已建坝正常蓄水位调整论证方法研究

张士辰 李凯 落全富 季文娟

摘要：

已建坝正常蓄水位调整是挖掘水库兴利能力的有效途径，但目前缺乏明确可靠的论证方法。采用水文学、大坝安全、大坝风险及生态环境理论，研究已建坝正常蓄水位调整必要性的影响因素及特征，分析调整后水库防洪安全、工程安全、库区淹没、库岸结构、库区水环境所受影响特征，提出了正常蓄水位调整必要性论证的6个一级、14个二级指标体系，以及调整后影响论证的7个一级、23个二级指标体系及其分析方法，构建调整方案风险效益分析方法，并应用于杭州青山水库正常蓄水位调整论证。结果表明：针对青山水库将正常蓄水位提高2.0 m的推荐方案，提出的论证指标体系和论证方法合理有效。

关 键 词：

已建坝； 正常蓄水位； 必要性论证； 风险效益分析； 青山水库

中图法分类号： TV632

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.032

0 引 言

近年来，随着中国社会经济快速发展，各地对水资源需求增大趋势逐步显现［1］。进一步挖掘已建坝蓄水潜力，对已建水库实施提能增效受到广泛关注。与大坝加高或水库清淤等工程措施相比，通过调整正常蓄水位和汛限水位，因成本低、见效快，成为首选方案。特别对于中国北方水资源禀赋不足地区，提高汛末汛限水位与汛后正常蓄水位有机结合进行补蓄，提高蓄水效益对于促进非汛期社会经济发展至关重要。但提高汛限水位直接影响水库防洪调度，间接影响所在流域其他工程防洪调度。因此，提高正常蓄水位并使影响范围仅限于该水库而成为次优选择，以促进解决非汛期水资源不足问题。

相比于水库正常蓄水位而言，汛限水位的研究和实践更加充分，相关研究主要集中在汛限水位动态控制方案优选方法、汛限水位实时动态控制方法及动态汛限水位实现方式等方面［2-5］，实践中普遍采取前、主、后分阶段汛限水位。正常蓄水位论证方法主要针对新建坝和已建坝两类。新建坝正常蓄水位论证分析理论方法较为成熟，首先根据保证自流灌溉必要的引水高程并考虑水库泥沙淤积确定死水位，然后利用兴利调节计算，求得兴利库容和正常蓄水位，再对不同正常蓄水位方案开展成本效益比选，最终确定正常蓄水位。其他相关研究集中在正常蓄水位方案多目标优选决策，如多维模糊优选、灰色关联决策、主成分分析法等，重点在于数学方法的研究［6-10］，以及仅限于工程安全与效益分析两方面的对比分析案例研究［11-14］，就其理论技术和思想方法而言，未超越新建坝正常蓄水位设计理论技术体系。已建坝运行期正常蓄水位调整论证方法研究成果较少，成果水平普遍不高，主要研究集中在具体工程正常蓄水位调整的必要性及调整后对防洪安全、大坝安全影响等方面［15-17］，论证方法研究滞后于实践发展需要。

由于已建坝和新建坝属于大坝生命周期的两个不同阶段，越来越多工程经验表明，大坝运行期安全理论不能简单采用大坝设计理论替代，已建坝和新建坝正常蓄水位论证思路区别明显，体现为：① 新建坝主要针对灌溉、供水、生态等兴利水资源需求量确定正常蓄水位，是大坝设计重要特征水位指标依据之一，据此进行大坝结构设计与建设是一个从无到有的过程，其中，大坝安全、库区管理、水资源配置等都随着新建坝正常蓄水位概念确立而经历从无到有的过程；② 已建坝正常蓄水位调整是水库运行多年后对特征水位和运行方式寻求变化的一种过程，是一个从有到变的过程，在正常蓄水位发生变化之前，大坝安全、库区管理、水资源配置等各项技术指标都与原正常蓄水位配套运行。当已建坝正常蓄水位调整时，可能影响水资源供给、防洪安全、大坝安全、库区淹没、库岸安全、库区水环境等，影响范围广、对象复杂、涉及专业多，采用新建坝正常蓄水位设计理论无法适应已建坝正常蓄水位调整论证需要。对于充分利用水库历史蓄水荷载数据，论证并预测未来安全影响，比选并提高方案效益，目前则鲜见深入研究。

本文针对已建坝正常蓄水位调整论证方法研究不充分的问题，采用系统集成方法学的研究手段，基于水库工程设计、风险评估、水利工程技术经济学及生态环境等理论，提出已建坝正常蓄水位调整必要性论证的6个一级、14個二级指标及其分析方法，调整后影响论证的7个一级、23个二级指标及其分析方法，构建调整方案的风险效益评价指标体系及风险效益分析方法，成果应用于杭州青山水库，有利于充分发挥水库效益的理论研究与实践。

1 正常蓄水位调整论证分析技术

1.1 论证框架体系

已建坝正常蓄水位调整论证对象包括上游、库区、大坝、下游整个系统。决策理论认为必要性和可行性论证是项目实施的两个基本环节：必要性分析是指现状正常蓄水位对应的水库调蓄能力能否满足社会经济发展、生态环保及公众对水库水资源的要求；可行性分析是指正常蓄水位调整对大坝及周边产生的影响是否有利于社会经济发展、生态环境保护及被公众所接受。进一步可分为调整后的影响分析和评估这种影响可否被接受两个过程，后者即为效益风险对比分析。故已建坝正常蓄水位调整论证分为必要性、调整后影响和效益风险分析（见图1）。

1.2 必要性分析方法

对水库水资源需求主要考虑水资源量、环境生态、公众意见和政策制度，分解提出上游、库区、下游的需求，区域调水、公众关注、政策制度共6个一级、14个二级论证指标及论证方法（见表1）。

水库水资源需求对正常蓄水位调整的必要性论证十分关键，是影响正常蓄水位调整是否可实施的前提条件。将上游来水与水库水资源需水量对比分析，确定当前水库水资源供给能力能否满足上游需求，主要包括某时段水资源总量供需比较和某时段时程水资源量供需比较两大类。水库水资源需求量基于上游需求、下游需求、区域调水3个一级指标进行分析，上游需求和下游需求是指灌溉供水、生活供水、生产供水、环境用水，区域调水是指为改善区域水资源条件而通过远距离隧洞等调水设施引入的客水，水资源需求量可分为现状、近期、远期3类水平年进行分析。

环境生态需求对正常蓄水位调整的必要性论证主要基于对库区和上下游环境用水指标进行分析。库区需求是指库区水体环境容量、水面区域景观、水域岸线景观；环境用水需求是指污染事故中的应急环境用水，主要为下游河道提供生态基流和处理上下游突发性环境恶化类事故。水环境容量评价方法和标准主要依据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》，对水环境容量指标与标准值进行比较分析。

因污染事故应急环境用水量值和时间随机性强，宜结合历史极端应急供水情况独立分析。

1.3 技术指标与分析方法

水库正常蓄水位调整后主要影响非汛期特征水位（汛期库水位主要受汛限水位影响较大），使非汛期蓄水状态发生变化，水库水资源量、防洪安全、工程安全、库区淹没、库区环境、水库管理等受到不同程度影响，主要凝练为7类一级指标、23类二级指标（见表2）。

1.3.1 水库水资源供水保证率和蓄满率影响

水库供水保证率是评价水库供水能力的重要指标，通常采用典型年法或时历年法计算，如时历年法一般用于长系列水文年份（不少于15 a），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。水库蓄满率是在满足供水对象需水量条件下，在整个计算时间系列内水库可以蓄至正常蓄水位的比率，是水库供水保证率的增量指标。水库蓄满率可通过时间系列水库水量供需平衡计算得到，即以每年非汛期为计算时段，首先确定非汛期内水库水资源是否满足供水对象需求，然后逐年进行非汛期水库水量平衡计算，得到蓄至正常蓄水位及以上水位的年数与整个时间系列总年数的比率，即为水库蓄满率。

1.3.2 防洪安全影响

正常蓄水位调整不涉及汛期调度，对汛期（第二阶段，见图2）防洪安全无直接影响；非汛期由于上游来水少而基本不存在防洪安全问题，进入汛期时和结束汛期时与非汛期存在过渡问题，汛末向非汛期过渡（第二阶段向第三阶段过渡）往往是向库内增加蓄水的过程，不存在防洪安全问题（可能存在水量不足的问题）；非汛期向汛期过渡（第一阶段向第二阶段过渡）存在将库水位降低至汛限水位的可能过程。一旦库水位未能在一定时间内顺利降至汛限水位，恰逢遭遇上游洪水，将影响水库防洪安全问题。故正常蓄水位提高的防洪安全性影响主要存在于汛前非汛期向汛期过渡阶段。

1.3.3 大坝安全影响

由于正常蓄水位调整后作用于大坝的长期水荷载作用范围发生变化，而水库大坝在调整后能否长期安全运行又是整个调整后影响分析的关键，故有必要对工程安全性进行评估。按照SL258-2017《水库大坝安全评价导则》有关要求，结合正常蓄水位调整后对工程结构的可能影响，应当开展大坝超高安全性、结构稳定性、渗流安全性、抗震安全性、金属结构安全性评价。根据近期安全鉴定、工程设计、专题研究等资料，重点利用水库历史运行信息和大坝安全状态，综合分析正常蓄水位调整对工程安全的影响。调整后大坝安全分析方法主要包括以下3种：

（1） 理论计算分析。应当采用SL258-2017《水库大坝安全评价导则》规定的计算分析方法，开展大坝超高、结构、渗流、抗震、金属结构安全复核。当正常蓄水位为设计工况时，如坝顶超高复核时“正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高”工况［18］，大坝抗震安全复核时“正常蓄水位+地震工况”［19］，闸门抗震安全复核时“地震荷载和正常蓄水位时的静水压力组合作为设计条件”［20］等。由于正常蓄水位调整可能改变原设计计算中部分参数取值，如影响风区长度D、风壅水面高度e等，并影响超高复核结果，建议对这类情况应当进行强制性复核计算。

（2） 观测资料分析。利用观测数据评估正常蓄水位调整后大坝安全性态。以渗流监测为例，利用历史库水位作用下大坝不同渗流压力和渗流量测值与库水位相关性，推测正常蓄水位提高后的渗流特征及由此确定的浸润线及结构安全性，或利用高于原正常蓄水位的同一库水位条件下各测点渗流压力或渗流量数值变化趋势情况，来判断工程在正常蓄水位提高后的安全性态。这种分析是以正常蓄水位调整后上部进入长期浸泡状态坝体运行环境与调整前正常蓄水位以下部分大坝运行环境假定相同为前提，采用这种历史信息推演结论具有参考价值。

（3） 运行历史分析。水庫在正常蓄水位调整前的汛期，遭遇上游洪水时库水位达到或超过提高后的正常蓄水位是常见工况，此时库水位作用下大坝安全性态可以通过安全检查予以定性判断。利用历史运行水位下大坝安全性态安全检查定性评价信息，以及这样的历史水位作用时间，统计历年水库在达到或超过提高后的正常蓄水位天数及相应安全性态，可以综合判断该库水位条件下大坝安全性态。

1.3.4 库区影响

库区影响包括库区淹没影响、库区岸线挡水结构物安全影响、库区环境影响。针对库区周边天然结构和人工结构，应当考虑正常蓄水位提高后由于外部作用条件发生变化而可能带来的安全隐患。此外，对于上游城市向库区排洪渠道，应当考虑正常蓄水位提高（应计入回水壅高）后库尾倒灌排洪渠道对城市安全下泄洪水的影响和倒灌水流对渠道边坡安全性影响。

1.4 效益与风险分析方法

将1.3节中提出的7类影响因素按照正面效益和负面风险划分为两类，其中，水资源供给量（水资源效益）为正面效益，防洪安全、大坝安全、库区淹没、库区岸线挡水结构物安全、水库管理为负面风险。对于库区环境，由于环境与水库蓄水量并无简单的直接联系，故需对具体水库进行单独分析论证。基于水库正常蓄水位调整影响分析，构建调整正常蓄水位的综合评价指标体系（见图3）。

水库正常蓄水位调整涉及到的各风险指标及效益指标估算可采用上述方法进行，正常蓄水位调整方案决策分析可以采用基于模糊综合评价法［21］或基于最大熵原理［22］或基于前景理论［23］等风险效益决策分析模型，或参考水利建设项目经济评价模式［24］，也可以采用便于考虑认知倾向的人为经验综合判断方法进行决策分析。正常蓄水位调整方案权衡的过程包括水库管理者的大坝安全风险管理理念，总体上要以满足安全要求为前提，当安全与效益难以权衡时，应偏于安全的考虑问题。

2 案例分析

2.1 青山水库概况

浙江省杭州市青山水库建于1964年，总库容2.13亿m3，以防洪为主，兼有灌溉、发电、养鱼等功能。设计（P=1％）、校核（P=0.01％）洪水位分别为32.42 m和35.17 m，正常蓄水位和汛限水位均为23.16 m；4月15日至10月15日為汛期。青山水库为杭嘉湖东部平原和杭州市防洪安全的重要保障，是杭嘉湖地区重要水源供给地。周边社会经济发展对水库水资源需求量不断提高，但水库调蓄能力不足，上游来水难以充分利用，提高水库调蓄能力势在必行。由于青山水库为杭嘉湖地区防洪龙头工程，调整汛限水位将直接影响水库防洪调度、间接影响流域其他防洪工程调度。因此，为了改善水库非汛期的兴利能力，拟首先调整正常蓄水位，适时再研究水库汛限水位调整问题。

2.2 正常蓄水位调整论证分析

2.2.1 必要性分析

对青山水库1966～2012年非汛期入库水量进行统计，最枯月份（10月16日至来年1月31日）多年平均入库水量5 717万m3，上、下游从水库取水的需水量按5.5 m3/s计（见表3），最枯月份的需水总量4 622万m3，总量上入库水量满足下游需水。进一步对1966～2012年间历年最枯月份日入库量与需水量之间差值进行统计（见图4），49%年份入库量小于需水量，其中最枯的1967年该时段缺水4 223万m3（占需水量74%），时程分布难以满足用水需求。目前，青山水库供水保证率仅49%，远低于70%～80%的一般标准，因此，从上下游需求方面来看，调整正常蓄水位是必要的。

青山水库2001～2015年库区水质监测表明，总磷检测值0.002～0.338 mg/L，81%测次不满足0.05 mg/L；总氮值0.17～6.42 mg/L，88%测次不满足1.0 mg/L，库区水体自净能力差，与水功能分区要求的Ⅲ类水标准差距较大。正常蓄水位23.16 m和移民线31.16 m之间有库容9 587万m3、滩地面积540.8 hm2闲置率较高，库区裸露滩地偏大，影响景观效果。近10 a来每年向下游应急供水量不少于0.1 亿m3，以缓解下游河道水环境污染。

2.2.2 技术指标及其分析

（1） 水库水资源供水保证率和蓄满率影响。针对正常蓄水位分别提高1.0，2.0，3.0 m至24.16，25.16，26.16 m 3种方案，按照周边对水库水资源需求量（表3），以汛期结束、非汛期开始时库水位恰好为汛限水位23.16 m作为起调水位，以满足供水对象需水量为前提（即供水保证率100%），进行长系列（1967～2013年）非汛期（10月16日～次年4月14日）逐时段（半个月为一个时段）水库水量供需平衡计算，得到不同方案水库蓄满率及蓄满所需时间。根据水库入库流量、供水流量、水面蒸发量及库水位-库容曲线-面积曲线，建立水量供需平衡计算公式：

St+1=St+qt·Δt－Qt·Δt－EWt

式中：St+1，St分别为水库t时段末、初蓄水量，m3；qt为水库t时段入库流量，m3/s；Qt为水库t时段供水流量，m3/s；EWt为水库t时段水面蒸发损失水量，m3；Δt为t至t+1时段的时段间隔，本次计算时段取为半个月，s。计算得到3个方案分别在现状、近期、远期需水条件下，在非汛期不同时期的水库蓄满率情况（见图5～7）。青山水库现有供水保证率仅49%，正常蓄水位调整后可供水保证率100%前提下，具有充足的水库蓄满率保证。以供水量最大的远期供水量条件为例，3月上旬蓄至24.16 m的蓄满率超过50%，3月下旬蓄至25.16 m的蓄满率超过60%，4月上旬蓄至26.16 m的蓄满率达68.1%。另外，正常蓄水位提高1.0，2.0，3.0 m后，相应兴利库容分别增量882万，1 879万m3和2 978万m3，水资源增量可观。

（2） 防洪安全影响。青山水库春天汛前有桃花汛，2010年3月初3 d连续最大3 d降雨量达到了132.1 mm，水库最大出库流量达265 m3/s。汛前非汛期以工程安全、下游防洪安全、调度安全为前提，确保将抬高后的正常蓄水位在有限时间内降至汛限水位至关重要。按照下游控泄流量为200 m3/s（泄洪设施泄流能力范围内）计算，2 d内可将库水位从调整后的正常蓄水位25.16 m预泄至汛限水位23.16 m，如果按照下游控泄流量为100 m3/s计算，3 d内可将库水位从调整后的正常蓄水位25.16 m预泄至汛限水位23.16 m，确保4月15日前将库水位降至汛限水位。多年水文数据统计表明，非汛期上游来水不足以影响库水位从正常蓄水位预泄至汛限水位的预期时间。

（3） 大坝安全影响。统计2005～2010年库水位不小于提高的正常蓄水位天数（见图8），正常蓄水位提高1.0，2.0，3.0m，分别有年均140，59，16 d超越运行，超越概率分别达38.4%，16.2%，4.4%，大坝安全性态良好，反映出提高1.0，2.0，3.0m方案的大坝安全性态均有保障。利用近期水库大坝安全鉴定情况，对调整后的特征水位条件下水库大坝安全情况进行论述，大坝渗流、结构、抗震、金属结构等安全性是满足现行规范要求的。

（4） 库区影响。青山水库库区与上游临安市泄洪渠道锦溪相连，当正常蓄水位提高2.0 m时，库水一定程度上向锦溪（临安市向青山水库的泄洪渠）倒灌，但由于锦溪泄洪渠道自上而下纵坡较陡，且出口渠段处于低洼地带，复核后提高2.0 m引起的倒灌不影响锦溪正常泄洪。由于倒灌水面高程位于锦溪泄洪渠道设计水位以下，倒灌水对泄洪渠结构安全不造成威胁。

2.2.3 调整方案的效益与风险分析

青山水库正常蓄水位提高1.0，2.0，3.0 m调整方案，按照节1.3对方案中各指标进行分析，得出青山水库正常蓄水位调整方案效益与风险计算分析结果（表4）。采用人为经验综合判断方法权衡不同方案的效益和风险。结果表明，3种方案效益均明显、风险可控。但考虑到同一地区调整正常蓄水位尚属首例，同时考虑该水库为杭州市龙头防洪工程，决策时偏于保守考虑取第2方案（即提高2.0 m至25.16 m）作为推荐方案，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蓄水量，水质指标最大可改善23%，且经过较长时间历史水位考验。

2.3 方法评价

本文将建立的已建坝正常蓄水位调整论证技术，应用于青山水库工程，对其正常蓄水位提高必要性、调整后的影响进行了分析。通过风险效益分析确定提高2.0 m至25.16 m作为推荐方案。通过本案例验证，构建的论证指标体系系统，论证方法合理，风险效益评估方法有效。

3 结 语

由于新建坝设计理论不适合对已建坝正常蓄水位调整进行分析论证，故充分利用水库历史蓄水数据开展已建坝正常蓄水位调整技术论证更为合理。本文构建已建坝正常蓄水位调整论证分析指标体系和分析方法。将已建坝库和周边影响对象作为一个系统，以上游、库区、大坝、下游为论证对象，提出正常蓄水位调整必要性评价、调整后影响分析、效益风险分析的正常蓄水位调整论证框架体系。

采用系统集成方法学研究手段，提出已建坝正常蓄水位调整必要性论证的6个一级、14个二级指标及其分析方法，调整后影响论证的7个一级、23个二级指标及其分析方法，构建了调整方案风险效益分析方法，并应用于杭州青山水库案例。应用结果表明，论证指标体系和论证方法合理有效。

建议进一步对已建坝正常蓄水位调整后的库区环境生态影响定量论证技术进行研究，并研究风险效益分析中不同风险、效益评价指标的权重确定方法。

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（编辑：李 慧）

Study on argument method for normal water level adjustment of constructed reservoir

ZHANG Shichen1，LI Kai2，LUO Quanfu3，JI Wenjuan4

（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China； 2.Hubei Provincial Administration of Fushui Reservoir，Huangshi 435222，China； 3.Hangzhou Qingshan Reservoir Management Department，Hangzhou 311305，China； 4.Dam Safety Monitoring and Termite Control Center of Hubei Provincial Department of Water Resources，Hubei Flood Control and Drought Relief Rescue Corps，Wuhan 430070，China）

Abstract：

Adjusting the normal water level of a constructed dam is an effective measure for further exploring the potential capacity of water resources from the reservoir，but there is no reliable demonstration analysis method at present.By using hydrology，dam safety theory，dam risk theory and ecological environment theory，the influential factors and the characteristics for the normal water level adjustment necessity of a constructed reservoir were studied，and the characteristics of the factors，such as the flood control safety，engineering safety，reservoir submergence safety，reservoir bank structural safety，reservoir water environmental safety after normal level adjustment were analyzed，and the method system of normal water level adjustment for constructed dams was established.An index system of 6 first-class indicators and 14 second-class indicators for the necessity demonstration，and a system of 7 first-class indicators and 23 second-class indicators and its analysis method for the influence evaluation after adjustment were obtained.The risk-benefit analysis method was constructed，which was applied to Qingshan Reservoir in Hangzhou City，Zhejiang Province.The recommended plan of increasing the normal level of Qingshan Reservoir by 2.0 m indicated that the evaluation system and method were reasonable and effective.

Key words：

constructed dam；normal water level；necessity demonstration；profit-risk analysis；Qingshan Reservoir