昭平台水库死库容曲线估算及应急对策研究

徐麦菊，刘小飞，马荣安

(河南省平顶山市昭平台水库管理局，河南 平顶山 467300)

水库库容曲线是水库调度运行管理、大坝安全认定的重要依据，也是确定装机容量、大坝高度、泄洪设施运行正常、正常蓄水位、防洪限制水位等的重要依据[1,2]。水位库容曲线最初是在水库修建前进行的库区地形测量而得到的。随着现代信息技术的不断发展，“3S”技术的引入，GPS定位与水深测量相结合的测量方式也被广泛采用[3-7]，这种方法相对提高了精度，但也需要较多的资金。现阶段许多水库都存在库区相关水文资料不齐全、水库库容曲线精度不高甚至缺乏的问题，对水库科学调度管理、水资源合理利用产生了不利影响。而对于死水位以下的水位库容曲线，即使有现代化技术也会给水位库容关系曲线的确定带来很大的不准确性，尤其对于水库在非常时期的应急管理带来了很大的困难，随着极端干旱事件的频繁发生[8]，也给水库的应急管理提出了更高的要求。本文针对昭平台水库现阶段缺乏死水位以下的水位库容曲线问题，采用曲线拟合法估算了现阶段死水位以下水位库容关系，并针对枯水年份，调蓄计算了不同情境下的库容变化情况，提出其应急管理措施，为昭平台水库的管理提供参考。

1 水库概况

昭平台水库大坝坝址位于河南省平顶山市鲁山县城以西12 km，和下游相距51 km的白龟山水库形成梯级水库。水库控制流域面积1 430 km2，经2000年除险加固后，100年一遇设计洪水位177.89 m，相应库容5.48 亿m3，5 000年一遇校核洪水位180.82 m，相应库容6.80 亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾旅游、发电及供水等综合利用的大(2)型水库。水库以下有平顶山、漯河、周口等重要城市，焦枝线、石武高铁、京广铁路、107国道、京深高速公路等交通干线和白龟山水库、南水北调中线总干渠，以及河南省的主要粮棉产区，地理位置十分重要。

昭平台水库流域地处南、北气候过渡带，属北暖温带大陆性季风气候，是河南省主要暴雨中心之一。夏季由于受热带暖湿气团内移，西部高山屏障影响，极易产生突发性暴雨洪水。水库坝址以上全部为深山区，支流密集，均源短流急，洪水暴涨暴落，容易造成洪涝灾害[9]。流域内年均降雨量970 mm，年内年际分配极不均匀，60%集中在汛期6-8月，经常出现“汛期泄洪，汛后无水可蓄”的情况；年际变化中极值比达5倍，常受旱涝灾害双重威胁。2000年以来，2010年出现了建库以来的最大洪峰流量1.03 万m3/s；2012年、2013年、2014年连续3年枯水，年径流量均不足多年平均径流量的30%。2014年为有历史记录以来的区域最大旱情，其入库水量仅为7 442 万m3。极端天气频显，丰枯年份陡变，加剧了旱涝灾害，更凸现了水库调节能力低下、抗御自然能力不足的突出问题。因此，如何做好抗旱应急管理对于水库管理具有十分重要的现实意义。

2 死水位下水位库容曲线估算

2.1 两次测量的库容曲线对比

1958和1987年分别对昭平台水库的水位库容进行了测量，测量结果见图1和图2，可见，水库运行到1987年，淤积量增加，致使库容减少，且昭平台水库两条库容曲线的差值在175.00 m高程之后趋于稳定，其最大淤积量3 382 万m3。经计算，水库内死库容淤积占总量的61%；防洪限制水位以下淤积量占总量的91%；正常蓄水位169.00 m以下占总量的94%。兴利库容内的淤积量占总量的33%、防洪库容内占总量的9%，其中共用库容内的淤积量占总量的3%。

图1 1958、1987年实测库容曲线图

图2 1958-1987年库容差曲线图

2.2 水位库容曲线估算

自1987年第二次库容淤积测量以来，2001年虽进行了淤积测量，但测量成果未批复，目前水库使用的是1987年库容测量成果。然而，随着水库运行时间的变化，库内不断淤积，库内的库容水位曲线也在变化，因此，为了提升实际调度运行中的应急管理能力，需对当前水位库容曲线进行估算。本次估算采用曲线拟合，参考预计的淤积量，确定水库相对淤积深度与相对淤积量的关系，推算现阶段下水位-库容曲线。根据昭平台水库1960年以来的汛期来水量情况估算不同时期的水库死水位以下的淤积量，1988-2001年汛期来水量为48.73 亿m3，2002-2014年汛期来水量约为39.21 亿m3，估算得到1988-2001年水库死水位以下淤积量532.8 万m3，2002年以后水库死水位淤积约为428 万m3。

水位库容曲线拟合关系表达为：

Z=aVb+C

(1)

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。

两边取对数得：

ln(Z-C)-lna=blnV

(2)

采用最小二乘法推求得到其中的参数a和b，其拟合曲线见图3，可见，1958和1987年拟合结果与实测过程吻合很好。2014年a和b值分别为4.18和0.43，其水位库容曲线见图4，可见，在同样水位下，2014年库容发生了相应的变化，1987年淤积高程为150.00 m，2014年淤积高程为150.25 m，水位159.60 m以下的库容变化情况统计见表1，可见，1987年测量结果中，159.60～159.00 m高程的库容约为659 万m3；159.0～158.7 m和159.0～158.5 m的库容分别为277和462 万m3。2014年拟合结果中，159.60～159.00 m的库容约为530 万m3；159.0～158.7 m和159.0～158.5 m的库容约为240和400 万m3，也可以发现，从1987-2014年，在159.0 m死水位以下，水库淤积了952 万m3；159.60 m水位时，水库淤积了1 081 万m3。随着时间推移水库淤积增量有所减少，主要与流域内大力采取封山育林和退耕还林等水保措施有关。20世纪80年代以来鲁山县以淮委水土保持试点县和二期重点县工程为起点，强力推进水土保持综合治理工程，陆续对昭平台水库控制流域的清水河、荡泽河、楼子河、辛庄河、红雁城沟、茨坡岭等进行了小流域综合治理，治理水土流失面积约560 km2；经过多年的综合治理，植被覆盖率达到78%以上，初步形成了生态群落，促进了生态平衡。

图3 ln(Z-C)～lnV曲线[图中ln H=ln(Z-C)]

图4 1987年实测和2014年估算的死水位以下库容曲线对比

表1 1958、1987、2014年特征水位下对应库容情况统计表万m3

3 应急管理措施研究

昭平台水库主要供水任务为农业灌溉，随着社会经济的发展，2011年开始增加工业和生活供水，2014年增加了生态补水供水。现阶段，当水位达到159.6 m时，停止农业供水；死水位159 m时，限制工业用水、保证生活用水；生态供水为临时或应急供水，根据水情和政府要求，适时供应。农业灌溉保证率为75%，统计多年平均实际灌溉用水量4 421 万m3，农作物生长不同阶段需水不同，各月灌溉水量呈现明显的季节差异。近5年昭平台水库工业及生活年均供水量2 965 万m3，2013年达到最大年供水量4 016 万m3。2014年起昭平台水库陆续向白龟山水库应急调水或向湛河生态补水，2014、2016和2017年分别补水6 300、10 733和4 936 万m3。多年及近5年供水情况统计见表2。

当前昭平台水库日供水计划为9.57 万m3，实际日供水量约为8.33 万m3，其中生活和工业分别为1.81和6.521 万m3。根据昭平台水库的历史资料，1973-2014年间从9月到次年5月的平均日蒸发量约为3.36 万m3，渗漏量约为4.87 万m3，日蒸发渗漏损失为8.23 万m3。由此，估算得到日消耗量约为16.56 万m3。2014年为有记录数据以来最枯的一年，年入库水量仅7 442 万m3，且截至2014年9月1日8时，库水位为159.60 m。以2014年最枯年份考虑调蓄计算分析，按照当前日消耗量和推算得到的库容曲线，死水位以上的库容，根据1987年的测量结果，仅能供水39 d，即至2014年10月9日；根据本次推算结果，仅能供水31 d，即至2014年10月1日。因此，如何做好干旱应急对策是昭平台水库管理中迫切需要考虑的现实问题。

表2 昭平台水库多年及近5年(2012-2017)供水情况统计表 万m3

为了提出干旱应急对策，考虑流域内持续干旱、无明显降雨的极端工况，分别在1987年实测库容和2014年估算库容下考虑现状供水量和在现状供水量下停止工业供水两种情景进行调蓄计算。从2014年9月1日8时，库水位为159.60 m时进行起调计算，计算结果见图5，可见，由于库水位较低，库水位呈直线下降趋势。同时也表明，若保持当前供水量，到10月25日库水位下降至158.5 m，年底降至156.75 m。若暂停全部工业用水，到10月18日降至159.0 m，11月底降至158.5 m，年底降至158.08 m。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，但两种方案下都会使库水位下降到死水位以下。

图5 当前供水规模、停用工业供水下的库水位下降曲线

水库主坝台地段坝脚铺盖高程为158.0 m，该高程以上的可用库容为1 283 万m3，如果仅考虑日消耗量，也只可维持到第二年2月初。为此，水库管理部门短期内应尽快调整供水计划，考虑极端情形，兼顾大坝结构安全和居民生活用水保障两个方面，按照生活用水优先的原则，制定供水计划，建议采取如下措施：①当前尽可能缩减工业供水。②当库水位降至死水位159.0 m时，若仍无明显降雨，暂停全部工业用水，全力保障居民生活用水。③从9月1日起调计算到年底前，当库水位低于159.0 m时，结合死水位以下可用库容的实际情况，宜考虑调水计划或者另辟水源。④若在第二年汛期前，流域内有明显降雨，在蓄水得到改观条件下，可动态调整供水方案，保证居民生活用水、保障工农业生产正常开展。

4 结 语

针对昭平台水库现阶段缺乏死水位以下的水位库容曲线问题，采用曲线拟合法估算了现阶段死水位以下水位库容关系，并针对枯水年份，根据昭平台水库实际供水情况，在枯水年份调蓄计算了不同情境下的库容变化情况，提出了应急管理措施的建议。研究中根据已有1958、1987年的库容测量曲线以及预估淤积量情况下，拟合推算得到了昭平台水库2014年死水位以下库容曲线。以枯水年2014年为典型，考虑当前水库的蒸发量和渗漏量，初步分析了当前状况下水库库容、库水位的下降过程。分析结果表明，159.6 m到死水位以及死水位以下的实际可用库容均较小，159.60～159.00 m的库容约为530 万m3；159.00～158.70 m和159.00～158.50 m高程间的库容分别约为240和400 万m3。考虑中长期流域内持续干旱、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两种不同方案下的水位下降的速度，分析结果表明，两种方案下，至年底，库水位都将下降至死水位以下。表明昭平台水库现有库容下可用水量较少。因此，水库管理单位应根据短期降雨和来水情况，及时动态地调整供水计划。考虑持续干旱极端情形，为兼顾大坝结构安全和居民生活用水保障两个方面，提出了水库应急对策建议，可为昭平台水库的管理提供参考。