已建水库正常蓄水位调整论证技术初探——以杭州市青山水库为例

落全富，郑海军，张士辰

（1.杭州市青山水库管理处，浙江 杭州 311305；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

1 问题的提出

在我国社会经济发展体系中，水库作为周边地区优质水源和生态文明建设的重要基础设施，在社会经济发展中的作用越来越显著。与瑞士、美国、加拿大等发达国家发展过程类似，近年来我国各地普遍出现对水库水资源需求逐步增大的趋势，水库提能增效问题受到普遍关注，由于成本低、效益高、见效快，在确保防洪安全、工程安全和淹没安全等前提下，适当调整正常蓄水位和汛限水位成为解决上述问题的首选方案。从目前发展来看，相关研究与实践主要集中在水库动态汛限水位方面[1-5]，在正常蓄水位调整方面的论证方法和实践经验还欠充分，已有的研究多集中在新建坝正常蓄水位与兴利效益及工程安全的关系[6-9]上，鲜见对已建坝正常蓄水位调整论证技术的研究与实践。尽管提高或降低正常蓄水位仅影响非汛期水库运行，但涉及的内容十分复杂，不仅包括大坝安全问题，还有上游来水是否充足、库区淹没、下游行洪（进入汛期之前库水位是否可以在相对短的时间内降至汛限水位）是否可靠等问题，且由于水库可能已经运行数年甚至数十年，对正常蓄水位调整的论证工作不能简单地参照新建坝的相关方式。因此，开展已建坝正常蓄水位调整论证技术的研究与实践，积累相关经验，对水库提能增效和周边社会经济发展意义重大。本文以杭州市青山水库为例，对水库正常蓄水位调整论证技术进行初步探索，供类似工程参考。

2 正常蓄水位调整论证技术路线

青山水库总库容2.13亿m3，是一座以防洪为主，兼有灌溉、环境用水、发电、养鱼等综合利用的大（2）型水利工程，防洪标准按P= 1.00%设计，设计洪水位32.42 m，P= 0.01%校核，校核洪水位35.17 m；正常蓄水位和汛期限制水位均为23.16 m，死水位17.16 m；库区移民标准为P= 5.00%，移民水位31.16 m；4月15日至10月15日为汛期，分为梅汛期和台汛期，其余为非汛期。青山水库作为影响杭嘉湖区域和东苕溪流域水安全的重要水利工程，在战略上被定位为杭嘉湖东部平原和杭州市防洪安全的重要保障、杭嘉湖地区重要的水源供给地和浙西北地区的主要生态屏障、临安市城区及浙江省科技城的生态核心区，在杭嘉湖区域可持续发展中具有举足轻重的作用。当前，特别是非汛期，由于上游来水不足，加之水库周边社会经济发展对水资源需求量不断增加，青山水库现有调蓄能力不足的问题逐渐显现。如何科学运用综合措施，在已经开展的库区综合治理[10]工作（库区确权划界、治理面源污染、改善水域环境、提升库区生态文明程度）的基础上，进一步优化青山水库的调度方式，提高水库水资源调蓄能力，是实现青山水库战略定位的基础。由于青山水库防洪影响巨大，汛限水位调整牵涉到整个杭嘉湖地区，甚至影响太湖流域，因此拟先期调整正常蓄水位，完善该水库特征水位，一定程度上改善水库兴利能力，适时再研究考虑动态汛限水位问题。

水库正常蓄水位调整论证，有必要对调整的必要性、可行性和调整规模对应的效益与风险分析方法进行研究。考虑到调整水位涉及上游、大坝工程、下游的安全，因此论证必须在3类对象范围内开展。青山水库正常蓄水位调整论证技术路线见图1。

图1 水库正常蓄水位调整论证技术路线图

3 青山水库正常蓄水位调整的必要性

（1）改善下游苕溪水环境质量。近10 a来，几乎每年汛期与非汛期青山水库都有针对水污染事件向下游河道应急供水的情况发生[11]，特别是2006 — 2015年青山水库每年向下游治污应急供水量不少于0.10亿m3。水污染事件事关公共安全，须予以保障，通过加大青山水库放水来缓解下游河道水环境污染问题，已成为固定模式。

（2）改善上游库区水环境质量。青山水库上游库区水环境不能适应周边社会经济发展的需要，经统计，溶解氧、高猛酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、氟化物、总磷、总氮等主要水质指标随着库水位升高而呈现向好的变化趋势。在青山水库综保治理工程[10]基础上，进一步优化调整水库正常蓄水位，可提高水库水环境容量，解决库区水体自净能力差、滩地裸露偏大等问题。

（3）提高青山水库调度运用能力。近年来，青山水库蓄水能力不足，水库调度工作在防汛、抗旱、环保供水之间难以平衡，水库水资源调配要跨季度甚至全年考虑，在做好防汛调度时还要有“全面抗旱”的准备，造成水库运行调度的被动局面。据统计，虽然1966 — 2012年非汛期最枯月份（10月16日至来年1月31日，为上游来水最少的月份）多年平均入库水量5 717万m3，满足按照下游生态环境需水流量5 m3/s计算的总蓄水量4 622万m3，但近1/2年份的入库水量小于下游需水量（供水保障率不足50%，见表1），青山水库对下游生态环境用水的供水保障率不足，时程分布上难以满足下游恒定用水和应急用水需求，青山水库现行兴利库容及非汛期调度方式难以满足周边地区社会经济及生态环境的用水需求。

表1 1966 — 2012年（10月16日至来年1月31日）入库量与下游需水量差值统计表

（4）构建余杭区多水源供水格局。未来杭州市将形成千岛湖、钱塘江、东苕溪多水源供水格局，要达到千岛湖、钱塘江、东苕溪水源联供联调的水资源格局，在推进千岛湖引水工程的同时，有必要加强钱塘江和东苕溪的水资源保障能力，通过适当提高正常蓄水位增强水库蓄水能力，以进一步优化水资源配置格局。

（5）响应社会公众的关注。2016年浙江省人大和杭州市人大均有代表提案建议调整青山水库正常蓄水位，青山水库上游临安市[12]和下游余杭区[13]都明确请求提高正常蓄水位，提高青山水库正常蓄水位，是响应社会公众广泛关注的需要。

综上所述，在库区综合治理基础上，通过调整水库正常蓄水位，提高水库蓄水能力，是适应周边社会经济发展、改善上下游水环境质量、提高水库调度运用能力、构建余杭区多水源供水格局、促进青山水库水生态保护体系建设和水环境保护的需要，同时响应社会公众的关注，十分必要和紧迫。

4 非汛期对青山水库水资源的需求

青山水库水资源供给对象主要包括下游余杭区生活用水、生产用水、发电用水、灌溉用水、应急供水，以及上游临安市生产生活用水，其中，应急供水包括抗旱应急供水和环境应急供水等。正常蓄水位主要是非汛期控制特征水位，青山水库非汛期主要针对生态基流用水和环境应急用水，兼顾余杭区生产生活用水。环境应急用水的时间和规模随机性较大，不便在水资源量需求分析中定量考虑，而生态基流用水与周边生产生活用水存在重叠。为此，主要基于下游生态基流确定周边社会经济对青山水库水资源需求量，上下游生产生活用水辅助考虑。参照《水工程规划设计生态指标体系与应用指导意见》（水总环移[2010]248号）有关意见，我国南方地区河流生态基流应不小于90%保证率最枯月平均流量和多年平均天然径流量的10%两者之间的大值，也可采用Tennant法取多年平均天然径流量的20% ～ 30%或以上。青山水库多年平均天然径流量为48 491万m3，经计算10%的多年平均天然径流量为1.5 m3/s，按照30%的多年平均天然径流量计算青山水库下游生态基流为4.5 m3/s。经青山水库所在的南苕溪和东苕溪流域水量多年统计分析，可知东苕溪水量中50%来自于南苕溪，并根据上下游现状（2015年）、近期（2020年）、远期（2030年）的需水量，推求得到上下游生产生活用水需要由青山水库提供水资源，现状为4.5 m3/s，近期为5.5 m3/s，远期为6.5 m3/s（见表2）。基于生态基流的需水量与基于上下游生产生活用水需水量基本相当，对青山水库需水量可按5.0 m3/s计。

表2 上下游对青山水库的水资源供给需求量计算结果表

5 青山水库入库径流分析

5.1 多年入库流量平稳

根据1967 — 2013年逐日入库径流量系列资料进行统计分析，入库径流量不同年份存在一定的波动（见图2），但无明显趋势性增大或减小现象。但2003 — 2007年，青山水库入库年径流量出现1个持续5 a的连枯时段，这5 a的平均入库年径流量为31 387万m3，较多年平均入库年径流量48 491万m3偏少35.3%。

5.2 年内入库水量分配特征

入库径流量年内分配特征表明，月平均入库径流量最枯的月份是1月、10月、11月、12月，这4个月的入库径流量仅占多年平均入库径流量的14.6%；月平均入库径流量最丰的月份是5 — 8月，这4个月的入库径流量占多年平均入库径流量的51.1%。非汛期入库径流量频率计算结果表明，频率25%的丰水年入库径流量为21 190万m3，频率50%的平水年入库径流量为15 440万m3，频率90%的枯水年入库径流量为7 600万m3，频率95%的特枯水年入库径流量为6 030万m3。

5.3 部分年份非汛期入库流量偏少

利用青山水库1966 — 2013年逐日入库流量统计得到非汛期（10月16日至次年4月14日）入库径流量（1966年10月16日至1967年4月14日非汛期入库径流量记为1967年非汛期入库径流量），统计结果见图3。非汛期入库径流量多年平均值为16 696万m3，非汛期最大值为1998年的38 429万m3，最小值为1968年的2 827万m3，最大值与最小值相比为13.6倍。1967 — 2013年，青山水库非汛期入库径流量处于波动变化状态，没有明显的趋势性增大或减小现象。从47 a长系列过程看，存在一些连续偏枯的时段，比如1970 — 1972年、1977 — 1981年、1999 — 2001年、2004 — 2008年，这几个连续偏枯时段的平均入库径流量分别为11 783万，10 700万，13 306万，11 687万m3，较多年平均非汛期入库径流量分别偏少29.4%、35.9%、20.3%、30.0%。

图3 青山水库非汛期入库径流量过程线图

5.4 水库供水保障率和蓄满率特征

水库供水保证率是指供水对象需水量在长系列计算周期内能够得到满足的年数占整个长系列总年数的比率。水库蓄满率不同于水库供水保证率，水库蓄满率是在满足水库供水对象需水要求的条件下，表征水库能够蓄至正常蓄水位的指标，它是水库供水保证程度的增量指标。由于青山水库供水方式特殊，对水库供水量没有明确要求，本次计算青山水库蓄满率时，是以满足青山水库供水对象需水量（即供水保障率为100%）为前提，即本次研究以水库蓄满率表达正常蓄水位调整潜力，隐含供水保障率为100%这一条件。通过正常蓄水位调整潜力分析计算，在满足下游河道基本生态环境需水流量5.0 m3/s（相当于43.2万m3/d）的条件下，非汛期正常蓄水位提高至25.00 m或26.00 m，水库能够蓄满的年份可分别达到38 a或36 a，蓄满率分别达到80.9%或79.6%。也就是说，在对下游蓄水量的保障率为100%的条件下，通过提高正常蓄水位，水库蓄满率可以达到约80.0%，非汛期提高正常蓄水位具备水源保障。

5.5 非汛期防洪调度问题

以非汛期的2010年3月实际洪水过程和100 a一遇设计洪水过程为例，以200 m3/s控泄流量为条件进行水库非汛期调洪计算，结果表明即使以26.16 m作为非汛期调洪计算的起调水位，2010年3月实际洪水过程和100 a一遇设计洪水过程的调洪最高库水位分别为28.74 m和28.22 m，均低于移民水位31.16 m和土地淹没赔偿水位29.84 m。这表明，提高非汛期正常蓄水位后，水库若遭遇2010年3月典型洪水或非汛期100 a一遇设计洪水，也不会带来防洪风险问题。

5.6 提高正常蓄水位的水资源效益

正常蓄水位若提高至25.00 m，可增加1 715万m3的蓄水量；若提高至26.00 m，可增加2 798万m3的蓄水量，这2组增蓄水量相当于1座中型水库的蓄水规模。

6 正常蓄水位调整的可行性分析

青山水库正常蓄水位提高后，可能受到影响的是流域防洪安全、大坝工程安全、库区淹没安全、大坝安全运行管理和应急管理等，对提高正常蓄水位的可行性分析如下。

6.1 水库调蓄空间较大

青山水库多年平均径流量4.75亿m3，总库容2.13亿m3，而兴利库容只有3 100万m3，库容分配不尽合理，调蓄能力差，大部分上游来水被弃用，未能有效发挥水库供水功能效益，库容分配仍有较大改善空间。

6.2 不影响区域防洪安全

汛后非汛期由于10 — 12月在整个非汛期中来水偏少，不存在防洪安全性问题（见图4）；对汛前非汛期，水库下游东苕溪河道下泄流量介于200 ～ 300 m3/s不会造成防洪安全问题，按照下游控泄流量为200 m3/s（当控泄流量超过水库泄流能力时，按水库泄流能力进行预泄）计算，当库水位从25.00 m或26.00 m预泄至汛限水位只需2 ～ 3 d，若按照300 m3/s控泄，则预泄时间更短（水库下游河道安全流量为619 m3/s）。由此可见，汛前足以在短时间内，在确保大坝安全和下游河道安全的前提下，将正常蓄水位过渡至汛限水位。青山水库正常蓄水位调整不影响防洪任务。

图4 青山水库运行期三分示意图

6.3 上游来水条件充足

青山水库入库径流量总体稳定，非汛期（10月16日至次年4月14日）多年平均入库径流量为16 696万m3，占多年平均入库径流量48 238万m3的34.6%。现状供水量条件下，在确保下游供水保障率达到100%的条件下，青山水库非汛期能够蓄至24.16，25.00，25.16，26.00，26.16 m的蓄满率至少为78.7%（见表3），近期和远期供水量条件下，水库非汛期能够蓄至24.160，25.00，25.16，26.00，26.16 m的蓄满率至少为68.1%，青山水库非汛期提高正常蓄水位是有来水保障的。

表3 青山水库不同正常蓄水位方案下的蓄满率计算结果表

6.4 大坝工程安全有保障

经过2014年12月至2015年5月维修加固后，大坝安全性态为“一类坝”[14]，正常蓄水位提高1.00，1.84，2.00，2.84和3.00 m都具备可行性。此外，上游里畈水库扩建工程完成，临安锦城镇回水堤加固工程完成，防洪标准明显提高，有效减小库尾和库区对水库防洪作用发挥的影响。青山水库上游四岭、下游水涛庄等水库陆续建成，东苕溪沿线工程整治和加固工程已经完成，苕溪流域防洪体系发生较大变化，青山水库防洪压力显著缓解，为抬高正常蓄水位提供十分有利的条件。

6.5 水库大坝安全运行管理和应急管理能力满足需求

青山水库工程安全管理制度完善，软硬件条件良好，管理人员素质较高，水库洪水预报预警、工程安全监测与巡视检查、水库预泄超泄等管理能力具有保障，能够适应正常蓄水位提高后的水库工程安全管理和应急管理的实际需求。

6.6 库区淹没风险可接受

目前库区28.00 m以下已不存在迁移安置与生产安置及其赔偿问题，库内交通设施可以有替代方案，库周防洪设施在提高2.0 m范围内无影响。总体看，淹没条件基本具备。

综上，青山水库正常蓄水位调整不影响防洪任务，不影响工程安全，不弱化调度管理，且上游来水条件较好，是可行的。

7 正常蓄水位调整规模与效益分析

通过正常蓄水位提高1.00，1.84，2.00，2.84，3.00 m五个方案的风险与效益对比分析认为：正常蓄水位提高1.00，1.84 m达到24.16，25.00 m，可取得一定效益，承担的风险可接受，对水库防洪安全、库区淹没、工程安全、水库管理等不存在明显影响，可增加882万，1 715万m3蓄水量，节省替代工程投资1.6亿，3.1亿元，水质指标最大可改善21%，且经历过历史水位长期考验；正常蓄水位提高2.00 m达到25.16 m，取得的效益明显，承担的风险可接受，对水库防洪安全、库区淹没、工程安全、水库管理等不存在明显影响，增加1 879万m3的蓄水量，节省替代工程投资3.4亿元，水质指标最大可改善23%，且经过较长时间历史水位考验；正常蓄水位分别提高2.84，3.00 m，增加2 798万，2 978万m3蓄水量，节省替代工程投资5.0亿，5.4亿元，水质指标最大可改善30%，但对上游锦溪倒灌可能影响正常泄洪，且未经长期历史水位考验。

综合对比分析，青山水库正常蓄水位提高的必要性和可行性具备，正常蓄水位提高1.00，1.84，2.00，2.84，3.00 m五个方案中，提高2.00 m水位至25.16 m方案可增加蓄水量1 879万m3，作为推荐方案。

8 水库调度运用方式研究

（1）汛期水库调度。正常蓄水位抬高后，汛限水位仍然维持23.16 m不变，不影响汛期防洪安全，汛期防洪调度可维持现有方式。

（2）汛后非汛期水库调度。正常蓄水位提高方案无需启用汛末蓄水，汛后非汛期兴利调度可维持现有方式。

（3）汛前非汛期水库调度。对于汛前非汛期，必须在汛期到来之前（4月15日前），确保将库水位降至汛限水位。按照下游控泄流量为200 m3/s（当控泄流量超过水库泄流能力时，按水库泄流能力进行预泄）计算，3 d内可将库水位在调整后的正常蓄水位25.16 m预泄至汛限水位23.16 m。实际调度运行时，可根据天气形势和降雨预报信息，通过综合分析合理确定水库预泄时机，确保4月15日前将库水位降至汛限水位。

9 结论与建议

本文采用水文水资源、大坝安全、社会学及成本效益理论等，对杭州市青山水库正常蓄水位调整论证技术进行初步探索，提出正常蓄水位调整论证的技术路线和必要性、水资源需求、入库径流、可行性、风险效益、调度运用方式等分析模式，集成创新地提出正常蓄水位调整论证分析框架和技术路线，成功应用于杭州市青山水库正常蓄水位论证。经分析，青山水库正常蓄水位提高的必要性和可行性均已具备，提高2.00 m水位至25.16 m可增加蓄水量1 879万m3，可作为推荐方案。

建议进一步研究青山水库汛期特别是梅汛期洪水特征，提出梅汛期、台汛期动态汛限水位控制机制，加强水库综合调度方式研究；制定详实、全面、操作性强的水库调度规程。