紐供水調(diào)度方式

張利升+張睿+孟明星

摘要：大型水利樞紐供水調(diào)度方式是充分發(fā)揮水庫綜合經(jīng)濟效益的重要課題，如何科學(xué)控制水庫供水期消落水位、兼顧其他興利效益并減少棄水是水庫供水調(diào)度研究的關(guān)鍵。以丹江口水利樞紐為研究對象，結(jié)合南水北調(diào)中線一期工程規(guī)劃設(shè)計成果和中線工程水量調(diào)度方案編制要求，以滿足漢江中下游、清泉溝、南水北調(diào)中線三供水對象的供水任務(wù)需求為目標(biāo)制定了丹江水利樞紐供水調(diào)度圖。采用設(shè)計水文系列對所提出調(diào)度圖及供水調(diào)度方式進行校核，研究結(jié)果表明：該調(diào)度圖具有物理機制明確、易于操作等優(yōu)點，按該調(diào)度圖運行可滿足丹江口各供水對象用水需求，且南水北調(diào)中線調(diào)水過程更加均勻，研究成果可為丹江口水利樞紐供水調(diào)度提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：丹江口水利樞紐；供水調(diào)度圖；南水北調(diào)中線

中圖分類號：TV213 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0025-05

Abstract：The method of water-supply scheduling is an important issue concerning producing more benefits from the Danjiangkou hydro project.In this paper，a graph of water-supply scheduling was proposed for efficient utilization of water resources，based on the planning & design achievements of the Phase-I South-to-North Water Transfer Middle-Route Project and the requirements on water scheduling scheme compilation for the Middle Route Project.Meanwhile，designed hydrological inflows were used to check the proposed scheduling graph.Results showed that the graph is clear and easy to operate.The operation of Danjiangkou hydro project based on this graph can satisfy the designed water demand of all users and make the water transfer process more balanced.The scheduling graph can guide the operation of Danjiangkou hydro project.

Key words：Danjiangkou hydro project；water-supply scheduling graph；The middle route of the South-to-North Water Transfer Project

丹江口水利樞紐位于湖北省丹江口市、漢江與丹江匯口下游800 m處，是漢江綜合利用開發(fā)治理的關(guān)鍵性水利工程，也是南水北調(diào)中線的水源工程[1]。工程于1958年動工修建，1973年完建初期規(guī)模；丹江口大壩加高工程于2005年開工建設(shè)[2]，2013年完成蓄水驗收工作，2014年12月12日正式向北方調(diào)水，全面轉(zhuǎn)入后期規(guī)模正常運行階段。丹江口水庫大壩加高后，興利任務(wù)以供水為主，即在保障漢江中下游河道外經(jīng)濟社會用水、河道內(nèi)航運用水和生態(tài)環(huán)境用水，滿足清泉溝灌區(qū)用水的前提下，盡可能多且均勻地向北方調(diào)水[3]。根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃，丹江口水利樞紐陶岔渠首多年平均調(diào)水量約95億m3，可基本緩解京、津、冀、豫華北地區(qū)用水的緊張局面，解決北方20座大城市、100多個縣市的缺水問題[4]。

2014年11月-2015年10月水量調(diào)度年度，丹江口水利樞紐累計供水33285億m3，其中向南水北調(diào)中線工程供水21.67億m3，總干渠各斷面監(jiān)測結(jié)果均達到或優(yōu)于國家地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準。河南省有鄧州、南陽、漯河等10個地市約1000萬人口受益，河北省有邯鄲、邢臺等5個地市約500多萬人口受益，向北京市供水量占同期城區(qū)用水量的70%、約1100萬人口受益，向天津城區(qū)供水量占同期總用水量的80%以上、約800萬中心城區(qū)人口受益。南水北調(diào)工程在受水區(qū)供水安全保障中起到十分重要的作用。

丹江口水利樞紐是南水北調(diào)中線的供水水源工程[5]，供水對象分為漢江中下游、清泉溝及南水北調(diào)中線一期工程三部分，其供水調(diào)度運用關(guān)系到漢江中下游、清泉溝用水安全和南水北調(diào)中線工程的正常運行，關(guān)系到我國水資源優(yōu)化配置戰(zhàn)略格局，也關(guān)系到有效緩解京、津、華北地區(qū)缺水和改善生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)[6]。目前，丹江口水利樞紐已進入后期規(guī)模的運行調(diào)度階段，水庫原有調(diào)度方式[7]已難以滿足新形勢下樞紐調(diào)度需要，因此，本文以中線工程規(guī)劃論證階段相關(guān)研究成果和丹江口水庫運行調(diào)度面臨的新形勢為切入點，提出合理可行的丹江口水利樞紐供水調(diào)度圖，初步優(yōu)化樞紐供水調(diào)度運行方式，以期為丹江口水利樞紐的運行調(diào)度提供重要的技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

1 丹江口水利樞紐供水調(diào)度圖制定

根據(jù)《南水北調(diào)工程供用水管理條例》[8]、《南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案（試行）》[9]，丹江口水利樞紐運行調(diào)度的核心是：在保障長江中下游防洪安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)漢江上游來水情勢[10-11]和水庫蓄水狀態(tài)，協(xié)調(diào)水庫下泄、清泉溝灌區(qū)引水和陶岔渠首北調(diào)供水三者之間的用水競爭矛盾[12]，既要滿足水源區(qū)用水需求，又要保障陶岔渠首規(guī)劃多年平均調(diào)水95億m3目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，丹江口水利樞紐運行調(diào)度圖的編制，應(yīng)以防洪安全為約束，以各供水對象設(shè)計供、引水過程為基礎(chǔ)，以樞紐自身蓄水情況和來水情勢為依據(jù)，在面臨時段對不同供水對象給出確定分水流量，保障水源區(qū)、受水區(qū)和漢江中下游的供水安全。

1.1 供水調(diào)度圖的制定

（1）供水調(diào)度線推求。

為保證研究成果的有效性和實用性，本次研究仍采用南水北調(diào)中線規(guī)劃階段經(jīng)審定的、具有較好代表性的1956年5月-1998年4月共42年長系列逐旬漢江上游來水過程[13]、漢江下游需丹江口水庫最小下泄流量過程、陶岔渠首引水過程和北調(diào)供水過程[14]；水庫規(guī)模采用丹江口水利樞紐大壩加高后實際水庫特征數(shù)據(jù)。

調(diào)度線推求時，以1956年5月-1998年4月設(shè)計水文系列入庫徑流基礎(chǔ)，選取42年入庫徑流系列中經(jīng)驗頻率為95%、50%的入庫水量作為典型年，并按典型年年水量控制修正42年長系列徑流分配，分別推求95%供水調(diào)度線和多年平均供水調(diào)度線；同時，將42年設(shè)計徑流系列作為輸入，以漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向同步供水為原則，按照設(shè)計需水過程進行供水，以旬為時段進行逆時序的徑流調(diào)節(jié)計算，推求正常供水線和降低供水線。

（2）供水調(diào)度圖修正。

根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃成果，漢江中下游多年平均需丹江口水庫最小補償下泄水量162.2億m3，清泉溝多年平均引水628億m3，陶岔多年平均北調(diào)供水950億m3[15]。因此，在繪制調(diào)度線后，仍需進行長系列供水調(diào)度計算，校核各供水方向的供水量，修正設(shè)計供水線，使調(diào)度成果滿足設(shè)計要求。為此，擬從以下幾個方面對上述推求的供水調(diào)度線進行修正。

a.供水調(diào)度過渡帶。

供水調(diào)度過渡帶是指在水庫常規(guī)調(diào)度的調(diào)度圖中考慮短期徑流預(yù)報對實時調(diào)度的影響，在兩供水調(diào)度區(qū)之間擬定供水調(diào)度過渡帶，使得兩供水調(diào)度區(qū)內(nèi)不同供水流量平穩(wěn)過渡，避免了因引水建筑物閘門快速啟閉引起的機電設(shè)備運行風(fēng)險。經(jīng)綜合分析，推薦方案中采用提出的供水調(diào)度過度帶，將95%供水調(diào)度線以下3 m范圍內(nèi)擬定為供水調(diào)度過渡帶。庫水位位于95%供水調(diào)度線以下3 m范圍時，如預(yù)報入庫流量明顯大于計劃供水流量，總供水流量增加值可根據(jù)95%供水調(diào)度線與庫水位的差值在供水區(qū)1和供水區(qū)2流量間確定。

b.應(yīng)急供水區(qū)修正。

按照《南水北調(diào)供用水管理條例》和《南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案（試行）》要求，在丹江口水庫、漢江、中線總干渠、引江濟漢工程或受水區(qū)發(fā)生可能危及供水安全的洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害、水生態(tài)破壞事故、水污染事故、工程安全事故等突發(fā)事件時，應(yīng)通過水量應(yīng)急調(diào)度[16]，最大程度地減少其影響范圍、程度及造成的損失，維護社會穩(wěn)定。丹江口水利樞紐作為南水北調(diào)中線工程的主要水源，其供水調(diào)度應(yīng)為南水北調(diào)中線工程的水量應(yīng)急調(diào)度預(yù)留一定庫容，因此，擬定丹江口水庫死水位150 m至極限消落水位145 m區(qū)間為應(yīng)急供水區(qū)。50%供水線及降低供水線應(yīng)不低于死水位。水庫運行到該區(qū)間，視各供水對象缺水程度，可向缺水嚴重地區(qū)適當(dāng)傾斜，優(yōu)先保障受水區(qū)生活用水需求。

c.調(diào)度期劃分。

國務(wù)院令第647號《南水北調(diào)工程供用水管理條例》規(guī)定：“南水北調(diào)中線工程水量調(diào)度年度為每年11月1日至次年10月31日”。丹江口水利樞紐作為南水北調(diào)中線工程水源，其供水調(diào)度也應(yīng)遵照現(xiàn)行法律法規(guī)及批復(fù)文件要求，因此，供水調(diào)度時計算時段調(diào)整為11月至次年10月。

d.冰期輸水要求。

為保障南水北調(diào)中線工程在冬季順利引水，在11月中下旬開始加大北調(diào)水量，以便在冬季來臨時在總干渠和受水區(qū)各省市配套管網(wǎng)的明渠中形成高水位冰蓋，保障冬季管網(wǎng)的輸水能力[17]。為此，丹江口供水調(diào)度應(yīng)避免在11月中旬以后人為造成降低供水。

根據(jù)上述供水調(diào)度線推求及修正方法，得到調(diào)度圖見圖1。

1.2 分區(qū)供水調(diào)度原則

丹江口水利樞紐供水調(diào)度以樞紐自身蓄水情況和來水情勢為依據(jù)，采用分區(qū)供水的調(diào)度原則，即：按庫水位高低，分區(qū)進行調(diào)度，盡可能使供水均勻，提高枯水年調(diào)水量。分區(qū)及相應(yīng)調(diào)水方式擬定如下。

（1）供水區(qū)1。

供水區(qū)1為95%供水調(diào)度線與防洪限制線之間區(qū)域。當(dāng)?shù)そ谒畮焖宦湓谠搮^(qū)域內(nèi)時，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向原則上分別按11月-次年10月水文年年徑流量的95%頻率對應(yīng)年即1965年設(shè)計需水過程供水。同時，推薦方案中采用提出的供水調(diào)度過渡帶控制方法，庫水位位于95%供水調(diào)度線以下3 m范圍時，如預(yù)報入庫流量明顯大于計劃供水流量，總供水流量增加值可根據(jù)95%供水調(diào)度線與庫水位的差值在供水區(qū)1和供水區(qū)2流量間確定。

（2）供水區(qū)2。

供水區(qū)2為95%供水線與正常供水線之間區(qū)域。當(dāng)?shù)そ谒畮焖宦湓谠搮^(qū)域內(nèi)時，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向原則上分別按來水頻率75%對應(yīng)典型年即1961年設(shè)計需水過程供水。

（3）供水區(qū)3。

正常供水線與多年平均供水線之間區(qū)域為供水區(qū)3。當(dāng)?shù)そ谒畮焖宦湓谠搮^(qū)域內(nèi)時，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向原則上分別按來水頻率為50%的典型年即1969年對應(yīng)年設(shè)計需水過程供水。

（4）供水區(qū)4。

供水區(qū)4為多年平均供水線與降低供水線之間區(qū)域，當(dāng)?shù)そ谒畮焖宦湓谠搮^(qū)域內(nèi)時，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向原則上分別按來水頻率為25%的典型年即1964年對應(yīng)年設(shè)計需水過程進行供水；當(dāng)水庫水位低于150 m且入庫來水小于350 m3/s時，下泄流量按400 m3/s控制。

（5）供水區(qū)5。

供水區(qū)5為極限死水位與降低供水線之間區(qū)域，當(dāng)?shù)そ谒畮焖宦湓谠搮^(qū)域內(nèi)時，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向分別按來水頻率為25%的典型年對應(yīng)年設(shè)計需水過程的80%供水；當(dāng)水庫水位低于150 m且入庫來水小于350 m3/s時，下泄流量按400 m3/s控制。

2 丹江口水利樞紐供水調(diào)度圖的校核

將1956年-1998年共42年設(shè)計水文系列的入庫徑流作為輸入，綜合考慮丹江口水利樞紐實際運行要求及陶岔渠首、清泉溝過流能力限制，在兼顧供水對象設(shè)計需水過程的基礎(chǔ)上，以樞紐自身蓄水情況和來水情勢為依據(jù)，按上述分區(qū)供水原則進行供水調(diào)度計算，以校核所得調(diào)度圖實用性和可行性。42年長系列模擬計算結(jié)果及不同來水頻率供水量統(tǒng)計見表1、表2。

由表可知，按本次研究制定的供水調(diào)度圖計算長系列調(diào)水過程，多年平均向漢江中下游下泄水量258.09億m3，清泉溝引水量7.62億m3，超出規(guī)劃設(shè)計的多年平均供、引水量；陶岔多年平均引水量94.98億m3，滿足規(guī)劃設(shè)計多年平均引水量95億m3的要求。

丹江口水利樞紐可調(diào)水量是指水庫在滿足漢江中下游基本需水的基礎(chǔ)上，考慮引調(diào)水工程規(guī)模約束和調(diào)水過程的相對均勻性，最大可能調(diào)出水量。根據(jù)中線工程規(guī)劃成果[12]，丹江口水利樞紐多年平均可調(diào)水量103.41億m3，其中清泉溝灌區(qū)可引水6.28億m3、陶岔渠首可調(diào)水量97.13億m3。陶岔渠首年最大可調(diào)水量130.42億m3，年最小可調(diào)水量53.62億m3。圖2為按可調(diào)水量調(diào)度和本次研究制定的供水調(diào)度圖計算的陶岔渠首北調(diào)供水過程線。由圖可知，在滿足規(guī)劃陶岔渠首多年平均調(diào)水量目標(biāo)95 m3億的前提下，按供水調(diào)度圖計算的供水過程更加均勻，可減少受水區(qū)不同供水水源切換的頻率，有利于受水區(qū)多水源、多工程的聯(lián)合調(diào)度。

漢江上游來水年內(nèi)年際分布極不均勻、枯水年丹江口水利樞紐可調(diào)水量過少是南水北調(diào)中線工程運行調(diào)度面臨的最大難題。丹江口水利樞紐大壩加高后水庫調(diào)節(jié)性能由年調(diào)節(jié)變?yōu)槎嗄暾{(diào)節(jié)，通過優(yōu)化制定運行調(diào)度方式，合理利用水庫的調(diào)蓄能力，可提高陶岔渠首調(diào)水過程的均勻性、實現(xiàn)中線工程規(guī)劃調(diào)水目標(biāo)。

3 結(jié)語

本文針對丹江口水利樞紐大壩加高后的供水調(diào)度問題展開了初步探討。在南水北調(diào)中線工程研究成果基礎(chǔ)上，兼顧供水對象設(shè)計需水過程，以樞紐自身蓄水情況和來水情勢為依據(jù)，提出了以供水調(diào)度圖為指導(dǎo)的丹江口水利樞紐供水調(diào)度方法。選取長系列設(shè)計水文系列進行校核計算，結(jié)果表明本文推求供水調(diào)度圖能滿足丹江口水利樞紐設(shè)計供水要求，漢江中下游、清泉溝、陶岔三供水方向供水量均能滿足南水北調(diào)中線一期工程的設(shè)計要求，且基于調(diào)度圖的常規(guī)調(diào)度方法簡單易行，在面臨時段能明確給出分時段、分供水方向的供水流量，可操作性強，研究成果可為丹江口水利樞紐的實際運行提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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