干旱半干旱地区大型水利枢纽工程初期蓄水特征分析及供水保障对策研究

李 臻，张维蓉

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100020)

初期蓄水期系指水库从封堵导流设施并开始蓄水至水库水位达到初期运用起始水位(一般指死水位或灌溉、供水、发电的最低水位)的蓄水时段。合理拟定水库初期蓄水计划，并制定初期蓄水期的洪水度汛方案，对水库的蓄水安全和兴利运用具有重要影响。水库初期蓄水计划或度汛方案不合理，会导致工程无法及时发挥供水、灌溉或发电等综合效益，给项目管理单位和国家造成较大的经济损失，更有甚者可能危及工程安全乃至下游人民群众生命和财产安全。笔者在系统分析国内多项大型水利枢纽工程初期蓄水方案的基础上，重点针对干旱半干旱地区大型水利枢纽工程初期蓄水期供水安全保障问题进行了典型研究，并提出相应的对策建议，为大型水利枢纽工程拟定初期蓄水计划提供借鉴与参考。

1 大型水利枢纽初期蓄水特征分析

水库初期蓄水安排受移民搬迁、工程形象进度、工程安全、下游供水等诸多因素影响，目前尚无明确的拟定蓄水方案的准则和要求[1]。国内水库初期蓄水方面的研究多以水电站工程为主，其核心研究内容是在满足工程度汛安全前提下，协调水库来水、上下游用户的用水要求和水库蓄水的矛盾，尽可能减少对第三方用水的不利影响[2- 5]，对蓄水时机、蓄水方案、工程措施等方面进行优化，力求尽早发挥水库发电效益[6- 10]。与水电站工程相比，大型水利枢纽工程通常具有防洪、供水、灌溉、发电、生态、航运等多种综合利用任务，各项开发任务之间的协调关系更加复杂，初期蓄水期的目标函数和约束条件更多、蓄水时机和蓄水方案更加复杂，从移民搬迁、工程形象进度、工程安全和下游供水要求等直接因素方面探求大型水利枢纽工程的初期蓄水特征十分困难。考虑到移民搬迁、工程形象进度、工程安全和下游供水要求既是影响水库初期蓄水方案的因素，同时也是水库工程规划设计考虑的重要方面，均可以体现在工程的地质条件、坝址成库条件和径流洪水特性中，而这些条件和特性往往能够从工程死库容、最大坝高、坝址径流量、集水面积降水量等工程特性指标中得以体现。自“十三五”以来，国家发展改革委、水利部先后组织实施了172项重大水利工程和150项重大水利工程，其中涉及数十项大型水利枢纽工程。本文对“十三五”以来19座已开工的和11座可研报告已经水利部审查通过的大型水库(水利枢纽)工程初期蓄水下闸时机、蓄水时间等进行了统计分析，并重点分析了水库初期蓄水时机和蓄水时间与水库集水面积降水量、死库容、最大坝高、坝址径流量与死库容倍比系数之间的散点关系，见表1。

表1 大型水利枢纽工程水库初期蓄水时机与蓄水时间统计分析表

1.1 初期蓄水下闸时机特征

分析表1和图1、图2可知，我国近期建设(拟建)的大型水利枢纽工程初期蓄水下闸时机呈现以下特征：

(1)30座大型水库(水利枢纽)中，有7座水库在汛期下闸蓄水，占比为23.3%，有23座水库选择在非汛期下闸蓄水，占比为76.7%。

(2)汛期下闸蓄水的7座水库中，水库死库容大小与当地降水径流条件具有明显负相关性：4座位于降雨量400mm以下的干旱地区的水库，其死库容均大于8000万m3；3座位于降雨量400mm以上地区的水库，其死库容均在2000万m3以下。

(3)非汛期下闸蓄水的23座水库，水库死库容大小与当地降水径流条件相关性不显著。

(4)限于各水库工程前期工作深度不同导致的资料限制，本文对30座水库中的22座水库初期蓄水时间与下闸时机的关系进行了分析。其中，汛期下闸蓄水的5座水库，有4座初期蓄水时间大于200d，占80%以上；有1座水库初期蓄水时间小于200d。非汛期下闸蓄水的17座水库，有6座初期蓄水时间大于200d，占35%；11座初期蓄水时间小于200d，占65%。

图1 水库的死库容与坝址集雨面积降水量关系散点图

图2 初期蓄水时间与坝址集雨面积降水量关系散点图

1.2 初期蓄水时间特征

分析表1和图3—6可知，我国近期建设(拟建)的大型水利枢纽工程初期蓄水时间呈现以下特征：

图3 初期蓄水时间与坝址集雨面积降水量关系散点图

图4 初期蓄水时间与水库死库容关系散点图

图5 初期蓄水时间与水库最大坝高关系散点图

图6 初期蓄水时间与水库坝址径流量/死库容倍比系数关系散点图

(1)初期蓄水时间与水库集雨面积内的降水径流条件具有一定的相关性，尽管无论是降水量不足800mm的干旱半干旱地区水库还是降水量超过800mm的湿润半湿润地区水库，其初期蓄水时间都出现了高于200d的情况，但总体来看，仍以干旱半干旱区域居多；且初期蓄水时间超过250d的5座大型水库均位于干旱和半干旱地区。

(2)初期蓄水时间与水库死库容呈现一定程度的正相关性，即水库的死库容越大，相应所需的初期蓄水时间越长。

(3)初期蓄水时间与水库最大坝高也呈现一定程度的正相关性，但相关程度不如与死库容大小的关系明显，即水库最大坝高也在一定程度上体现了水库总库容、死库容的大小。

(4)初期蓄水时间与水库坝址径流量与死库容倍比系数呈现较好的负相关性，即水库的径流条件越好、死库容越小，相应所需的初期蓄水时间越短。

1.3 初期蓄水特征

综合以上分析可知，我国大型水利枢纽(水库)工程初期蓄水具有以下几方面特征：

(1)水库初期蓄水下闸时机多选择在非汛期进行，主要是尽可能减少或避免汛期下闸蓄水带来的临时度汛风险；对于选择在汛期下闸的水库，多分布在干旱半干旱地区，其降水径流条件相对较差、死库容相对较大、初期蓄水所需时间相对较长，选择在汛期下闸蓄水，能够缓解下游水资源供水矛盾，在满足工程安全的前提下利用汛期水量大的优势尽快蓄水至死水位。

(2)水库初期蓄水时间与工程死库容、最大坝高呈正相关性，与水库降水径流条件呈负相关性。工程最大坝高越高、死库容越大表明了水库初期蓄水的要求越高，水库降水径流条件差则说明水库初期蓄水期的上下游水资源供需矛盾更加突出。

根据国内30座大型水利枢纽工程初期蓄水特征分析结论，干旱半干旱地区高坝大库的初期蓄水时间往往更长，初期蓄水下闸时机选择更难、下游供水安全保障矛盾更突出，其初期蓄水问题值得进一步深入研究。

2 初期蓄水期供水保障问题识别

水库初期蓄水计算需统筹考虑上、下游用水对象的用水需求。对于水库上游用水对象，可分析预测其经济社会发展带来的新增耗水，并从水库设计径流中优先扣除。对于水库下游用水对象，可根据当地水资源条件以及各用水对象的重要程度，统筹考虑河道内生态基流、城乡生活用水、工业用水和农业灌溉用水。从国内众多大型水库初期蓄水实践看，水库初期蓄水期上下游用水对象的供水要求是可以满足的，但对于以干旱半干旱地区水库而言，流域水资源供需矛盾较为突出，水库下游综合利用要求高，水库蓄水要求和下游用水保障之间的矛盾较为突出，其初期蓄水期下游用水对象供水保障难度较大。

本文以新疆叶尔羌河的阿尔塔什水利枢纽工程为例，该水库所在叶尔羌河河发源于喀喇昆仑山北脉喀喇昆仑山冰川，流经克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县，喀什地区叶城、塔什库尔干、泽普、莎车、麦盖提、巴楚等6县，并于阿克苏地区阿瓦提县与和田河汇合后注入塔里木河，河流全长1281km，流域面积8.58万km2，流域多年平均降水量为70mm。卡群站是叶尔羌河主要控制站点，卡群站以上为流域径流形成区，多年平均天然径流量为66.5亿m3。拟建的阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河卡群水文站上游55km处，多年平均径流量为64.17亿m3，P=50%、P=75%、P=90%年份径流量分别为62.97亿、55.4亿、49.44亿m3，水库死库容8.69亿m3，正常蓄水位对应库容21.29m3。卡群站以下至塔里木河汇合口之间为叶尔羌河径流耗散区，分布有叶尔羌河流域大型灌区(设计灌溉面积651.5万亩)，考虑灌区各取水口断面灌溉用水过程及河道输水损失后，折算到卡群断面的灌区地表水引水量为54.41亿m3。根据《塔里木河近期综合治理规划报告》，叶尔羌河黑尼亚孜水文站断面需年均下泄塔里木河干流生态水量3.3亿km2，如折算至卡群站则需下泄生态水量9.71亿m3。由此可知，如要优先保障下游灌区用水及下泄塔里木河生态水量，阿尔塔什水利枢纽在平水年份(P=50%)就已经无水可蓄，水库蓄水与下游供水保障的矛盾十分突出。

3 初期蓄水期供水保障对策研究

为解决该水库初期蓄水供水保障问题，从以下方面进行了研究：一是协调各用水对象供水保障与水库蓄水的优先级，明确初期蓄水原则；二是分析来水与用水过程匹配程度，确定下闸蓄水时机；三是调整水库上下游其他水工程联合调度运行方式，减缓初期蓄水影响。

3.1 明确供水优先级及蓄水原则

前已述及，如优先保障下游农业灌溉及下泄塔里木河干流生态水量，则阿尔塔什水利枢纽在平水年甚至枯水年情境下几乎无水可蓄，工程效益也将无法及时发挥。因此，有必要分析确定下游用水对象用水保障的优先级，提出水库蓄水原则，尽可能平衡好水库蓄水与下游农业灌溉及下泄塔里木河生态水量之间的关系。

叶尔羌河流域灌区沿干流两岸呈南北走向狭长分布(南北长400km，东西宽40～80km)，灌区采用“多级引水、集中引枯、分级引洪”方式从叶尔羌河干流引水，经东、西岸大渠等骨干渠系向灌区内24座平原水库补水，经调蓄后满足灌区内生产生活用水需求。由于叶尔羌河流域基本无有效降雨，叶尔羌河供水一旦发生破坏，不仅对灌区农作物生长有重大影响，还将给灌区内上百万少数民族群众的生产生活带来极大影响，不利于边疆稳定和民族团结。因此，阿尔塔什水利枢纽初期蓄水期需要尽可能减少对下游灌区供水的影响。

叶尔羌河下游生态用水需求可分为2个方面，一是初期蓄水期水库坝址断面生态流量下泄要求，二是下泄塔里木河干流生态水量。前者是基本生态需求，在水库初期蓄水期应尽可能予以满足，后者则可以根据实际情况统筹考虑。叶尔羌河为塔里木河九大源流之一，也是现状能向塔里木河干流下泄水量的4条源流之一。根据国务院批复的《塔里木河近期综合治理规划》，叶尔羌河流域多年平均下泄塔里木河干流生态水为3.3亿m3(黑尼亚孜断面)，占4条源流下泄塔里木河干流水量46.5亿m3的1/15。从水量上看，叶尔羌河对塔里木河干流生态的贡献相对阿克苏河、和田河等其他源流相对较小。因此，在阿尔塔什水利枢纽初期蓄水时，可减少叶尔羌下泄水量，同时统筹协调其他源流下泄水量，以减少对塔里木河干流生态用水的影响。

因此，阿尔塔什水利枢纽初期蓄水的优先级为，优先满足叶尔羌河下游灌区灌溉用水以及平原水库蓄水，其余水量优先蓄到库内，剩余水量向塔里木河干流输水。

3.2 确定初期蓄水下闸时机

初期蓄水下闸时机除考虑工程形象面貌、库区移民搬迁等因素外，还需考虑河流洪水特性对工程蓄水安全影响，以及径流特性对下游用水保障的影响。限于篇幅限制，本文不在此处探讨工程形象面貌和库区移民搬迁等常规因素，对干旱半干旱地区大型水利枢纽初期蓄水的影响。

(1)洪水特性对工程蓄水安全影响

叶尔羌河洪水除具有冰川积雪消融型、暴雨型、消融与暴雨混合型的洪水成因之外，还具有冰川突发型洪水。根据喀群水文站实测洪水资料，年最大洪水全部发生在7—9月，其中以8月频次最高，7、8、9月发生年最大洪峰流量的频率分别为33%、60%、7%。如在汛期下闸蓄水，水库水位上升速率较快，坝体稳定及安全运行将面临较大风险。因此，根据河流洪水特性可知，7、8月发生大洪水的频次较高，蓄水存在一定程度的风险，9月洪水频次相对较低，风险相对7、8月较小。

(2)径流特性对下游用水保障的影响

叶尔羌河多年平均径流量为66.5亿m3，全年径流主要集中6—9月，约占年径流量的80%；灌区考虑平原水库蓄丰补枯作用后多年平均灌溉需补水量为54.4亿m3。由图7可知，5—10月坝址月均来水流量大于灌区需补水流量，水库可蓄水量较丰富，非汛期11月至来年4月天然来水不足，下泄河道生态基流和灌区用水需求后水库基本无水可蓄。因此，考虑坝址径流特性后，宜选择汛期下闸蓄水，充分利用汛期余水进行蓄水。此外，汛期蓄水，有利于库水位尽快从导流洞下闸水位抬高至泄流底孔底板高程，缩短对下游供水的影响时间。

综合考虑上述2方面因素，推荐该工程从汛期9月1日起下闸蓄水。

图7 多年平均月均坝址来水流量和灌区需补水流量过程线

3.3 与其他水工程联合调度运用方式

为减缓对下游农业灌溉和生态影响，在阿尔塔什水利枢纽蓄水前，需尽可能通过调度措施使上游下坂地水库和下游平原水库处于高水位状态。待到导流洞下闸蓄水后，一方面可安排下游平原水库在次年春灌用水高峰期向农业供水，另一方面如遇后续时段天然来水不足，通过加大上游下坂地水库泄流量以缩短阿尔塔什水利枢纽蓄水时间。限于篇幅限制，本文列出了是否考虑上、下游水库联合调度4种情景下，阿尔塔什水利枢纽下闸时间分别为8月1日和9月1日的初期蓄水计算成果，见表2。对比可知：

(1)不同情景下，9月1日下闸蓄水至死水位的时间与8月1日下闸相比，蓄水期更长，主要原因是8月为全年径流最大的月份，尽早下闸可充分利用该月径流及早蓄水。

(2)8月1日下闸情况下，不考虑与当地其他水库联合调度，丰、平、枯水年份蓄水时间在326～367d之间；考虑下游平原水库或上游下坂地水库联合调度，则平、丰水年蓄水期将大幅缩短；如考虑上下游水库联合调度，则丰、平、枯年份蓄水期将大幅缩短，约在36～50d。

(3)9月1日下闸情况下，无论采用何种水库调度情景，初期蓄水期均在317d以上，考虑上下游全部水库参与联合调度情景与不考虑水库联合调度情景相比，水库蓄水期可缩短约14～34d。

表2 不同情景下阿尔塔什水利枢纽初期蓄水计算成果 单位：d

从对比结果看，利用上、下游水库联合调度在丰、平水年份的作用较为明显，但是上下游水库能否按照计划在下闸前蓄至正常蓄水位，与下闸时机之前的径流情况有关，问题较为复杂，本文不再对此进行赘述。

3.4 一般性原则

基于上述考虑，提出干旱半干旱地区大型水利枢纽初期蓄水一般性原则：

(1)优先满足下游河道生态基流用水需求，对于生态基流以外的生态水量供水顺序可以适当延后，必要时可考虑在水资源条件具备的情况下，如当来水频率大于50%时，需考虑下泄生态水量要求。

(2)若天然来水大于灌区需补水过程要求，按灌区用水要求下泄；若天然来水小于灌区需补水过程要求，则按天然来水下泄，维持库水位不变。

(3)满足其他如库水位变幅、施工形象面貌、库区移民搬迁、度汛安全等其他控制性要求。

(4)为配合工程初期蓄水，可统筹上下游水库调度运行方式，在下闸蓄水前尽可能使其他水库水位处于“库满”状态，下闸蓄水后，优先利用水库蓄水向农业和生态供水，不足由河流补充。

4 结语

在分析总结国内大型水利枢纽工程初期蓄水特征的基础上，重点针对干旱半干旱地区大型水利枢纽工程初期蓄水存在的主要问题，通过典型研究提出了初期蓄水期供水优先级及蓄水原则、初期蓄水下闸时机和水工程联合调度运用方式等，为今后的大型水利枢纽工程初期蓄水计划拟定工作提供借鉴与参考。限于资料和篇幅限制，本文重点从下闸蓄水时机选择、下游供水优先级顺序，以及通过水工程联合调度减缓下游供水影响等方面进行了研究，对于初期蓄水与度汛安全的关系，以及保障生态流量下泄的工程措施等问题未进行深入研究，有待今后进一步研究探讨。