董 霞，王本德，梁國(guó)華

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原030024；2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116024）

東水西調(diào)工程是從臨近流域引水到大伙房水庫(kù)，經(jīng)大伙房水庫(kù)反調(diào)節(jié)后，再向遼河中下游地區(qū)缺水城市供水的一項(xiàng)大型跨流域引水工程。引水后大伙房水庫(kù)徑流條件發(fā)生了變化，原設(shè)計(jì)興利調(diào)度方式已經(jīng)不再適用于指導(dǎo)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行，而目前現(xiàn)存的基于調(diào)水情況下的水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度規(guī)則和興利調(diào)度圖沒(méi)有考慮徑流預(yù)報(bào)信息。這種調(diào)度方式用于指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行往往會(huì)在引水后因?yàn)樵摿饔騺?lái)水量又較豐而導(dǎo)致不得不棄水的現(xiàn)象，這種運(yùn)行方式既浪費(fèi)了水資源，也不經(jīng)濟(jì)。因此，迫切需要研究新的調(diào)度方式以指導(dǎo)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行。

本文將通過(guò)分析現(xiàn)有調(diào)度方式的基礎(chǔ)上，利用文獻(xiàn)[1]和《GFS降雨預(yù)報(bào)信息在PSRM模型中的應(yīng)用》的研究成果，研究基于徑流預(yù)報(bào)信息的大伙房跨流域引水興利調(diào)度方式，用于指導(dǎo)水庫(kù)在調(diào)水后的調(diào)度運(yùn)行。

1 常規(guī)興利調(diào)度方式

1.1 大伙房跨流域引水常規(guī)興利調(diào)度方式

大伙房跨流域引水常規(guī)興利調(diào)度方式及調(diào)度圖如圖1所示。

圖1 大伙房跨流域引水常規(guī)調(diào)度圖

按照農(nóng)業(yè)供水限制線將調(diào)度圖劃分為兩個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)（死庫(kù)容～農(nóng)業(yè)限制線）—農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)，農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)取0.7；Ⅱ區(qū)（農(nóng)業(yè)限制線～正?；蜓聪匏唬?、農(nóng)業(yè)正常供水。此外死水位以下，工業(yè)限制供水，限制供水系數(shù)為0.9。

限制引水線將調(diào)度圖劃分為兩個(gè)區(qū)：限制引水線以上，不調(diào)水；限制引水線以下，按照最大調(diào)水能力進(jìn)行調(diào)水。

1.2 農(nóng)業(yè)用水預(yù)測(cè)及調(diào)水分析

1.2.1 預(yù)測(cè)分析

由于作物本身的要求以及氣候、季節(jié)、環(huán)境等多方面因素的影響，農(nóng)田用水預(yù)測(cè)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。根據(jù)1959—2004年灌溉期實(shí)測(cè)來(lái)水和年農(nóng)業(yè)用水資料，繪制灌溉期來(lái)水量與灌溉用水量相關(guān)關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 灌溉期來(lái)水量與灌溉用水相關(guān)關(guān)系圖

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)灌溉期來(lái)水量與灌溉期用水量是成負(fù)相關(guān)關(guān)系的。當(dāng)水庫(kù)灌期來(lái)水量處于豐水段（不小于 1165×106m3），灌溉用水為 380×106m3；當(dāng)年來(lái)水量處于平水段（615×106～1165×106m3），灌溉用水為 500×106m3；當(dāng)水庫(kù)年來(lái)水量處于枯水段（小于 615×106m3），灌溉用水為 630×106m3。

實(shí)際上，當(dāng)上游預(yù)報(bào)來(lái)水較豐時(shí)，由于流域水文現(xiàn)象的同步性，下游降雨也較豐，下游農(nóng)業(yè)實(shí)際需水量可能要比計(jì)劃用水少。因此，如果按照原計(jì)劃供水，可能會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。

另外，在常規(guī)調(diào)度圖中的農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)，農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)取0.7。在水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)當(dāng)時(shí)段來(lái)水較豐時(shí)，完全可以提高農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)，以減少農(nóng)業(yè)破壞時(shí)段以及降低破壞程度。

1.2.2 引水分析

大伙房跨流域引水常規(guī)調(diào)度方式中當(dāng)面臨時(shí)刻水位位于限制引水線以下，按照最大調(diào)水能力進(jìn)行調(diào)水，當(dāng)后期來(lái)水較豐時(shí)，為了防洪安全必須棄水。

實(shí)際上，如果考慮預(yù)報(bào)，在限制引水線以下的一定范圍內(nèi)，當(dāng)來(lái)水較豐時(shí)，可以不引或少引水。這種引水方式既可以減少引水，又可以減少棄水量，提高水資源的利用率。

以上述分析結(jié)果將是指導(dǎo)研究基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的大伙房跨流域引水興利調(diào)度方式的核心思想。

2 大伙房興利調(diào)度方式研究

2.1 興利調(diào)節(jié)目標(biāo)與基本思想

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)節(jié)目標(biāo)：根據(jù)預(yù)報(bào)來(lái)水的豐、平、枯情況和面臨時(shí)刻庫(kù)水位以及各部門(mén)相應(yīng)的用水系列三者之間的特性制定符合水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況的引水、供水規(guī)則等調(diào)度方式[3]，在滿足工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水保證率前提下，達(dá)到引水量和棄水量最小的目標(biāo)，即在優(yōu)先利用該流域的水資源的基礎(chǔ)上，再盡可能少地跨流域引水。

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)節(jié)基本思想：當(dāng)某時(shí)段缺水時(shí)，優(yōu)先保證工業(yè)用水，然后是農(nóng)業(yè)用水。在豐水期，能夠滿足所有用戶正常供水的條件下，不調(diào)或盡量少調(diào)水；在枯水期，則以最大調(diào)水能力調(diào)水。

2.2 興利調(diào)度方式判別指標(biāo)確定

在考慮預(yù)報(bào)的調(diào)度方式研究中，判別調(diào)度指標(biāo)主要考慮如下幾個(gè)指標(biāo)：旬徑流預(yù)報(bào)信息、工業(yè)和城市生活用水、農(nóng)業(yè)用水量和旬徑流預(yù)報(bào)豐平枯劃分。

1）旬徑流預(yù)報(bào)信息

由于GFS降雨預(yù)報(bào)信息資料有限，無(wú)法利用其推求的徑流預(yù)報(bào)信息進(jìn)行長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)，因此只能選用文獻(xiàn)[1]中1959—2006年5月中旬至10月下旬利用各旬實(shí)測(cè)降雨資料擬合的旬徑流值代替旬徑流預(yù)報(bào)值。另外，由于沒(méi)有研究其他各旬相關(guān)模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào)，本文擬采用其實(shí)測(cè)徑流值代替預(yù)報(bào)值。

2）工業(yè)和城市生活用水量

大伙房水庫(kù)在沒(méi)有引水工程之前，主要負(fù)責(zé)沈陽(yáng)、撫順的工業(yè)用水和大伙房下游的農(nóng)業(yè)用水，引水工程啟動(dòng)之后，大伙房水庫(kù)將通過(guò)反調(diào)節(jié)，向遼寧中部地區(qū)的撫順、沈陽(yáng)、本溪、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口等6市提供城市生活和工業(yè)用水，同時(shí)還要保證原有的工、農(nóng)業(yè)用水。因此，引水工程啟動(dòng)之后，工業(yè)與生活用水分配將分為兩個(gè)部分：一是調(diào)水工程實(shí)施前大伙房水庫(kù)承擔(dān)的工業(yè)與生活用水；二是調(diào)水工程實(shí)施后，大伙房水庫(kù)還需承擔(dān)新增加的工業(yè)和生活用水量。用年總用水量除以計(jì)算時(shí)段數(shù)，即為各時(shí)段的工業(yè)用水量。

大伙房水庫(kù)在調(diào)水工程啟動(dòng)后總的工程與城市生活用水設(shè)計(jì)值1—12月每月都為197.42×106m3，合計(jì) 2369×106m3。

3）農(nóng)業(yè)用水量

在農(nóng)業(yè)用水資料中，只有1989—1995年有灌溉期各旬農(nóng)業(yè)用水資料。因此，本文擬采用它們的平均值，來(lái)代替灌溉期各旬農(nóng)業(yè)用水分配比率，如表1所示。

表1 大伙房農(nóng)業(yè)用水分配比例

灌溉期如果上游預(yù)報(bào)來(lái)水較豐時(shí)，農(nóng)業(yè)需水減為原計(jì)劃的70%；預(yù)報(bào)來(lái)水豐時(shí)，農(nóng)業(yè)需水減為原計(jì)劃計(jì)劃的90%；預(yù)報(bào)來(lái)水平或枯時(shí)，農(nóng)業(yè)需水則按原計(jì)劃進(jìn)行。

4）旬徑流預(yù)報(bào)豐、平、枯劃分方法

當(dāng)工、農(nóng)業(yè)限制供水以及水庫(kù)發(fā)生棄水時(shí)，需要根據(jù)預(yù)報(bào)旬徑流信息的豐、平、枯確定限制供水系數(shù)和棄水量。對(duì)1959—2006年48年各旬徑流量進(jìn)行升序排列，取經(jīng)驗(yàn)頻率為15%，50%，85%的實(shí)測(cè)旬徑流量作為豐、平、枯分界線。如表2所示。

表2 各旬預(yù)報(bào)徑流豐平枯分界值 106m3

當(dāng)預(yù)報(bào)徑流量大于f值時(shí)來(lái)水較豐，當(dāng)預(yù)報(bào)徑流量小于f值大于p值時(shí)來(lái)水豐，當(dāng)預(yù)報(bào)徑流量小于p值大于k值時(shí)來(lái)水平，當(dāng)預(yù)報(bào)徑流量小于k值時(shí)來(lái)水枯。

但當(dāng)確定灌溉期農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)值，取經(jīng)驗(yàn)頻率為15%，50%，85%的實(shí)測(cè)旬徑流值作為預(yù)報(bào)旬徑流豐、平、枯分界線進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)果顯示，在滿足農(nóng)業(yè)供水設(shè)計(jì)保證率前提下，豐、平、枯分界值取值偏大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)破壞時(shí)段的破壞深度較大，因此取經(jīng)驗(yàn)頻率為10%，30%，60%的實(shí)測(cè)旬來(lái)水量作為豐、平、枯分界線。如表3所示。

表3 各旬來(lái)水豐平枯分界值 106m3

2.3 預(yù)報(bào)調(diào)度圖研究

按照調(diào)度基本思想確定基于預(yù)報(bào)信息的初始調(diào)度圖，以獲得的初始調(diào)度圖按擬定的各區(qū)運(yùn)行方式順序以旬為時(shí)段進(jìn)行長(zhǎng)系列模擬計(jì)算，以檢驗(yàn)各用戶是否達(dá)到設(shè)計(jì)保證率，分析運(yùn)行成果中存在的問(wèn)題，并對(duì)初始調(diào)度圖進(jìn)行分析調(diào)整。

調(diào)度圖調(diào)整的基本思想是：當(dāng)農(nóng)業(yè)保證率偏低時(shí)，適當(dāng)降低農(nóng)業(yè)限制線，特別是供水期的農(nóng)業(yè)限制線，或適當(dāng)提高限制引水線；當(dāng)工業(yè)保證率偏低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高農(nóng)業(yè)限制線，或適當(dāng)提高限制引水線。事實(shí)上，調(diào)度圖調(diào)整過(guò)程中，各影響因素間存在交互作用，需從幾個(gè)因素同時(shí)著手。

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的大伙房水庫(kù)跨流域引水興利調(diào)度圖，如圖3所示。

圖3 基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的調(diào)度圖

與常規(guī)調(diào)度圖相比，基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的調(diào)度圖有幾點(diǎn)改進(jìn)：

1）由于已知下旬徑流預(yù)報(bào)信息，在保證水庫(kù)安全的前提下，主汛期上限可設(shè)為動(dòng)態(tài)控制控制上限域。

2）汛后期逐級(jí)抬高水位，以提高水庫(kù)汛后蓄滿的機(jī)率。

3）引水限制線設(shè)上、下限，以達(dá)到豐水期不調(diào)或少調(diào)水的目的。

2.4 基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的調(diào)度方式

通過(guò)長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)，基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的大伙房水庫(kù)跨流域調(diào)度方式及調(diào)度規(guī)則如下：

2.4.1 引水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)度規(guī)則：1）限制引水線上限之上不引水。2）限制引水線上限之下、限制引水線下限之上，時(shí)段缺水量為時(shí)段預(yù)報(bào)來(lái)水量與時(shí)段用水量之差，時(shí)段缺水量大于時(shí)段最大引水量時(shí)，按最大引水能力引水；時(shí)段缺水量不大于時(shí)段最大引水量時(shí)，引水量等于時(shí)段缺水量；時(shí)段缺水量為負(fù)值時(shí)，不引水。3）限制引水線下限之下，以最大能力引水。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：1）限制引水線上限之上不引水。2）限制引水線下限之下，以最大能力引水。

2.4.2 供水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)度規(guī)則：

1）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位位于農(nóng)業(yè)限制線之上，工業(yè)和農(nóng)業(yè)正常供水。

2）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在死水位之上，農(nóng)業(yè)限制線之下，工業(yè)正常供水，農(nóng)業(yè)限制供水。農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)根據(jù)預(yù)報(bào)來(lái)水量豐平枯決定。如果預(yù)報(bào)旬徑流較豐，限制供水系數(shù)為1.0；如果預(yù)報(bào)旬徑流豐，限制供水系數(shù)為0.8；如果預(yù)報(bào)旬徑流為平，限制供水系數(shù)為0.4；如果預(yù)報(bào)旬徑流為枯，限制供水系數(shù)為0。取經(jīng)驗(yàn)頻率為10%，30%，60%的實(shí)測(cè)旬來(lái)水量作為豐、平、枯分界線。

3）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在死水位以下，歷史最低水位107 m之上，農(nóng)業(yè)停止供水，工業(yè)限制供水。預(yù)報(bào)旬徑流較豐，工業(yè)限制供水系數(shù)為1.0；預(yù)報(bào)旬徑流豐時(shí)，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.8；預(yù)報(bào)旬徑流平時(shí)，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.4；預(yù)報(bào)旬徑流枯時(shí)，工業(yè)停止供水。取經(jīng)驗(yàn)頻率為15%，50%，85%的實(shí)測(cè)旬來(lái)水量作為豐、平、枯分界線（如表2所示）。

4）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在歷史最低水位107 m之下，工、農(nóng)業(yè)停止供水。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：

1）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位位于Ⅱ區(qū)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)正常供水。

2）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在Ⅰ區(qū)，工業(yè)正常供水，農(nóng)業(yè)限制供水。農(nóng)業(yè)限制供水系數(shù)為0.7。

3）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在死庫(kù)容之下，歷史最低水位之上，農(nóng)業(yè)停止供水，工業(yè)限制供水，工業(yè)限制供水系數(shù)為0.9。

4）面臨時(shí)刻水庫(kù)水位在歷史最低水位107 m之下，工、農(nóng)業(yè)停止供水。

2.4.3 棄水規(guī)則

基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)度規(guī)則：主汛期如果面臨時(shí)刻水庫(kù)水位位于汛限水位以上，如果預(yù)報(bào)來(lái)水較豐，則棄水使水位回落到汛限水位即126.4 m；如果來(lái)水豐或平則棄水使水位回落到127.0 m；如果來(lái)水枯則棄水使水位回落到汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限域即127.8 m。非汛期面臨時(shí)刻庫(kù)水位位于正常水位之上，則棄水使得水位回落到汛限水位或正常水位。取經(jīng)驗(yàn)頻率為15%，50%，85%的實(shí)測(cè)旬來(lái)水量作為豐、平、枯分界線（如表2所示）。棄水用于發(fā)電，如果棄水量大于電站最大出力時(shí)用水量則將多余水棄掉。

常規(guī)興利調(diào)度規(guī)則：汛期如果面臨時(shí)刻水位位于汛限水位之上，棄水使水位回歸到汛限水位。非汛期如果面臨時(shí)刻水位位于正常水位之上，棄水使水位回歸到正常水位。棄水用于發(fā)電，如果棄水量大于電站最大出力時(shí)用水量則將多余水棄掉。

2.5 長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)成果

從興利蓄水位131.50 m開(kāi)始起調(diào)，以旬為時(shí)段按照上述調(diào)度規(guī)則進(jìn)行長(zhǎng)系列驗(yàn)算。調(diào)節(jié)起至?xí)r間為1959-10-1至2006-9-30。調(diào)節(jié)結(jié)果如表4所示。

2.6 長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)結(jié)果分析

從表4中可以看出，基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的調(diào)度方式和常規(guī)調(diào)度方式調(diào)節(jié)結(jié)果工業(yè)破壞年都為0，年保證率為100%，基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的調(diào)度方式與常規(guī)調(diào)度農(nóng)業(yè)年保證率相同，但破壞時(shí)段比后者少5個(gè)時(shí)段；前者農(nóng)業(yè)多年平均缺水量占多年平均計(jì)劃供水量的2.6%，而后者農(nóng)業(yè)多年平均缺水量占多年平均計(jì)劃供水量的3.6%；基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的多年平均引水量比常規(guī)調(diào)度的少221.85×106m3；前者多年平均棄水量比后者少40.77×106m3。

從上述結(jié)果分析知，基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的興利調(diào)節(jié)在滿足了工業(yè)設(shè)計(jì)保證率95%和農(nóng)業(yè)保證率75%的前提下，達(dá)到引水量和棄水量較小的目的。

表4 興利調(diào)節(jié)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了大伙房跨流域引水工程興利調(diào)度方式存在的問(wèn)題，研究了基于旬徑流預(yù)報(bào)信息的大伙房跨流域引水工程新的興利調(diào)度方式。新的調(diào)度方式與常規(guī)興利調(diào)度方式相比，前者在滿足工業(yè)設(shè)計(jì)保證率95%和農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)保證率75%的前提下，引水量和棄水量較少，實(shí)現(xiàn)了水資源的合理調(diào)度。

［1］董霞，王本德，梁國(guó)華.PSRM模型及其在大伙房水庫(kù)中的應(yīng)用研究［J］.東北水利水電，2009（1）.

［2］梁國(guó)華，王國(guó)利，王本德，董霞.GFS可利用性研究及其在詢徑流預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2009（2）.

［3］大連工學(xué)院水利系水工教研室，大伙房水庫(kù)工程管理局.水庫(kù)控制運(yùn)用［M］.北京：水利出版社.