水库下泄的生态环境用水需求控制研究

钟 伟 , 张技涛 , 张卫国

（宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192）

水库下泄的生态环境用水需求控制研究

钟 伟 , 张技涛 , 张卫国

（宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192）

针对现有部分水库每年度的控制运用计划，采用原有的单一下泄生态基流或是初设时设计下泄水量等调度方式，存在难以与日益增长的下游生态环境用水需求相匹配等问题。从区域水资源优化配置和高效利用的角度出发，提出建立不同频率下水库下泄水量需求控制区间的研究方法，并以宁海县白溪水库为例进行应用分析。结果表明，该方法具有实际操作性，可合理指导水库调度控制下泄水量，有效应对下游区域用水变化需求。

水库；生态环境用水；宁海县

1 问题的提出

现行的水库管理制度和调度运行模式主要考虑如何处理、协调防洪和兴利的矛盾及利益，忽视了水库下游区域生态环境用水变化需求[1]。目前我国多数水库在每年的控制运用计划中，针对下放生态环境水量仅按单一的河道生态基流考虑，或者按水库早期设计时的下放水量设计值考虑。然而随着经济社会的快速发展，国家正大力推进生态文明建设，城乡居民对实现生态宜居的愿景日益强烈，水库下游的乡镇区域也迫切期待水库增加下泄水量改善其生态环境用水条件。由于目前多数水库尚无一套完整的精细化生态调度应对策略，现状部分水库调度运行采用的单一生态基流或初步设计时的下泄水量，均难以与下游区域日益增长的生态环境用水需求相匹配；部分水库或是通过粗放型的放水补给方式，造成水资源的浪费，不利于区域水资源的高效利用。

目前，关于水库下泄的生态用水调度控制，我国提出了许多基于改进遗传算法[2]、FS - DDDP算法[3]、层次分析法和模糊评价相结合[4]等数学优化方法，但这些方法由于实际应用中需考虑的因素较多以及客观条件要求高，在水库实际生产调度实施过程中仍存在一定局限性。本文立足于此，通过宁海县白溪水库流域实例，研究了水库下泄的生态环境用水需求控制方案，即从水资源优化配置及实际可操作的角度出发，充分考虑水库下游区域水资源开发利用情况，经区域自身供需平衡分析，确定不同工况条件下区域生态环境用水最大、最小缺口，采用水库下泄生态基流与干流河道取水需求耦合的方法，建立不同频率下水库逐月下泄的用水量需求控制区间。从而为水库控制运用计划的制定与实施提供指导，以满足水库下游区域的生态环境用水诉求，对实现区域经济社会与生态环境和谐发展有着重要意义[5]。

2 下泄水量需求控制方案

考虑到水库下游乡镇区域生态环境供水水源除干流河道取水外，一般还包括当地小水库、山塘等水源，而该部分水源一般还承担着区域生活、工业及农业灌溉等任务。因此，需充分了解当地的水资源开发利用情况，梳理清楚当地水资源的供、用、耗、排关系，并通过供需平衡分析，明确其生态环境用水缺口，以便更合理分析水库控制下泄的生态环境水量方案。具体分析方法如下：

（1）实地调查。针对水库下游河道取水区域进行实地调查，梳理其水资源开发利用情况，分析其近年来用水结构变化特点，明确各部门（生活、工业、农业及生态环境等）用水需求；

（2）用水缺口分析。结合区域水利工程布局，建立基于模拟的水资源配置模型，进行区域水资源供需平衡计算，分析不同频率条件下的各部门用水缺口情况；

（3）干流河道取水需求分析。考虑当地水源向生态环境用户供水与不供水两种情景，结合干流河道其他供水任务，分析区域向干流河道取水最大、最小需求；

（4）水库下泄水量需求控制分析。耦合水库下泄生态基流与不同工况下的区域向干流河道取水需求量，即：①若区域向河道取水需求量小于（等于）生态基流，则不再额外放水，控制生态基流量下泄即可；②反之，考虑两者融合，以区域向河道取水需求量进行控制下泄，从而构建水库下泄的用水量需求控制区间。

水库下泄水量需求控制方法技术路线见图1。

图1 水库下泄水量需求控制方法技术路线图

3 实 例

3.1 区域概况

白溪是宁波市宁海县最大的溪流，位于宁海县西南部，流域面积627 km2，白溪上游建有白溪水库，控制集水面积254 km2，总库容16 840万m3，兴利库容13 500万m3，主要承担防洪、供水任务，通过宁波市白溪水库引水工程每年可向宁波市提供1.73亿m3优质水，较好的保障了宁波市的经济社会发展。

近年来宁海县的经济社会取得迅速发展，宁海生态示范县也在大力推进，白溪水库下游岔路、前童、跃龙等乡镇基础设施在不断改善，公共服务水平在不断提升，尤其重视水生态修复和保护，力争促进当地人与自然和谐相处，对实现生态宜居的愿景日益强烈，由于当地的小水库、山塘除补给生态环境用水外，还承担当地工业、农业用水，区域自身水源工程条件难以保障日益增长的生态环境用水需求，亟需区域上游的白溪水库下泄水量补充。由于白溪水库初设时主要考虑保障生态基流，现难以与下游生态环境用水需求相匹配，亟需研究合理的水库下泄水量控制方案，以回馈区域生态环境。水库下游区域供水结构示意见图2。

图2 区域供水结构示意图

3.2 干流河道取水需求分析

3.2.1 区域用水结构变化及需求预测

通过对白溪水库下游乡镇区域进行实地调研及资料整理统计，近10 a来各乡镇区域总用水量相对平衡，但区域用水结构发生了一定程度变化，随着城镇化进程不断推进，生活及工业用水呈现出稳步增长的态势；随着宁波市农田水利建设的进一步加强和节水灌溉技术的推广，区域农业用水呈现降低趋势，但逐步趋于平稳；随着宁海生态示范县建设以及人民生活水平的提高，水库下游乡镇对实现生态宜居的愿景日益强烈，生态用水占总水量的比例呈现大幅度上升趋势，经统计估算，该比例由2007年的6.4%提高到2016年的9.9%。

考虑未来以2020年为基准，以《宁海县域总体规划（2007— 2020）》为基础，分析区域未来经济社会发展水平。结合《宁波市水资源综合规划》，主要采用定额法进行生活、工业、农业等部门的用水需求预测。针对区域河道外生态环境用水，结合当地用水结构变化特点及生态用水发展趋势，预测其用水比例将达到11.0%，85%频率下生态年需水量为263万m3。同时，考虑到下游部分乡镇为历史文化名镇景区，近年来为体现其水文化以促进旅游发展，景区考虑未来引白溪干流水进行景区内河道环境换水，平均每年需换水363万m3。考虑宁波市水资源综合规划确定生态环境供水标准至少达75%保证率，以及根据当地对用户对生态宜居愿景的强烈需求，暂拟定其供水标准提升至85%的情景，不同保证率条件下生态环境需水预测合计成果见表1。

表1 不同保证率白溪干流外区域生态环境需水预测成果表

3.2.2 水资源配置模型建立及工况拟定

根据白溪水库下游区域的水利工程布局，结合当地水资源的供、用、耗、排关系，建立了基于模拟的水资源配置模型。同时，为分析区域生态环境最大、最小用水缺口情况，通过当地水源的供水条件控制，拟定如下2种工况：①工况1：当地小水库、山塘不放水供给生态环境；②工况2：当地小水库、山塘放水供给生态环境。

3.2.3 干流河道取水需求分析

针对上述2种工况，采用水资源配置模拟模型，通过长系列调节计算，获得不同频率条件下的生态环境缺水量。此外，由于在本实例中，近年来当地小水库、山塘供水任务压力逐年增加，白溪水库下游干流河道将承担区域部分农业灌溉供水任务，即工况1条件下50%、75%、85%不同频率需通过白溪干流分别供水742万，984万，1 085万m3/a。因此，原有的水库下泄生态基流调度方式难以保障下游区域的农业灌溉和生态环境用水需求，本文综合考虑农业灌溉供水量与生态环境缺水量之和作为干流河道取水需求量，以保证在分析水库下泄水量满足区域生态环境用水的同时，保障农业灌溉供水任务。具体成果见表2 ～ 3及图3。

表2 不同工况不同频率条件下区域生态环境缺水量表 万m3

表3 不同工况不同频率条件下区域向干流河道取水需求表 万m3

图3 不同频率区域白溪干流取水需求量区间图

3.3 水库下泄水量需求控制方案

根据本文拟定的生态环境用水需求控制方案，采用水库下泄生态基流与区域向干流河道取水需求耦合的方法进行分析。拟定白溪水库下泄水量控制原则如下：

（1）下游区域通过干流河道取水需求量大于白溪水库坝址处生态基流，则白溪水库以干流河道取水需求量进行下泄。

（2）下游区域通过干流河道取水需求量小于（等于）白溪坝址生态基流，则白溪水库以坝址处生态基流进行下泄。

通过白溪水库径流来水量分析，白溪水库坝址处生态基流为1 872万m3/a（156万m3/月）。结合不同工况区域向白溪干流河道取水的需求量，计算白溪水库下泄水量。具体成果见表 4 ～ 5、图 4 ～ 5。

表4 不同工况不同频率条件下白溪水库下泄水量需求表

表5 不同工况不同频率条件下白溪水库逐月下泄水量需求区间表 万m3

图4 不同频率白溪水库取水量需求图

图5 不同频率下白溪水库下泄水量需求图

由上述成果可见，结合区域供需平衡分析，并通过耦合水库下泄生态基流与不同工况下的区域向干流河道取水需求量，可获得不同频率条件下的白溪水库的逐月下泄水量需求上限及下限，如85%频率，工况1（小水库、山塘不供水）、工况2（小水库、山塘供水）条件下白溪水库下泄水量需求分别为2 329万m3（下泄上限）和2 039 m3（下泄下限）。研究的不同频率白溪水库下泄水量需求控制区间，可为未来白溪水库控制运用调度计划提供重要参考及指导，既可保障下游区域农业灌溉供水任务，又满足区域日益增长的生态环境用水需求，对促进区域水资源高效利用、经济社会与生态和谐发展均有着重要意义。

4 结 语

针对水库原有单一的下泄生态基流或是初设时的设计下泄水量等调度方式，均难以与日益增长的下游生态环境用水需求相匹配，本文旨在为水库在控制运用计划制定过程中，提供一套水库下泄的用水量需求控制调度应对策略。通过建立下游乡镇区域的水资源配置模型，分析区域供需平衡关系及相应的生态环境用水缺口，并结合干流河道其他供水任务，分析不同频率下的区域向干流河道取水最大、最小需求值，再采用水库下泄生态基流与干流河道取水需求耦合的方法，建立不同频率下水库逐月下泄的用水量需求控制区间。该方法符合国家提倡的水资源优化配置及高效利用要求，在实际调度操作中是可行的，可较好的指导水库逐月下泄水量调度控制，在满足下游河道其他供水任务的同时，有效的保障下游区域生态环境用水量。

[1] 王慧斌.水库生态调度的内涵与模型探析[J].水利规划与设计，2016(3)：34 - 37.

[2] 陈端,陈求稳,陈进，等.基于改进遗传算法的生态友好型水库调度[J].长江科学院院报，2012(3)：1 - 6.

[3] 艾学山,范文涛.水库生态调度模型及算法研究[J].长江流域资源与环境，2008(3)：451 - 455.

[4] 叶季平,王丽萍.大型水库生态调度模型及算法研究[J]. 武汉大学学报(工学版)，2010(1)：64 - 67.

[5] 康玲,黄云燕,杨正祥,等.水库生态调度模型及其应用[J].水利学报，2010(2)：134 - 137.

（责任编辑 姚小槐）

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2017-03-22

钟 伟(1986 - )，男，工程师，硕士，主要从事水文水资源研究工作。 E - mail：303259083@qq.com