崗南水庫(kù)旱限水位的確定

李 彥

（河北省石家莊水文勘測(cè)研究中心,河北 石家莊 050000）

隨著全球氣候變暖,區(qū)域干旱頻發(fā),世界大多數(shù)國(guó)家都出現(xiàn)了程度不一的旱災(zāi),受到旱情的影響,每年因旱災(zāi)損失的經(jīng)濟(jì)達(dá)到了80 億美元～90 億美元。旱災(zāi)已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重阻礙,所以對(duì)干旱事件與科學(xué)抗旱進(jìn)行研究非常必要。本文以石家莊市崗南水庫(kù)為例,針對(duì)區(qū)域供需失衡引起的缺水現(xiàn)象,構(gòu)建流域干旱情勢(shì)演變過程,結(jié)合區(qū)域概況,根據(jù)來水規(guī)律、用水需求、工程管理需要等情況,通過對(duì)水庫(kù)調(diào)控前后不同干旱時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分時(shí)段確定旱限水位的控制值,旨在為更好地發(fā)揮水庫(kù)調(diào)蓄能力。

1 工程概況

崗南水庫(kù)位于石家莊市平山縣崗南鎮(zhèn),是子牙河水系滹沱河干流中游上一座以防洪為主,兼顧灌溉、發(fā)電、工業(yè)及城市生活用水的大（I）型水利樞紐工程,控制流域面積15900 km2,總庫(kù)容17.04 億m3。距省會(huì)石家莊市約58 km,下游28 km 處為黃壁莊水庫(kù)。

水庫(kù)于1958 年3 月動(dòng)工興建,1959 年攔洪,1962 年停工待建,1966 年續(xù)建,1969 年竣工。1978 年開始擴(kuò)建加固,增建8 孔新增溢洪道一座,至1990 年4 月完工,防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到5000 年一遇。2004 年1 月至2010 年水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固,防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到10000 年一遇。崗南水庫(kù)主汛期汛限水位190.50 m（85 高程,以下同）,死水位178.50 m,死庫(kù)容1.559 億m3。崗南水庫(kù)取水工程主要為泄洪洞、引崗渠、水廠洞、輸水洞、調(diào)節(jié)池。水庫(kù)用水主要為生活用水、農(nóng)業(yè)用水及其他用水,生活是供石家莊市用水,農(nóng)業(yè)供鹿泉區(qū)、平山縣、元氏縣三縣（市）用水,及給黃壁莊農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水。

2 研究方法

根據(jù)崗南水庫(kù)實(shí)際用水情況,將旱限水位時(shí)間段劃分為三段,10 月～次年2 月為用水一般時(shí)段,3 月為用水重要時(shí)段,4 月～5 月為用水次要時(shí)段,按照水文年對(duì)資料進(jìn)行收集整理,分析水庫(kù)來水量和各月用水量,采用最大值法和綜合法分別計(jì)算相應(yīng)時(shí)段的旱限水位。

3 旱限水位計(jì)算

3.1 水庫(kù)來水量分析

統(tǒng)計(jì)崗南水庫(kù)水文年（本年6 月～次年5 月）1991 年～2020 年系列來水量,按從大到小排序,計(jì)算出相應(yīng)的頻率P值。頻率P 計(jì)算公式為：

式中：m 為序號(hào)數(shù)；n 為序列總數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)累計(jì)頻率點(diǎn)據(jù),采用適線法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,選擇配線擬合較好的頻率曲線,具體見圖1。

圖1 崗南水庫(kù)年來水量頻率曲線

由崗南水庫(kù)共計(jì)30 年的來水量統(tǒng)計(jì)資料,得出多年平均來水量為467.6 百萬m3,從圖1 可以得出不同頻率對(duì)應(yīng)的年來水量。結(jié)果見表1。

表1 崗南水庫(kù)水文年來水量頻率成果表

根據(jù)表1,確定與75%頻率對(duì)應(yīng)的年來水量237.33 百萬m3相近的1997 年為典型干旱年,將其各月來水量按比例縮放,計(jì)算典型干旱年時(shí)段各月來水量,結(jié)果見表2。

表2 崗南水庫(kù)典型干旱年時(shí)段各月來水量 單位：百萬m3

3.2 各月用水量分析

崗南水庫(kù)主要承擔(dān)城市生活用水、灌溉用水和其他供水任務(wù),根據(jù)水庫(kù)提供的上述時(shí)間段內(nèi)水庫(kù)供水對(duì)象的各月2011 年～2020 年用水量資料進(jìn)行了分析。

城市生活用水,2016 年下半年由于“7.19”暴雨洪水造成水庫(kù)水體濁度升高,水質(zhì)變差,地表水廠引水量減少,導(dǎo)致實(shí)際供水量低于計(jì)劃供水量。2017 年后由于南水北調(diào)引水影響,地表水廠引崗南水庫(kù)水量減少,導(dǎo)致實(shí)際供水量低于計(jì)劃供水量。因此本次分析采用2016 年～2020 年平均值作為城市生活用水。

農(nóng)業(yè)灌溉用水,崗南水庫(kù)近10 年農(nóng)業(yè)灌溉用水量不穩(wěn)定,2014 年用水量較大,為91.28 百萬m3,最小為2017 年的45.35 百萬m3,本次分析采用10 年的平均值作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

其他確保用水,崗南水庫(kù)近10 年其他確保用水（向黃壁莊水庫(kù)供水）量不穩(wěn)定,其中2018 年用水遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他年份,為特殊年份,因此本次分析中剔除2018 年,采用其余9 年平均值。分析結(jié)果見表3。

表3 崗南水庫(kù)各類用水分析成果表 單位：百萬m3

3.3 最大值法確定旱限水位

水庫(kù)缺水量為各月水庫(kù)用水量和來水量之差,時(shí)段缺水量為各月水庫(kù)缺水量最大值。時(shí)段缺水量加上死庫(kù)容（155.9 百萬m3）,其所對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位作為該時(shí)段最大旱限水位。

結(jié)果見表4,10 月至次年2 月時(shí)段旱限水量161.87 百萬m3,其對(duì)應(yīng)的時(shí)段旱限水位為178.84 m；次年3 月時(shí)段旱限水量275.65 百萬m3,其對(duì)應(yīng)的時(shí)段旱限水位為184.10 m；次年4 月～5 月時(shí)段旱限水量222.22 百萬m3,其對(duì)應(yīng)的時(shí)段旱限水位為181.90 m。

表4 崗南水庫(kù)最大值法旱限水位計(jì)算表 單位：百萬m3

3.4 綜合法確定旱限水位

采用逆序遞推的方法計(jì)算,從最后一個(gè)月月末開始起調(diào),在起調(diào)庫(kù)容（死庫(kù)容）基礎(chǔ)上,逆序遞推疊加各月缺水量,得到各月旱限水量。取各時(shí)段內(nèi)各月旱限水量的最大值,作為該時(shí)段的綜合法旱限水量,其對(duì)應(yīng)的水位即為該時(shí)段的綜合法旱限水位[1]。

結(jié)果見表5,10 月～次年2 月時(shí)段,其中10 月的旱限水量最大為403.45 百萬m3,其對(duì)應(yīng)的水位188.29 m 為該分時(shí)段的旱限水位；次年3 月時(shí)段旱限水量為388.35 百萬m3,次年4 月～5 月時(shí)段,其中4 月的旱限水量最大為268.60 百萬m3,其對(duì)應(yīng)的水位183.84 m 為該分時(shí)段的旱限水位[2]。

表5 崗南水庫(kù)綜合法旱限水位計(jì)算表 單位：百萬m3

4 旱限水位分析確定

水庫(kù)分析水位采用了最新水位庫(kù)容關(guān)系曲線,并采用85高程基面,見表6。

表6 崗南水庫(kù)水位容積表（85 高程）

4.1 出現(xiàn)次數(shù)檢驗(yàn)

根據(jù)崗南水庫(kù)1991 年～2020 年的歷史水位資料,本次分析采用30 年歷年月最低水位資料與分析水位進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果見表7。

表7 崗南水庫(kù)歷年月最低水位低于分析水位次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表7 可知最大值法按年統(tǒng)計(jì)低于計(jì)算水位出現(xiàn)10 次,一般時(shí)段各月都出現(xiàn)1 次,用水重要時(shí)段出現(xiàn)8 次,用水次要時(shí)段分別出現(xiàn)6 次、9 次,綜合法按年統(tǒng)計(jì)低于計(jì)算水位出現(xiàn)16 次,一般時(shí)段出現(xiàn)5 次～8 次,用水重要時(shí)段出現(xiàn)11 次,用水次要時(shí)段分別出現(xiàn)10 次、13 次。

綜合以上分析,綜合法計(jì)算水位綜合考慮枯季全部用水和來水,且出現(xiàn)次數(shù)相對(duì)合理。

4.2 時(shí)段最大可用水量中值檢驗(yàn)

崗南水庫(kù)一般時(shí)段最大可用水量系列中值為441.31 百萬m3,確定相應(yīng)典型年為2019 年,其一般時(shí)段最高蓄水位為191.82 m,作為該時(shí)段檢驗(yàn)水位；用水重要時(shí)段最大可用水量系列中值為368.57 百萬m3,確定相應(yīng)典型年為2008 年,其用水重要時(shí)段最高蓄水位為191.11 m；用水次要時(shí)段最大可用水量系列中值為313.12 百萬m3,確定相應(yīng)典型年為2007 年,其用水次要時(shí)段最高蓄水位為188.88 m。最大值法和綜合法計(jì)算的旱限水位均低于對(duì)應(yīng)時(shí)段最大可用水量中值檢驗(yàn)水位[3]。

5 結(jié)論

本文對(duì)研究區(qū)的區(qū)域概況、供需失衡引起的缺水等因素綜合考慮,根據(jù)來水規(guī)律、用水需求、工程管理需要等情況,用最大值法和綜合法分時(shí)段對(duì)石家莊市崗南水庫(kù)旱限水位進(jìn)行分析確定,并進(jìn)行檢驗(yàn),得到如下結(jié)論：

（1）確定采用綜合法計(jì)算的分析水位為旱限水位,即一般時(shí)段旱限水位為188.29 m,用水重要時(shí)段旱限水位為187.84 m,用水次要時(shí)段旱限水位為183.84 m。

（2）各時(shí)段旱限水位高于死水位178.50 m,且低于對(duì)應(yīng)時(shí)段最大可用水量中值檢驗(yàn)水位。

（3）崗南水庫(kù)所有取水口洞頂高程均在死水位以下,不再進(jìn)行取水口高程分析。

（4）隨著崗南水庫(kù)運(yùn)行年限的增加,以及供水變化等情況,旱限水位可能會(huì)隨著各因素的變化而發(fā)生改變,所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整旱限水位,才能有效保證干旱年份實(shí)際用水需求。