基于常见供水格局的水库群供水预警及响应策略研究

李其峰，温进化，李冬晓，付意成，冯 健

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310023；3.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038）

基于常见供水格局的水库群供水预警及响应策略研究

李其峰1，温进化1，李冬晓2，付意成3，冯 健3

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310023；3.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038）

随着区域经济社会发展对用水量需求的增加，区域内逐渐形成多水库供水格局。本文针对一种常见的水库群供水格局开展供水预警研究，给出供水预警含义、预警指标及预警线形式、分级分期预警指标阈值确定方法和预警响应策略等。以缺水区域缺水量最小为目标，提出以水库蓄水量为控制指标的分级分期预警体系：即划定不同等级预警线，按照不同分期对预警线进行细化；基于长系列逆时序法供需计算确定预警指标；依据水库预警线确定水库群调水和供水规则，实现多水库联合调度。并以永康市三座中型水库组成的水库群为例，进行水库区供水预警及响应策略的实际应用。研究成果为水库调度决策部门提供了新的调度思路，为干旱期水库群供水运行管理提供依据。

供水预警；预警线；预警响应；水库群；干旱预警

1 研究背景

干旱灾害是影响我国的主要自然灾害之一。一直以来，我国对抗旱工作十分重视，干旱管理逐步从被动抗旱、应急抗旱向主动防旱、常规抗旱转变，干旱风险管理理念逐渐被重视起来。干旱预警作为抗旱工作的首要环节，在抗旱减灾中发挥着十分重要作用［1］。目前，干旱预警研究多为气象干旱或农业干旱预警，提出的预警指标、响应措施等研究成果具有明显行业特征。而对具体对象，尤其是以水循环过程中水文因子为对象的干旱预警研究相对较少，相关技术基础工作较为薄弱。

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长，使我国供需矛盾本已突出的水资源问题更加严峻，干旱灾害发生频次和危害在显著增加，特别是对城乡供水安全危害更大。从减轻因旱损失的角度来看，国内研究成果及水资源管理实践均表明，区域内极少数时段的较大深度缺水，对经济社会往往产生极大的破坏深度［2］。而连续若干个时段较小或轻微的缺水或者单一时段适当程度的供水破坏，在采取有效的供水应急预案和经济社会用水管控措施后，其破坏程度将大大减轻［3］。在现状河道水、地下水等水质不乐观的情况下，水库作为区域内重要优质水源，同时也是水循环过程中的重要节点，其蓄水量的多少对区域供水安全影响较大。因此，针对以水库为主要水源的区域，以水库蓄水量为研究对象开展干旱预警管理，及早采取供水应急措施，尽量避免持续干旱造成的缺水深度破坏，对区域供水安全具有十分重要意义。在区域经济社会发展造成的用水量增加的情况下，为满足用水量需求，多水库水源联合供水的城区格局逐渐形成。基于此，以水库群蓄水量作为研究对象进行干旱预警管理工作由此开展。

目前，水库群供水预警相关研究主要有单个水库可供水量警戒线划定和旱限水位确定、水库群供水风险研究等。单个水库可供水量警戒线划定相关研究以曹升乐等［4-5］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来水量情况下分3个月、2个月、1个月确定黄色、橙色、红色3条警戒线。该方法对降雨量考虑相对简单，比较适用于北方年内常连续少雨情况，但在南方年内、年际降雨分布差异较大的情况下，通过该方法划定的警戒线水位偏高，易发生“空报”情况。单个水库旱限水位的确定主要按照《旱限水位（流量）确定方法》要求，为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，但难以体现来水量年内差异以及对不同用水对象的供水控制管理。水库群联合供水调度受到水库来水条件、供水区需水情况等不确定因素影响，同时，水库供水调度还应充分考虑调度的实时性、供水风险和面临时段的径流变化［6-9］。针对以上不足，学者针对水库群调度、供水风险等问题结合研究区实际情况进行不同层次的研究。郭旭宁等［10］采用层次分析法确定不同用水户各风险指标的权重，计算水库群供水风险综合评价指标，提出探讨水库群供水能力与风险分析的一般框架；黄强等［11］提出水库群供水调度预警系统，将水库群供水调度操作规线与供水计划相结合，借助水库群现状水势指标和未来时段内的缺水量指标确定水库群供水调度的风险程度及可采取的应变措施；万芳等［12］建立水库供水预警系统，制定不同水情下的供水调度策略，对水库群供水计划进行整体的风险评价，根据预警灯号做出相应的应变措施；郭旭宁等［13］为有效描述和求解跨流域水库群最优调供水过程，建立了基于0-1规划方法的水库群最优化调度模型；周惠成等［14］根据葠窝水库具备的自动测报和洪水预报调度条件，运用水库防洪预报调度规划理论，研究在观音阁水库和汤河水库实施常规调度方式时葠窝水库的防洪预报调度方式及其规则。上述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及供水风险的评价与管理等方面，研究方法相对复杂，需建立较为复杂的模型，在实际多个水库水源调度管理中应用存在一定困难。

本文在给出水库群供水预警含义、预警线形式、分级分期预警指标阈值确定方法以及水库群供水预警响应机制等内容的基础上，针对一种常见的多水库水源形成的水库群供水格局，以永康市3座中型水库组成的水库群为例，划定供水预警线，能够使水库群面临可能发生的持续干旱时提前发出预警信息，指导水库群调整供水调度策略，便于更好的应对可能发生干旱灾害。

2 预警含义

为使研究问题具有代表意义并考虑研究实例中的水库群供水格局特征，现针对图1所示的供水格局，开展水库群供水预警研究。图1供水系统中共有3座水库、3个供水分区，水库A、B、C分别是供水分区a、b、c的主要供水水源，同时水库B、C也是供水分区a的次要供水水源，对供水分区a进行补充供水。供水分区a是多水源供水区，供水分区b和供水分区c是单水源供水区。

本文界定水库群供水预警指遇特殊干旱年或持续干旱期，以蓄水量为预警指标，当水库群总蓄水量或水库群中单个水库蓄水量降低至某一运行水平时，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，从而最大程度减轻因缺水而造成损失的行为。

根据水库群供水预警的定义，水库群启动预警往往是蓄水量很大程度上难以满足未来一定时段的用水需求。一般情况下预警期时段长度越短，预警的准确性越高，但实际指导意义不足。因此，本次预警期时段长度选择上兼顾预警准确和实际应用性，选择一个年度作为预警期。

3 预警指标及预警线

3.1预警指标阈值水库群供水预警是以蓄水量作为预警指标，而预警指标阈值是表征水库群或单个水库蓄水量满足供水对象一定程度需水要求的临界值。由于水库群供水对象包括城乡生活、工业、农业等不同类型用水对象且不同用水对象的重要程度不同，为体现水库群对不同用水对象供水保障的优先次序，结合研究区用水对象类别，将预警期内预警指标阈值分为3个等级，等级由低到高分别用蓝色、橙色、红色表示。同时，考虑到水库来水量在预警期内差异显著以及用水对象季节性用水有所不同，结合研究实例中水库来水量年内分布呈现明显的梅汛期（4—6月）、台汛期（7—9月）和平水期（10—次年3月）等特点，本文将预警期内预警指标阈值按上述分期分为3个时期。

3.2供水预警线供水预警线是指根据发出预警信号的水库群或单个水库供水预警指标阈值而确定的参考线。按照预警期内的分级分期预警指标阈值，提出预警线标准和形式如下。

（1）蓝色预警线。为较低级别预警，该等级预警线是在考虑水库蒸发、渗漏等损失水量基础上，水库群或水库群中单个水库可供水量恰好满足供水区生活、工业以及农业用水时对应的蓄水量。

（2）橙色预警线。为中等级别预警，该等级预警线是在考虑水库蒸发、渗漏等损失水量基础上，水库群或水库群中单个水库可供水量恰好满足供水区生活和工业用水时对应的蓄水量。

（3）红色预警线。为较高级别预警，该等级预警线是在考虑水库蒸发、渗漏等损失水量基础上，水库群或水库群中单个水库可供水量恰好满足供水区生活用水时对应的蓄水量。

不同等级供水预警线示意图见图2，图2中兴利下限库容指水库能够发挥灌溉供水功能的最低蓄水量，水库群的兴利下限库容为所有水库兴利下限库容之和。

图2 供水预警线示意

3.3预警指标阈值确定

3.3.1 基本思路 水库群供水预警指标阈值（或预警线）确定的总体思路以水库长系列来水量、供水区用水量等数据为基础，以月为时段，采用逆时序法进行逐年长系列供需分析计算，得出水库群和单个水库各月为满足预警期内用水需求应达到的蓄水量，并对长系列蓄水量结果进行数理统计，确定分级分期预警指标阈值。考虑到实例中水库群所在区域进入梅汛期后降水较为充沛，来水量远大于用水对象需水量，用水基本都能得到满足，水库群在梅汛期开始时不需预留蓄水量。基于此，本文计算确定逐年调节计算起始点为梅汛期起始月份4月，起调库容为水库兴利下限库容。

3.3.2 模型构建 针对图1中所示常见供水格局，提出供水预警指标阈值（或预警线）确定计算方程如下。

（1）水库B、C应达到的蓄水量计算方程。

以水库B为例说明计算方程：

其中，

水库C应蓄水量VCi，n(t)计算方程形式与水库B相同。

（2）水库A应达到的蓄水量计算方程。

（3）水库群应达到的蓄水量计算方程。

（4）水库群及单个水库分级分期预警指标阈值（蓄水量）计算方程。

以水库群为例说明计算方程：

水库A、水库B、水库C分级分期预警指标阈值/预警线计算方程形式与水库群相同。

4 预警响应策略

4.1预警响应启动预警响应指水库发出预警信息后采取减少可能因旱导致损失的行为［15-16］。供水预警线包括单个水库供水预警线和水库群供水预警线。由于各水库同一时期来水量、蓄水量不尽相同，上述预警线一般不会同时触及，因此按照先全局后局部、谁触发谁预警、预警等级就高不就低的原则确定以水库群预警线作为区域预警判断第一位标准，单个水库预警线作为第二位标准。具体响应优先次序的规则如下：（1）当水库群触发预警等级高于单个水库触发预警等级时，采用水库群触发的预警等级；（2）当水库群触发预警等级低于某单个水库触发预警等级时，该单个水库及对应供水区采用该水库触发的预警等级，其他采用水库群触发的预警等级。

调水时机和调水规模是决定调水规则的关键因素，两个指标的合理确定则依赖于供水系统的目标制定，即不同的供水目标会生成不同的调水规则［17］。在水库群联合调度中，调水和供水问题不能分开独立研究。根据预警指标阈值确定过程，供水预警指标阈值是以一定系列历史来水量资料为基础得出的，但往往由于未来时期面临降水不确定性，在判断水库蓄水量是否触发供水预警线基础上，预警响应是否启动还需进一步分析未来预警期内降水量与长系列中偏枯年份（对应频率为90%）降雨量。

综上，水库群启动预警响应需依次判断水库群预警等级、单个水库预警等级和预警期内降雨量预测情况。

4.2预警响应措施制定不同水情下的供水调度策略，根据预警号做出相应的应变措施，实现刚性供水计划与柔性决策的有机结合。根据供水预警线标准和形式，针对图1中所示的水库群供水格局，当水库群或单个水库蓄水量触及预警线，并判定预警期内降雨量低于偏枯年份（取90%频率）降雨量时，相应供水区应采取抗旱措施，包括可能的引调水措施、限制供水措施、应急保障措施等。本文主要提出对不同类型用水对象采取相对应的限制、停止供水措施以及分区之间的调水措施，具体措施如下。

（1）当水库群且单个水库蓄水量在蓝色预警线之上，各水库按正常兴利调度规则供水。

（2）当水库群或单个水库蓄水量降低至橙色预警线与蓝色预警线之间时，向相关供水区发布Ⅰ级预警。相关供水区要在保证生活、工业用水基础上，限制农业用水。同时，针对单水源供水区，如果其预警是由水库群触发且该供水区水库并未触发预警，则单水源供水区对应的水源按原有供水计划或适当加大力度向多水源供水区供水，否则停止向多水源供水区供水。

（3）当水库群或单个水库蓄水量降低至橙色预警线与红色预警线之间时，向相关供水区发布Ⅱ级预警。相关供水区要在保证生活用水基础上，限制工业供水量，停止农业用水。同时考虑到水库群触发Ⅱ级预警时全区域总体供水量不足，针对单水源供水区，如果其预警是由水库群触发且该供水区水库并未触发预警，则单水源供水区对应的水源限制向多水源供水区供水，否则停止向多水源供水区供水。

（4）当水库群或单个水库蓄水量降低至红色预警线下时，向相关供水区发布Ⅲ级预警。相关供水区要限制生活用水，停止工业和农业用水。同时考虑到水库群触发Ⅲ级预警时全区域供水量严重不足，针对单水源供水区，如果其预警是由水库群触发且该供水区水库并未触发预警，则单水源供水区对应的水源限制向多水源供水区供水，否则停止向多水源供水区供水。

5 实例研究

5.1研究区概况永康市位于浙江省中部、钱塘江流域上游，总面积1 049 km2。永康市地处中亚热带季风气候区，雨量充沛，多年平均降水量1 483 mm。但永康市降水时空分布不均，呈现东北、西北多雨、中部少雨和年际、年内变化均较大的特点，其中最大年降水量为最小年降水量的2.08倍，年内降水多集中在4—7月，占全年降水量的62%。

永康市现状城乡供水以水库为主要水源，水库供水量占总供水量的70%以上，水库在维护永康市供水安全上起着十分重要的作用。目前永康市主要水库水源为域内3座中型水库，分别为杨溪水库、太平水库和三渡溪水库，其中杨溪水库是城区的主要水源。近年来，随着城区用水量需求增加，太平水库和三渡溪水库在保障原供水区用水基础上也逐步开始向城区供水，故城区形成了多水源供水格局。永康市水库群供水格局概化见图3，3座水库特性参数见表1。

图3 永康市水库群供水系统概化

表1 水库特性参数

5.2预警指标阈值确定

5.2.1 基础数据 根据预警指标阈值（或预警线）确定方法，水库群预警指标阈值确定所需基础数据主要包括水库长系列来水量、各供水区生活、工业和农业用水量、水库蒸发和渗漏损失水量等。其中，水库来水量采用实测水文资料确定；生活和工业用水量根据水厂供水量确定，农业用水量根据区域灌溉用水定额和水库灌溉面积计算确定；水库蒸发损失量根据水库水面蒸发观测资料和水面面积确定；水库渗漏损失水量根据水文地质条件，选用经验数据。据此，本文得出永康市3座水库来水量、蒸发损失水量、供水区用水量成果，多年平均情况下的结果统计见表2、表3。

5.2.2 预警指标阈值计算 根据永康市3座水库长系列来水量、供水区行业用水量等基础数据，采用式（1）—式（5），计算得出3座水库及水库群不同等级、不同时期下的蓄水量，继而确定水库群分级分期预警指标阈值，划定水库群供水预警线成果，见表4、图4。

表2 水库来水量及损失水量 （单位：万m3）

表3 供水区用水量 （单位：万m3）

表4 永康市水库群供水预警线划定结果 （单位：万m3）

5.3预警响应永康市根据水库群和单个水库供水预警线，依据上述计算开展相应水库调度运行管理工作。本文以梅汛期间水库群预警响应为例说明预警响应的优先序及措施。

（1）当水库群且杨溪水库、太平水库、三渡溪水库的蓄水量均在蓝色预警线之上，各水库按照正常兴利调度规则进行供水。

（2）当水库群蓄水量下降至5 380万m3以下时，并判定未来预警期内降雨量低于偏枯年份降雨量时，启动全区域蓝色预警管理，各供水区在保证生活、工业用水基础上，限制农业供水。

在全区启动蓝色预警下，如果太平水库或三渡溪水库并未触发预警时，则上述水库按日常供水计划向城区供水，否则停止向城区供水。此外，如果当杨溪水库、太平水库或三渡溪水库触发的预警等级高于蓝色预警时，各水库对应的主要供水区按高于蓝色等级启动预警，采取相对应的限制或停止供水措施。

（3）当水库群蓄水量下降至4 060万m3以下时，并判定未来预警期内降雨量低于偏枯年份降雨量时，启动全区域橙色预警管理，各供水区在保证生活用水基础上，限制工业用水，停止农业用水。

在全区启动黄色预警下，如果太平水库或三渡溪水库并未触发预警时，则上述水库限制向城区供水，否则停止向城区供水。此外，当杨溪水库、太平水库或三渡溪水库触发红色预警时，各水库对应的主要供水区启动红色预警，采取相对应的限制或停止供水措施。

图4 永康市水库群供水预警线

（4）当水库群蓄水量下降至3 150万m3以下时，并判定未来预警期内降雨量低于偏枯年份降雨量时，启动全区域红色预警管理，各供水区限制生活用水，停止工业、农业用水。

在全区启动红色预警下，如果太平水库或三渡溪水库并未触发任何等级预警时，则上述水库限制向城区供水，否则停止向城区供水。

依据上述研究成果，永康市内重点水库建立了水库群供水预警线及响应机制，促进了水库群兴利调度的精细化管理水平提升。当永康市遭遇持续干旱时，重点水库能够及早采取应对措施，在很大程度上避免了深度缺水情况的发生，减轻了因灾损失及深度缺水带来的恐慌。

6 结论

本文在界定水库群预警含义基础上，提出以水库蓄水量指标的分级分期预警，即划定了蓝色、橙色、红色3个等级预警线，并将同一等级预警线细化为梅汛、台汛、平水3个分期；提出了基于长系列逆时序法供需计算确定预警指标的方法，以及分级分期预警启动条件、响应措施等。以永康市3座中型水库组成的水库群为例进行应用研究，确定了水库群及单个水库分级分期预警指标，并以梅汛期间水库群预警响应为例说明了预警响应策略。

研究成果能够给出不同预警条件下的水库群调整供水调度策略，减少因水库群供水不足造成的损失。限于本文研究的局限性，针对更为复杂的水库群供水格局，需进一步研究预警指标阈值确定方法、不同行业限制供水比例等。此外，应进一步健全干旱预警的水文指标体系，以期能够更好的为干旱预警工作提供依据。

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Research on early warning of water supply and response strategy for the Reservoir group based on the common water supply pattern

LI Qifeng1，WEN Jinhua1，LI Dongxiao2，FU Yicheng3，FENG Jian3
（1.Zhejiang Institute of Hydraulics&Estuary，Hangzhou 310020，China；2.Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310023，China；3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

With the rapid development of regional eco-society，the water security accordingly needs to be improved.In this paper，early warning system of reservoir water supply is carried out for a reservoir.We gave the meaning of water supply warning，warning index，the form of early warning line，and the method to determine index value and response strategy.In order to minimize the shortage of water supply，the ear⁃ly warning system of reservoir storage capacity under classification-staging was put forward.First，we gave early-warning line of different levels，and grouped early warning line by considering different water period. Then，the early warning index is determined based on the calculation results of the long series by inverse time sequence method.Finally，we determined the rnulti-reservoir water transfer and supply rules according to the reservoir early warning line.Taking Yongkang City as an example，this paper supplied the calcula⁃tion and application process by using warning lines.The results of the paper provided a new idea for the decision-making departments of reservoirs，and offered the basis for water supply and management of reser⁃voir groups.

early warning of water supply；warning Line；response for early warning；reservoir group；drought warning

TV697

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.002

1672-3031（2017）01-0010-08

（责任编辑：王成丽）

2016-05-18

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

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