浅析乌海市千里山水库旱限水位的确定

0 引言

旱限水位是干旱预警等级的一个重要的确定指标，指的是江、河、湖以及水库为了保障供水、维持生态环境而保障的最低水位，是提高抗旱能力的主要手段之一。水库作为现代社会蓄水、用水的主要设施之一，其功能的发挥具有明显的季节性特征，尤其是在北方比较干旱的地区，夏季多雨以及冬季干旱等气候特点极大地影响了水库功能的发挥，因此，在不同的季节，水库的旱限水位确定也要具有针对性，不能采用统一的标准来进行，如多雨季节可能造成洪涝灾害，而干旱时期又可能导致水库的需水量不足，因此，必须要采用分期分级的旱限水位设计，来确保水库的抗旱能力。乌海市千里山水库位于我国的西北部，受气候影响较大，全年枯水期较长，必须要对其的旱限水位采取分期分级的方式进行确定。

1 乌海市千里山水库概况

乌海市千里山水库位于海勃湾区东南的千里山镇，总库容616万m，距市区26km，坐落于黄河以及支流千里沟上。根据我国现行《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，乌海市千里山水库等别为Ⅳ等，属于小（Ⅰ）型水库，主要建筑物大坝、溢洪道、排沙洞、输水洞按4级建筑物设计。

2 乌海市千里山水库旱限水位的确定

基于千里山水库所在地的气候特征以及用户供水需求，确定采用分级分期旱限水位多目标优化的计算方法，首先确定水库旱限水位的变化规律，然后采用简便计算方法确定旱限水位，具体思路见图1。

图1 乌海市千里山水库分级分期旱限水位确定思路

乌海市千里山水库的供水用户分为四级，依次是生态、生活、工业以及农业。其中的农业用水具有很强的季节性特征，主要集中在5、6、7三个月份，其他用水则在全年分布较为平均。四级供水用户中，工业用水为主，设计保证率为90%，农业用水设计保证率为70%。工业供水破坏深度在10%以下，农业供水破坏深度在30%以下。

基于千里山水库所在地的年均降水量、月均流入量、月均供水量以及月均水位综合考虑，将水文年分为5个时期，具体见表1。

表1 千里山水库水文年

2.1 千里山水库分级分期旱限水位的定义

分级分期旱限水位是能够反映水库干旱程度的最重要指标之一。如果水库的水位在旱限水位以下，则代表水库此时正在发生干旱事件，需水量不足，需要做好将来可能出现缺水问题的应对措施，如限制供水等措施，保障不会因为水库的需水量问题而对社会用水造成太大影响。千里山水库的来水源包括雨水、黄河水等，导致其枯水期具有明显的季节性特征，而由于枯水期带来的水库供水问题概率较高。基于此，本文将千里山水库的旱限水位根据一年内不同的时期相应的需水能力进行分期设置。同时，将旱限水位分为旱警水位和旱保水位两级，在千里山水库蓄水能力较低时，如枯水期等，采取旱保水位进行供水限制，而在水库蓄水能力较高时，供水限制采取轻度措施，确保在不同时期千里山水库都能够保障供水需求。

通过图2显示，千里山水库在旱警水位以上时，采取充分供水的措施；而当水位在旱警水位下，旱保水位之上时，水库的供水措施就要采取一级限供措施；而当水库水位低于旱保水位时，就要采取二级限供的控制措施。

图2 乌海市千里山水库分级分期旱限水位

2.2 分级分期旱限水位优化计算方法

千里山水库为多用户供水系统，保障各用户的供水率以及降低供水破坏深度是主要任务。

2.2.1 目标函数的计算

①用户供水保证率是保障用户供水的概率，其值数越大，保障程度就越高，采用如下公式进行计算：

式中：

i为供水用户；

N为供水总时段；

R为i用户在t时段用水需求满足的情况，若满足则为1，未满足则为0。

②用户最大供水破坏深入是水库保障用户用水需求的蓄水量，该值越大，则说明水库缺水程度越严重。其计算公式为：

式中：

i为用户，t为时段；

Def代表用户的缺水量；

Dem代表用户的需水量。

值得注意的是，供水用户的用水保障率必须要保持在设计用水保障率之上，而供水用户的供水破坏深度必须要保持在允许最大供水破坏深度之下。

2.2.2 约束条件的计算

①水量平衡约束计算。

式中：S代表水库t时段末期的储水量，S代表水库t时段初期的储水量；I为来水量，E为蒸发渗漏损失量，R为总出水量。

②旱限水位供水策略约束计算。

式中：

SW代表用户在改时间段内的实际供水量；

Z代表水库在该时间段内的初水量；

姿t，1和 姿t，2代表水库在不同蓄水时段对用户的限制供水比例；

Z代表水库旱警水位；

Z代表水库旱保水位。

而水位之间相互的约束关系为Z≤Z≤Z≤Z，其中Z的代表千里山水库的蓄水最低水位，Z代表千里山水库的蓄水上限水位。

2.3 乌海市千里山水库旱限水位的确定

在生态和生活供水方面，乌海市千里山水库能够实现完全满足，所以，只对工业供水和农业供水采取限制措施。具体的措施是：供水限制为一级时，对农业供水进行限制；供水限制为二级，对工业供水和农业供水同时限制。因此，旱限水位以保障工业供水和农业供水率以及确保最小破坏深度为目的。在这种情况下，千里山水库的分期旱警、旱保水位见图3和图4。

图3 千里山水库分期旱警水位

图4 千里山水库分期旱保水位

从图3中可以看出，千里山水库的旱警水位具有明显的季节性特征，随着用水量的增加其变化幅度也较大。而图4中的旱保水位则变化较小，年内波动较小，主要是因为通过旱警水位控制农业供水，保障水库内的蓄水量，而工业供水在年内分布比较均匀，从而降低了供水破坏深度和总供水破坏次数。

通过图3、图4中可以看出，千里山水库的旱限水位在灌溉期以及灌溉高峰期的旱警水位变化最大，这说明农业集中供时期对供水系统影响最为严重。而在枯水期的12月-翌年4月，旱保水位变化比较明显，主要是由于该时期的旱保水位对工业供水影响较大。这说明旱保水位对供水用户的影响主要来自于旱保水位控制的阶段，而不是用水量。

在供水保证率和破坏深度方面，千里山水库的农业供水保证率、工业供水保证率与农业供水最大破坏深度均有着明显的竞争关系，这也充分表明对农业供水采取强度较高的限制措施可促进水库蓄水量的增加，有利于提高工业用水的保证率。

根据千里山水库供水的实际情况，确定计算旱限水位的工业供水和农业供水的权重系数，本文充分考虑了各系数之间的差异性以及竞争协同关系等因素，选择了CRITIC方法确定客观权重，具体见表2。

表2 千里山水库旱限水位计算客观权重

通过表2各项权重可以看出，工业供水保障率最低，其他权重指数比较接近，主要是由于工业供水保障率差异较小的原因，根据确定的权重，利用前文提出的公式，计算出千里山水库的旱限水位，具体见图5。

图5 千里山水库分级分期旱限水位

2.4 乌海市千里山水库旱限水位合理性分析

为验证本文对乌海市千里山水库旱限水位确定计算的合理性，采用对比的方法进行验证，就是将千里山水库不设置旱限水位以及采取本文计算确定旱限水位的供水保证率以及最大破坏深度进行对比分析，不设置旱限水位的数据来源于千里山水库2009年-2015年的实际数据，具体见表3。

通过表3可以看出，千里山水库在不设置旱限水位的2009年-2015年，无论是工业供水还是农业供水其各项指标都远超设计要求，而采用本文计算方法进行分级分期设置旱限水位后，各用户的各项指标均能满足设计要求，本文所提优化方法及简便计算方法计算的旱限水位，各项供水指标均达设计要求。在分级分期旱限水位控制下，从枯水期开始对供水进行控制，能够有效提高千里山水库的抗旱能力和供水能力，保障了用户的供水安全，有效地降低了缺水事件发生的概率和程度。这也证实了本文提出的水库分级分期旱限水位确定方法有效实用，具有很强的合理性。

表3 乌海市千里山水库旱限水位供水指标对比分析

3 结束语

综上所述，由于乌海市千里山水库的蓄水情况具有明显的季节性差异特征，文章采取了分级分期的方式对其旱限水位进行计算确定。将千里山水库的水文年分为枯水期、灌溉高峰期、灌溉期、主汛期以及蓄水期5个时期；同时，由于生态和生活供水方面能够实现完全满足，所以，只对工业供水和农业供水采取限制措施，而权重系数的确定也选择了工业供水和农业供水的供水保障率和最大破坏深度，最后计算出千里山水库的分级分期旱限水位。并通过合理性分析验证了该计算方法的可行性。