基于合成庫容法的小型水庫多年調節興利庫容分析

多力坤·麥麥提

（喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

多年調節水庫在天然水和人類用水時間及地域分配調節方面發揮著重要作用,為保證調節效益,必須在水庫工程可研階段進行多方案論證。在計算多年調節水庫興利庫容時基于數理統計理論的合成總庫容法應用較頻繁,該方法既能有效克服其他方法因受到徑流量樣本長度限制而造成的多年循環數量不夠及分析結果不準確的弊端,又能彌補其他方法受人為調節嚴重而失去水文現象自然規律的缺陷,增強定線成果的準確性與可靠性。

1 水庫概況

某新建小型水庫位于新疆巴楚縣紅海鄉東南方向葉爾羌河支流克勒青河上游,與巴楚縣城直線距離19.6 km,海拔高度1130 m～1136 m,屬于小型引水注入式平原水庫。水庫大壩設計長度12.6 km,主壩和副壩長度分別為10.1 km 和2.5 km；壩高最大達5.4 m,設計庫容1100×104m3。水庫每年7 月～9 月引蓄葉爾羌河水以調節并滿足下游恰瓦克鄉、勝利鄉、紅海鄉41.2×104畝耕地灌溉用水方面的需求。

2 研究方法

為簡化分析過程,并保證分析結果的準確性,在應用合成庫容法進行該新建小型水庫多年調節興利庫容分析時必須將興利庫容分成多年庫容與年庫容兩個量,其中,前者主要在分析和確定年際徑流調節過程中使用,而后者則主要在年內徑流季節性變化調節過程中應用,分別計算出多年庫容與年庫容后加總求和便得到興利庫容[1]。結合相關規范及類似工程經驗,水庫可供水量與損失量是影響和決定興利庫容的主要因素,水庫蒸發、滲漏損失量通常表現為蓄水量的函數,其在興利庫容確定前無法計算,故確定水庫興利庫容時必須分兩種情況：

一是不考慮水庫損失量的情況。主要依據水庫所在流域來水量變差系數、設計保證率、水量調節系數等參數的實際取值,查找多年庫容線圖以進行水庫多年庫容系數的確定,再結合相關規范換算成多年庫容值；在確定出來水量典型年的基礎上結合水庫可調節水量展開興利調節,得出年庫容,將所得到的多年庫容和年庫容加總求和以得出不考慮水庫損失量的興利庫容。

二是考慮水庫損失量的情況。基于以上所得到的不考慮水庫損失量的興利庫容及水庫調節水量系列,進行來水量調節計算,根據所得結果分析水庫設計供水期,并推求供水期內水庫庫容可能的損失量,將該損失量值與第一步所得不考慮水庫損失量的興利庫容值合并,以得到設計興利庫容值。

分兩種情況進行該新建小型水庫多年調節興利庫容計算時,水庫設計供水期的確定存在困難,蒸發滲漏損失量計算時所使用的蓄水量主要根據第一步求得的不考慮水庫損失量的興利庫容調節生成,且為近似估算。為此,必須進一步進行合成庫容法所得該新建小型水庫多年調節興利庫容值的檢驗,以保證結果的準確可靠。

3 研究過程及結果

3.1 壩址來水量分析

克勒青河上游無水文測站,也無實測徑流資料,根據《新疆地表水資源》中所規定的徑流深等值線可以查算到該新建小型水庫徑流深182 mm,壩址以上集水面積20.1 km2,壩址處多年徑流量均值結果為252.7 萬m3,年流量均值0.084 m3/s。根據CV、CS/CV等值線圖可以查得該新建小型水庫壩址處CV取值為0.5,CS取值為2.0 CV,保證率P=90%設計年徑流量值109.4×104m3。因缺少水文觀測資料,該新建水庫根據降水量年內分配比例進行壩址徑流年內分配,具體分配結果見表1。

表1 新建水庫壩址徑流年內分配結果

3.2 需水量分析

該新建小型水庫北調紅海鄉農村引水工程項目區2025 年預計人口可達4.54 萬人,包括1.28 萬的鄉鎮人口和3.26 萬的農村人口；集中養殖3.46 萬頭牲畜,包括2.82 萬頭大牲畜和0.64 萬頭小牲畜。紅海鄉鄉鎮居民設計生活用水定額為80 L/（人·d）,大小牲畜設計飲用水定額為45 L/（頭·d）和12 L/（頭·d）。結合類似農村供引水工程實踐經驗,按照10%確定管網漏損率,項目區2025 年全年紅海鄉生活用水總量為158.4×104m3。

水庫所在流域來水量年內變化大,且該新建水庫壩址區積水面積小,在確定生態需水量時只需考慮河道內生態需水量即可,并根據保證率P=90%的最枯月流量均值確定。結合流域徑流年內分配過程,12 月為最枯月份,其所對應的水庫壩址區生態徑流0.004 m3/s,則可以得到年生態用水量值為9.7×104m3。

綜合考慮新建小型水庫北調紅海鄉農村引水工程項目區生活用水總量和生態用水量后可以得出,該新建水庫年供水量應為168.1×104m3。

考慮到該新建小型水庫受益范圍內紅海鄉農村生活需水年內分配較為均勻的實際,應當結合其農村居民月生活需水量確定年內實際需水過程,具體見表2。

表2 紅海鄉農村年內生活需水過程

3.3 興利庫容計算

該新建小型水庫位于葉爾羌河支流克勒青河上游,壩址處保證率P=90%設計年徑流量109.4×104m3,比規劃水平年需水量168.1×104m3小,為滿足供水需求,水庫必須多年調節。水庫所在流域無實測水文資料,也不具備應用長系列時歷法興利調節的條件,為此,本文主要采用合成庫容法分析多年庫容和年庫容,多年庫容通過數理統計法計算,年庫容則采用時歷法確定,兩個庫容加總后一并考慮水庫蒸發滲漏損失,便可得到水庫多年調節興利庫容。

3.3.1 不考慮水庫損失量的興利庫容

計算年調節庫容時所采用的時歷法對于水文資料缺乏地區無法準確選定來水系列,而本文則選取來水量和需水量一致、來水過程和多年平均來水過程一致的年份,根據時歷法累計供水期各時段不足水量[2]進行該小型水庫規劃年興利庫容的確定。計算結果見表3,該新建水庫壩址處年調節興利庫容值為59.7×104m3。

表3 該小型水庫規劃年水資源月供需平衡情況

通過數理統計法進行該小型水庫多年庫容計算,即根據所求出的調節系數和保證率,查圖并計算多年庫容調節系數,具體步驟如下：

由新疆水利水電勘測設計院所提供的水庫入流參數CV及設計保證率,通過查普列什柯夫線可以得到壩址處多年庫容調節系數β多為0.26,并根據下式確定小型水庫多年庫容：

式中：V多為小型水庫多年庫容,104m3；β多為壩址處多年庫容調節系數,取0.26；W多年平均為多年平均徑流量,104m3。

可以得到小型水庫多年庫容為63.5×104m3。

綜合以上分析,考慮水庫壩址處年調節興利庫容及多年庫容的水庫興利庫容為123.2×104m3。

3.3.2 考慮水庫損失量的興利庫容

通過庫水面蒸發滲漏損失深度均值與水庫水面面積均值的乘積計算水庫蒸發滲漏損失量。

（1）蒸發滲漏損失深度

特定時段內水庫水面蒸發損失深度一般按照下式計算：

水庫水面蒸發損失深度=折算系數×蒸發皿蒸發量-（降水-徑流）

當采用75 cm～100 cm 口徑蒸發皿時折算系數取0.75～0.80；采用20 cm 口徑時,折算系數取0.6；使用300 cm 以上大口徑蒸發皿時折算系數取1.0。蒸發皿蒸發量為水庫壩址附近氣象站小口徑蒸發皿實際蒸發量,mm；降水和徑流則為壩址附近同期降水量與徑流深,mm。新疆水利水電勘測設計院所計算得該新建小型水庫多年蒸發皿（口徑20 cm）平均蒸發量為1299.8 mm,多年降水量均值498.5 mm,多年徑流深178 mm,所以該新建小型水庫水面蒸發損失深度應為467 mm。根據該水庫地質條件可知,其無永久滲水通道,且壩肩、壩基滲漏量也很小,損失深度按照500 mm 確定,并平均分配于各月。將蒸發和滲漏考慮進去后,該小型水庫損失水量深度應為967 mm。

（2）水庫水面面積

為簡化該新建小型水庫多年調節興利庫容設計計算過程,可以先計算出忽略水量損失下的興利庫容,在該庫容值一半的基礎上再加上死庫容即為該新建小型水庫全年蓄水量均值[3],通過查水庫特性曲線就能得到水庫年平均水面面積；在此基礎上進行水庫年損失水量的計算,將計算結果平均分配至各月。在各月興利庫容之上加上供水期內水量損失量,即可求得考慮水量損失后小型水庫的興利庫容值,水庫蒸發漏損量根據下式計算：

式中：ΔW蒸為新建小型水庫蒸發漏損量,m3；h平均水面為小型水庫庫面蒸發滲漏損失深度均值,mm；F庫為庫水面面積均值,m2。

查該新建小型水庫設計庫容曲線便可得到其多年水位均值,取2189.3 m,對應的庫水面面積均值為6.1 m2。

水庫水面蒸發主要受溫濕度、風速等的影響較大,處于動態變化狀態,該小型水庫供水期內蒸發滲漏損失量3.23×104m3。基于此進行水庫多年調節興利庫容計算,結果見表4。

表4 新建小型水庫多年調節興利庫容

4 結論

綜上所述,在合成庫容法進行新建小型平原水庫多年興利調節庫容計算的過程中,須將興利庫容分成多年庫容與年庫容兩個量,分別計算并加總求和,這一操作對于大中小型水庫具有普遍適用性,且對于無實測徑流資料的流域具有操作簡易性和可行性,其在水庫調節水量系列分析的過程中考慮了水庫蒸發滲漏損失量,并包括對多年庫容與年庫容進行調節計算,概念更加明確；在步步迭代演算的基礎上,各項水利參數取值逐步收縮并與理論值無限接近。為保證分析結果的準確,必須確保所加總的年調節庫容保證率符合規范要求,并嚴格控制查圖求解過程中的人為誤差。