徑流調(diào)節(jié)概率法在多年調(diào)節(jié)水庫(kù)中的應(yīng)用

黃鑫平

（廣東省天中勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司惠州分公司，廣東惠州 516300）

0 引言

針對(duì)徑流在天然狀態(tài)下產(chǎn)生的供需矛盾，可以考慮水利設(shè)施的建設(shè)，以調(diào)節(jié)的方式改善原始狀態(tài)，興利除害，充分發(fā)揮水資源的利用價(jià)值，緩解水利問(wèn)題。其中，徑流調(diào)節(jié)概率法屬于徑流調(diào)節(jié)的常見(jiàn)方法，工程實(shí)踐中可聯(lián)合應(yīng)用調(diào)度圖，有效應(yīng)對(duì)多年調(diào)節(jié)復(fù)雜度高的工程場(chǎng)景，保證徑流調(diào)節(jié)的有效性。

1 工程概況

顯崗水庫(kù)是綜合利用開(kāi)發(fā)沙河水利資源的骨干工程之一。水庫(kù)壩址以上集雨面積295km2，占沙河全流域集雨面積的23.6%，干流河長(zhǎng)39.56km，干流坡降2.7‰。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水位27.30m，相應(yīng)庫(kù)容12555萬(wàn)m3；正常蓄水位24.00m，相應(yīng)庫(kù)容6875萬(wàn)m3；死水位15.55m，相應(yīng)庫(kù)容226萬(wàn)m3；水庫(kù)直接供水的灌區(qū)引水涵管進(jìn)口底高程較高，在水位18.99m時(shí)才能滿(mǎn)足灌溉取水需求，90%保證率灌溉保證率時(shí)水庫(kù)水位不低于19.00m。

2 徑流

2.1 雨量資料

本工程流域范圍內(nèi)有顯崗水庫(kù)雨量站，該站建于1960年，現(xiàn)設(shè)立在主壩與2#壩交接處的水庫(kù)管理局辦公樓上，采用ST1型虹吸式雨量計(jì)自動(dòng)觀(guān)測(cè)儀觀(guān)測(cè)和人工觀(guān)測(cè)兩種方法，全年每天早上8時(shí)觀(guān)測(cè)，8:20前報(bào)送雨情至市水文分局，3h累計(jì)雨量≥50mm時(shí)加報(bào)。顯崗雨量站為國(guó)家站，水文氣象測(cè)驗(yàn)、整編均按規(guī)范執(zhí)行，資料質(zhì)量完整可靠、資料系列較長(zhǎng)、代表性好，可作為本次設(shè)計(jì)年徑流量及年內(nèi)分配的依據(jù)。

本次收集到顯崗水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)雨量觀(guān)測(cè)資料，資料系列為1960—2019年，水文年系列長(zhǎng)度為59年，滿(mǎn)足本次興利調(diào)節(jié)計(jì)算需要。

2.2 設(shè)計(jì)年徑流

流域范圍內(nèi)的雨水具有冬春少、夏秋多的雨量分布特征。全年內(nèi)，汛期為4—9月，雨量約占全年降雨總量的83%。降雨為徑流的主要來(lái)源途徑，徑流年內(nèi)分配與降雨基本相應(yīng)。考慮到缺乏流域?qū)崪y(cè)徑流資料的特殊性，需要探尋適宜的方法，作為年徑流設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)支撐[1]。為此，提出如下兩種可用于設(shè)計(jì)年徑流的方法。

方法一：查閱《廣東省水文圖集》，從中識(shí)別反映流域重心的年徑流深，綜合已經(jīng)掌握的流域面積數(shù)據(jù)展開(kāi)計(jì)算。

方法二：用顯崗雨量站多年平均降雨量作為流域平均降雨量，根據(jù)《圖集》中的年降水量、年徑流深等值線(xiàn)查出顯崗流域重心的年降水量和年徑流深，計(jì)算出徑流系數(shù)為0.61，再乘以顯崗多年平均雨量得出多年平均年徑流量。

上述兩種方法計(jì)算的多年平均年徑流量成果見(jiàn)表1。

從表1來(lái)看，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差在2.0%以下，相差很小，可見(jiàn)顯崗水庫(kù)雨量站可以作為流域代表站。因此本次使用由顯崗站實(shí)測(cè)降雨量計(jì)算得出的設(shè)計(jì)值，具體為：年徑流深1133.4mm，多年平均流量10.6m3/s，多年平均年徑流量33435.3萬(wàn)m3，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 顯崗水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流成果

2.3 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

顯崗水庫(kù)集灌溉、防洪、發(fā)電多項(xiàng)功能于一體，屬于多功能的大（Ⅱ）型水利樞紐?？v觀(guān)水庫(kù)演變進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)供水對(duì)象及規(guī)模較之于以往均有變化，原本灌區(qū)供水為主的功能在現(xiàn)階段相對(duì)淡化，逐步朝著生態(tài)供水、城鎮(zhèn)居民供水等方向發(fā)展。

本次需水量規(guī)劃水平年取2030年。其中顯崗水庫(kù)灌區(qū)設(shè)計(jì)保證率為90%，城鎮(zhèn)供水保證率95%，生態(tài)供水保證率結(jié)合水庫(kù)實(shí)際能達(dá)到的程度擬定（根據(jù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算成果，保證率為灌溉一致，取值90%）[2]。

3 灌溉需水

3.1 作物組成、灌區(qū)主要渠系情況

灌區(qū)內(nèi)土質(zhì)以砂壤土為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻為主，兼有玉米、冬瓜、香蕉、甘蔗、花生、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物，水田耕作制度大多為雙季稻連作加喜涼的冬季作物，冬種作物一般為蔬菜、蠶豆或油菜等，經(jīng)濟(jì)作物以蔬菜為主，在此基礎(chǔ)上輔以甘蔗、花生等經(jīng)濟(jì)作物。

3.2 灌溉定額分析

灌區(qū)砂壤土灌溉定額均值為650m3/畝，Cvm為0.23（相應(yīng)Kp值10%、50%、90%頻率分別為0.719、0.983、1.304）。經(jīng)濟(jì)作物灌溉需水量相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)作物灌溉定額可按水田定額的30%計(jì)算。

經(jīng)過(guò)配套設(shè)施的完善和節(jié)水改造措施的落實(shí)，顯崗灌區(qū)的灌溉狀況發(fā)生改變，此時(shí)取灌溉水利用系數(shù)η為0.6175，田間水利用系數(shù)η2為0.95，渠系水利用系數(shù)η1為0.65。

3.3 供水需水量

根據(jù)《惠州市博羅縣顯崗水庫(kù)應(yīng)急備用水源供水工程供水方案》、《顯崗水庫(kù)城鎮(zhèn)供水分配方案報(bào)告》（均為批復(fù)），至2030年，顯崗水庫(kù)對(duì)湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)的供水量5萬(wàn)t/日，長(zhǎng)寧鎮(zhèn)的供水量5萬(wàn)t/日，龍華鎮(zhèn)鎮(zhèn)的供水量2萬(wàn)t/日，園洲鎮(zhèn)的供水量5萬(wàn)t/日，龍溪街道辦4萬(wàn)t/日，羅陽(yáng)街道辦9萬(wàn)t/日，合計(jì)顯崗水庫(kù)的城鎮(zhèn)供水規(guī)模為日供水30萬(wàn)m3。但其中只有園洲鎮(zhèn)的供水量5萬(wàn)t/日的《博羅縣園洲鎮(zhèn)羅浮供水有限公司供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》取得批復(fù)。

考慮水庫(kù)調(diào)度主要針對(duì)近期情況，因此本次供水需水量按現(xiàn)狀的湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)的3萬(wàn)t/d、長(zhǎng)寧鎮(zhèn)的3萬(wàn)t/d及已批復(fù)的園洲鎮(zhèn)5萬(wàn)t/d，合計(jì)供水11萬(wàn)t/d[3]。

3.4 下游河道生態(tài)補(bǔ)水量

顯崗水庫(kù)是沙河的骨干水庫(kù)，需下泄一定的流量來(lái)滿(mǎn)足下游河道生態(tài)需水要求。

取多年平均流量的10%進(jìn)行下游河道生態(tài)用水計(jì)算，即1.06m3/s，折合3343.5萬(wàn)m3/年。

4 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

4.1 水庫(kù)水量損失

分別確定水庫(kù)蒸發(fā)增損量和滲漏損失量?jī)身?xiàng)數(shù)據(jù)，共同作為水庫(kù)的水量損失?？紤]顯崗水庫(kù)為大型水庫(kù)、且雨量資料系列較長(zhǎng)，為保證徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果的合理性，本次采用長(zhǎng)系列法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，簡(jiǎn)化計(jì)，水庫(kù)水量損失按天然徑流的百分比進(jìn)行扣除，以?xún)魪搅鬟M(jìn)行長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算；結(jié)合《廣東省博羅縣顯崗水庫(kù)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》里水量損失計(jì)算成果，水庫(kù)的天然徑流量按來(lái)水量扣除5%的水量損失來(lái)計(jì)算[4]。

4.2 水庫(kù)特征水及興利庫(kù)容

顯崗水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水位27.30m，相應(yīng)庫(kù)容12555萬(wàn)m3；正常蓄水位、死水位分別為24.00m、15.55m，相應(yīng)庫(kù)容分別為6875萬(wàn)m3、226萬(wàn)m3。滿(mǎn)足灌溉引水需要的高程為19.00m，對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為1640萬(wàn)m3。

大洞水庫(kù)死水位25m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容18萬(wàn)m3；正常蓄水位37m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容790萬(wàn)m3。

4.3 水量平衡計(jì)算分區(qū)

根據(jù)顯崗水庫(kù)灌區(qū)的水源及灌溉渠道分布情況，將灌區(qū)分為3個(gè)水量平衡區(qū)。

水量平衡區(qū)一：大洞水庫(kù)平衡區(qū)，大洞水庫(kù)直接灌溉范圍面積0.56萬(wàn)畝，水庫(kù)按年調(diào)節(jié)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，缺水部分由顯崗水庫(kù)直接補(bǔ)充。

水量平衡區(qū)二：白勘角水閘區(qū)間，包括從白勘角水閘、雞心嶺水閘引水的灌溉區(qū)域，灌溉面積合計(jì)4.55萬(wàn)畝，該片區(qū)先有顯崗水庫(kù)下游區(qū)間水進(jìn)行水量平衡計(jì)算，缺水部分由顯崗水庫(kù)直接補(bǔ)充。

水量平衡區(qū)三：顯崗水庫(kù)直接供水區(qū)域，顯崗水庫(kù)直接供水的灌區(qū)面積2.14萬(wàn)畝（放水涵管進(jìn)口底高程較高，在水位19.00m時(shí)才能滿(mǎn)足灌溉取水需求），另外還有城鎮(zhèn)供水、下游生態(tài)補(bǔ)水及水量平衡區(qū)一、二的補(bǔ)水，顯崗水庫(kù)為本供水系統(tǒng)的骨干水庫(kù)，由最終的顯崗水庫(kù)調(diào)蓄計(jì)算后確定各供水對(duì)象的供水保證程度。

4.4 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

興利調(diào)節(jié)計(jì)算按照水量平衡原則進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算，當(dāng)庫(kù)容低于死庫(kù)容時(shí)認(rèn)為興利破壞，當(dāng)庫(kù)容超過(guò)正常庫(kù)容時(shí)，多余水量為棄水。

白勘角水閘區(qū)間徑流利用系數(shù)，考慮下游河道生態(tài)需水的影響，河道引水的徑流利用率本地區(qū)一般取值0.5。

各興利保證率，N年中，K年滿(mǎn)足的某個(gè)興利對(duì)象的保證率經(jīng)驗(yàn)頻率。

式中：N——系列長(zhǎng)度，本次為59年；k——某個(gè)興利對(duì)象供水滿(mǎn)足的年數(shù)；Pk——某個(gè)興利對(duì)象供水保證率。

另外，顯崗水庫(kù)直接供水的灌區(qū)涵管進(jìn)口底高程較高，在水位19.00m時(shí)才能滿(mǎn)足灌溉取水需求，因此在灌區(qū)設(shè)計(jì)保證率時(shí)，水庫(kù)的水位不能低于19.00m。

水庫(kù)的興利庫(kù)容僅6649萬(wàn)m3（滿(mǎn)足灌溉的水位19.00m以上興利庫(kù)容僅5235萬(wàn)m3），相比于多年平均徑流量33435.3萬(wàn)m3，水庫(kù)調(diào)節(jié)系數(shù)為19.9%（滿(mǎn)足灌溉的水位19.00m以上調(diào)節(jié)系數(shù)僅15.7%），水庫(kù)調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，實(shí)際水庫(kù)來(lái)水量相對(duì)較為豐富，年調(diào)節(jié)可以滿(mǎn)足興利需求。

經(jīng)長(zhǎng)系列興利調(diào)節(jié)計(jì)算，灌溉供水，1963年、1964年、2002年、2011年等共4年灌溉遭到破壞，則灌溉保證率為93.3%，滿(mǎn)足灌溉保證率90%的要求。生態(tài)供水，在下泄生態(tài)流量1.06m3/s情況下，除上述灌溉供水破壞的年份外，其余年份都能保證，則生態(tài)供水保證率為93.3%，取整為90%，與灌溉供水保證率一致，可見(jiàn)水庫(kù)水量相對(duì)較為充足。城鎮(zhèn)供水，考慮90%保證率灌溉供水水量75%，僅1963年遭到破壞，則城鎮(zhèn)供水保證率為98.3%，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)達(dá)到95%的城鎮(zhèn)供水保證率要求；如僅考慮城鎮(zhèn)供水，則目前系列全部年份都可以滿(mǎn)足，考慮系列長(zhǎng)度有限，仍按1963年破壞考慮，即城鎮(zhèn)供水保證率為98.3%，滿(mǎn)足城鎮(zhèn)供水保證率95%的要求[5]。

5 調(diào)度圖繪制

防破壞線(xiàn)的繪制：通過(guò)逆時(shí)序?qū)Ω髟O(shè)計(jì)代表年進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，從死庫(kù)容對(duì)應(yīng)的水位開(kāi)始起調(diào)，然后取各月水庫(kù)有效蓄水量的上包線(xiàn)作為防破壞線(xiàn)；根據(jù)水庫(kù)實(shí)際情況，繪制90%保證率的生態(tài)、灌溉、生活供水防破壞線(xiàn)，90%保證率的灌溉、生活供水防破壞線(xiàn)，超過(guò)90%枯水年灌溉用水已部分破壞、生活供水防破壞線(xiàn)，95%保證率僅生活供水防破壞線(xiàn)。

發(fā)電調(diào)度：在水庫(kù)水位19.00m以上結(jié)合灌溉等興利需求進(jìn)行發(fā)電，在來(lái)水豐富的4—7月份水庫(kù)水位低于水庫(kù)汛限水位（或正常蓄水位）2.0m以?xún)?nèi)、8月份為低于水庫(kù)汛限水位2.0~1.0m的過(guò)渡月份、其余月份水庫(kù)水位低于水庫(kù)汛限水位（或正常蓄水位）1.0m以?xún)?nèi)，電站按保證出力發(fā)電，盡量通過(guò)發(fā)電控制水庫(kù)水位上漲；由于水庫(kù)在溢洪道泄洪時(shí)水頭差較大，發(fā)電效果較好，結(jié)合電站設(shè)計(jì)水頭較大的特點(diǎn)，水庫(kù)泄洪時(shí)（或水位超過(guò)汛限水位）電站加大出力發(fā)電。

各防破壞線(xiàn)，結(jié)合趨勢(shì)適當(dāng)修勻調(diào)整，保證調(diào)度圖各個(gè)區(qū)域的合理性。調(diào)度圖見(jiàn)圖1。

圖1 顯崗水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文中結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)工程特點(diǎn)，首先對(duì)工程灌溉定額及供水需水量進(jìn)行了分析，并就徑流調(diào)節(jié)計(jì)算中的水庫(kù)水量損失、興利庫(kù)容及水量平衡計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的研究，綜合考慮類(lèi)似工程的工作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析后篩選出關(guān)鍵參數(shù)，以便進(jìn)行工程規(guī)模的論證。富有邏輯地計(jì)算與分析后，提高了水庫(kù)的綜合利用效益，采用的徑流調(diào)節(jié)概率法在該工程中具有可行性，可在類(lèi)似工程中推廣應(yīng)用。