察汗乌苏河流域西台-哇沿水库生态联合调度预案设计

王 增 平

(青海省水利水电勘测设计研究院，西宁 810002)

0 引 言

水库联合调度可以捕捉入库径流的时空差异，充分发挥水库的库容补偿与水文补偿作用，从而提高系统对水资源的优化配置能力和供水保障能力[1]。水库的生态调度就是利用水库的调蓄作用，在满足经济社会需水的同时保证生态环境用水得到满足[2,3]。察汗乌苏河流域位于柴达木盆地，属于内陆河。由于缺乏龙头调节水库，流域水资源不能得到充分利用，水资源供需矛盾，灌溉高峰期存在经济与生态“抢水”现象，工程性缺水问题特别显著。流域供水工程主要有热水灌区引水口、察汗乌苏引水口、西台水库和察汗乌苏镇城镇引水口和拟建的哇沿水库，供水工程概化关系见图1。

图1 察汗乌苏河流域供水工程概化图

本文面向生态保护研究流域内西台-哇沿水库的优化调度问题，对提高流域内供水保障能力、缓解工程性和资源性缺水、维持河道生态环境和保护下游湖泊湿地生态健康具有非常重要的意义。

1 研究数据与方法

1.1 工程供水方案

哇沿水库建设以前，流域内供水工程主要有热水灌区引水口、察汗乌苏引水口、西台水库和察汗乌苏镇城镇引水口。由于缺乏龙头调节水库，流域水资源不能得到充分利用。考虑到城乡供水的可靠性及减少水体污染，农业用水等其他用水从河道取水利于河道生态的保护和降低工程投资。本研究水库的供水方案预设为：经哇沿水库调节后，城乡供水采用管道引水配送至各供水点，其他用水经水库调节后放水到河道，仍由原先的工程设施从河道中取水。

1.2 水库运行方式

哇沿水库为年调节水库，天然来水过程应尽量满足下游河道内生态需水和国民经济需水，多余水量蓄在库中，水位达到正常蓄水位后，由溢洪道下泄洪水。下游缺水时，由水库按照缺水过程放水到河道。

1.3 设计径流量

考虑到水库供水量中农业灌溉占90%以上，因此以75%枯水年(水文年)径流作为水库调度计算的典型来水资料[4,5]。哇沿水库坝址和察汗乌苏水文站75%枯水年径流量分别为9 152、9 840 万m3。径流量月分配成果见表1。

表1 枯水年(水文年)径流月分配成果(P=75%) 万m3

1.4 水库联合调度的方法

利用哇沿水库断面和察苏水文站断面之间的区间来水对下游需水(包括国民经济需水和察苏水文站断面河道内生态需水)进行第一次平衡，其缺水过程即为西台水库和哇沿水库的供水过程；其次用西台水库根据上述供水过程进行第二次平衡，其缺水过程即为哇沿水库的供水过程，在保证河道内生态水量的前提下，设计水库的运行方案和调度过程线。

2 水库供水片区需水量及需水过程

察汗乌苏河流域哇沿水库的供水对象主要有城乡居民生活、城镇生产、农业生产、城镇生态。本文以2020年流域的综合需水量过程线依据研究水库的调度方案。

2.1 城乡居民生活

根据流域水资源规划成果，2020年流域总人口为3.653 万人，其中城镇人口为1.354 万人，农村人口为2.299 万人；城镇居民生活需水定额为100 L/(人·d)，农村居民生活需水定额为55 L/(人·d)；计算出城镇居民生活需水量为49 万m3，农村居民生活需水量为46 万m3，城乡居民生活总需水量为95.64 万m3。

2.2 城镇生产

城镇生产包括工业、建筑业及第三产业。2020年流域工业

增加值为51 851 万元，建筑业增加值为13 331 万元，第三产业增加值为11 626 万元；工业万元增加值需水定额为80 m3，建筑业为18 m3，第三产业为18 m3；计算出工业需水量为415 万m3，建筑业需水量为24 万m3，第三产业需水量为21 万m3，城镇生产总需水量为459.72 万m3(见表2)。

表2 察汗乌苏河流域城镇生产需水量计算表

2.3 农村生产

农村生产包括农林牧灌溉及牲畜。察汗乌苏流域地处柴达木盆地，气候干旱、降雨量小，基本上没有旱作农业的条件，灌溉期缺水就意味着农作物将大量减产或绝收。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB5028899)，确定灌溉设计保证率为75%。计算得到灌区设计灌水率3.48 m3/(s·万hm2)，灌溉需水量计算见表3。

2020年流域牲畜数量为17.23 万头，其中大牲畜为1.09 万头，小牲畜为16.14 万头；大牲畜需水定额35 L/(头·d)，小牲畜需水定额为8 L/(头·d)；计算出大牲畜需水量为14 万m3，小牲畜需水量为47 万m3，大小牲畜总需水量为61 万m3。

表3 察汗乌苏河流域灌溉需水量计算表

2.4 城镇生态

城镇生态主要包括城镇绿化和环境卫生(见表4)。2020年城镇绿化面积为5.42 hm2，环境卫生面积为9.60 hm2；城镇绿化需水定额为2 998.5 m3/hm2，环境卫生需水定额为899.55 m3/hm2；计算出城镇绿化需水量为1.62 万m3，环境卫生需水量为0.86 万m3，总需水量为2.48 万m3。

表4 察汗乌苏河流域城镇生态需水量计算表

2.5 需水过程线

2020年城乡居民生活需水量为95.64 万m3，城镇生产需水量为459.72 万m3，农村生产需水量为6 189 万m3，城镇生态需水量为2.48 万m3，总需水量为6 746.52 万m3。根据计算的城乡居民生活、城镇生产、农村生产、城镇生态等行业的逐月需水量，进行叠加后作为哇沿水库供水片区需水过程线见表5。

表5 哇沿水库供水片区需水过程线 万m3

3 水库联合调度预案设计

3.1 水库调度过程分析

(1)区间来水平衡分析。哇沿水库断面和察苏水文站断面之间的区间来水为688 万m3，察苏水文站断面处河道内生态需水量为2 743 万m3，国民经济需水量为6 746.52 万m3，一次平衡分析后计算出缺水量为8 801 万m3，水量过程线见图2。

图2 一次平衡后水量过程线

(2)西台水库调度分析。西台水库是哇沿水库的反调节水库，其调节方式可以按照自身有利的方式确定。由于水库所在地区蒸发量大，应该缩短水在库中的滞留时间以减少水量损失。到4月份西台水库蓄满，此时哇沿水库也达到最大库容。西台水库从5月份开始供水，在6月份供水完毕。水库总蓄水量为691 万m3，总供水量为581 万m3。西台水库调节后二次平衡水量计算见图3。

图3 二次平衡后水量过程线

西台水库调节后的缺水量即是哇沿水库的供水量8 911 万m3。由于西台水库对需水过程进行了调节，增加中间蒸发和渗漏损失110 万m3。虽然哇沿水库供水量增加，但供水过程发生了优化，灌溉高峰期哇沿水库的供水量有所削减。

(3)哇沿水库调度分析。哇沿水库供水过程是经过一次平衡和二次平衡后的缺水过程。根据哇沿水库坝址断面处的径流量对供水片区的用水按照逐月过程进行调节计算，计算过程见图4。根据计算结果，水库从9月份开始蓄水，起始水位为死水位，对应死库容为600 万m3，第二年4月份水库蓄水量达到最大值2 035 万m3，5月份开始供水，到8月份回落到死水位，水库的调节能力为1 435 万m3。

图4 哇沿水库水量调度过程

河道内生态需水量采用Tennant法计算[6,7]。察汗乌苏河丰水期一般在4-9月，枯水期在10-3月。根据察汗乌苏河沿河生态环境的特点，确定枯水期以维持河道不断流为准，河道生态环境需水量取当月来水的10%；丰水期考虑河道两岸植物的需水，河道生态环境需水量取当月来水的20%。河道内生态需水过程线均在水库下泄水量之下，生态水量都能得到有效保证。

3.2 水库调度规则设计

水库调度函数作为水库调度规则研究的主要方面，水库调度函数通常采用线性回归法对优化样本进行模拟，使得调度过程在时间尺度上呈现出一定的连续性规则，以便于制定水库的运行方案，为管理部门决策提供依据[8,9]。根据枯水期水库联合调节供需一次平衡和二次平衡分析后，得到西台水库和哇沿水库的水量最优调度过程线。通过MATLAB多元拟合水库坝址断面典型设计来水量(P=75%)、水库蓄水量、水库下泄量和调度时段之间的函数关系，得到水库调度函数为：

Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q来水

(1)

水库调度函数模拟仿真图可作为指导水库实时运行的决策依据，利用水利信息化技术、水库来水量预报技术、水库调度智能决策系统、河道内生态流量监测预警系统、水库水位-库容关系等相关数据，制定水库调度计划方案，为决策者和管理者提供技术数据。水库调度函数模拟仿真见图5，水库水位调度过程见图6。

图5 哇沿水库调度三维仿真图

4 结 语

(1)本文面向生态研究了察汗乌苏河流域西台-哇沿水库的优化调度过程和调度规则，河道内生态流量能得到有效保证，调度方案一定程度上缓解了流域资源性和工程性缺水问题，提高了流域的供水保障能力。

(2)西台水库为注入式水库，总供水量为581 万m3。哇沿水库的供水量8 911 万m3，水库从9月份开始蓄水，起始水位为死水位，对应死库容为600 万m3，第二年4月份水库蓄水量达到最大值2 035 万m3，5月份开始供水，到8月份回落到死水位，水库的调节能力为1 435 万m3。

图6 哇沿水库水位调度过程

(3)哇沿水库坝址断面来水量、水库蓄水量和水库下泄量之间通过多元线性拟合得到水库调度函数为：Q下泄=-0.197+1.401V蓄水-0.000 7Q来水。利用水利信息化技术、水库来水量预报技术、水库调度智能决策系统、河道内生态流量监测预警系统等制定枯水期(P=75%)水库调度设计预案，可为决策者和管理者提供技术支撑。

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参考文献：

[1] 郭旭宁，胡铁松，曾 祥，等. 基于二维调度图的双库联合供水调度规则研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版)，2011，(10)：121-124.

[2] 康 玲，黄云燕，杨正祥，等. 水库生态调度模型及其应用[J]．水利学报，2010，41(2)：134-140.

[3] 张丽丽，殷峻暹. 水库生态调度研究现状与发展趋势[J]. 人民黄河，2009，(11)：14-15,123.

[4] 温得平，温 川，袁春艳，等. 青海省察汗乌苏河流域水文特性分析[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报，2015，(1)：5-8.

[5] 高玉方，温得平，李文辉. 都兰县察汗乌苏河流域水资源可持续利用对策研究[J]. 青海农林科技，2014，(4)：58-61.

[6] 陈 端，陈求稳，陈 进. 考虑生态流量的水库优化调度模型研究进展[J]．水力发电学报，2011，30(5)：248-254.

[7] 周振民，刘俊秀，范 秀. 河道生态需水量计算方法及应用研究[J]. 中国农村水利水电，2015，(11)：126-128,132.

[8] 周研来，郭生练，刘德地. 混联水库群的双量调度函数研究[J]. 水力发电学报，2013，(3)：55-61.

[9] 赵廷红，王鹏全，张永明，等. 考虑不同生态需水方案的水库生态友好型调度研究[J]. 干旱区资源与环境，2016，(9)：139-143.