基于典型入库径流的水库供水预警研究—以温岭市湖漫水库为例

李其峰

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

基于典型入库径流的水库供水预警研究—以温岭市湖漫水库为例

李其峰

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

针对以水库为主水源的区域，为避免因干旱灾害在不知情或准备不足时发生，开展了水库供水预警研究。在明确了水库供水预警含义的基础上，选取蓄水量为预警指标，将水库预警线划分为2个等级、3个时期，并提出了基于典型入库径流量及过程的预警线确定方法。以温岭市城区的主要水源 — 湖漫水库为例，在确定预警期基础上，划定了水库分级分期预警线，以便更好地指导干旱期湖漫水库供水运行管理，使温岭市城区社会经济不受干旱影响，确保平稳有序度过不同程度的干旱期。

供水预警；湖漫水库；分级分期预警

1 问题的提出

干旱灾害是我国乃至世界的主要自然灾害之一。在干旱分类上，目前比较公认的是美国气象学会提出将干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱等四类[1]。近年来区域性气候变化导致降水时空变化加剧，造成干旱持续时间增强，使我国本已供需矛盾突出的水资源问题变得更加严峻，干旱灾害频次和危害显著增加，因此我国更加重视抵御旱灾工作和对干旱的相关研究。干旱预警作为我国抗旱工作的首要环节，在抗旱减灾中发挥着十分重要的作用[2]。目前，关于干旱预警的研究多数是气象、农业等部门从行业特点出发，提出一系列关于气象干旱、农业干旱的预警方法，整体上侧重于区域旱情整体预警，具有明显的行业特征。但对具体对象进行干旱预警的研究不足，特别是针对以水循环过程中水文因子为研究对象的干旱预警研究较少，相关技术基础还比较薄弱。

水库供水预警是从水文角度表征干旱预警的一种形式。水库作为重要的蓄水工程，对保证以水库为主要水源区域的供水安全起着极其重要的作用。为应对可能发生的持续干旱，水库蓄水量需保持在一定的水平上，这就需要明确水库蓄水量下降到何种程度时应作出预警。因此，建立以水库水源为主体的预警机制，实行水库供水预警管理，主动应对可能发生影响用水对象正常用水的干旱事件，对保障城乡供水安全具有十分重要的意义。

目前水库供水预警研究有水库供水风险研究、水库可供水量警戒线划定、旱限水位确定等。目前学者对水库供水风险的研究，主要集中在供水风险指标的定义与选取、指标间的相互作用与影响以及供水风险的评价与管理等方面[3-4]，通过选取合适指标建立供水风险分析多目标模型，分析存在的供水风险，提出解决措施。该类研究方法相对复杂，需建立较为复杂的模型，在实际水库调度管理中应用还有一定差距。水库可供水量警戒线划定以曹升乐等学者提出针对山东省的水库可供水量警戒线为代表，以假定水库在未来时段没有入库径流量情况下分3个月、2个月、1个月确定黄色、橙色、红色等三条警戒线[5-6]。该方法对降雨量考虑相对简单，比较适用于北方年内连续少雨的情况，但对于南方，特别是浙江省年内、年际降雨分布差异较大，用该方法划定的警戒线水位偏高，易发生“空报”情况。旱限水位确定是以国家防汛抗旱指挥部办公室发布的《旱限水位（流量）确定方法》文件为指导，在全国得到普遍推广使用。水库旱限水位是以逐月或数月滑动计算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，并考虑库内取水设施高程等因素，综合分析确定。在实际工作中水库多数是全年使用单一旱限水位，确定的标准较高，虽然能够保证干旱时期用水对象用水安全，但难以体现入库径流量年内差异以及对不同用水对象的供水控制管理。

本次研究提出水库供水预警含义、预警指标以及预警线表现形式，并参考旱限水位确定方法，提出基于典型入库径流的分级分期预警指标阈值确定方法。以温岭市城区主要水源湖漫水库为研究对象，以长系列水库入库径流量、供水区用水量等数据为基础，得出湖漫水库分级分期预警指标阈值，划定水库供水预警线，为水库干旱期兴利调度提供依据，更好地指导干旱期水库供水管理工作。

2 水库供水预警研究

2.1 供水预警含义

目前采用水文方法开展干旱预警研究相对较少，其中具有代表性的是刘宁提出的采用水文方法开展干旱预警，其定义为通过监控供水水源及用水对象需水状况，当用水对象干旱缺水程度达到预警阈值时，发布预警信息，提早采取抗旱应急措施，最大程度地减轻旱灾损失[2]。本次研究参考上述干旱预警定义，界定水库供水预警含义为遇特殊干旱年或持续干旱期，通过监测与水库相关的指标，当该指标降低至某一预警阈值时，向相关部门发出紧急信号，报告危险情况，以避免缺水在不知情或准备不足的情况下发生，从而最大程度地减轻因缺水而造成损失的行为。

根据水库供水预警含义，一般情况下水库发出预警信号是基于判断水库相关指标达到某一预警阈值，可能难以满足未来一段时间内发生持续干旱情况下的用水需求。本次研究界定 “未来一段时间”为预警期，该预警期是确定预警阈值的关键因素。一般情况下，预警期越长，预警的参考意义和应用价值越大，但预警准确性越低，造成水资源闲置，使其不能得到充分利用[7]。本文通过对比分析天然径流量与用水对象需水量确定水库供水预警期。

2.2 预警指标及阈值

根据干旱预警水文指标选取的原则，选取的指标应具有代表性较强、可监测分析、能够模拟预测等特点。一般针对地表水的水文指标有流量、水文、入库径流量、蓄水量等。水库供水预警是以水库为主体，与之相关的指标有入库径流量、蓄水量等。水库蓄水量指标更加直观、易监测，因此本次研究选取蓄水量作为预警指标。

水库供水预警指标阈值是表征水库蓄水量满足供水对象一定程度需水要求的临界值，是以水库蓄水量变化为研究对象，采用特定供水对象不同保证程度下的用水需求作为截断水平，通过水库供水量与供水对象需水量的供需分析，取蓄水量的临界值。

水库供水对象包括城乡生活、工业、农业等不同类型用水户，由于不同用水户的重要程度不同，其供水优先等级有差异[8]。为体现水库对不同用水对象供水保障的优先次序，确定分级预警指标阈值在实际工作中更有指导意义。通过划分水库供水预警指标阈值等级，使水库蓄水量达到不同标准时，对不同用水对象进行限制供水，以满足重要程度较高用户的用水需求，更好地指导干旱期水库供水调度管理。基于此，本次研究将供水预警指标阈值分为2个等级，由低到高分别用橙色、红色表示。

由于水库入库径流量年内差异较大以及用水对象季节性用水有所不同，如果全年采用单一供水预警指标阈值，可能导致枯水时预警指标阈值以下蓄水不使用，丰水时产生大量弃水，影响水资源高效利用，限制水库调蓄能力的正常发挥[9]。因此，确定分期预警指标阈值在实际中更为合理。结合研究实例中水库入库径流量年内分布（见表2）可以看出，多年平均情况下4 — 6月、7 — 9月、10月至次年3月3个时期水库月平均入库径流量分别为365万，450万，147万m3，入库径流量总量分别占全年入库径流量的33.0%、40.6%、26.5%。结合水库所在区域降雨成因，可以看出水库入库径流量明显呈现梅汛期（4 — 6月）、台汛期（7 — 9月）和平水期（10月至次年3月）3个分期的特点。因此，本文将供水预警指标阈值按照水库入库径流量年内分布特点分为3个时期。

在确定以水库蓄水量作为供水预警指标的基础上，分级分期确定水库供水预警指标阈值。

2.3 供水预警线及表现形式

供水预警线是指根据发出预警信号的水库供水预警指标阈值而确定的参考线，包括橙色预警线和红色预警线。分级分期供水预警线表征的含义如下：①橙色预警线为较低级别预警，该等级预警线是以满足生活用水量、工业及三产用水量、损失水量为截断水平，经供需分析确定水库蓄水量阈值；②红色预警线为较高级别预警，该等级预警线是以满足生活用水量、损失水量为截断水平，经供需分析确定水库蓄水量阈值。

考虑到水库供水预警是为促进水库更好地做好供水调度管理，而现状水库供水调度规则多数由不同形式的供水调度图或调度函数表示[10]。因此，为便于调度运行，本次水库供水预警线以图形表示，分为2个等级、每一等级分为3个分期。分级分期供水预警线形式示意见图1。

图1 水库分级分期供水预警线示意图

2.4 指标阈值确定方法

2.4.1 基本思路

参考国家防汛抗旱总指挥部发布的水库旱限水位确定方法，提出确定基于典型入库径流的水库供水预警指标阈值的基本思路和计算方法。在确定水库供水预警期、典型入库径流量过程、不同等级截断水平基础上，以预警期为计算时 长，逐月滑动计算，得出若干组各月水库供水预警指标阈值，按照分级、分期预警等级划分要求，统计得到分级分期预警指标阈值。具体计算过程如下：

第1步，确定水库供水预警期。采用天然水文干旱分析法，对水库长系列入库径流量过程，以生活和工业用水量为截断水平，经逐月对比分析，得出每年连续月入库径流量小于截断水平的月数最大值系列。选取生活和工业供水量保证率为95%，统计分析月数系列，剔除占总年数5%的月数较大的年度，选取剩余年系列中月数最大值作为水库供水预警期。

第2步，确定典型入库径流量过程。在明确截断水平的前提下，水库入库径流量是影响预警指标阈值的最主要因素，因此，典型入库径流量过程对确定预警指标阈值更有意义。当实测长系列大于30 a时，从中选择典型入库径流量过程，如果实测系列不足时，则生成设计入库径流量过程。长系列中选择典型入库径流量过程方法为：以第1步中剩余年系列为基础，选择包含月数值等于或略低于供水预警期的3 ～ 5个年度入库径流量过程作为 典型入库径流量过程。

第3步，计算各月预警指标阈值。根据确定预警期、选择典型入库径流量过程以及不同等级下的截断水平，以预警期为计算时长，逐月滑动计算，得出各月水库供水预警指标阈值。在计算某一月份水库预警指标阈值时，当该月后续月数少于预警期时，则用次年月入库径流量过程补齐。

第4步，确定分级分期预警指标阈值。统计分析各月预警指标阈值，选择月预警指标阈值之和最大的年份作为确定预警指标阈值的代表年。按照不同等级的截断水平，确定分级预警指标阈值，同时按照各分期包含的月份，取各期内月平均值作为该期预警指标阈值。

2.4.2 计算方程

（1）各月水库预警指标阈值（蓄水量）方程：

（2）分级分期预警指标阈值方程：

式中：Vn′(m)为第n级预警线第m期对应蓄水量（万m3），其中n = 1，2分别为橙色预警线、红色预警线，m = 1， 2，3分别为梅汛期、台汛期、平水期；为第n级预警线第T0年第t时段预警指标阈值（万m3），T0为确定预警指标阈值的代表年。

3 实例应用

3.1 研究对象基本情况

温岭市地处浙江东南沿海，全市陆域面积926 km2，地势自西和西南向东渐倾，西部和西南部为海拔100 ～ 250 m的低山丘陵，北部、中部和东部为平原。温岭市属于中亚热带季风气候，气候温和，温湿适中，雨量充沛，年平均降雨量为1 649.6 mm，全年3 — 6月和8 — 9月为2个明显的雨期，夏秋2季受副热带高压控制，晴热无雨易造成干旱。

湖漫水库位于温岭市东南部，水库集雨面积32.48 km2，总库容3 503万m3，是1座年调节型水库。湖漫水库是温岭市最大的水库，随着城区经济社会发展用水量增加，主要功能由兴利转为城乡供水。水库特征参数见表1。

表1 湖漫水库特征参数表

湖漫水库作为温岭市最重要的供水水库，承担城区南部城乡生活和工业供水任务，对水库供水保障能力要求很高。为保障在遇持续干旱情况下城乡供水安全，能够对可能发生的供水紧张局面作出预警，及早采取应对措施。因此，开展湖漫水库供水预警研究对于温岭市城区供水安全至关重要。

3.2 相关参数计算

湖漫水库入库径流量根据水库实测资料得到，系列为1964 — 2009年。水库水量损失主要有蒸发损失和渗漏损失，其中，蒸发损失根据水面蒸发观测资料和多年平均水面面积确定，渗漏损失根据水文地质条件，选用经验数据，取蓄水量的0.3%。用水量主要是湖漫水库供水区内生活、工业及三产等用水量，采用现状湖漫水库取水水厂的供水数据。

湖漫水库入库径流量、损失水量、供水区用水量等相关参数统计成果见表2。

表2 湖漫水库相关参数统计成果表 万m3

3.3 预警指标阈值分析

3.3.1 预警期分析

根据湖漫水库长系列入库径流量、用水量、损失水量等数据，采用预警期确定方法，以用水量和损失水量为截断水平，分析湖漫水库每年连续入库径流量小于截断水平之和的月数最大值，得出每年月数最大值系列成果见表3。

表3 湖漫水库年连续缺水月数最大值统计表

从表3可以看出，连续入库径流量小于截断水平之和的月数最大值为2000年的12个月，其次是1964年的11个月。按照生活和工业供水量95.0%保证率，剔除上述月数较大的2 a，选取剩余年系列中月数最大值，可以得出湖漫水库供水预警期为9个月。

3.3.2 分期分级预警指标阈值分析

根据水库供水预警指标阈值确定基本思路及计算方法，得出湖漫水库分期分级预警指标阈值（水库蓄水量,见表4和图2）。

表4 湖漫水库供水预警指标阈值成果表 万m3

图2 湖漫水库供水预警线成果图

分析湖漫水库供水预警线成果可以得出：

（1）梅汛期（4 — 6月），橙色预警线、红色预警线分别对应的预警指标阈值为1 640万，790万m3。

（2）台汛期（7 — 9月），橙色预警线、红色预警线分别对应的预警指标阈值为1 750万，940万m3。

（3）平水期（10月至次年3月），橙色预警线、红色预警线分别对应的预警指标阈值为1 580万，760万m3。

3.4 预警响应启动

预警响应是指水库发出预警信息后采取的减少可能因干旱导致损失的行为。水库供水预警指标阈值是以一定系列历史入库径流量资料为基础确定的，由于未来面临降水的不确定性，因此，水库供水预警线仅是启动应急响应的重要依据，并非充分条件。水库供水预警响应启动还需进一步对比气象部门预测的未来预警期内降水量与预警期分析中相关年份降雨量，以确定是否启动限制供水、增加外调水等应急抗旱措施。

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（责任编辑 郎忘忧）

Study on the Warning of Water Supply for the Reservoir Based on the Typical Reservoir Runoff

LI Qi - feng
(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

In view of the areas using reservoirs as major water sources，the early warning to reservoir storage is needed in order to take measures ahead of the water shortage. This paper de fi ned early warning of water storage，selected storage capacity as early warning indicators which are divided into three periods of the two grades，and put forward the method to determine the staging and grading threshold of the warning index on the base of the runoff into the reservoir. This paper took Human Reservoir, the main water source of the urban area in Wen-ling city，as research object，identi fi ed the staging and grading threshold of the warning index which is based on the speci fi c period of early warning. The results of this study can guide water supply operation management of Human Reservoir during the drought period，so that the urban area would not be unduly in fl uenced by the lack of water in terms of the economy and society，and it can get through different degrees of drought period smoothly.

the warning of water supply；Human Reservoir；the staging and grading of the warning index

TV679.1

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0064 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.021

2016-05-16

国家自然科学基金项目（50809063）；浙江省科技计划项目（2015F30023）；浙江省水利厅科技计划项目（RC1525）。

李其峰(1986 - )，男，工程师，硕士，主要从事水资源配置与规划研究。E - mail：leeqifeng2004@163.com