径流调节概率法在多年调节水库中的应用

黄鑫平

（广东省天中勘测规划设计有限公司惠州分公司，广东惠州 516300）

0 引言

针对径流在天然状态下产生的供需矛盾，可以考虑水利设施的建设，以调节的方式改善原始状态，兴利除害，充分发挥水资源的利用价值，缓解水利问题。其中，径流调节概率法属于径流调节的常见方法，工程实践中可联合应用调度图，有效应对多年调节复杂度高的工程场景，保证径流调节的有效性。

1 工程概况

显岗水库是综合利用开发沙河水利资源的骨干工程之一。水库坝址以上集雨面积295km2，占沙河全流域集雨面积的23.6%，干流河长39.56km，干流坡降2.7‰。设计洪水标准为500年一遇，设计洪水位27.30m，相应库容12555万m3；正常蓄水位24.00m，相应库容6875万m3；死水位15.55m，相应库容226万m3；水库直接供水的灌区引水涵管进口底高程较高，在水位18.99m时才能满足灌溉取水需求，90%保证率灌溉保证率时水库水位不低于19.00m。

2 径流

2.1 雨量资料

本工程流域范围内有显岗水库雨量站，该站建于1960年，现设立在主坝与2#坝交接处的水库管理局办公楼上，采用ST1型虹吸式雨量计自动观测仪观测和人工观测两种方法，全年每天早上8时观测，8:20前报送雨情至市水文分局，3h累计雨量≥50mm时加报。显岗雨量站为国家站，水文气象测验、整编均按规范执行，资料质量完整可靠、资料系列较长、代表性好，可作为本次设计年径流量及年内分配的依据。

本次收集到显岗水库建库以来雨量观测资料，资料系列为1960—2019年，水文年系列长度为59年，满足本次兴利调节计算需要。

2.2 设计年径流

流域范围内的雨水具有冬春少、夏秋多的雨量分布特征。全年内，汛期为4—9月，雨量约占全年降雨总量的83%。降雨为径流的主要来源途径，径流年内分配与降雨基本相应。考虑到缺乏流域实测径流资料的特殊性，需要探寻适宜的方法，作为年径流设计时的技术支撑[1]。为此，提出如下两种可用于设计年径流的方法。

方法一：查阅《广东省水文图集》，从中识别反映流域重心的年径流深，综合已经掌握的流域面积数据展开计算。

方法二：用显岗雨量站多年平均降雨量作为流域平均降雨量，根据《图集》中的年降水量、年径流深等值线查出显岗流域重心的年降水量和年径流深，计算出径流系数为0.61，再乘以显岗多年平均雨量得出多年平均年径流量。

上述两种方法计算的多年平均年径流量成果见表1。

从表1来看，两种方法的计算结果相差在2.0%以下，相差很小，可见显岗水库雨量站可以作为流域代表站。因此本次使用由显岗站实测降雨量计算得出的设计值，具体为：年径流深1133.4mm，多年平均流量10.6m3/s，多年平均年径流量33435.3万m3，计算成果见表2。

表2 显岗水库设计年径流成果

2.3 径流调节计算

显岗水库集灌溉、防洪、发电多项功能于一体，属于多功能的大（Ⅱ）型水利枢纽。纵观水库演变进程，发现供水对象及规模较之于以往均有变化，原本灌区供水为主的功能在现阶段相对淡化，逐步朝着生态供水、城镇居民供水等方向发展。

本次需水量规划水平年取2030年。其中显岗水库灌区设计保证率为90%，城镇供水保证率95%，生态供水保证率结合水库实际能达到的程度拟定（根据兴利调节计算成果，保证率为灌溉一致，取值90%）[2]。

3 灌溉需水

3.1 作物组成、灌区主要渠系情况

灌区内土质以砂壤土为主，农业生产以水稻为主，兼有玉米、冬瓜、香蕉、甘蔗、花生、蔬菜等经济作物，水田耕作制度大多为双季稻连作加喜凉的冬季作物，冬种作物一般为蔬菜、蚕豆或油菜等，经济作物以蔬菜为主，在此基础上辅以甘蔗、花生等经济作物。

3.2 灌溉定额分析

灌区砂壤土灌溉定额均值为650m3/亩，Cvm为0.23（相应Kp值10%、50%、90%频率分别为0.719、0.983、1.304）。经济作物灌溉需水量相对较小，经济作物灌溉定额可按水田定额的30%计算。

经过配套设施的完善和节水改造措施的落实，显岗灌区的灌溉状况发生改变，此时取灌溉水利用系数η为0.6175，田间水利用系数η2为0.95，渠系水利用系数η1为0.65。

3.3 供水需水量

根据《惠州市博罗县显岗水库应急备用水源供水工程供水方案》、《显岗水库城镇供水分配方案报告》（均为批复），至2030年，显岗水库对湖镇镇的供水量5万t/日，长宁镇的供水量5万t/日，龙华镇镇的供水量2万t/日，园洲镇的供水量5万t/日，龙溪街道办4万t/日，罗阳街道办9万t/日，合计显岗水库的城镇供水规模为日供水30万m3。但其中只有园洲镇的供水量5万t/日的《博罗县园洲镇罗浮供水有限公司供水工程初步设计报告》取得批复。

考虑水库调度主要针对近期情况，因此本次供水需水量按现状的湖镇镇的3万t/d、长宁镇的3万t/d及已批复的园洲镇5万t/d，合计供水11万t/d[3]。

3.4 下游河道生态补水量

显岗水库是沙河的骨干水库，需下泄一定的流量来满足下游河道生态需水要求。

取多年平均流量的10%进行下游河道生态用水计算，即1.06m3/s，折合3343.5万m3/年。

4 径流调节计算

4.1 水库水量损失

分别确定水库蒸发增损量和渗漏损失量两项数据，共同作为水库的水量损失。考虑显岗水库为大型水库、且雨量资料系列较长，为保证径流调节计算成果的合理性，本次采用长系列法进行径流调节计算，简化计，水库水量损失按天然径流的百分比进行扣除，以净径流进行长系列调节计算；结合《广东省博罗县显岗水库灌区续建配套与节水改造工程初步设计报告》里水量损失计算成果，水库的天然径流量按来水量扣除5%的水量损失来计算[4]。

4.2 水库特征水及兴利库容

显岗水库大坝设计洪水标准为500年一遇，设计洪水位27.30m，相应库容12555万m3；正常蓄水位、死水位分别为24.00m、15.55m，相应库容分别为6875万m3、226万m3。满足灌溉引水需要的高程为19.00m，对应的库容为1640万m3。

大洞水库死水位25m，对应库容18万m3；正常蓄水位37m，对应库容790万m3。

4.3 水量平衡计算分区

根据显岗水库灌区的水源及灌溉渠道分布情况，将灌区分为3个水量平衡区。

水量平衡区一：大洞水库平衡区，大洞水库直接灌溉范围面积0.56万亩，水库按年调节水库进行调蓄计算，缺水部分由显岗水库直接补充。

水量平衡区二：白勘角水闸区间，包括从白勘角水闸、鸡心岭水闸引水的灌溉区域，灌溉面积合计4.55万亩，该片区先有显岗水库下游区间水进行水量平衡计算，缺水部分由显岗水库直接补充。

水量平衡区三：显岗水库直接供水区域，显岗水库直接供水的灌区面积2.14万亩（放水涵管进口底高程较高，在水位19.00m时才能满足灌溉取水需求），另外还有城镇供水、下游生态补水及水量平衡区一、二的补水，显岗水库为本供水系统的骨干水库，由最终的显岗水库调蓄计算后确定各供水对象的供水保证程度。

4.4 径流调节计算

兴利调节计算按照水量平衡原则进行兴利调节计算，当库容低于死库容时认为兴利破坏，当库容超过正常库容时，多余水量为弃水。

白勘角水闸区间径流利用系数，考虑下游河道生态需水的影响，河道引水的径流利用率本地区一般取值0.5。

各兴利保证率，N年中，K年满足的某个兴利对象的保证率经验频率。

式中：N——系列长度，本次为59年；k——某个兴利对象供水满足的年数；Pk——某个兴利对象供水保证率。

另外，显岗水库直接供水的灌区涵管进口底高程较高，在水位19.00m时才能满足灌溉取水需求，因此在灌区设计保证率时，水库的水位不能低于19.00m。

水库的兴利库容仅6649万m3（满足灌溉的水位19.00m以上兴利库容仅5235万m3），相比于多年平均径流量33435.3万m3，水库调节系数为19.9%（满足灌溉的水位19.00m以上调节系数仅15.7%），水库调节性能为年调节水库，实际水库来水量相对较为丰富，年调节可以满足兴利需求。

经长系列兴利调节计算，灌溉供水，1963年、1964年、2002年、2011年等共4年灌溉遭到破坏，则灌溉保证率为93.3%，满足灌溉保证率90%的要求。生态供水，在下泄生态流量1.06m3/s情况下，除上述灌溉供水破坏的年份外，其余年份都能保证，则生态供水保证率为93.3%，取整为90%，与灌溉供水保证率一致，可见水库水量相对较为充足。城镇供水，考虑90%保证率灌溉供水水量75%，仅1963年遭到破坏，则城镇供水保证率为98.3%，经过数据的对比分析可以发现达到95%的城镇供水保证率要求；如仅考虑城镇供水，则目前系列全部年份都可以满足，考虑系列长度有限，仍按1963年破坏考虑，即城镇供水保证率为98.3%，满足城镇供水保证率95%的要求[5]。

5 调度图绘制

防破坏线的绘制：通过逆时序对各设计代表年进行径流调节计算，从死库容对应的水位开始起调，然后取各月水库有效蓄水量的上包线作为防破坏线；根据水库实际情况，绘制90%保证率的生态、灌溉、生活供水防破坏线，90%保证率的灌溉、生活供水防破坏线，超过90%枯水年灌溉用水已部分破坏、生活供水防破坏线，95%保证率仅生活供水防破坏线。

发电调度：在水库水位19.00m以上结合灌溉等兴利需求进行发电，在来水丰富的4—7月份水库水位低于水库汛限水位（或正常蓄水位）2.0m以内、8月份为低于水库汛限水位2.0~1.0m的过渡月份、其余月份水库水位低于水库汛限水位（或正常蓄水位）1.0m以内，电站按保证出力发电，尽量通过发电控制水库水位上涨；由于水库在溢洪道泄洪时水头差较大，发电效果较好，结合电站设计水头较大的特点，水库泄洪时（或水位超过汛限水位）电站加大出力发电。

各防破坏线，结合趋势适当修匀调整，保证调度图各个区域的合理性。调度图见图1。

图1 显岗水库运行调度

6 结语

综上所述，文中结合工程实例，针对工程特点，首先对工程灌溉定额及供水需水量进行了分析，并就径流调节计算中的水库水量损失、兴利库容及水量平衡计算进行了详细的研究，综合考虑类似工程的工作经验，经过分析后筛选出关键参数，以便进行工程规模的论证。富有逻辑地计算与分析后，提高了水库的综合利用效益，采用的径流调节概率法在该工程中具有可行性，可在类似工程中推广应用。