大型灌區(qū)骨干水庫(kù)分期旱限水位研究

張禮兵，伍露露，金菊良，吳成國(guó)，周玉良，朱文禮

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，安徽 合肥　230009）

1　研究背景

在氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響下，我國(guó)水資源問(wèn)題日益突出，洪澇和干旱災(zāi)害出現(xiàn)機(jī)率趨于頻繁，水資源供需矛盾愈加尖銳，已嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展［1-2］。對(duì)一定區(qū)域而言，一段時(shí)期內(nèi)各用水戶需求相對(duì)穩(wěn)定，因此天氣異常造成水循環(huán)過(guò)程的水分供給不足往往是形成干旱的主要原因［3］。干旱的本質(zhì)是水分持續(xù)性短缺，其成因既涉及以降水減少為主要特征的異常天氣因素，同時(shí)又與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)居民生活及環(huán)境生態(tài)用水等密切相關(guān)［4-5］。曹正池［6］從取水口高程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最低需水量、工業(yè)生產(chǎn)用水量、居民生活需水量、通航水位以及河道水生生物的最低生態(tài)需水量等因素出發(fā)，首次提出了江河在枯水季節(jié)影響供水安全的干旱告警水位的概念。國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室及水利部水文局在聯(lián)合制定的《旱限水位（流量）確定辦法》［7］中定義了干旱預(yù)警水位，即當(dāng)江河湖庫(kù)水位持續(xù)偏低、流量持續(xù)偏少時(shí)，影響城鄉(xiāng)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等用水安全，應(yīng)采取抗旱措施的水位稱為旱限水位。該辦法主要針對(duì)年調(diào)節(jié)水庫(kù)應(yīng)對(duì)未來(lái)一月或數(shù)月的干旱問(wèn)題，考慮設(shè)計(jì)來(lái)水和用水需求，以逐月或雙月滑動(dòng)計(jì)算的水庫(kù)應(yīng)以供水量最大值作為旱限水位的計(jì)算依據(jù)，然而由于在實(shí)際工作中往往缺乏針對(duì)性而可操作性不強(qiáng)［8-9］，同時(shí)對(duì)旱限水位合理性分析時(shí)只是與歷史水位出現(xiàn)頻次作簡(jiǎn)單比較而顯充分性不足［10］。劉攀等［11］認(rèn)為用這種方法確定的單一旱限水位忽略了枯水季節(jié)性規(guī)律，因?yàn)楦珊档漠a(chǎn)生不僅是入庫(kù)流量較枯，還與需水較大以及水庫(kù)前期蓄水位不高等有關(guān)。針對(duì)此不足，宋樹(shù)東等［12］提出水庫(kù)旱限水位分期確定的主要步驟，即首先要對(duì)水庫(kù)劃分出旱限水位控制時(shí)段的分期，然后針對(duì)分期再進(jìn)行各旱限水位的確定。曹潤(rùn)祥［13］則提出旱限水位動(dòng)態(tài)控制的概念，并建議采用“預(yù)警期/旱限水位”的形式來(lái)表示水庫(kù)旱限水位，并基于潛在干旱期和干旱預(yù)警期的旱限水位年內(nèi)修正方法和水庫(kù)供水任務(wù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的旱限水位年際修正方法，將旱限水位納入水庫(kù)特征水位，并建立旱限水位控制的限制供水規(guī)則，給出了水庫(kù)進(jìn)入干旱預(yù)警后的模擬-優(yōu)化模型的方程描述。彭少明等［14］以干旱年份流域總?cè)彼畵p失最小為目標(biāo)，建立多年調(diào)節(jié)水庫(kù)旱限水位的最優(yōu)控制模型，構(gòu)成龍羊峽水庫(kù)旱限水位、入庫(kù)徑流+年初蓄水、流域旱情三者關(guān)系的控制曲面，制定相應(yīng)不同干旱等級(jí)的多年調(diào)節(jié)水庫(kù)旱限水位控制策略。張永永等［15］針對(duì)龍羊峽水庫(kù)1990—1999年連續(xù)枯水段的年際缺水均衡問(wèn)題，應(yīng)用改進(jìn)人工魚群算法優(yōu)化了水庫(kù)旱限水位。可見(jiàn)，目前關(guān)于近年提出的旱限水位的研究成果總體尚少，上述研究文獻(xiàn)作了一些有益的探索。然而現(xiàn)行的旱限水位計(jì)算方法明顯存在以下兩個(gè)問(wèn)題［7］：（1）旱限水位在整個(gè)供水期采用單一靜態(tài)值而忽略了供需水匹配過(guò)程的變化，如果在整個(gè)枯水季節(jié)均采用該旱限水位進(jìn)行控制，則對(duì)于大部分時(shí)期會(huì)因水位標(biāo)準(zhǔn)偏高而造成供水不足；（2）對(duì)旱限水位合理性分析時(shí)，只簡(jiǎn)單考察旱限水位在歷史上出現(xiàn)的頻次是否與相應(yīng)干旱發(fā)生頻率相近，而忽略了旱限水位控制運(yùn)行后對(duì)整個(gè)水資源系統(tǒng)（尤其是農(nóng)業(yè)灌溉用水）的影響及其產(chǎn)生的相應(yīng)水量在年內(nèi)及年際間遞歸變化過(guò)程。此外，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水占比較大的大型灌區(qū)而言，由于作物需水受氣候變化影響大，對(duì)干旱尤為敏感，也對(duì)灌區(qū)骨干水庫(kù)的枯水期調(diào)度提出了更高的要求［16-18］。

鑒于將旱限水位作為警戒水位納入水庫(kù)特征水位系統(tǒng)，并以其作為干旱期水庫(kù)控制運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)性制定不同供水策略及其對(duì)水資源系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響還未見(jiàn)諸相關(guān)研究，本文以江淮丘陵區(qū)史河灌區(qū)梅山水庫(kù)為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)研及系統(tǒng)分析水庫(kù)歷年供水、灌溉、發(fā)電等不同用戶用水情況及水庫(kù)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行過(guò)程，首先基于Hausdorff維數(shù)分形方法分析了梅山水庫(kù)入庫(kù)徑流干旱預(yù)警期，再通過(guò)不同水平年各預(yù)警期內(nèi)來(lái)水供水調(diào)節(jié)確定初始旱限水位，并以水庫(kù)、灌區(qū)耦合水資源系統(tǒng)長(zhǎng)系列模擬模型及優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，優(yōu)化確定梅山水庫(kù)不同預(yù)警期的旱限水位，最后從水庫(kù)運(yùn)行、灌區(qū)灌溉、生產(chǎn)生活供水、生態(tài)用水以及水力發(fā)電等多角度評(píng)估旱限水位的合理性，為大型灌區(qū)干旱期供水調(diào)度的優(yōu)化決策提供依據(jù)。值得一提的是，為了使所制定的旱限水位更具有操作性，同時(shí)參考《旱限水位（流量）確定辦法》［7］，本文將旱限水位進(jìn)一步劃分為旱警水位（Zdw）和旱枯水位（Zdd）。其中：旱警水位是指由于干旱（降水或來(lái)水偏少）導(dǎo)致水庫(kù)水位持續(xù)降低，開(kāi)始影響水庫(kù)的灌溉、發(fā)電用水任務(wù)的臨界水庫(kù)水位，對(duì)應(yīng)的旱情等級(jí)為輕度或中度干旱；旱枯水位是指由于干旱（降水或來(lái)水偏少）導(dǎo)致水庫(kù)水位繼續(xù)降低，并已經(jīng)嚴(yán)重影響水庫(kù)的灌溉、發(fā)電用水任務(wù)時(shí)的水庫(kù)水位，對(duì)應(yīng)的旱情等級(jí)為嚴(yán)重或特大干旱。同時(shí)為了便于與后續(xù)的抗旱預(yù)案能夠較好地銜接，在遭遇不同干旱年份時(shí)需要采取削減供水措施，參考《旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL424-2008）》，中度干旱時(shí)城市供水消減率小于20%，農(nóng)業(yè)灌溉供水消減率小于35%；嚴(yán)重干旱時(shí)城市供水消減率20%～30%，農(nóng)業(yè)灌溉供水消減率35%～50%。

2　梅山水庫(kù)旱限水位初步確定

梅山水庫(kù)位于淮河支流史河上游的安徽省金寨縣境內(nèi)，控制流域面積1970 km2，是以防洪、灌溉為主的多年調(diào)節(jié)大型水庫(kù)，同時(shí)承擔(dān)著金寨縣城及葉集試驗(yàn)區(qū)的城鎮(zhèn)供水，兼顧水力發(fā)電和漁業(yè)養(yǎng)殖等功能的大I型綜合性水利工程樞紐，水庫(kù)總庫(kù)容22.63億m3，死庫(kù)容3.58億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積25.5萬(wàn)hm2，水電站裝機(jī)容量4萬(wàn)kW。自1958年建成蓄水以來(lái)，各種效益特別是防洪、灌溉和發(fā)電三大效益的有效發(fā)揮，對(duì)皖西乃至全省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定起到十分重要的作用。然而在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期，由于沒(méi)有低水位下水庫(kù)控制運(yùn)行規(guī)則，梅山水庫(kù)經(jīng)常因城鄉(xiāng)階段性供水、供電緊張強(qiáng)制泄放死庫(kù)容中的水量，致使水庫(kù)經(jīng)常處于低水位的不正常狀態(tài)。梅山水庫(kù)歷年運(yùn)行資料顯示，水庫(kù)壩上水位在1965—2015年的51年間，月均水位有近1/4年份出現(xiàn)了低于死水位107.07 m的情況，有些年份甚至降至最低灌溉取水口水位95.27 m以下。這樣“死水位不死”的不合理運(yùn)行調(diào)度，不僅大大降低了水資源開(kāi)發(fā)利用的效率，導(dǎo)致年內(nèi)、年際各用水戶間用水矛盾突出，也對(duì)水庫(kù)的壩、堤、閘、站等各種水利工程設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了危害。

2.1梅山水庫(kù)來(lái)水分析如前所述，由于目前旱限水位研究尚處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道不多，所以旱限水位分期尚沒(méi)有統(tǒng)一的方法。與汛期水位主要以短期暴雨徑流特征進(jìn)行分期不同，旱限水位分期不僅要考慮較長(zhǎng)預(yù)警期的徑流來(lái)水特征，還要考慮不同用水戶尤其是農(nóng)業(yè)灌溉的水量需求特征，因此旱限水位分期要同時(shí)考慮來(lái)水與用水的前后協(xié)調(diào)問(wèn)題，較汛限水位更為復(fù)雜。需要說(shuō)明的是，旱限水位分期時(shí)段不僅僅針對(duì)水源的非汛期或枯水季節(jié)，有些情況下也包括全部或部分汛期時(shí)段。史河灌區(qū)梅山水庫(kù)所處江淮之間的丘陵地區(qū)，受西太平洋副熱帶高壓影響，常常在夏季汛期的7、8月發(fā)生晴熱少雨的氣象，其特點(diǎn)是太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，溫度高、濕度小、蒸發(fā)和蒸騰量大，而春播農(nóng)作物正處在抽穗、揚(yáng)花、灌漿期，需要大量水分補(bǔ)充、供給，如果此期間沒(méi)有降雨或降雨稀少，就會(huì)發(fā)生夏旱，將嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)從而造成減產(chǎn)或絕收，因這期間正處于伏天，故稱“伏旱”。據(jù)統(tǒng)計(jì)［19］，安徽省淮河以南長(zhǎng)江以北地區(qū)平均3～4年發(fā)生一次夏旱或春夏連旱。因此，梅山水庫(kù)在汛期也可能遭遇干旱缺水的威脅，故而也存在汛期旱限水位的預(yù)警問(wèn)題。

水庫(kù)入庫(kù)徑流過(guò)程對(duì)于水庫(kù)后續(xù)的調(diào)蓄控泄與分用戶供水影響很大，也是進(jìn)行旱限水位分期設(shè)定重要基礎(chǔ)。

（1）水庫(kù)干旱預(yù)警分期。根據(jù)安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2002年編制的《梅山水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核報(bào)告》，梅山水庫(kù)汛期為5月1日至9月30日，其余為非汛期。本文首先根據(jù)Hausdorff維數(shù)分形方法［20-21］獲得梅山水庫(kù)非汛期水文干旱預(yù)警時(shí)段為10月—11月、12月—次年2月和3月—4月，汛期為5月—6月，7月—8月和9月。

（2）不同頻率入庫(kù)徑流過(guò)程設(shè)計(jì)。參考《旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL424—2008）》定義的中度干旱對(duì)應(yīng)降水頻率75%～90%，嚴(yán)重干旱對(duì)應(yīng)降水頻率90%～95%，本文結(jié)合史河灌區(qū)梅山水庫(kù)區(qū)域水文氣象特點(diǎn)，將旱警水位對(duì)應(yīng)的中度干旱年梅山水庫(kù)來(lái)水頻率取80%，旱枯水位對(duì)應(yīng)的嚴(yán)重干旱年水庫(kù)來(lái)水頻率取95%。根據(jù)梅山水庫(kù)1965—2015年徑流系列資料，進(jìn)行PⅢ型理論頻率曲線分析，獲得中度干旱年份（P=80%）和嚴(yán)重干旱年份（P=95%）設(shè)計(jì)年徑流，并按典型年進(jìn)行年內(nèi)月徑流過(guò)程縮放，得到不同干旱水平年的入庫(kù)設(shè)計(jì)月徑流過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　梅山水庫(kù)不同干旱水平年入庫(kù)設(shè)計(jì)月徑流過(guò)程?。▎挝唬喝f(wàn)m3）

2.2梅山水庫(kù)用水分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有一定程度抗御干旱的能力，及時(shí)進(jìn)行干旱預(yù)警并采取相應(yīng)的抗旱措施，干旱對(duì)系統(tǒng)的影響可以得到一定程度的減輕甚至消除。梅山水庫(kù)用水戶主要包括史河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉（包括河南史灌河部分灌溉片）、城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活、史河河道生態(tài)環(huán)境等，水電站發(fā)電引水服從于上述供水需要而不單獨(dú)供水。根據(jù)《淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃（2010）》，史河灌區(qū)的灌溉設(shè)計(jì)保證率為80%，經(jīng)分析扣除灌區(qū)內(nèi)部供水后需要梅山水庫(kù)供水量為12.11億m3，根據(jù)多年史河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水規(guī)律按月占百分比進(jìn)行分配。城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需水主要有金寨縣城和葉集試驗(yàn)區(qū)，生活用水采用人口定額法，生產(chǎn)用水采用萬(wàn)元GDP用水量法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)淠史杭灌區(qū)管理總局提供的《淠史杭灌區(qū)水量分配方案（2016）》，史河下游河道環(huán)境生態(tài)流量為5.47 m3/s，按各月日歷數(shù)進(jìn)行分配，則梅山水庫(kù)綜合用水過(guò)程見(jiàn)表2。

表2　梅山水庫(kù)8 0%典型年綜合需水過(guò)程（單位：萬(wàn)m 3）

2.3初始旱限水位計(jì)算考慮根據(jù)水庫(kù)入庫(kù)徑流過(guò)程、不同用戶需水特性，參考水庫(kù)水文干旱預(yù)警水位［7］確定方法，本文初步確定梅山水庫(kù)旱警水位、旱枯水位計(jì)算方法如下：

（1）旱警水位。在中度干旱年份，預(yù)警時(shí)段內(nèi)所有預(yù)警對(duì)象的總供水量減去對(duì)應(yīng)預(yù)警時(shí)段內(nèi)的來(lái)水總量，再加上供水起調(diào)庫(kù)容的水量所對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位。旱警水位及以上，所有供水對(duì)象正常供水；在旱警水位以下、旱枯水位以上，水庫(kù)采取部分限制供水措施以便與抗旱預(yù)案銜接，即史河灌區(qū)灌溉供水削減30%，城鎮(zhèn)供水量和生態(tài)供水量不變，此稱為“一級(jí)限供”。

（2）旱枯水位。在嚴(yán)重干旱年份，預(yù)警時(shí)段內(nèi)所有預(yù)警對(duì)象的總供水量減去對(duì)應(yīng)預(yù)警時(shí)段內(nèi)的來(lái)水總量，再加上供水起調(diào)庫(kù)容所對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位。旱枯水位及以下，水庫(kù)對(duì)所有供水對(duì)象采取程度不同的限制供水措施，即史河灌區(qū)灌溉供水削減50%，生態(tài)、城鎮(zhèn)供水量消減20%，此稱為“二級(jí)限供”。

通過(guò)以上分析可知,March-Like算法不僅能夠覆蓋March C+算法能夠覆蓋的故障類型,還能夠檢測(cè)到March C+算法不能覆蓋到的寫破壞耦合故障、讀破壞耦合故障和寫干擾故障,整體上提高了算法的故障覆蓋率。

以上旱警水位和旱枯水位的計(jì)算過(guò)程可由式（1）和式（2）分別表達(dá)：

式中：Zdw和Zdd分別為梅山水庫(kù)的旱警水位、旱枯水位；f為水庫(kù)水位-庫(kù)容曲線（函數(shù)）；Wa為預(yù)警時(shí)段所有預(yù)警對(duì)象正常供水量，Wb為預(yù)警時(shí)段內(nèi)預(yù)警對(duì)象“一級(jí)限供”后的供水量，Wp為預(yù)警時(shí)間來(lái)水頻率為f的水庫(kù)來(lái)水量。式（1）中取p=80%，式（2）中取p=95%；Vs為水庫(kù)預(yù)警期的起調(diào)庫(kù)容，本文將水庫(kù)起調(diào)庫(kù)容設(shè)定為水庫(kù)死庫(kù)容加關(guān)鍵時(shí)段預(yù)留庫(kù)容。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)史河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉在一些關(guān)鍵期的需水特點(diǎn)，如5月泡田期用水，以及7月—8月保灌期（同時(shí)該期也極易遭遇伏旱威脅）供水等，因此為了保證史河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的可靠度，本文在汛期和非汛期期首設(shè)定了預(yù)留庫(kù)容如下：結(jié)合史河灌區(qū)多年實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，預(yù)留水量按畝均80 m3計(jì)，史河灌區(qū)加河南灌溉片實(shí)際灌溉面積共25.2萬(wàn)hm2，需水約3.0億m3，則梅山水庫(kù)在汛期和非汛期起調(diào)庫(kù)容都為6.58億m3。

按上述方法不同水文年份的分析計(jì)算，采用外包絡(luò)線法獲得各預(yù)警期旱限水位變化區(qū)間，結(jié)果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，梅山水庫(kù)各預(yù)警期旱限水位參差不齊，變化劇烈，旱警、旱枯水位還存在部分錯(cuò)位交叉等問(wèn)題，因此有必要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚@里暫稱之為“初始旱限水位”。

3　水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)模擬模型構(gòu)建

基于系統(tǒng)工程理論和方法，本研究分別從宏、中、微觀多層次描述水庫(kù)灌區(qū)水資源的需水、供水和用水過(guò)程，構(gòu)建基于多水源、多用戶、多目標(biāo)的史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)模擬模型，主要包括梅山水庫(kù)及渠首樞紐水資源模擬模型、史河灌區(qū)水資源系統(tǒng)（水旱農(nóng)田、塘壩堰閘、中小型水庫(kù)、反調(diào)節(jié)庫(kù)塘、外水提水泵站等）模擬模型，限于篇幅詳細(xì)構(gòu)建過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)［22］。

表3　梅山水庫(kù)特征水位及旱限水位變化區(qū)間?。▎挝唬簃）

4　梅山水庫(kù)旱限水位優(yōu)化確定

4.1現(xiàn)狀無(wú)旱限水位約束下系統(tǒng)綜合效益梅山水庫(kù)主要用水戶包括城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活供水、史河河道生態(tài)需水、灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉（包括河南省部分灌溉片）用水、水電站引水發(fā)電用水等，各用戶產(chǎn)生的效益可根據(jù)供水量或發(fā)電量計(jì)算。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)模擬計(jì)算，現(xiàn)狀條件下梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)各用戶經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4計(jì)算結(jié)果可知，梅山水庫(kù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，現(xiàn)狀條件下多年平均可達(dá)1.61億元人民幣，且尚未考慮作為水庫(kù)主要任務(wù)的防洪經(jīng)濟(jì)效益。由此可見(jiàn)，梅山水庫(kù)經(jīng)過(guò)50多年運(yùn)行管理，為皖西及河南省部分地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。此外，由計(jì)算結(jié)果可知在現(xiàn)狀無(wú)旱限水位約束下梅山水庫(kù)城鎮(zhèn)供水保證率96.15%，史河灌區(qū)灌溉保證率73.08%，年均發(fā)電量近1億kW·h，經(jīng)調(diào)查這與水庫(kù)多年運(yùn)行實(shí)際比較接近，其余指標(biāo)如塘壩年均灌溉供水量、泵站提外水年均補(bǔ)給量、反調(diào)節(jié)水庫(kù)年均供水量、不同作物年均灌溉定額等等，也符合水庫(kù)灌區(qū)多年實(shí)際運(yùn)行情況，說(shuō)明本研究構(gòu)建的史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)模擬模型具有較好的可靠性。

4.2梅山水庫(kù)旱限水位優(yōu)化模型如2.3節(jié)所述，根據(jù)不同水平年水庫(kù)來(lái)供水獲得的初始旱限水位存在變化范圍大、相鄰時(shí)段水位變化劇烈，導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行操作困難等問(wèn)題，需要進(jìn)行必要的修正與優(yōu)化，為此本文構(gòu)建了梅山水庫(kù)旱限水位優(yōu)化模型如下。

式中：ci表示水庫(kù)供水單價(jià)，i=1～5分別表示城鎮(zhèn)生產(chǎn)供水單價(jià)、城鎮(zhèn)生活供水單價(jià)、灌溉供水單價(jià)、生態(tài)環(huán)境效益單價(jià)及上網(wǎng)電價(jià)，wi，k表示在方案k旱限水位下水庫(kù)城鎮(zhèn)供水量、城鎮(zhèn)生活供水量、灌溉供水量、生態(tài)環(huán)境供水量以及電站發(fā)電量，K為不同預(yù)警期的旱警水位、旱枯水位組合數(shù)。

結(jié)合史河灌區(qū)多年灌溉供水實(shí)踐及梅山水庫(kù)管理需要，上述模型優(yōu)化變量設(shè)為非汛期、汛期兩個(gè)預(yù)警期的旱警、旱枯水位共5個(gè)變量（階段），優(yōu)化變量取值范圍以表3旱限水位變化區(qū)間為基礎(chǔ)并適當(dāng)放大，即旱警水位分3段：10月—次年2月Zhj102∈［114 m，118 m］，3月—4月和7月—9月Zhj3479∈［115 m，120 m］，5月—6月Zhj56∈［112 m，122 m］；旱枯水位分2段：7月—次年4月Zhk74∈［107.07 m，113 m］，5月—6月Zhk56∈［107.07 m，116 m］。4.2.2約束條件 （1）梅山水庫(kù)水量平衡約束。（2）灌區(qū)內(nèi)水量平衡約束，包括：田間水量平衡約束、塘壩及反調(diào)節(jié)庫(kù)約束、提水能力約束等。（3）特征水位關(guān)系約束，各預(yù)警期旱限水位滿足：Z死水位（4）其它約束，如城市供水保證率95%以上約束、設(shè)計(jì)參數(shù)的非負(fù)性約束、灌溉供水渠道最大輸水流量限制等。

4.2.3模型求解上述水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)模擬和優(yōu)化模型是一個(gè)多維、非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，本文采用遺傳算法（GA）求解。該算法參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)便，計(jì)算效率高，通用性強(qiáng)，對(duì)于水利工程方案設(shè)計(jì)中的非線性、非凸及組合優(yōu)化等問(wèn)題的求解具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、有效性，其計(jì)算步驟見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)［23］。

4.3梅山水庫(kù)旱限水位優(yōu)化確定及結(jié)果比較

4.3.1優(yōu)化確定旱限水位基于上述水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)模擬模型及智能優(yōu)化方法，獲得梅山水庫(kù)優(yōu)化旱限水位如圖1所示。

圖1　梅山水庫(kù)優(yōu)化旱限水位及其它主要特征水位

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，優(yōu)化調(diào)整后的旱限水位對(duì)水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)運(yùn)行效果影響顯著（見(jiàn)表5所示），而且較初始旱限水位更簡(jiǎn)潔明了，易于指導(dǎo)水庫(kù)實(shí)際控制運(yùn)行。

4.3.2水庫(kù)灌區(qū)系統(tǒng)綜合效益比較為全面了解旱限水位對(duì)史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)運(yùn)行影響，這里分別設(shè)置旱限水位通用約束、旱限水位特定約束兩種系統(tǒng)控制運(yùn)行條件，并從水庫(kù)運(yùn)行、史河灌區(qū)灌溉、生態(tài)供水、水力發(fā)電和經(jīng)濟(jì)效益等5個(gè)子系統(tǒng)，以及從各子系統(tǒng)派生的18個(gè)指標(biāo)對(duì)史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)綜合運(yùn)行效果進(jìn)行比較。

（1）旱限水位通用約束。不考慮具體年份水文情勢(shì)，即無(wú)論當(dāng)年遭遇的是枯水年、平水年還是豐水年，只要水位觸及旱警水位或旱枯水位都要啟動(dòng)相應(yīng)的限制供水措施，稱之為“旱限水位通用約束”控制，根據(jù)供水最大保證的原則，各預(yù)警期旱限水位按表3區(qū)間上包絡(luò)線確定，運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表5所示。

由表5可知，由于旱警、旱枯“兩線”旱限水位約束的加入，現(xiàn)狀條件下梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)運(yùn)行效果發(fā)生了較大改變，其中主要指標(biāo)如水庫(kù)年均棄水量、農(nóng)業(yè)灌溉保證率、生態(tài)供水保證率和綜合經(jīng)濟(jì)效益都發(fā)生了不利變化。主要因?yàn)橄鄬?duì)于無(wú)旱限水位約束，梅山水庫(kù)在較高旱警、旱枯水位控制下更易采取保守措施而限制供水，從而增加各預(yù)警期面臨時(shí)段的缺水概率（尤其是灌溉用水），而水庫(kù)隨著供水的減少，也抬高了水庫(kù)的時(shí)段蓄水量，從而造成水庫(kù)后續(xù)時(shí)段棄水量（如汛期）的增加，因此兩者綜合影響最終導(dǎo)致水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)運(yùn)行效果下降。顯然這種忽略水文豐枯影響的預(yù)警限供具有相對(duì)片面性，也不符合灌區(qū)工程實(shí)際需求。由此可見(jiàn)，史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)對(duì)于旱限水位具有較高的系統(tǒng)敏感性，必須謹(jǐn)慎對(duì)待。

（2）旱限水位特定約束。鑒于以上不足，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)加入判別分析，即只有遭遇特定干旱的水文年份時(shí)（例如來(lái)水頻率P≥80%）才啟用旱限水位控制運(yùn)行，這里稱之為“旱限水位特定約束”控制，其結(jié)果見(jiàn)表5所示。由表5可見(jiàn)，與“旱限水位通用約束”控制下的水資源系統(tǒng)運(yùn)行效果相比，“旱限水位特定約束”在城鎮(zhèn)供水方面，城鎮(zhèn)年均供水量增加81萬(wàn)m3，供水保證率略有提高，而水庫(kù)年均棄水量減少了1575萬(wàn)m3；在史河灌區(qū)灌溉方面，灌溉保證率從61.50%提高到65.38%，增加明顯；在生態(tài)供水量和生態(tài)供水保證率方面提高顯著；同時(shí)系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)效益年均增加106萬(wàn)元，其它指標(biāo)兩者相差不多。

另外，由于引入了低水位旱限水位控制的運(yùn)行規(guī)則，所以模擬計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示梅山水庫(kù)歷年月均水位變化較為平穩(wěn)，只有1966、1977、1978和1988年略低于死水位（最低104.6 m）?？梢?jiàn)，一定條件下啟用旱警水位、旱枯水位“兩線”進(jìn)行低水位條件下限制供水，有利于梅山水庫(kù)最低水位控制，也有益于史河灌區(qū)水資源系統(tǒng)運(yùn)行綜合效益的提高。

（3）優(yōu)化旱限水位特定約束。按4.2節(jié)建立的梅山水庫(kù)旱限水位優(yōu)化模型模擬計(jì)算，系統(tǒng)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示。由表5可知：相較于“旱限水位特定約束”，優(yōu)化后水庫(kù)年均棄水量進(jìn)一步減少了155萬(wàn)m3；城鎮(zhèn)年均供水量相應(yīng)增加了163萬(wàn)m3；在史河灌區(qū)灌溉方面，水庫(kù)年均灌溉供水量增加了151萬(wàn)m3，灌溉保證率也從65.38%提高到71.15%，比無(wú)旱限水位運(yùn)行稍低；在生態(tài)供水量和生態(tài)供水保證率方面則略有增加；而水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益年均增加197萬(wàn)元。

表5　梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)長(zhǎng)系列多年平均運(yùn)行結(jié)果

由以上基于水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)長(zhǎng)系列模擬及優(yōu)化計(jì)算可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)優(yōu)化水庫(kù)不同預(yù)警期內(nèi)的旱警、旱枯水位，有利于梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)綜合運(yùn)行效益的提高，也有利于史河灌區(qū)內(nèi)部水源的合理調(diào)配與利用，由此優(yōu)化確定的旱限水位具有較高的科學(xué)合理性和技術(shù)可行性。

5　結(jié)論

通過(guò)梅山水庫(kù)及史河灌區(qū)實(shí)地調(diào)研，結(jié)合水庫(kù)灌區(qū)歷年供水、灌溉、發(fā)電等不同用戶用水特征分析，經(jīng)供需分析計(jì)算和模擬模型演算驗(yàn)證，研究確定了梅山水庫(kù)旱限水位的旱警水位和旱枯水位，獲得以下主要結(jié)論：

（1）以水庫(kù)水文分期為基礎(chǔ)，結(jié)合水庫(kù)非汛期入庫(kù)徑流特性和用水特征，確定了非汛期干旱預(yù)警期為3月—4月，12月—次年2月和10月—11月；結(jié)合汛期灌溉用水高峰對(duì)水庫(kù)供水的影響，將梅山水庫(kù)汛期干旱預(yù)警期分為5月—6月、7月—8月和9月，為梅山水庫(kù)旱限水位分期控制提供了基礎(chǔ)支撐。

（2）構(gòu)建了基于規(guī)則的史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)模擬模型，據(jù)此模擬計(jì)算水庫(kù)與灌區(qū)水資源系統(tǒng)在水文氣象、水利工程措施共同作用下復(fù)雜的系統(tǒng)需水、供水過(guò)程及其相應(yīng)特性，為研究水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)運(yùn)行效果在不同旱限水位約束下的響應(yīng)關(guān)系提供了技術(shù)手段。

（3）優(yōu)化確定了梅山水庫(kù)的分期旱警水位和旱枯水位，開(kāi)展了旱限水位啟用判別條件分析及旱限水位約束下水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究，結(jié)果說(shuō)明旱限水位的設(shè)置與運(yùn)行可提高水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)綜合效益，通過(guò)限制水庫(kù)用水戶枯水期供水從而保障重點(diǎn)用戶以及后期水庫(kù)供水安全，為相關(guān)水利管理部門和水庫(kù)管理單位抗旱預(yù)案研制、協(xié)調(diào)水資源用水矛盾提供了有力抓手。

需要說(shuō)明的是，相對(duì)于汛限水位研究與應(yīng)用而言，旱限水位研究在國(guó)內(nèi)外尚處于起步階段。限于作者水平本文構(gòu)建的史河灌區(qū)梅山水庫(kù)水資源系統(tǒng)模擬模型，主要基于客觀的易定量化的運(yùn)行規(guī)則，而水庫(kù)的實(shí)際泄放水量一般是由相關(guān)的流域防洪部門、水行政管理部門、灌區(qū)管理局以及水電站運(yùn)行單位等在豐枯季相對(duì)獨(dú)立控制，具有一定的不確定性而難以量化，尚需要在以后的工作中考慮以上因素的影響。同時(shí)，針對(duì)旱警水位、旱枯水位分期控制條件下的水庫(kù)最優(yōu)化控制運(yùn)行問(wèn)題，受時(shí)間限制本文只進(jìn)行了旱限水位的初步優(yōu)化，今后可結(jié)合水庫(kù)灌區(qū)水資源系統(tǒng)模擬模型開(kāi)展系統(tǒng)全要素優(yōu)化調(diào)控研究，如灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、水旱種植比、水稻灌溉適宜水深、塘壩與反調(diào)節(jié)庫(kù)運(yùn)用規(guī)則、水庫(kù)蓄放水規(guī)則等，而這必將是涉及數(shù)十上百個(gè)變量的大系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)智能優(yōu)化算法對(duì)該復(fù)雜問(wèn)題的研究和應(yīng)用也是今后十分重要的工作。

致謝：本文有幸得到了國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室楊光，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心蘇志誠(chéng)，安徽省水利廳王友貞、王鳳云、李汪苗，以及安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局陳來(lái)寶、萬(wàn)義周和梅山水庫(kù)管理處盧萬(wàn)友等專家的大力支持和幫助，在此深表感謝！