应对干旱的黄河梯级水库群调度规律研究

李克飞，武 见，赵新磊，贾正茂

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003)

0 引 言

随着气候变化和人类活动加剧，近20年来黄河河川径流大幅减少，干旱发生频率和影响程度显著提升，给流域水资源安全和能源、粮食、生态安全保障带来了极大风险。开展梯级水库群联合调度是应对干旱的有效手段，目前，国内外在水库群联合调度领域开展了大量研究[1-5]，但对水库(群)的兴利优化调度研究较多，应对干旱的梯级水库(群)联合调度、水库群蓄泄规律研究较少，不能有效指导应对流域干旱调度。本文首先构建应对干旱的梯级水库群联合调度模型，开展长系列调度模拟，分析梯级水库群运行过程，研究汛期和非汛期上下游不同水库调度规律，为制定应对干旱的水利工程合理运行模式提供支撑。

1 流域概况

1.1 梯级水库群概况

黄河干流已建成相对完善的梯级水库系统，具备联合调度的能力，黄河干流梯级水库群分布见图1。本文重点研究龙羊峡、刘家峡、小浪底三座水电站水库调节性能强，对流域水资源综合利用起关键控制作用的水库，其中龙羊峡水电站水库为多年调节水库，刘家峡水电站水库和小浪底水电站水库为年调节水库。

1.2 流域旱情需求情况

选取1956年7月～1999年6月共44 a长系列水文年，根据长系列年份的上游(万家寨以上)、中游(万家寨至小浪底)、下游(小浪底以下)和全流域的需求情况，结合SPDI-JDI指数对流域旱情进行判别，详见文献[6]。上、中、下游和流域河道外平均需求分别为221.11亿、128.45亿、139.06亿m3和488.62亿m3，且上、中、下游旱情分布不一致。旱情较重的年份需水较大；上游旱情需水量较为稳定，变幅较小，下游旱情需水量变幅较大。

图1 黄河干流梯级水库群示意

2 应对干旱的梯级水库群联合调度模型

统筹防洪、防凌、生态环境、供水(灌溉)、发电等综合要求，构建以龙羊峡、刘家峡、小浪底梯级水库为核心的应对干旱的干流梯级水库群联合调度模型，通过方案设置，模拟应对不同干旱的龙、刘、小3水库联合运用过程。

2.1 目标函数与约束条件

在保证防洪、防凌安全的前提下，优先保证河道最小生态流量需水量，尽可能满足河道外社会经济需水，同时寻求上游梯级电站的合理运行方式，提高发电效益。

(1)生态目标。以河道内生态需求缺水量最小为目标。即

(1)

(2)社会经济供水目标。以河道外用户缺水量最小为目标。即

(2)

(3)发电目标。以发电量最大为目标。即

(3)

2.2 模型运行原则

(1)实行全河水量统一调度，遵循干流上下游补偿原则。

(2)龙羊峡、刘家峡运用方式。遵循“供水不足，由刘家峡先补偿；出力不足，由龙羊峡先补偿”的原则。刘家峡水库一般在12月至3月蓄水，把龙羊峡下泄超过防凌控制流量的部分拦蓄起来，4月至6月补水满足灌溉要求，7月至9月回蓄至汛限水位，10月至11月补水以腾出防凌库容。龙羊峡水库一般5月至11月蓄水，12月至4月补水，满足发电要求。

(3)小浪底水库的运行。小浪底水库的调度主要考虑黄河下游河段的防洪防凌、河道内生态和河道外用水，目标的优先顺序为：防洪防凌、河道内生态、河道外用水。在调度时首先发挥自身的调节作用，不能满足要求时再由龙羊峡、刘家峡进行补偿。

2.3 河道内需求方案设置

根据《黄河流域水资源综合规划》及其他已有研究成果，同时通过多方案模拟对比。为尽量满足河道外旱情需水要求，采用如下的方式进行河道内需求方案设置。

利津断面按照丰增枯减、总量控制、不断调整的方式进行调整设置，保证多年平均利津入海水量为187亿m3；河口镇断面采用兼顾上下游旱情需求的方式进行设置，即对上下游不同的旱情进行分析，在河口镇以下的旱情比河口镇以上的旱情严重时，将河口镇以下的实际旱情需求反推至河口镇以上(即龙刘水库)；反之，当河口镇以上的旱情比河口镇以下旱情严重时，仍以河口镇断面实际下泄需求替代河口镇以下的河道外用户需求。

根据设定好的河道内需求和河道外旱情需求，通过已构建的应对干旱的梯级水库群联合调度模型进行模拟，获得长系列全河水量调度结果。

3 应对干旱的黄河梯级水库群调度规律

黄河流域幅员辽阔，上下游具有不同的年内分期。依据黄河流域来水和用水特点，将年内不同的时段分为汛期、过渡期、凌期和用水高峰期四个时期，上游(龙羊峡、刘家峡)、下游(小浪底)的分期结果见表1。

表1 黄河梯级水库群年内分期

龙刘水库位于整个黄河梯级水库群的上游，龙刘水库的蓄泄影响着全河的旱情，同时梯级水库的初始蓄水量也影响到抵御全河旱情的能力。因此，在对梯级水库和上游(龙刘)水库分析时，依据的是全河来水+梯级水库初始蓄水以及流域的旱情需水；小浪底水库位于整个黄河梯级水库群的下游，小浪底水库的来水主要受到河口镇下泄以及河口镇至小浪底区间来水的影响，同时小浪底水库直接影响着下游(花园口以下区间)的旱情抵御能力。因此，在对小浪底水库分析时，依据的是河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水以及下游的旱情需水。根据长系列全河水量调度结果，重点分析汛期和用水高峰期两个关键期的梯级水库群调度规律。

3.1 汛期

3.1.1上游水库(龙、刘)调度规律

分析汛期(7月～9月)全河不同的来水+梯级水库蓄水条件、流域不同旱情条件下，上游水库(龙刘)的蓄补水量规律、流域旱情保证程度、流域旱情补水量规律。

(1)汛期上游水库(龙刘)的蓄补水量规律：①龙刘水库绝大多数时段处于蓄水状态，且随着全河来水+梯级蓄水的增加，以及流域旱情需水的减少(旱情的减轻)，龙刘水库的蓄水量由小于15亿m3逐渐增加至大于50亿m3；②当全河来水+梯级蓄水在400亿m3至500亿m3之间，且流域旱情需水大于68亿m3时，由于流域旱情需水较大，龙刘水库处于补水状态。

(2)汛期流域旱情保证程度规律：①随着全河来水+梯级蓄水的增加，以及流域旱情需水的减少(旱情的减轻)，流域旱情保证程度逐渐提高；②当全河来水+梯级蓄水大于400亿m3时，绝大多数时段流域旱情保证程度在95%～100%，基本能够满足流域不同程度的旱情需水。

(3)汛期流域旱情补水规律：①当全河来水+梯级蓄水小于300亿m3时，受全河来水及水库补水能力的影响，流域旱情补水量较小，补水量小于45亿m3；②大于300亿m3时，随着流域旱情需水量的增加(旱情的加重)，流域旱情补水量由不足45亿m3逐渐增加至大于70亿m3。(我刊为黑白印刷，图中不同颜色无法显示出来，且坐标不符合期刊规范。如一定要留，请修改)

3.1.2下游水库(小)调度规律

分析汛期(7月～10月)中游不同来水+水库蓄水(即河口镇至小浪底区间来水+河口镇下泄水量+小浪底初始蓄水)条件、下游不同旱情条件下，小浪底的补水规律、下游旱情保证程度、下游旱情补水量规律。

(1)汛期小浪底的补水规律：①小浪底水库蓄水，且随着河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水的增加，小浪底水库蓄水量由3亿m3逐渐增加至80亿m3；②当河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水在200亿m3至250亿m3之间时，随着下游旱情需水量的增加，小浪底水库蓄水量由50亿m3逐渐减少至15亿m3。

(2)汛期下游旱情保证程度规律：①当河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水小于190亿m3时，随着下游旱情需水量的增加，旱情保证程度逐渐降低；②在190亿m3至240亿m3时，花园口以下区间旱情保证在70%～95%之间；③大于240亿m3时，绝大多数时段花园口以下区间旱情保证程度在95%～100%之间，基本能够满足下游不同程度的旱情需水。

(3)汛期下游旱情补水量规律：随着下游旱情需水量的增加，补水量由不足11亿m3逐渐增加至大于18亿m3。

3.2 用水高峰期

3.2.1上游水库(龙、刘)调度规律

分析用水高峰期(4月～6月)全河不同的来水+水库蓄水(即全河来水+龙刘小水库初始蓄水)条件、流域不同旱情条件下，上游水库(龙刘)的补水规律、流域旱情保证程度、流域旱情补水量规律。

(1)上游水库(龙刘)的补水规律：①当全河来水+梯级蓄水在190亿m3至250亿m3之间时，龙刘水库补水量较少，且随着流域旱情需水的增加，龙刘水库补水由小于15亿m3逐渐增加至30亿m3；②在250亿m3至310亿m3之间时，龙刘水库的补水量达到最大，其中当流域旱情需水达到100亿m3时，龙刘水库补水达到50亿～75亿m3；③在310亿m3至450亿m3之间时，随着全河来水+梯级蓄水的增加，龙刘水库补水量由40亿m3逐渐减少至15亿m3；④大于450亿m3时，龙刘水库补水量基本维持在30亿～40亿m3。

(2)流域旱情保证程度规律：①当全河来水+梯级蓄水在190亿m3至240亿m3之间时，流域旱情出现一定程度的缺水，旱情保证程度在60%左右，且随着旱情需水的增加(旱情的加重)，旱情保证程度会逐渐降低；②在240亿m3至290亿m3之间时，流域旱情需水能够得到一定程度的满足，旱情保证程度在60%～80%之间；③大于290亿m3时，流域旱情保证程度在95%～100%之间，基本上能够满足流域不同程度的旱情需水。

(3)流域旱情补水规律：①随着全河来水+梯级蓄水的逐渐增加，流域旱情的补水量由35亿m3逐渐增加至120亿m3；②在相同的来水条件下，随着流域旱情需水的增加，梯级水库的补水逐渐增加，如：随着流域旱情需水量的增加，当全河来水+梯级蓄水在190亿m3至240亿m3之间时，流域旱情补水量由35亿m3逐渐增加至50亿m3；大于440亿m3时，流域旱情补水量由80亿m3逐渐增加至120亿m3。

3.2.2下游水库(小)调度规律

分析用水高峰期(3月～6月)中游不同的来水+水库蓄水(即河口镇至小浪底来水+河口镇下泄水量+小浪底初始蓄水)条件、下游不同旱情条件下，小浪底的补水规律、下游旱情保证程度、下游旱情补水量规律。

(1)小浪底的补水规律：①河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水小于140亿m3时，由于来水量较小，小浪底水库补水能力有限，水库补水量小于10亿m3；②在140亿m3至190亿m3之间时，随着下游旱情的加重，小浪底水库的补水量由40亿～50亿m3逐渐减少至10亿～15亿m3；③大于190亿m3时，小浪底水库补水大于40亿m3，且随着来水和下游旱情的增加，小浪底补水量由40亿～50亿m3逐渐增加至70亿～80亿m3。

(2)下游旱情保证程度规律：①河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水小于130亿m3时，受小浪底水库补水能力的影响，花园口以下区间的旱情保证程度小于70%，且随着旱情需水的增多(旱情加重)，旱情满足程度越小；②在130亿m3至170亿m3之间时，随着下游旱情需水的增多，旱情的保证程度由90%逐渐降低至70%；③大于170亿m3时，下游的旱情保证程度在95%～100%，基本能够满足下游不同程度的旱情需水。

(3)下游旱情补水量规律：①河口镇至小浪底来水+河口镇下泄+小浪底初始蓄水小于140亿m3时，由于来水较少且小浪底水库补水能力有限，花园口以下区间的旱情出现缺水的情况，花园口以下区间旱情补水量小于30亿m3；②大于140亿m3时，随着来水和下游旱情的增加，花园口以下区间旱情补水量由30亿m3逐渐增加至大于45亿m3。

4 结 语

本文构建了应对干旱的黄河梯级水库群联合调度模型，通过长系列模拟分析计算，提出了应对干旱的黄河梯级水库群调度规律，包括水库蓄补水量规律、流域旱情保证程度、流域旱情补水量规律，为提升流域抗旱水平，有序应对干旱提供了支撑。如何利用应对干旱的水库调度运行规律，以指导实际调度，将是下一步研究的重点。