水库蓄水问题研究进展

2018-01-18梅亚东王现勋李学海

中国农村水利水电 2018年1期

刘颖，梅亚东，王现勋，李学海

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北武汉 430072；2. 长江水利委员会长江科学院，湖北武汉 430072)

0 引言

水库蓄水按其时期不同，可分为常规蓄水和初期蓄水，常规蓄水过程复杂，主要体现在：①库区及下游范围广，既要满足下游用水，又要兼顾电力需求，蓄水会受到多种限制；②来水的不确定性将使蓄水问题更为棘手。因此，下游用水、来水等将影响常规蓄水。而初期蓄水时要试用新建工程，水工建筑物尚未经过水荷载的作用，各方面性能不能处于完全受控状态[1]，将可能受到一系列工程因素的限制。所以，水库在进行初期蓄水时，除用水和来水外，还需考虑工程因素。

水库蓄水时水资源利用矛盾突出[2]，受诸多因素影响，因此，识别蓄水影响因素，协调好来水、用水与蓄水的关系，合理分配供、蓄水量，明确蓄水风险，制定行之有效的蓄水方案至关重要。本文依据近年来水库蓄水问题的理论研究和实践经验，对蓄水影响因素进行分类和梳理，总结水库蓄水方案的研究现状、探讨蓄水风险问题，在提出现阶段存在问题的基础上展望未来的研究重点，以期为研究水库蓄水问题提供参考。

1 水库蓄水影响因素研究

常规蓄水的影响因素主要为下游用水、工程发电要求和来水，而初期蓄水还需考虑施工进度、库岸稳定、工程安全、移民搬迁进度等工程因素。

根据各因素对蓄水的作用方式，可分为三类：一类为目标性影响因素，即水库除蓄水外，还需满足其他目标，如完成一定的发电量；另一类为限制性影响因素，分为工程限制因素和非工程限制因素，工程限制因素为施工进度、库岸稳定性、工程安全、移民搬迁进度等，直接妨碍蓄水过程；非工程限制因素指下游用水限制，要求水库下泄流量具有相应阈值；第三类因素为来水，一般影响蓄水时间。本文分别对三类影响因素的研究现状进行归纳。

1.1 目标性影响因素

以发电为主的水库，目标性影响因素为发电要求。发电要求主要影响蓄水的时间节点。在初期蓄水方面，景连才[3]以保证率75%组合年来水过程为例，说明了三年蓄满能使察尔森水库获得更多初期发电效益；在常规运用蓄水上，甘富万[4]提出：相较提前连续蓄水，分旬控制蓄水既能保证防洪、又可明显提高三峡水库的发电效益；左建等[5]论证了三峡水库年均发电量会随水库起蓄时间的提前而增加。

1.2 限制性影响因素

1.2.1 工程限制因素

工程限制因素分为施工进度、库岸稳定性、工程安全、库区移民搬迁进度等。

(1)施工进度。施工进度对蓄水的影响体现在时间节点上，如：杜菁等[6]在分析提前蓄水可行性时指出：黄花寨水电站的蓄水时间应随施工进度的加快而提前。

(2)库岸稳定性。现阶段，学者对库岸稳定性的研究大部分集中于蓄水过程对库岸稳定性的影响，如：钟式范等[7]认为库水通过冲刷等作用会降低库岸稳定性；王明华等[8]指出：蓄水促使鄂西南某水库滑坡变形模式发生改变；却少有人探讨库岸稳定性如何影响蓄水。

(3)工程安全。水工建筑物存在安全隐患会明显影响蓄水速度。我国学者对此因素的研究趋势为：是否产生影响-如何影响。如：2003年，涂俊钦等[9]认为江垭水库的坝头灌浆裂缝等工程缺陷会影响蓄水速度；2012年，李太成等[10]指出：蜀河水电站坝基帷幕灌浆施工质量等缺陷将导致初期蓄水速度较慢。

(4)库区移民搬迁进度。移民搬迁进度通常滞后于水库工程的建设，进而有可能会限制蓄水水位。陈鹄等[11]从经济的角度阐述了移民搬迁滞后致使白市水电站建成后无法蓄至拟定水位发电，造成了较大的经济损失。

1.2.2 非工程限制因素

非工程限制因素指水库蓄水的同时，受到下游生产、生态、防洪、航运等用水需求的限制，根据它们对蓄水过程的限制方式可分为两类：一类限制水库下泄流量，如：李红刚[12]在考虑下游生态、航运等用水的基础上，指出小湾水电站初期蓄水时应满足下游用水的基本流量；李建乐等[13]考虑到金王寺水库河段的生态环境需水，认为应按坝址多年平均流量的10%下泄生态基流；王炎等[14]在研究三峡水库蓄水问题时，选定四大家鱼和中华鲟的生态需水作为河段的生态需水量，要求月最小下泄流量不低于此生态需水量。

另一类则影响蓄水的时间节点，如：为保证三峡水库初期蓄水时兼顾通航，裴金林等[15]对比了提前蓄水、正常蓄水、有控制延长蓄水和推迟蓄水4种方案，认为有控制延长蓄水较优；李雨[16]基于防洪讨论了三峡水库汛末蓄水方式，他建议三峡水库应提前均匀蓄水、分段控制。

1.3 来水限制因素

目前，学者针对来水影响水库蓄水问题，开展了一些研究，如：闵要武[17]等基于保证率，构建了对三峡水库蓄水不利的来水情况，为水库蓄水提供了理论基础；李雨[16]在讨论来水丰、枯对三峡水库起蓄时间的影响时得出：随着来水量减少，水库的起蓄时间将提前；李长春等[18]在分析长江干流和两湖地区径流特性的基础上提出：由于两湖地区来水在三峡蓄水时期总体偏枯，有必要适时提前开展蓄水任务；耿旭[19]等认为：在来水较丰的年份，三峡水库的蓄水时间可适当推迟。可见，目前的研究重在讨论其对蓄水时间的影响。

2 水库蓄水方案研究

识别蓄水影响因素，协调好来水、用水与蓄水之间的关系、制定合理的蓄水方案至关重要。国外对水库蓄水方案问题的研究相对成熟，自20世纪中后期开始，许多理论、模型相继被提出[20-24]，为水库的蓄、泄水量提供了指导和建议。我国学者张国庆等[25]也在1992年指出：水库蓄水时要特别考虑对下游的影响，应合理分配水量以满足各用水部门的最低要求。

2.1 防洪度汛

防洪作为水库功能的重中之重，在研究水库蓄水时受到了广泛关注。Jay R. Loud[26-27]基于防洪，概化制定了串、并联水库的蓄水规则，为水库蓄、泄水量提供了理论参考；万俊等[28]系统研究了白盆珠水库汛期蓄水运用方式，拟定了水库的拦蓄水位、为水库度汛提供了建议；刘心愿等[29]为确保防洪安全，科学地划分了三峡汛末防洪库容，为研究水库汛末蓄水调度问题提供了新思路；何小聪等[30]在研究溪洛渡、向家坝、三峡水库群汛期蓄水方式时指出：“等比例蓄水”具有更高的联合防洪效益。

2.2 满足发电

作为水库兴利任务，蓄水与发电问题也一直是研究的热点，如：Ngo等[31]以越南HoaBinh水库为例，将MIKE 11仿真模型和SCE(the Shuffled Complex Evolution)优化算法结合，在考虑水库发电的基础上得到了HoaBinh水库的优化蓄泄方案；2012年，TD Asfaw等[32]以马来西亚Perak河上的Temenggor、Bersia、Kenering和Chenderoh四个水库为对象，以水库群发电量最大为目标，得到的最优方案提高了水库群的总发电量、并保证了蓄水。

2.3 兼顾生态

随着水库建成后生态环境受到不可避免的影响后，考虑生态的水库蓄水方案研究逐渐开展。Brain D Richter等[33]在描述水库运行改变天然径流过程的基础上，提出了应在水库蓄水时添加生态约束，以修复天然径流；李琼芳等[34]分析了不同蓄水方案对三峡水库下游生态用水的影响，验证了提前蓄水能显著提高下游最小生态径流的满足度，更有利于中华鲟产卵；赵越等[35]模拟了三峡水库正常蓄水和提前蓄水时中华鲟产卵场的流场分布，并结合中华鲟对流速、水深等因子的喜好得出：提前蓄水能显著增加中华鲟产卵栖息地的加权可利用面积，减轻蓄水对其产卵的不利影响。

2.4 综合利用

在考虑水库多种功能并行的基础上，学者开始对水库的综合利用与蓄水展开研究，如：李义天等[36-37]指出：推迟蓄水不仅影响三峡水库的蓄满率和航运，且发电效益不可观，而提前、分旬控制蓄水既可显著提高发电效益、又可兼顾防洪；彭杨等[38]联合防洪、发电和航运多个目标，对三峡水库蓄水时机和方式进行决策，论证了汛末提前分阶段蓄水能充分发挥水库的综合效益；汪芸等[39]建立的以年均蓄满率最大为目标、下游防洪和生态用水为约束的蓄水方案表明：分阶段提前蓄水能提高丹江口水库蓄满率，且综合利用效益显著。

2.5 水库群蓄水

近几年，学者将研究的对象移向水库群，如：周研来等[40]研究的溪洛渡-向家坝-三峡梯级水库的较优联合蓄水方案表明：同步起蓄和异步起蓄方案均能使水库群年均发电量和蓄水率提高，而前者发电效益较优、后者蓄水效益高；针对溪洛渡、向家坝与三峡水库蓄水时间同步性，导致的三峡水库蓄水难度加大问题，陈炯宏等[41]提出分阶段拦蓄，以提高三峡的蓄满率；丁毅等[42]给出了长江流域三峡上游水库群可先于三峡蓄水，并要分段控制蓄水位上升进程的建议；彭杨[43]和王冬等[44]也针对长江流域水库群联合蓄水问题进行了研究，均给出了应分批蓄水的结论。

3 水库蓄水风险研究

水库蓄水涉及来水、用水及工程等方面，入库流量的不确定性、各部门用水的竞争性、工程的不稳定性均会造成蓄水风险。学者针对蓄水风险问题，也进行了研究，如：叶琰[45]用蒙特卡洛法比较得出：在有来水预报情况下，万安水库的主、后汛期的蓄水风险明显小于无预报情况；冯平等[46]以岗南水库为例建立了超汛限水位蓄水风险效益分析方法，认为在蓄水风险增加不大的条件下，水库的蓄水位可适当高于汛限水位。

4 水库蓄水存在问题及研究展望

4.1 存在问题

(1)国外对蓄水影响因素的研究较少，而国内对于工程影响因素的讨论不多。由于工程影响因素多且繁杂，涉及社会、经济、地质、人文等诸多方面，在研究中若要量化研究其影响程度相对困难，因此大多数现有的研究均集中在定性探讨，如：工程隐患将影响初次蓄水速度，但其影响程度尚较难确定。

(2)国内对于目标性影响因素和限制性影响因素的研究虽然相对详尽，然而，蓄水总历时长，每一阶段水库的任务不尽相同，少有学者在理论研究中对蓄水过程进行阶段划分、明确各阶段的主导影响因素并制定相应的蓄水方案。

(3)关于蓄水方案问题，国外的研究重在理论与方法创新，但在国内的蓄水方案研究中，大部分学者选取的研究实例多集中于长江、金沙江等，对我国其他江河的研究相对较少，因此现有的研究成果具有一定的局限性。

4.2 研究展望

基于此，本文认为水库蓄水问题未来的研究重点可为以下几点：

(1)加强对工程性限制因素的研究。水库的初期蓄水至关重要，既是对蓄水机理的探究又是对新建工程的试验，因此必须加深对工程性限制因素的研究、量化其对蓄水的影响程度；

(2)分段研究蓄水过程。蓄水总历时长、水库的阶段功能和任务不尽相同，应首先对蓄水过程进行分段，在探讨各阶段水库任务的基础上，明确主导影响因素，进而拟定各阶段的蓄水方案、确定合理的蓄泄水过程。

(3)扩大研究区域。目前我国对水库蓄水方案的研究多集中在长江、金沙江流域，研究成果具有一定的地理局限性，因此应拓宽研究范围，对我国其余江河水库进行研究。

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