持续干旱低水位工况下水库综合调度方法研究

□冯林松 □胡 江

（1河南省防汛抗旱办公室；2南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室）

0 引言

全球气候变化和变异加大了极端水文气候事件的频次和强度[1-2]。受其影响，我国近年气候变化反常，极度干旱频次增加、范围扩大、损失加重，如：2009年秋至2010年初，西南地区遭受严重旱情，发生有气象记录以来最严重秋、冬、春连旱；2013年夏，长江以南大部地区出现历史罕见持续高温少雨天气，江南大部、华南北部极端最高气温和平均气温均超历史最高记录，酷热天气数为近50a之最；2014年，河南省遭遇63a来最严重的“夏旱”，中西部和北部部分地区遭遇严重旱情。

极端干旱天气导致水库水位多接近死水位或处于死水位以下，进而破坏大坝防渗体系的连续性和完整性，影响大坝运用和安全[3-4]。同时，水库作为地表集中式饮用水水源地，承担着提供生活用水、工业用水及农业灌溉用水任务。尤其是部分北方地区城市主要依赖于水库供水。可见，极端干旱条件下水库大坝工程安全和供水矛盾十分突出。然而，应对持续干旱、低水位的水库运用决策方法研究成果不多，已有研究主要集中在考虑库容供求平衡的旱限制水位研究方面[5-7]，国家防办制定了《旱限水位（流量）确定办法》，并出台文件要求具体实施，为抗旱决策提供了一定依据。然而，上述成果缺乏对工程安全本身的关注，亟待开展综合决策方法的研究。

为此，文章提出应对持续干旱、低水位工况的水库运用综合决策方法，主要包括现状库容估算、基于实测资料的大坝安全评判、基于数值仿真计算的大坝安全预测及综合决策等，以2014年昭平台水库应急决策为例展开研究，为类似工程决策提供参考。

1 工程概况

昭平台水库位于淮河流域沙颍河水系沙河干流上，坝址位于河南省平顶山市鲁山县城以西12km。水库于1959年6月基本建成，控制流域面积1430km2，最大库容，总库容7.13亿m3，为大（2）型水利工程，是当地重要水源地。主坝为粘土斜墙沙壳坝，坝长2315m，最大坝高35.50m，坝顶高程181.80m，防浪墙顶高程183.00m，顶宽7.00m，净宽6.40m。水库的特征水位如表1所列。

表1 昭平台水库特征水位值表

水库多年平均来水6.07亿m3，但2013年全年来水仅1.45亿m3，为多年平均的23.9%。2014年1-8月共来水3816万m3，为建库以来同期最少，遭遇了2013、2014年连续干旱少雨的不利状况。2014年5月27日，水库水位162.04m，按最近测绘的库容曲线，蓄水量7520万m3，死库容以上水量3920万m3，后向市区应急供水2062万m3；截止到9月1日，水库水位159.60m，基本接近死水位159.00m，相应库容4241万m3，死库容以上水量659万m3。同时，中长期预报近期无明显降雨过程。按当时日应急供水8.33万m3、日蒸发4万m3、渗漏4.43万m3计算，平均日消耗16.76万m3，死库容以上库容仅能维持供水39d，至10月9日。为保证鲁山县居民生活用水，亟需动用昭平台水库死库容。但是，动用死库容涉及库水位控制、大坝安全等诸多问题，需开展应急决策研究。

2 应对持续干旱低水位的水库综合调度

2.1 库容曲线估算

根据《旱限水位（流量）确定办法》，水库旱限水位确定应以逐月或数月滑动计算的水库应供水量与死库容之和最大值所对应的水库水位作为依据。可见，旱限水位确定的标准较高，不能作为持续干旱低水位下水库应急供水的决策依据。

1958年水库建成及1987年测量的库容曲线如图1所示。可见，水库两条库容曲线的差值在175.00m高程以上趋于稳定，死库容淤积占总量的61%。自1987年第二次库容淤积测量以来，已近30年。期间，2001年进行了淤积测量，但测量成果未批复。2002年至今的淤积情况测量数据缺少，为此，需粗略估算当前库容。具体方法是：①参考1988-2001年水库死水位以下淤积量532.80万m3，估算2002年以来的死水位以下累计淤积量；②确定水库相对淤积深度—相对淤积量间的关系；③推算当前死水位下的水位—库容曲线。

图1 昭平台水库库容曲线图

根据文献，忽略其他驱动因子如人类活动等和降雨量大小的影响，水库淤积量（土壤流失量）与主要自然驱动因子即汛期洪水量（侵蚀性降雨）呈较好的线性相关性。1988-2001年汛期来水量为48.73亿m3，2002-2013年汛期来水量约为39.21亿m3。据此粗略估计得到2002年第3次测量以后水库死水位淤积约为428万m3。

按下式对1958年、1987年两次库容曲线测量的结果进行拟合：

式中：C为水库底高程，m；V为水库库容，m3；Z为水库水位，m；a、b为拟合系数。

进一步转换上式可得：

绘制得到ln(Z-C)～lnV曲线，如图2所示。据此，假定式中拟合系数a、b不变，进而，可由1990年-2014年的累计淤积量，推算得到2014年的相对库底—库容曲线，同样绘制于图2中。1987年实测死水位下库容曲线和2014年估算的库容曲线对比如图3所示。

图2 ln(Z-C)～lnV曲线图

图3 1987年实测和2014年估算的死水位下库容曲线对比图

根据1987年的测量结果，水位淤积高程约为150.00m；159.60m对应的库容约为4241万m3；死水位159.00m对应的库容约为3582万m3；159.60～159.00m高程的库容约为659万m3；水位158.70，158.50m对应的库容分别约为3305，3120万m3，159.00～158.70m、159.00～158.50m的库容分别约为277，462万m3。根据本次推算结果，水库淤积高程约150.25；159.60m对应的库容约为3160万m3；死水位159.00m对应的库容约为2630万m3；159.60～159.00m的库容约为530万m3；水位158.70，158.50m对应的库容分别约为2390，2230万m3，159.00～158.70m、159.00～158.50m的库容分别约为240，400万m3。

根据前文所述的日消耗量，结合推算得到的库容曲线，死水位以上的库容仅能供水31d（即至2014年10月1日），比按1987年成果计算少8d。考虑到短期（至10月初）流域内持续干旱、无明显降雨的极端工况，计算得到保持当前供水量、暂停全部工业用水下（日消耗量约为10.24万m3）两种方案下的水位下降的速度。若保持供水量不变，2014年10月25日库水位下降至158.50m，年底降至156.75m。若暂停全部工业用水，2014年10月18日降至159.00m。

由此可见，昭平台水库现有库容下可用水量较少，保持当前供水量，将导致库水位显著下降；而采取暂停工业供水的方案，可在一定程度上保障居民生活用水。为此，进一步结合工程安全监测实测资料，分析判断工程安全性。

2.2 基于实测资料的工程安全性态分析

对土石坝的渗流监测资料进行分析，可了解坝体的防渗体系的有效性。尤其是坝身防渗体系裂缝和缺陷的空间位置是不确定的，而渗流量的大小可反映一定范围的渗透性能的改变状况，为此，对昭平台水库大坝的渗流量进行跟踪分析。拦河坝共设12个渗流观测断面，典型测压管布置见图4。渗流量监测为量水堰，设在坝下0+600处。

图4 横断面测压管布置图

重点分析2014年的监测数据，分别绘制浸润线测压管水位过程线和测压管水位与库水位相关关系图，以0+804断面测压管资料为例，过程线如图5所示，2014年年初至2014年4月15日，库水位从161.72m下降至161.28m，下降了0.44m，管水位由147.72m下降至147.49m，下降了0.23m；之后，由于降雨，2014年5月25日库水位上升到162.05m，管水位有一定的波动；随后，进入持续的干旱无雨期，2014年8月26日，库水位降低至159.60m，管水位由147.41m变化为147.45m。进一步对库水位和管水位进行相关性分析，得到的相关关系如图6。可看出，库水位和斜墙后的测压管水位相关关系不显著，在0.70以下，表明粘土斜墙和水平铺盖形成的防渗体系防渗效果较好。通过斜墙和铺盖水头损失达80%，证明主坝防渗体系效果仍然较好。

图5 0+804断面测压管2014年实测值过程线

图6 0+804断面库水位和测压管水位进行相关性分析图

量水堰过程线如图7所示，由于2014年库水位维持在较低水位、一个较小幅度内波动，渗漏量测值与库水位变化趋势大体相同，总体看，渗漏量较小，最大为年初时的35.90L/s，但渗漏量相对波动较大；库水位和渗漏量存在一定的相关性，相关系数为0.56。

图7 拦河坝渗漏量过程线图

综上，测压管测值主要受库水位变化影响，但由于粘土内的水压消散较慢，测值变化滞后于库水位变化；由于库水位较低，测压管测值较小，且相对波动较大；测压管测值和库水位的统计相关性不显著，表明粘土斜墙和水平铺盖组成的防渗体系效果较好。主坝渗流量与库水位有关，渗漏量较小。

2.3 坝坡抗滑稳定复核

结合实测资料，采用有限元法计算分析当前工况、各种可能工况及可能遭遇极端工况（极端干旱、旱涝急转）下上、下游坝坡稳定性。同时，为更好地反映当前大坝实际性态、预测水位持续下降后性态，根据实际库水位动态变化过程和渗流分析结果，确定坝体的孔隙水压力分布，耦合渗流分析结果，采用有效应力法计算复核各种工况下上、下游坝坡的稳定性。

根据地勘资料，确定各区域稳定计算物理指标、抗剪强度指标，见表2。坝坡稳定分析计算工况在渗流分析的工况上增加极端干旱工况，即计算工况包括2014年动态变化过程、当前水位、死水位、动用死库容、动用死库容后库水位急剧上涨、极端干旱等6种。下游水位近似取下游排水沟底或地面高程，在稳定渗流期以及库水位快速降落期，孔隙水压力根据渗流分析确定。选取的计算工况具体如表3所列。采用图8所示的有限元模型，结果如表3所列。可看出，各工况下的上、下游坝坡整体安全系数均大于规范允许值。

图8 有限元网格模型图

表2 稳定分析选用物理力学指标参数表

表3 坝坡稳定计算成果表

3 结论和应急对策

文章提出了应对持续干旱、低水位的水库运用综合决策方法，并以2014年昭平台水库应急对策决策为例，分别估算了昭平台死水位以下的库容曲线，综合监测资料分析和复核计算，分析了当前工况、动用死库容工况和可能极端工况（极端干旱、旱涝急转等）下坝坡稳定性，具体说明了方法的可行性和科学性。主要得到以下结论和对策：一是旱限水位为一个单一值，对持续干旱、低水位工况，旱限水位标准偏高，而需要灵活采用应急决策方法。二是考虑到中长期流域内持续干旱、无明显降雨的极端工况，保持当前供水量，将导致库水位显著下降；而采取暂停工业供水的方案，可在一定程度上保障居民生活用水。三是水库当前安全状态尚好，持续干旱下水库大坝上、下游坡安全系数均大于规范允许值。但当库水位为死水位和动用死库容时，是坝体运行的较不利工况。同时，库水位持续下降导致粘土铺盖和大坝上游无护砌坝坡裸露，持续干旱易导致坝面产生大范围的裂缝，使铺盖失效，影响坝基渗流安全，危及大坝安全。因此，为了保证工程安全，短期内库水位不宜低于死水位159.00m；中期内仍无明显降雨，库水位不宜低于158.50m，以确保主坝水平铺盖不发生大面积裸露；形成分布裂缝破坏坝基防渗体系，诱发渗透破坏失事。四是近年来，我国干旱灾害加重，研究可为持续干旱、低水位工况下水库运用综合决策提供参考。

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