赣江中下游枯水期水量调度研究

刘卫林，王永文

(南昌工程学院江西省水文水资源与水环境重点实验室，南昌 330099)

1 研究背景

赣江是江西省第一大河流，是长江下游以南的重要支流之一。近年来，受赣江流域枯水期连续干旱、来水偏枯、河道下切、上游新建水电工程拦蓄来水、沿线用水量增加等因素影响，冬春季节赣江中下游沿江流量明显不足，造成该地区居民生活饮用水和工农业用水的取水困难，引起江西省政府的高度重视和社会各界的普遍关注，并已成为区域经济发展、社会稳定的重要影响因素。

根据《赣江流域水量分配方案研究报告》中水量分配方案模拟模型分析计算成果，在13座大型水库参与调度的情况下，如果保证河道内生态用水逐月满足要求，那么2015年及2030年各分水初步预选方案均有不同程度的缺水［1］。其中，50%频率的方案缺水量较小，而95%频率的方案缺水量较大，缺水涉及范围更广，3个频率年的方案缺水月份大多在7，8，9，10，11，12等月份;如考虑各区域中、小型水库的局部调蓄作用，50%和75%频率的来水情况下，各初步预选方案可以得到满足，95%频率的来水情况下，袁水和锦江的一些节点仍有缺水。干旱缺水时，因水量或水质不能满足生产、生活、生态用水要求，河流生态与环境遭受破坏的水危机开始显现。赣江中下游沿线分布着许多重要的城镇，尤其是省会城市南昌，区域内人口众多，经济发达，居民生活、工农业生产、生态环境用水量较大，干旱年份枯水期河道来水偏枯，加之流域内可调节利用的水资源量有限，供需矛盾日益突出。因此，赣江中下游河段枯水调度方案的制定对于缓解流域用水紧张局面，保障赣江中下游地区用水安全，维持赣江健康生命及区域经济社会可持续发展具有重大意义。

2 赣江中下游径流变化趋势分析

赣江是长江八大支流之一，江西省第一大河流，也是鄱阳湖流域最大的支流。赣江发源于江西、福建两省交界的石城县赣源岽，自南向北流经赣州、吉安、峡江、樟树等20多个县(市)，至南昌市分4支汇入鄱阳湖，主河长823 km，赣江控制站外洲水文站以上集水面积为82 948 km2。赣江在赣州以上为上游，贡水为主河道，习惯上称为东源，河长255 km，在赣州市城北与章水汇合后，始称赣江。赣江自赣州市至新干县为中游，河段长303 km。赣江在新干以下称为下游，新干至吴城干流长208 km。赣江地处亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛，四季分明，光照充足;年平均气温17.6℃，年平均蒸发量815.7 mm，年平均降水量1 542.6 mm，降水主要集中在4—6月份，期间降水量占全年降水量的46.8%;平均年径流系数为0.53，水资源较为丰富;径流主要由降水形成，其地区分布及年际年内变化与降水量的分布和变化规律相似，在地区、时间分配上极不均匀，有明显的地区性和季节性。

2.1 径流变化趋势分析

根据赣江中下游的水文测站的分布现状，选取了资料系列较长、可靠性较高的吉安、外洲水文站作为代表站，利用1970—2009年40 a的年、月径流资料，采用 Mann-Kendall法［2－4］来检验径流变化趋势，检验结果见表1。从表1可以看出，在α=0.05的显著性水平下，吉安、外洲站年、季径流变化趋势基本一致。夏、秋及冬季径流量检验统计值均为正值，表明赣江中下游夏、秋及冬季径流存在增大趋势，但增大趋势不明显。春季、全年径流量检验统计值为负值，表明赣江中下游春季、年径流系列总体呈现弱下降趋势，但减小趋势不显著。

表1 赣江中下游径流趋势Mann-Kendall统计检验值Table 1 Mann-Kendall results of the variation tendency of runoff in middle and lower Ganjiang River

另外，根据吉安、外洲站年径流模比系数数据，采用累积距平法［2］得到年径流模比系数累积距平序列，从而绘制累积距平曲线，如图1。由图1可知，吉安、外洲站年径流趋势基本一致，可初步将近40 a年径流系列基本概化为2个上升期和2个下降期，上升期为1970—1976年及1991—2002年，其间径流均呈上升趋势;下降期为1977—1990年及2003—2009年，其间径流均呈下降趋势。2003年后，径流量呈下降态势。

图1 1970—2009年赣江中下游降水量及径流模比系数累积距平曲线Fig.1 Cumulative anomaly curves of annual rainfall and runoff modulus coefficient in middle and lower Ganjiang River from 1970 to 2009

2.2 降水变化趋势分析

采用Mann-Kendall方法计算赣江中下游降水变化趋势分析结果，结果表明，近40 a来，在显著性水平α=0.05下，赣江中下游年和四季的平均降水与径流变化趋势基本一致。春季、夏季、秋季、冬季和年均降水 Mann-Kendall统计值分别为－0.373 92，0.917 81，0.237 95， －0.305 94 和－0.174 77，统计值的正负表明趋势是增加或减小，则赣江中下游春季、冬季和年均降水均存在减小趋势，降水减小趋势不明显;夏秋季降水Mann-Kendall统计值为正，表明夏秋季降水有增加趋势，但其增加趋势不显著。

由图1中1970—2009年赣江中下游年均降雨量变化过程线可见。赣江中下游降雨与径流具有较好的同步性。初步认为赣江中下游径流变化与该区域降雨变化关系密切。然而通过降雨量与径流量相关分析，年降水和年径流相关性不强，尤其是在1980年以后，年降水量与年径流相关性更差。这是由于1980年以后，国内经济社会全面快速发展，城镇化建设、工农业生产及水利建设等人类活动对流域下垫面产生一定影响，致使降水与径流间的关系出现较大波动。由此可见，降雨变化是赣江中下游径流变化的最主要影响因素之一，但随着经济社会发展，其他因素(如下垫面、城镇化建设、水利工程等)影响力逐渐增强。然而如要定量区分各因素对流域径流变化的影响，需要进一步的模拟分析。

根据前述分析，2003年后赣江中下游径流呈下降态势，而流域内经济社会需水总量又不断增长，这在一定程度上加剧了水资源供需矛盾。尤其是近几年赣江枯水位不断刷新历史最低值，枯水期水资源短缺问题更加突出，因此，有必要开展枯水期流域水量期调度。通过实施水量调度，从空间和时间上合理配置水资源，提高水资源利用率，基本上解决枯水期供水需水矛盾。

3 赣江中下游控制断面最小流量分析

河段控制断面最小需水流量需考虑满足河道外城镇、农村人口生活用水、工业用水及农业用水要求，河道内满足生态环境用水及稀释自净流量要求。本次研究考虑到南昌河段位于赣江中下游河道末端，是省会城市南昌生活、生产用水的重要取水河段，拟定为赣江中下游枯水调度控制目标河段。

3.1 河道内生态环境需水量

根据赣江干流生态环境功能，分别采用90%频率最枯月平均流量法、河道输沙需水量和蒸发渗漏需水量，计算各控制断面的生态环境需水量，并采用外包线法确定生态环境需水量。通过对赣江中下游防治河流水质污染需水量、输沙需水量和蒸发渗漏需水量的分析，后两者需水量较小或为0。因此，以赣江中下游防治河流水质污染需水量作为河道内生态环境需水量。采用目前国内常用的 Q90法和7Q10法，分析赣江河道水质污染需水量。1993年以后，由于万安水库的调节，外洲水文站的月均最小流量有所加大，故采用1950—2009年共60 a资料系列和1950—1993年共44 a资料系列，分别进行分析计算，结果表明河道生态需水为246～310 m3/s。根据江西省水利科学研究院2008年1月编制的《赣江流域水量分配方案研究报告》，赣江外洲水文站控制断面河道生态环境需水量约为275 m3/s。考虑分析成果使用的一致性，河道生态环境需水采用275 m3/s。

3.2 河道外需水量

在已批准实施的赣江流域水量分配协商确认方案基础上，计算各河段河道外用水量。赣江河道外需水量以各用水区为单元，分别计算各行业需水百分比;根据县区水量分配方案计算各用水区内各行业需水量;然后根据不同行业不同回归系数分别计算各用水区需水量、耗水量和回归水量。经计算，樟树－南昌河段用水户正常日需(取)水总量871.48万m3，日平均取水流量101 m3/s。

3.3 控制断面最小流量确定

河段控制断面最小流量为河道内最小需水流量与河道外最小需水流量之和。按以上思路得出赣江中下游控制河段最小需水流量。本次枯水调度南昌河段控制流量确定为376 m3/s。

4 赣江中下游枯水期水量调度

4.1 水量调度范围及调度期

本次水量调度范围为从万安水库起到南昌外洲断面为止的赣江干流。沿线依次有栋背、吉安、樟树和外洲等水文站;所涉及行政区划包括万安县、泰和县、安福县、吉安县、吉安市、吉水县、峡江县、新干县、新余市、丰城市、樟树市、高安市、新建县、南昌县以及南昌市。万安水库至南昌外洲水文站断面距离长约511 km。根据万安水库以下河道特点和中下游河段主要水文断面位置、重要引水闸门分布等情况，以上游建有大型水库的支流汇入点为界，由上游往下游将赣江中下游河道划分为吉安段、樟树段和南昌段3个取水河段。万安水库以下河段示意情况见图2。本次水量调度主要考虑万安、龙潭、上犹江、油罗口、团结、长冈、南车、老营盘、白云山、社上、飞剑潭、江口、上游等13座大型水库，以万安水库为主要调水对象，对赣江中下游河道水量进行调配，其上游5座大型水库考虑对其进行水量补充。经万安水库调水后河道流量仍不满足枯水调度河道控制流量时，根据可调水量，按就近调水原则，由其他7座大型水库对河道进行水量补充。

图2 赣江中下游河段示意图Fig.2 Sketch map of the middle and lower reaches of Ganjiang River

枯水年频率分别选择75%，85%，90%，97%。根据各控制站1956—2008年枯水期径流系列，进行频率分析，得到各控制站的不同频率枯水代表年，最终以外洲水文站选定的枯水代表年进行赣江枯水调度的分析计算。在进行水量调度时，考虑赣江流域枯水期的8个月(7至次年2月份)进行水量的月和旬调度，同时假定各子区内的蓄水工程具有月调节能力。

4.2 枯水调度原则与方法

4.2.1 枯水调度原则

(1)调水尽量满足用户的正常用水需求，如遇特枯年份，则应保证用户的最小用水需求。

(2)以万安水库为主要调水对象，对赣江中下游河道水量进行调配，其上游5座大型水库考虑对其进行水量补充。

(3)经万安水库调水后河道流量仍不满足枯水调度河道控制流量时，根据可调水量，按就近调水原则，由其他7座大型水库对河道进行水量补充。

(4)南昌河段位于赣江中下游河道末端，是省会城市南昌生活、生产用水的重要取水河段，拟定为赣江中下游枯水调度控制目标河段。枯水调度河道控制流量南昌段原则上按376 m3/s，特枯年份根据可调度水量、最小需水量反推确定。

4.2.2 枯水调度方法

首先分析在正常运行方式下，即保持万安水库原有运行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，不同频率枯水代表年缺水情况。根据各河段不同典型年天然径流、区间入流、万安水库各典型年出流以及各河段需水量，按照以下公式进行赣江中下游枯水期南昌断面水量计算:

在上述缺水量基础上，根据不同频率枯水年南昌段缺水量与万安水库及其它13座水库可调水量分析结果，进行不同频率枯水代表年水量调度计算:

(1)考虑正常用水情况下，在保证南昌段河道径流376 m3/s情况下，通过加大万安水库下泄流量，分析不同频率枯水代表年缺水量。若不缺水，则此时的水库下泄流量即为水库的调水量。

(2)根据(1)分析，若仍然不能满足南昌段河道控制流量，考虑万安水库及其它13座水库同时调水，在保证南昌段河道径流376 m3/s情况下，分析不同频率枯水代表年缺水量。若不缺水，则此时的水库下泄流量即为水库的调水量。

(3)根据(2)分析，若仍不能满足南昌段河道控制流量，考虑最小用水量情况下，通过加大万安水库下泄流量，分析不同频率枯水代表年缺水量。若不缺水，则此时的水库下泄流量即为水库的调水量。

(4)根据(3)分析，仍不能满足南昌段河道控制流量，考虑最小用水量情况下，通过万安水库及其它13座水库同时调水，分析不同频率枯水代表年缺水量。若不缺水，则此时的水库下泄流量即为水库的调水量。

(5)根据(4)分析，仍不能满足南昌段河道控制流量，考虑最小用水量情况下，采用试算法进行水量调度计算。首先给定南昌段河道控制流量，考虑区间入流、区间用水、河道损失等进行逐河段演进计算，直至栋背断面。如果演算后最小水库库容不能满足要求，则重新给定南昌段河道控制流量并进行演算，直至满足要求为止。此时计算得到的南昌段河道控制流量为能达到的最大流量。

4.3 赣江中下游枯水期缺水量分析

保持万安水库原有运行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，根据各河段不同典型年天然径流、区间入流、万安水库各典型年出流以及各河段需水，按照式(1)、(2)进行赣江中下游枯水期供需分析计算，赣江南昌段不同频率典型年缺水情况见表2。

从表2中可以看出，频率P=75%典型年缺水量仅0.45×108m3，频率P=85%的典型年缺水量2.27×108m3，缺水量不大，初步分析由万安水库调水来保障南昌376 m3/s的流量是可能的。对于P=90%典型年缺水量6.08×108m3，P=97%典型年缺水量10.11×108m3，仅靠万安水库调水是不能保证南昌段376 m3/s的流量。

4.4 赣江中下游枯水期水量调度结果

根据正常运行情况下南昌段控制断面水量缺失情况与万安水库可调水量分析比较，在频率P=75%及P=85%典型年情况下，只需加大万安水库下泄流量，即可满足南昌段控制断面376 m3/s的流量要求;在频率P=90%及P=97%典型年情况下，仅靠万安水库调水是不能保证南昌段376 m3/s的流量。根据调度原则，此时调用其他水库水量对赣江中下游进行供水。江口水库在上述两典型年情况下，水库已经到死库容，已无力对下游进行供水，因此，仅考虑对万安水库上游5个水库及其下游6座水库进行调水。经分析计算，在频率P=90%及P=97%典型年情况下，通过万安上游5座水库以及中游6座水库的调水，南昌段最小流量可达到332 m3/s和290 m3/s。由于文章篇幅限制，仅给出97%枯水下赣江南昌段调度结果，见表3。

以P=97%的典型年枯水调度为例进行分析。从表3可知，当遭遇频率P=97%的典型年时，采用正常需水量，同时保持万安水库原有运行方式，按照式(1)、式(2)计算，缺水量将达10.11 ×108m3，结果见表4。从表4可以看出:南昌段外洲水文站流量低于376 m3/s的时间分别在10月中旬至11月上旬、11月下旬至12月下旬和1月中、下旬。通过万安水库调水后，南昌段流量只能达到276 m3/s，吉安段吉安水文站最小流量135 m3/s。根据调度原则，此时调用其他水库水量对赣江中下游进行供水。江口水库在P=97%时，水库已经到死库容，已无力对下游进行供水，因此，首先对万安水库上游5个水库进行调水，在南昌段缺水时间段调入，补充万安水库入流。通过万安水库上游的5座水库对万安补水后，南昌段最小流量可达到277 m3/s。根据调度原则，再调用其他6座水库水量，在南昌段缺水时间段调入，补充南昌段河道水量。经过万安上游5座水库以及中游6座水库的调水，南昌段最小流量可达到280 m3/s，吉安段吉安水文站流量不低于135 m3/s。

表2 赣江南昌段不同频率典型年缺水情况Table 2 Water shortage in different typical years in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of different frequencies万m3

表3 赣江南昌段最小用水量情况下P=97%典型年枯水调度结果Table 3 Water regulation results in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of minimum water consumption(frequency P=97%)

当遭遇频率P=97%的典型年时，各地各部门应节约用水，均采用最小需水量，保持万安水库原有运行方式，南昌段河道流量按376 m3/s控制，按照式(1)、式(2)计算，缺水量将达8.68 ×108m3，结果见表4。从表4可以看出，南昌段外洲水文站流量低于376 m3/s的时间分别在10月中旬至11月上旬、11月下旬至12月下旬和1月中、下旬。通过万安水库调水后，由于万安水库水量有限，不能保证南昌段流量达到376 m3/s，只能达到296 m3/s，相应吉安段吉安水文站最小流量138 m3/s。根据调度原则，此时调用其他水库水量对赣江中下游进行供水。江口水库在P=97%时，水库已经到死库容，已无力对下游进行供水，因此，首先对万安水库上游5个水库进行调水。通过万安水库上游的5座水库对万安补水后，南昌段最小流量可达到296 m3/s。根据调度原则，再调用其他6座水库水量。经过万安上游5座水库以及中游6座水库的调水，南昌段最小流量可达到299 m3/s，吉安段吉安水文站流量不低于138 m3/s。

表4 赣江南昌段97%频率典型年正常用水及最小用水情况下不同时段缺水量Table 4 Calculated results of water shortage in Nanchang segment of Ganjiang River in the presence of normal and minimum water consumption(frequency P=97%) 万m3

5 结语

针对近年来赣江流域枯水年枯水季因河道径流量较少而引起的赣江沿岸地区生产生活用水安全问题，进行了赣江中下游枯水期水量调度研究。利用赣江流域中、下游主要水文站1970—2009年的径流资料，对赣江流域年、月径流变化趋势进行了分析。结果表明2003年后赣江中下游径流呈下降态势，这在一定程度上加剧了水资源供需矛盾。尤其是近几年赣江枯水位不断刷新历史最低值，枯水期水资源短缺问题更加突出，因此，有必要开展枯水期流域水量期调度。

在分析河道合理流量和水库可调水量基础上，考虑赣江中下游地区水资源、自然生态环境的实际情况和社会经济发展水平，提出赣江中下游枯水期水量调度原则与方法，制定出赣江中下游枯水调度方案，为赣江流域的水资源管理和调配提供技术支撑。然而可操作的枯水调度方案制定，是个复杂性问题，本文只是做了尝试性探讨，有许多问题值得进一步研究，如:如何准确地预测未来用水需求和各地区各行业的节水潜力，了解各部门用水弹性;如何进行全流域主要取排水口的计量管理［5－6］。

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