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

黃鑫平

（廣東省天中勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司惠州分公司，廣東惠州 516300）

0 引言

針對徑流在天然狀態(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)揮水資源的利用價值，緩解水利問題。其中，徑流調(diào)節(jié)概率法屬于徑流調(diào)節(jié)的常見方法，工程實踐中可聯(lián)合應(yīng)用調(diào)度圖，有效應(yīng)對多年調(diào)節(jié)復(fù)雜度高的工程場景，保證徑流調(diào)節(jié)的有效性。

1 工程概況

顯崗水庫是綜合利用開發(fā)沙河水利資源的骨干工程之一。水庫壩址以上集雨面積295km2，占沙河全流域集雨面積的23.6%，干流河長39.56km，干流坡降2.7‰。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計洪水位27.30m，相應(yīng)庫容12555萬m3；正常蓄水位24.00m，相應(yīng)庫容6875萬m3；死水位15.55m，相應(yīng)庫容226萬m3；水庫直接供水的灌區(qū)引水涵管進(jìn)口底高程較高，在水位18.99m時才能滿足灌溉取水需求，90%保證率灌溉保證率時水庫水位不低于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#壩交接處的水庫管理局辦公樓上，采用ST1型虹吸式雨量計自動觀測儀觀測和人工觀測兩種方法，全年每天早上8時觀測，8:20前報送雨情至市水文分局，3h累計雨量≥50mm時加報。顯崗雨量站為國家站，水文氣象測驗、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、代表性好，可作為本次設(shè)計年徑流量及年內(nèi)分配的依據(jù)。

本次收集到顯崗水庫建庫以來雨量觀測資料，資料系列為1960—2019年，水文年系列長度為59年，滿足本次興利調(diào)節(jié)計算需要。

2.2 設(shè)計年徑流

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)計時的技術(shù)支撐[1]。為此，提出如下兩種可用于設(shè)計年徑流的方法。

方法一：查閱《廣東省水文圖集》，從中識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)展開計算。

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、年徑流深等值線查出顯崗流域重心的年降水量和年徑流深，計算出徑流系數(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。

上述兩種方法計算的多年平均年徑流量成果見表1。

從表1來看，兩種方法的計算結(jié)果相差在2.0%以下，相差很小，可見顯崗水庫雨量站可以作為流域代表站。因此本次使用由顯崗站實測降雨量計算得出的設(shè)計值，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m3，計算成果見表2。

表2 顯崗水庫設(shè)計年徑流成果

2.3 徑流調(diào)節(jié)計算

顯崗水庫集灌溉、防洪、發(fā)電多項功能于一體，屬于多功能的大（Ⅱ）型水利樞紐。縱觀水庫演變進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)供水對象及規(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。其中顯崗水庫灌區(qū)設(shè)計保證率為90%，城鎮(zhèn)供水保證率95%，生態(tài)供水保證率結(jié)合水庫實際能達(dá)到的程度擬定（根據(jù)興利調(diào)節(jié)計算成果，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較小，經(jīng)濟(jì)作物灌溉定額可按水田定額的30%計算。

經(jīng)過配套設(shè)施的完善和節(jié)水改造措施的落實，顯崗灌區(qū)的灌溉狀況發(fā)生改變，此時取灌溉水利用系數(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應(yīng)急備用水源供水工程供水方案》、《顯崗水庫城鎮(zhèn)供水分配方案報告》（均為批復(fù)），至2030年，顯崗水庫對湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)的供水量5萬t/日，長寧鎮(zhèn)的供水量5萬t/日，龍華鎮(zhèn)鎮(zhèn)的供水量2萬t/日，園洲鎮(zhèn)的供水量5萬t/日，龍溪街道辦4萬t/日，羅陽街道辦9萬t/日，合計顯崗水庫的城鎮(zhèn)供水規(guī)模為日供水30萬m3。但其中只有園洲鎮(zhèn)的供水量5萬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)計報告》取得批復(fù)。

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

3.4 下游河道生態(tài)補水量

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

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

4 徑流調(diào)節(jié)計算

4.1 水庫水量損失

分別確定水庫蒸發(fā)增損量和滲漏損失量兩項數(shù)據(jù)，共同作為水庫的水量損失。考慮顯崗水庫為大型水庫、且雨量資料系列較長，為保證徑流調(diào)節(jié)計算成果的合理性，本次采用長系列法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計算，簡化計，水庫水量損失按天然徑流的百分比進(jìn)行扣除，以凈徑流進(jìn)行長系列調(diào)節(jié)計算；結(jié)合《廣東省博羅縣顯崗水庫灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程初步設(shè)計報告》里水量損失計算成果，水庫的天然徑流量按來水量扣除5%的水量損失來計算[4]。

4.2 水庫特征水及興利庫容

顯崗水庫大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計洪水位27.30m，相應(yīng)庫容12555萬m3；正常蓄水位、死水位分別為24.00m、15.55m，相應(yīng)庫容分別為6875萬m3、226萬m3。滿足灌溉引水需要的高程為19.00m，對應(yīng)的庫容為1640萬m3。

大洞水庫死水位25m，對應(yīng)庫容18萬m3；正常蓄水位37m，對應(yīng)庫容790萬m3。

4.3 水量平衡計算分區(qū)

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

水量平衡區(qū)一：大洞水庫平衡區(qū)，大洞水庫直接灌溉范圍面積0.56萬畝，水庫按年調(diào)節(jié)水庫進(jìn)行調(diào)蓄計算，缺水部分由顯崗水庫直接補充。

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4.55萬畝，該片區(qū)先有顯崗水庫下游區(qū)間水進(jìn)行水量平衡計算，缺水部分由顯崗水庫直接補充。

水量平衡區(qū)三：顯崗水庫直接供水區(qū)域，顯崗水庫直接供水的灌區(qū)面積2.14萬畝（放水涵管進(jìn)口底高程較高，在水位19.00m時才能滿足灌溉取水需求），另外還有城鎮(zhèn)供水、下游生態(tài)補水及水量平衡區(qū)一、二的補水，顯崗水庫為本供水系統(tǒng)的骨干水庫，由最終的顯崗水庫調(diào)蓄計算后確定各供水對象的供水保證程度。

4.4 徑流調(diào)節(jié)計算

興利調(diào)節(jié)計算按照水量平衡原則進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計算，當(dāng)庫容低于死庫容時認(rèn)為興利破壞，當(dāng)庫容超過正常庫容時，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年滿足的某個興利對象的保證率經(jīng)驗頻率。

式中：N——系列長度，本次為59年；k——某個興利對象供水滿足的年數(shù)；Pk——某個興利對象供水保證率。

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

水庫的興利庫容僅6649萬m3（滿足灌溉的水位19.00m以上興利庫容僅5235萬m3），相比于多年平均徑流量33435.3萬m3，水庫調(diào)節(jié)系數(shù)為19.9%（滿足灌溉的水位19.00m以上調(diào)節(jié)系數(shù)僅15.7%），水庫調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)水庫，實際水庫來水量相對較為豐富，年調(diào)節(jié)可以滿足興利需求。

經(jīng)長系列興利調(diào)節(jié)計算，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，可見水庫水量相對較為充足。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)過數(shù)據(jù)的對比分析可以發(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足，考慮系列長度有限，仍按1963年破壞考慮，即城鎮(zhèn)供水保證率為98.3%，滿足城鎮(zhèn)供水保證率95%的要求[5]。

5 調(diào)度圖繪制

防破壞線的繪制：通過逆時序?qū)Ω髟O(shè)計代表年進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計算，從死庫容對應(yīng)的水位開始起調(diào)，然后取各月水庫有效蓄水量的上包線作為防破壞線；根據(jù)水庫實際情況，繪制90%保證率的生態(tài)、灌溉、生活供水防破壞線，90%保證率的灌溉、生活供水防破壞線，超過90%枯水年灌溉用水已部分破壞、生活供水防破壞線，95%保證率僅生活供水防破壞線。

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

各防破壞線，結(jié)合趨勢適當(dāng)修勻調(diào)整，保證調(diào)度圖各個區(qū)域的合理性。調(diào)度圖見圖1。

圖1 顯崗水庫運行調(diào)度

6 結(jié)語

綜上所述，文中結(jié)合工程實例，針對工程特點，首先對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)計算中的水庫水量損失、興利庫容及水量平衡計算進(jìn)行了詳細(xì)的研究，綜合考慮類似工程的工作經(jīng)驗，經(jīng)過分析后篩選出關(guān)鍵參數(shù)，以便進(jìn)行工程規(guī)模的論證。富有邏輯地計算與分析后，提高了水庫的綜合利用效益，采用的徑流調(diào)節(jié)概率法在該工程中具有可行性，可在類似工程中推廣應(yīng)用。