逆序递推法在珊溪水库旱警水位计算中的应用

张 伟,朱子云,吴 敏

(1.温州市水利建设管理中心,浙江 温州 325000;2.浙江万容水利工程咨询有限公司,浙江 温州 32500)

汛限水位作为防汛领域的重要指标之一,其对水库调度、防洪减灾等工作中发挥了重要作用[1]。为了加快明确抗旱领域水位特征指标,李国英部长在全国水旱灾害防御工作视频会议明确要求“加快推进江河湖库旱警水位(流量)确定工作”,2022年水利部防御司出台《2022年江河湖库旱警水位(流量)测站名录》,珊溪水库被列入水利部1278个旱警水位(流量)核定的测站之一,依照《水利部办公厅关于做好2022年旱警水位(流量)确定及应用工作的通知》(办防〔2022〕194号)文件要求,开展珊溪水库旱警水位计算分析工作。

1 珊溪水库概况及兴利调度原则

1.1 工程概况

珊溪水库工程与赵山渡引水工程作合称为珊溪水利枢纽工程[2]。珊溪水库工程坝址在文成县珊溪镇上游1km,距温州市区117km。珊溪水库工程是以灌溉、城市供水为主,兼有发电、防洪等综合效益工程,工程等别为Ⅰ等工程。珊溪水库控制流域面积1529km2,坝址多年平均径流量18.5亿m3,水库正常蓄水位142m,相应库容12.91亿m3;总库容18.24亿m3;死水位117m,相应死库容5.95亿m3[3]。

珊溪坝址至赵山渡区间流域面积为684.4km2,水库正常蓄水位22m,相应库容2785万m3。输水渠系向温州、瑞安、平阳等市县城镇居民生活供水及工农业供水,年供水量7.3亿m3,其中生活及工业供水6.53亿m3,农业供水0.77亿m3,改善农田灌溉292.67hm2[4]。

1.2 水库兴利调度原则

珊溪水库主要功能为防洪、供水及灌溉,兼顾发电,结合水库《珊溪水利枢纽2022年度水库控制运用计划》,其运行调度如图1所示,相应的兴利调度原则为:

图1 珊溪水库运行调度图

珊溪水库属多年调节水库,发挥着电力补偿、提高系统枯水期出力的功能。为保证下游居民生产和生活用水的要求,珊溪水库日内供水流量(即发电流量)分配应服从于供水要求。按满足珊溪发电流量和珊溪～赵山渡区间流量经赵山渡水库调节后不小于引水总干渠最大引用流量的最小出力发电并担任调峰任务。

以珊溪水库月初水位所在调度图的位置,确定供水、发电运行方式,但在调度过程中应结合入库流量强度控制加大出力,确保该时段末水位尽量不低于上调度线。

在满足下游用水条件下,合理安排发电计划,控制水位下降幅度,并适当控制珊溪水库水位下降速度,尽量使水位下降平缓。

结合水库运行计划,分析图1中的保证供水线可知,该曲线的拟定是依照水库在满足设计供水规模、生态流量未调整前的数值、区域内的生产生活及降水蒸发等需水量。但在本次数据收集及研究过程中,水库尚未达到原设计供水规模、水库泄放生态流量发生调整。由于水库现状运行情况及生态流量的改变,会导致计算出的预警水位线与保证供水线局部有所偏差。

2 水库旱警水位计算方法

2.1 分级旱情水位

依据水利行业标准《水情预警信号》(SL758-2018)和《温州市水利旱情预警管理办法(试行)》,水利旱情预警等级由低至高分为蓝色、黄色、橙色和红色四级,分别代表轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱;珊溪水库将上述等级旱情分别对应75%保证率、85%保证率、90%保证率、95%保证率。

2.2 旱警水位计算方法

采用逆序递推法[5]对水库旱警水位进行计算,计算时以单位水文年为中期,同时假定水库调度期间的末水位为死水位,并根据水库的调度原则进行逆序递推至各月初期的水位值,该水位即为旱警水位:

Zhj,t=f(Wa,t+Wloss,t-Wp1,t+f′(Zhj,t+1))

(1)

(2)

式中:Zhj,t为水库第t月的旱警水位;Zhj,t+1为水库第t+1月的旱警水位;Wa,t为第t月的综合需水量;Wloss,t为水库第t月蒸发、渗漏损失水量;Wp1,t为一般枯水年第t月的水库来水水位;f( )为水库库容-水位曲线;f′( )为水库水位-库容曲线;ZE为水库调度期间的末水位;ZD为水库死水位。

3 水库旱警水位计算

3.1 水库径流量

水库流域年平均降水量1876.9mm,年内降水差异较大,主要集中于4～9月份,利用同一流域的峃口水文站的相关观测数据,采用水文比拟法计算水库坝址年径流,同时考虑到设计流域与参证站流域降雨量的差异,用逐年雨量修正系数,对每年的径流进行修正还原计算。相关径流了计算成果图2所示。水库多年平均流量为59m3/s。

图2 珊溪水库流域年平均流量曲线图

3.2 流域综合需水量

3.2.1 生产生活用水

珊溪水库2010—2021年供水情况分析,水库生产生活(含城市供水及少量灌溉用水)年供水量介于22497～39612万m3之间,总体呈历年增长的趋势。珊溪年度生产生活用水按照已有供水系列中的最大值向上取整后确定为40000万m3,考虑到生产生活用水受季节性影响,其中因炎热天气使得夏季用水量最大,冬季因取暖用水而用水较多,春秋最小。因此,文章在月际间用水分配时将考虑季节影响。

3.2.2 塘河生态补水

2010年—2021年度向塘河生态调水量介于15042～31193万m3,多年平均值为21660万m3。塘河生态补水来源实质上是珊溪水库供水规模未达到原设计供水规模,补水利用两者之间的差值。因此,塘河生态补水采用珊溪设计供水规模与本次采用生产生活用水规模的差值向下取整后取22000万m3。

3.2.3 下游河道生态需水

在珊溪水库工程设计要求,珊溪水电站发电尾水不小于枯水期(12月份至次年4月份)的平均流量33.6m3/s,但部分时段存在不放水情况。本阶段根据环保最新要求,珊溪水库坝址各月推荐值为12.40～30.30m3/s(占坝址多年平均流量的20.7%～50.6%),年均14.50m3/s(占坝址多年平均流量的24.2%)。各月最小下泄流量推荐值见下表所示。根据《飞云江流域综合规划》,珊溪水库坝址生态基流为2.5m3/s,由表1可知水库最小下泄流量均高于该生态基流值,因此本阶段不再考虑生态基流。

3.3 水库蒸发及渗漏

水库蒸发量计算主要采用水库月平均水面面积与当月多年平均月蒸发深度的乘积[]。计算时,结合坝址以上多年降雨量,计算其相应坝址以上的径流深度为1219mm,因此相应的陆面蒸发量为658mm。在95%保证率干旱年下,水库死水位117.0m与常水位140.0m的平均值128.5m时的库面面积27Km2、陆面蒸发量658mm、水面蒸发量1250mm考虑,进而求出蒸发损失量为1600万m3。

由于珊溪水库渗漏损失未收集到相关监测数据,文章计算时,结合水库区域地质情况,其渗漏损失量计算为:

W漏=K2W库

(4)

式中:W漏为水库渗漏损失量;K2为损失系数,可以结合地质情况取1～1.5%,文章取值1%;W库为水库平均蓄水量。

采用式(4),保守考虑正常水位下珊溪水库库容12.91亿m3,求得其年渗漏损失约为1290万m3。

3.4 旱警水位计算

结合3.1节～3.3节的数据,采用式(1)～式(3),计算可得珊溪水库各预警条件下的分期旱警水位情况,如表2所示。

表2 各预警条件下旱警水位计算成果表 m

4 成果分析

根据表2中的旱警水位计算成果,结合图1中水库保证供水线,绘制保证供水线、蓝色预警、黄色预警、橙色预警及红色预警曲线图,如图3所示。

图3 各预警条件下珊溪水库旱警水位计算成果曲线图

结合水库运行调度图1和旱警水位计算成果曲线图3可知:

1)利用逆序递推法计算旱警水位成果显示,警戒水位季节性影响较大,整体呈现春季预警水位小、夏秋预警水位大的特点,分析原因在于:研究区域位于南方,夏季时间长、温度高、区域整体耗水量大。

2)预警水位曲线与保证供水线趋势基本一致,汛期较保证供水区偏低,而非汛期基本处在保证供水区附近,同时交叉区主要集中在5～6月以及10～12月。分析主要原因:①现状水库供水并未达到原设计供水规模,导致部分时段预警水位线低于保证供水线;②按照环保新规定,水库泄放生态流量较原设计少,使得部分时段预警水位线高于保证供水线;③每年的5月份开始,研究区域已经进入梅汛期,区域降水量增加、温度升高导致需水量增大,每年的10月份,研究区域梅汛期结束,区域降水量减少、温度降低导致需水量增减少,结合生态流量的调整导致其两处交叉点的产生。

从运行调度角度,在水库供水规模达到设计规模同时水库按照运行调度图的调度方式进行调度时,可以满足95%保证率下的水库供水需求。采用预留水量的方式进行处理时,因未考虑水库来水条件会使得部分时段警戒水位高于运行调度图较多,对水库水资源利用效率有所影响。考虑到珊溪水库是温州城区的“大水缸”,也是温州地区唯一的大型水库,水库的蓄水是温州城区经济社会发展和生活用水的重要保障。

5 结 语

文章结合江河湖库旱警水位(流量)确定工作的相关要求,根据珊溪水库的实际运行调度情况,采用逆序递推法,通过确定水库来水、温州市区生产生活用水、下游河道生态用水及向塘河的生态补水等,进而得出水库的蓝色预警、黄色预警、橙色预警及红色预警等4种条件下的48个旱警水位值,成果显示采用逆序递推法计算得出的水库旱警水位基本合理,为温州市编制供水安全保障应急预案提供依据。同时,计算成果能够有效指导本水库的抗旱、供水、灌溉及发电等调度工作,有利于保证社会经济用水程度,充分发挥本水库的防洪、供水及灌溉,兼顾发电功能。

此外,考虑到旱警水位具有动态性,珊溪水库在运行调度时,各用水户用水逐步调减的顺序为先下游河道生态水、塘河生态调水,最后是生产生活供水。