白龟山水库水资源特征及其安全影响因素

徐 源，王红萍，2，刘永强，刘 建

(1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430072；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北武汉430072；3.河南省白龟山水库管理局，河南平顶山467031；4.淮河流域水资源保护局水资源保护科学研究所，安徽蚌埠233001)

0 引 言

白龟山水库位于沙颍河上游沙河干流上，是河南省平顶山市的主要水源，同时与上游昭平台水库共同构成沙颍河下游生态用水的保障水源，对保障沙颍河河流健康具有重要意义[1]。沙颍河是淮河的最大支流，其健康状况直接影响淮河干流健康。淮河历史上多次发生的水污染事件均与沙颍河有关[2,3]。过去相关研究证明，一定的流量是保证河流健康的基本条件[4- 6]。沙颍河上游是河南省的暴雨中心，对沙颍河流量的调控起重要作用。但是，近年来(尤其是2012年～2014年)，白龟山流域及其上游昭平台流域连续干旱，水库水位急剧下降，为了保障平顶山市生活用水和下游生态用水，2014年3次动用水库死库容，并通过南水北调跨流域调水缓解水库危机[7]。本文通过分析白龟山流域降水、水库入流、出流和水库运行状况，揭示白龟山水库水资源变化特征，并探讨威胁其流域水资源安全的主要因素。

1 水库概况

白龟山水库距源头石人山116 km，与上游51 km处的昭平台水库组成梯级水库，联合控制沙河干流洪水，总控制流域面积2 740 km2(1 430/1 310)，占所在的沙颍河流域面积的7%左右。尽管水库修建初衷是控制沙颍河洪水，但其已成为平顶山市工业、城市生活用水的主要水源，并兼具灌溉、养殖以及保障下游生态需水的功能。

白龟山水库总库容9.22 亿m3，大坝为均质土坝，高程110.4 m。根据设计，其正常蓄水位为103 m，相应库容3.02亿m3；最低控制水位97.5 m，相应库容0.66亿m3；汛限水位102 m，相应库容2.40亿m3。

2 水库多年水资源特征分析

2.1 水库水资源年变化特征

2.1.1 降水量

降水是白龟山水库入库水量的重要来源，而白龟山水库受上游昭平台水库调节的影响很大。2002年～2014年期间，白龟山水库降水量年际变化大，变异系数达到0.203。年均降水量为743 mm，较1951年～2010年多年平均值900 mm[8]减少了17%；而同期上游昭平台流域年均降水量为936 mm，与1952年～2008年多年平均值963.6 mm相比[9]，减少量不到3%。可见，上游山区降水量基本与早期持平，下游降水量则减少明显，人类活动对局部气候的影响明显(上游昭平台流域是山区，人类活动影响相对较小，白龟山流域基本是平原区，人类活动程度高[10])。

2.1.2 入库水量

入库水量多少直接关系到水库水资源量的多少。2002年～2014年期间白龟山水库年入库水量平均值为6.63亿m3，与1963年～2013年多年平均值6.69亿m3基本持平。年入库水量差异系数达到0.58，高于年降水量差异系数。

2002年～2014年期间，按年降水量相当的年份分组比较，白龟山水库入库水量明显不断减少。如2012年、2013年和2014年相比，2012年和2013年降水量相当，但是入库流量从5.78亿m3骤降到1.74亿m3，到2014年，即使降水量略有增加，入库水量仍保持在很低水平。这既与降雨的产流过程有关，也与昭平台水库的下泄水量相关。

相关性分析表明，白龟山水库入库水量不仅受本地降水量的影响[11]；还与上游昭平台水库降水量密切相关，且相关性高于其与本流域降水量的相关性(见表1)。

上述分析说明，昭平台水库下泄水量也是白龟山水库主要水源。2002年～2014年期间，昭平台水库年下泄水量接近甚至超过白龟山水库入库水量的50%(2014年枯水年除外)(见表2)。

表1 白龟山入库水量及上游降水量相关性分析

注：**表示0.01级别(双尾)，相关性显著；*表示0.05级别(双尾)，相关性显著。

表2 昭平台水库下泄水量占白龟山水库入库水量的百分比 %

2.1.3 出库水量

2002年～2014年期间，蒸发渗漏损失一般全年总量约0.6亿m3，占总消耗水量的25%左右，主要跟水面面积有关。生产生活用水量最稳定也最大，约占总消耗水量的50%～60%。2005年以前稳定在1.2亿～1.3亿m3之间，2006开始增加，自2008后稳定在1.4亿～1.5亿m3之间。农业灌溉用水量一般年份约0.4亿m3，占总消耗水量的15%～25%。枯水年灌溉用水波动较大，一方面由于干旱，需求会增加；另一方面，枯水年可能导致水库蓄水量不足，水位下降，供给受到限制(如2014年)。而水库水闸下泄水量主要满足水位控制要求，受入库水量控制波动很大。

2.1.4 基于年尺度的水资源供需平衡分析

水库的降水和入库水量年际变化大。除2013年、2014年2个枯水年外，水库的入库水量占降水量的比值接近或超过50%。这可能是届时白龟山水库降水量较大；且因流域水文的同步性[12]，上游昭平台水库的降水量也较大，下泄水量较多，共同导致了白龟山水库入库水量较多。除2013年外，水库的年入库水量能满足其年用水需求，一般情况下耗水占入库水量的比值基本都不超过50%。2013年超过100%是因为入库水量较少而用水量并未减少，2014年停供了农业水(表3)。除了2013年、2014年外，水库每年都下泄大量水，有的年份甚至超过入库跟耗水的余量动用了自身库容，这说明水库具有下泄生态水量的潜力，此时需要考虑的是水库蓄积部分水。

整体上来说，近年来虽然水库水资源量有一定程度减少，消耗水量略微上升，但大多数年份水资源供需矛盾不突出，也能保障下游生态水量，问题的关键就在于2012年的汛期蓄水较少，之后遭遇2013年、2014年这样的连枯年，水资源供需出现尖锐的矛盾，不仅无法供给生态水，生产生活用水都难以保障，水库库容持续减少，威胁大坝的安全。如果事前能够加强降雨径流预报，提前蓄水，之后通过上游昭平台水库紧急调水和南水北调中线工程调水则可以缓解。

表3 白龟山水库来水、耗水和泄水占比及两水库降水集中指数

注：耗水是生产生活用水、农业用水和蒸发渗漏损失的和。

表4 白龟山水库各月入库水量占全年的百分比 %

3.2 水库水资源年内季节变化特征

3.2.1 降水量

白龟山水库及其上游降水年内分布极不均匀，降水主要集中在汛期6月～9月，7月～8月暴雨集中，10月～次年4月，是旱季，降水稀少。采用降水集中指数PCI表示年内降水的分异性[13, 14]。即

式中，pi为每月的降水量。当PCI<10，降水年内分配均衡，差异不大；11≤PCI≤20，降水呈季节性变化；PCI>20，降水月际变化显著。

2002年～2014年，白龟山水库及其上游降水量呈季节性变化，2007年以前，月际变化并不显著，2007年以后，月际变化的显著性增强，说明汛期的水资源利用潜力大。

3.2.2 入库水量

2002年～2014年间，各月入库水量占比总体上来说符合白龟山流域的特点，6月～9月水量较为丰富，7月、8月水量集中。由降水年际变化可知：2010年是丰水年，2013、2014年是枯水年，丰水年6月～9月汛期水量集中强度大，占全年的74.58%；而出现2013年、2014年连枯年的原因主要是汛期降水量明显偏少，入库水量仅占全年的45%左右(见表4)。合理利用汛期水量是可行的(2014年干旱9月份水库通过南水北调调水)。

3.2.3 出库水量

出库水量中，工业与生活用水年内基本稳定，月均1 000万～1 200万m3；蒸发渗漏受温度、气压影响[15]，5月～9月在500万～700万m3之间，其余月份在250万～500万m3之间，年内虽有起伏，但是始终在一定的水平上波动的；只有农业用水不是连续的，主要跟作物生长周期相关。每年5月～9月，气温高，正是冬小麦灌浆成熟和夏玉米生长的时期，虽然降水在此时相对较丰，但是仍然不能满足其需求，需要灌溉作为补充[16-17]；水闸泄水量跟当月入库水量紧密相关。

3.2.4 基于月尺度的水资源供需平衡分析

绝大多数年份汛期和非汛期的入库水量是能满足其用水需求的，仅2013和2014年非汛期不满足，主要是枯水年降水偏少导致全年的入库水量都较少，其他年份汛期和非汛期都有一定余量。而汛期的余量基本都是通过水闸下泄，蓄水不多，非汛期不仅将余量全部下泄，甚至动用了部分库容，这说明不论是汛期还是非汛期，水库都能保证下游河道的生态水量。水库年内来水集中在汛期，用水量也是汛期偏多，如果大多数年份水库能蓄积部分水，特别是汛期，而不是将其大量下泄，可以提高水资源的利用效率，2012年汛期蓄水还缓解随后2013年、2014年连枯年出现的供水不足的局面。

表5 典型年各月耗水量、下泄水量占入库水量的百分比 %

进一步选取2007年(平水年),2010年(丰水年),2012年、2013年、2014(枯水年)(见表5)作进一步分析：

丰水年和平水年易发生缺水的时段是枯水期和汛前期，除了平水年少数几个月外都能保证下游的生态水量，如 2007年、2010年5月～7月为满足防洪要求需大量泄水。若能合理控制下泄水量，则既能保证生态用水，又能蓄积部分水量供枯水期使用应对可能出现的缺水局面。这样的年份汛期雨洪资源利用是影响大坝安全的主要因素。枯水年全年的水量几乎都不满足，比如2012年，10月前的汛期下泄水过多，从10月开始，入库水量就开始不满足用水需求，一直持续到2014年9月。对于2013、2014这样的连枯年，如果水库的调蓄能力得到充分发挥，可以缓解这个局面，不足的部分通过调水补充。这说明枯水年汛期降水量的多少是影响大坝安全的主要因素。

4 白龟山水库多年运行状况

白龟山水库水资源的利用情况受其调度规则影响。关于水库汛限水位动态控制，提高汛期洪水资源利用效率的研究也做了大量的工作，也取得了一定成效[18-20]；但通过水库多年来的调度线(见图1)可以看出，2002年～2014年以来，很少如期望的情况，水库水位线在汛期后上升到103 m，以备下一个汛期到来前冬、春枯水季节正常使用，汛限水位的动态设计成果并没有充分发挥作用。发生2012年汛期蓄水不足，2013年、2014年水库水位持续走低的情况也没有提出有效的应对措施，接近或低于死水位水库亦会出现险情。历史上，1976年汛期弃水过多，之后也遭遇1977年、1978年连枯年库水位接近死水位的情况。多年来人们习惯于暴雨洪水的研究，忽视对旱情灾害的分析，往往当旱情来临时才采取相关措施，错失抗旱良机。实际上，水库功能的发挥不仅在于防汛，抗旱也是很重要的一方面，特别是连续干旱。2012年～2014年持续形成冬春夏连旱，高温强度大、范围广、持续时间长，历史罕见，2014年7月干旱重现期甚至高于百年一遇[21]。

5 结 语

(1)水库降水量年际差异系数0.20，而入库水量差异系数0.58，昭平台水库下泄水量接近或超过入库水量的50%。这说明降水量和上游昭平台水库下泄水是白龟山水库来水的重要来源，近年来水库水资源量有一定程度的减少；用水量年际较稳定，2007年开始略微增加。整体上说，除极少数枯水年外，入库水量不仅能满足用水需求，还有保障下游生态用水的潜力。

(2)水库降水量年内呈季节性变化，从2007年开始这种变化显著，说明汛期雨洪资源有很大的利用潜力，入库水量年内集中在汛期；用水高峰期在5月～9月；大多数年份的不仅能满足用水需求，还能满足生态用水，但汛期水资源利用不充分，连枯年水量严重不足。

由此可见，沙颍河上游的白龟山水库是可以向下游供给生态用水的，一般年份汛期洪水的利用是影响白龟山水库安全的主要因素；而连枯年的汛期降水量是影响水库安全的主要因素。但是，本文均是从实际数据出发分析水量的变化规律，说明水库利用汛期水资源的可能性。如果能结合水资源的配置模型，对生产生活、农业、生态水量进行具体的近期和远期的水资源年际年内具体的配置，则可以与生产实践更好的结合。对于2013年、2014这样的连枯年也可以进行具体的研究，揭示旱灾发生的机理、规律，找到适合本地区的研判方法；结合已开展的降水、墒情、地下水监测以及中长期降水预报，可以针对旱灾开展预报预警，减轻旱灾对工农业生产的影响。

图1 白龟山水库多年运行水位

[1] 杜玉娟, 徐章耀. 湛河自白龟山水库引水的实践与认识[J]. 中国防汛抗旱, 2010(5): 25- 26．

[2] 高红莉, 李洪涛, 赵风兰. 沙颍河(河南段)水污染的时空分布规律[J]. 水资源保护, 2010, 26(3): 23- 26．

[3] 褚金庭. 沙颍河流量和水质对淮河污染的影响[J]. 水资源保护, 2001(3): 4- 7．

[4] 梁友. 淮河水系河湖生态需水量研究[D]. 北京: 清华大学, 2008.

[5] 潘扎荣, 阮晓红. 淮河流域河道内生态需水保障程度时空特征解析[J]. 水利学报, 2015, 46(3): 280- 290．

[6] THARME R E. A global perspective on environmental flow assessment: emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for rivers[J]. River Research and Applications, 2003, 19(5- 6): 397- 441．

[7] 杜玉娟. 白龟山水库动用死库容应急供水研究[J]. 中国水利, 2015(9): 25- 27．

[8] 马欣欣, 石朋, 王增海, 等. 沙颍河上游区降水序列变化趋势分析[J]. 水电能源科学, 2013, 31(8): 7- 11．

[9] 蔡长明. 昭平台水库流域水资源特征分析[J]. 河南水利与南水北调, 2010(3): 37- 38．

[10] 田琳, 王龙, 文俊, 等. 气候变化对大海波水库来水及用水影响[J]. 南水北调与水利科技, 2012, 10(5): 27- 31．

[11] 张春荣, 高宗军. 黄前水库来水量特征与影响因素分析[J]. 地下水, 2008, 30(3): 74- 77．

[12] 毛慧慧, 李建柱, 王晓云. 区域降雨的丰枯特性及其补偿特性分析[J]. 天津大学学报, 2009, 42(5): 377- 381．

[13] 徐利岗, 周宏飞, 梁川, 等. 中国北方荒漠区降水多时间尺度变异性研究[J]. 水利学报, 2009, 40(8): 1002- 1011．

[14] 段亚雯, 朱克云, 马柱国. 中国区域1961～2010年降水集中指数(PCI)的变化及月分配特征[J]. 大气科学, 2014, 38(6): 1124- 1136．

[15] McJANNET D L, COOK F J, BURN S. Comparison of techniques for estimating evaporation from an irrigation water storage[J]. Water Resources Research, 2013, 49(3): 1415- 1428．

[16] 施亚栋, 丛振涛. 洞庭湖四口河系地区水资源需求及配置研究[J]. 水力发电学报, 2011, 30(5): 35- 39．

[17] 王春泽, 乔光建. 河北省降水特性与农业需水耦合关系分析[J]. 南水北调与水利科技, 2008, 6(6): 90- 93．

[18] 袁晶瑄, 王本德, 田力. 白龟山水库防洪预报调度方式研究及风险分析[J]. 水力发电学报, 2010, 29(2): 132- 138．

[19] 张改红. 利用防洪预报调度调整汛限水位的风险分析[J]. 水力发电, 2010, 36(1): 26- 28．

[20] 田庆贺. 河南省白龟山水库洪水资源最大化利用研究[J]. 水利建设与管理, 2006(2): 78- 81．

[21] 连明涛. 平顶山市2014年春夏干旱分析[J]. 治淮, 2016(6): 10- 12.