應(yīng)對(duì)干旱的黃河梯級(jí)水庫群調(diào)度規(guī)律研究

李克飛，武 見，趙新磊，賈正茂

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450003)

0 引 言

隨著氣候變化和人類活動(dòng)加劇，近20年來黃河河川徑流大幅減少，干旱發(fā)生頻率和影響程度顯著提升，給流域水資源安全和能源、糧食、生態(tài)安全保障帶來了極大風(fēng)險(xiǎn)。開展梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度是應(yīng)對(duì)干旱的有效手段，目前，國內(nèi)外在水庫群聯(lián)合調(diào)度領(lǐng)域開展了大量研究[1-5]，但對(duì)水庫(群)的興利優(yōu)化調(diào)度研究較多，應(yīng)對(duì)干旱的梯級(jí)水庫(群)聯(lián)合調(diào)度、水庫群蓄泄規(guī)律研究較少，不能有效指導(dǎo)應(yīng)對(duì)流域干旱調(diào)度。本文首先構(gòu)建應(yīng)對(duì)干旱的梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，開展長(zhǎng)系列調(diào)度模擬，分析梯級(jí)水庫群運(yùn)行過程，研究汛期和非汛期上下游不同水庫調(diào)度規(guī)律，為制定應(yīng)對(duì)干旱的水利工程合理運(yùn)行模式提供支撐。

1 流域概況

1.1 梯級(jí)水庫群概況

黃河干流已建成相對(duì)完善的梯級(jí)水庫系統(tǒng)，具備聯(lián)合調(diào)度的能力，黃河干流梯級(jí)水庫群分布見圖1。本文重點(diǎn)研究龍羊峽、劉家峽、小浪底三座水電站水庫調(diào)節(jié)性能強(qiáng)，對(duì)流域水資源綜合利用起關(guān)鍵控制作用的水庫，其中龍羊峽水電站水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，劉家峽水電站水庫和小浪底水電站水庫為年調(diào)節(jié)水庫。

1.2 流域旱情需求情況

選取1956年7月～1999年6月共44 a長(zhǎng)系列水文年，根據(jù)長(zhǎng)系列年份的上游(萬家寨以上)、中游(萬家寨至小浪底)、下游(小浪底以下)和全流域的需求情況，結(jié)合SPDI-JDI指數(shù)對(duì)流域旱情進(jìn)行判別，詳見文獻(xiàn)[6]。上、中、下游和流域河道外平均需求分別為221.11億、128.45億、139.06億m3和488.62億m3，且上、中、下游旱情分布不一致。旱情較重的年份需水較大；上游旱情需水量較為穩(wěn)定，變幅較小，下游旱情需水量變幅較大。

圖1 黃河干流梯級(jí)水庫群示意

2 應(yīng)對(duì)干旱的梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度模型

統(tǒng)籌防洪、防凌、生態(tài)環(huán)境、供水(灌溉)、發(fā)電等綜合要求，構(gòu)建以龍羊峽、劉家峽、小浪底梯級(jí)水庫為核心的應(yīng)對(duì)干旱的干流梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，通過方案設(shè)置，模擬應(yīng)對(duì)不同干旱的龍、劉、小3水庫聯(lián)合運(yùn)用過程。

2.1 目標(biāo)函數(shù)與約束條件

在保證防洪、防凌安全的前提下，優(yōu)先保證河道最小生態(tài)流量需水量，盡可能滿足河道外社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水，同時(shí)尋求上游梯級(jí)電站的合理運(yùn)行方式，提高發(fā)電效益。

(1)生態(tài)目標(biāo)。以河道內(nèi)生態(tài)需求缺水量最小為目標(biāo)。即

(1)

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)供水目標(biāo)。以河道外用戶缺水量最小為目標(biāo)。即

(2)

(3)發(fā)電目標(biāo)。以發(fā)電量最大為目標(biāo)。即

(3)

2.2 模型運(yùn)行原則

(1)實(shí)行全河水量統(tǒng)一調(diào)度，遵循干流上下游補(bǔ)償原則。

(2)龍羊峽、劉家峽運(yùn)用方式。遵循“供水不足，由劉家峽先補(bǔ)償；出力不足，由龍羊峽先補(bǔ)償”的原則。劉家峽水庫一般在12月至3月蓄水，把龍羊峽下泄超過防凌控制流量的部分?jǐn)r蓄起來，4月至6月補(bǔ)水滿足灌溉要求，7月至9月回蓄至汛限水位，10月至11月補(bǔ)水以騰出防凌庫容。龍羊峽水庫一般5月至11月蓄水，12月至4月補(bǔ)水，滿足發(fā)電要求。

(3)小浪底水庫的運(yùn)行。小浪底水庫的調(diào)度主要考慮黃河下游河段的防洪防凌、河道內(nèi)生態(tài)和河道外用水，目標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)椋悍篮榉懒?、河道?nèi)生態(tài)、河道外用水。在調(diào)度時(shí)首先發(fā)揮自身的調(diào)節(jié)作用，不能滿足要求時(shí)再由龍羊峽、劉家峽進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 河道內(nèi)需求方案設(shè)置

根據(jù)《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》及其他已有研究成果，同時(shí)通過多方案模擬對(duì)比。為盡量滿足河道外旱情需水要求，采用如下的方式進(jìn)行河道內(nèi)需求方案設(shè)置。

利津斷面按照豐增枯減、總量控制、不斷調(diào)整的方式進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，保證多年平均利津入海水量為187億m3；河口鎮(zhèn)斷面采用兼顧上下游旱情需求的方式進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)上下游不同的旱情進(jìn)行分析，在河口鎮(zhèn)以下的旱情比河口鎮(zhèn)以上的旱情嚴(yán)重時(shí)，將河口鎮(zhèn)以下的實(shí)際旱情需求反推至河口鎮(zhèn)以上(即龍劉水庫)；反之，當(dāng)河口鎮(zhèn)以上的旱情比河口鎮(zhèn)以下旱情嚴(yán)重時(shí)，仍以河口鎮(zhèn)斷面實(shí)際下泄需求替代河口鎮(zhèn)以下的河道外用戶需求。

根據(jù)設(shè)定好的河道內(nèi)需求和河道外旱情需求，通過已構(gòu)建的應(yīng)對(duì)干旱的梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行模擬，獲得長(zhǎng)系列全河水量調(diào)度結(jié)果。

3 應(yīng)對(duì)干旱的黃河梯級(jí)水庫群調(diào)度規(guī)律

黃河流域幅員遼闊，上下游具有不同的年內(nèi)分期。依據(jù)黃河流域來水和用水特點(diǎn)，將年內(nèi)不同的時(shí)段分為汛期、過渡期、凌期和用水高峰期四個(gè)時(shí)期，上游(龍羊峽、劉家峽)、下游(小浪底)的分期結(jié)果見表1。

表1 黃河梯級(jí)水庫群年內(nèi)分期

龍劉水庫位于整個(gè)黃河梯級(jí)水庫群的上游，龍劉水庫的蓄泄影響著全河的旱情，同時(shí)梯級(jí)水庫的初始蓄水量也影響到抵御全河旱情的能力。因此，在對(duì)梯級(jí)水庫和上游(龍劉)水庫分析時(shí)，依據(jù)的是全河來水+梯級(jí)水庫初始蓄水以及流域的旱情需水；小浪底水庫位于整個(gè)黃河梯級(jí)水庫群的下游，小浪底水庫的來水主要受到河口鎮(zhèn)下泄以及河口鎮(zhèn)至小浪底區(qū)間來水的影響，同時(shí)小浪底水庫直接影響著下游(花園口以下區(qū)間)的旱情抵御能力。因此，在對(duì)小浪底水庫分析時(shí)，依據(jù)的是河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水以及下游的旱情需水。根據(jù)長(zhǎng)系列全河水量調(diào)度結(jié)果，重點(diǎn)分析汛期和用水高峰期兩個(gè)關(guān)鍵期的梯級(jí)水庫群調(diào)度規(guī)律。

3.1 汛期

3.1.1上游水庫(龍、劉)調(diào)度規(guī)律

分析汛期(7月～9月)全河不同的來水+梯級(jí)水庫蓄水條件、流域不同旱情條件下，上游水庫(龍劉)的蓄補(bǔ)水量規(guī)律、流域旱情保證程度、流域旱情補(bǔ)水量規(guī)律。

(1)汛期上游水庫(龍劉)的蓄補(bǔ)水量規(guī)律：①龍劉水庫絕大多數(shù)時(shí)段處于蓄水狀態(tài)，且隨著全河來水+梯級(jí)蓄水的增加，以及流域旱情需水的減少(旱情的減輕)，龍劉水庫的蓄水量由小于15億m3逐漸增加至大于50億m3；②當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水在400億m3至500億m3之間，且流域旱情需水大于68億m3時(shí)，由于流域旱情需水較大，龍劉水庫處于補(bǔ)水狀態(tài)。

(2)汛期流域旱情保證程度規(guī)律：①隨著全河來水+梯級(jí)蓄水的增加，以及流域旱情需水的減少(旱情的減輕)，流域旱情保證程度逐漸提高；②當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水大于400億m3時(shí)，絕大多數(shù)時(shí)段流域旱情保證程度在95%～100%，基本能夠滿足流域不同程度的旱情需水。

(3)汛期流域旱情補(bǔ)水規(guī)律：①當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水小于300億m3時(shí)，受全河來水及水庫補(bǔ)水能力的影響，流域旱情補(bǔ)水量較小，補(bǔ)水量小于45億m3；②大于300億m3時(shí)，隨著流域旱情需水量的增加(旱情的加重)，流域旱情補(bǔ)水量由不足45億m3逐漸增加至大于70億m3。(我刊為黑白印刷，圖中不同顏色無法顯示出來，且坐標(biāo)不符合期刊規(guī)范。如一定要留，請(qǐng)修改)

3.1.2下游水庫(小)調(diào)度規(guī)律

分析汛期(7月～10月)中游不同來水+水庫蓄水(即河口鎮(zhèn)至小浪底區(qū)間來水+河口鎮(zhèn)下泄水量+小浪底初始蓄水)條件、下游不同旱情條件下，小浪底的補(bǔ)水規(guī)律、下游旱情保證程度、下游旱情補(bǔ)水量規(guī)律。

(1)汛期小浪底的補(bǔ)水規(guī)律：①小浪底水庫蓄水，且隨著河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水的增加，小浪底水庫蓄水量由3億m3逐漸增加至80億m3；②當(dāng)河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水在200億m3至250億m3之間時(shí)，隨著下游旱情需水量的增加，小浪底水庫蓄水量由50億m3逐漸減少至15億m3。

(2)汛期下游旱情保證程度規(guī)律：①當(dāng)河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水小于190億m3時(shí)，隨著下游旱情需水量的增加，旱情保證程度逐漸降低；②在190億m3至240億m3時(shí)，花園口以下區(qū)間旱情保證在70%～95%之間；③大于240億m3時(shí)，絕大多數(shù)時(shí)段花園口以下區(qū)間旱情保證程度在95%～100%之間，基本能夠滿足下游不同程度的旱情需水。

(3)汛期下游旱情補(bǔ)水量規(guī)律：隨著下游旱情需水量的增加，補(bǔ)水量由不足11億m3逐漸增加至大于18億m3。

3.2 用水高峰期

3.2.1上游水庫(龍、劉)調(diào)度規(guī)律

分析用水高峰期(4月～6月)全河不同的來水+水庫蓄水(即全河來水+龍劉小水庫初始蓄水)條件、流域不同旱情條件下，上游水庫(龍劉)的補(bǔ)水規(guī)律、流域旱情保證程度、流域旱情補(bǔ)水量規(guī)律。

(1)上游水庫(龍劉)的補(bǔ)水規(guī)律：①當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水在190億m3至250億m3之間時(shí)，龍劉水庫補(bǔ)水量較少，且隨著流域旱情需水的增加，龍劉水庫補(bǔ)水由小于15億m3逐漸增加至30億m3；②在250億m3至310億m3之間時(shí)，龍劉水庫的補(bǔ)水量達(dá)到最大，其中當(dāng)流域旱情需水達(dá)到100億m3時(shí)，龍劉水庫補(bǔ)水達(dá)到50億～75億m3；③在310億m3至450億m3之間時(shí)，隨著全河來水+梯級(jí)蓄水的增加，龍劉水庫補(bǔ)水量由40億m3逐漸減少至15億m3；④大于450億m3時(shí)，龍劉水庫補(bǔ)水量基本維持在30億～40億m3。

(2)流域旱情保證程度規(guī)律：①當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水在190億m3至240億m3之間時(shí)，流域旱情出現(xiàn)一定程度的缺水，旱情保證程度在60%左右，且隨著旱情需水的增加(旱情的加重)，旱情保證程度會(huì)逐漸降低；②在240億m3至290億m3之間時(shí)，流域旱情需水能夠得到一定程度的滿足，旱情保證程度在60%～80%之間；③大于290億m3時(shí)，流域旱情保證程度在95%～100%之間，基本上能夠滿足流域不同程度的旱情需水。

(3)流域旱情補(bǔ)水規(guī)律：①隨著全河來水+梯級(jí)蓄水的逐漸增加，流域旱情的補(bǔ)水量由35億m3逐漸增加至120億m3；②在相同的來水條件下，隨著流域旱情需水的增加，梯級(jí)水庫的補(bǔ)水逐漸增加，如：隨著流域旱情需水量的增加，當(dāng)全河來水+梯級(jí)蓄水在190億m3至240億m3之間時(shí)，流域旱情補(bǔ)水量由35億m3逐漸增加至50億m3；大于440億m3時(shí)，流域旱情補(bǔ)水量由80億m3逐漸增加至120億m3。

3.2.2下游水庫(小)調(diào)度規(guī)律

分析用水高峰期(3月～6月)中游不同的來水+水庫蓄水(即河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄水量+小浪底初始蓄水)條件、下游不同旱情條件下，小浪底的補(bǔ)水規(guī)律、下游旱情保證程度、下游旱情補(bǔ)水量規(guī)律。

(1)小浪底的補(bǔ)水規(guī)律：①河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水小于140億m3時(shí)，由于來水量較小，小浪底水庫補(bǔ)水能力有限，水庫補(bǔ)水量小于10億m3；②在140億m3至190億m3之間時(shí)，隨著下游旱情的加重，小浪底水庫的補(bǔ)水量由40億～50億m3逐漸減少至10億～15億m3；③大于190億m3時(shí)，小浪底水庫補(bǔ)水大于40億m3，且隨著來水和下游旱情的增加，小浪底補(bǔ)水量由40億～50億m3逐漸增加至70億～80億m3。

(2)下游旱情保證程度規(guī)律：①河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水小于130億m3時(shí)，受小浪底水庫補(bǔ)水能力的影響，花園口以下區(qū)間的旱情保證程度小于70%，且隨著旱情需水的增多(旱情加重)，旱情滿足程度越??；②在130億m3至170億m3之間時(shí)，隨著下游旱情需水的增多，旱情的保證程度由90%逐漸降低至70%；③大于170億m3時(shí)，下游的旱情保證程度在95%～100%，基本能夠滿足下游不同程度的旱情需水。

(3)下游旱情補(bǔ)水量規(guī)律：①河口鎮(zhèn)至小浪底來水+河口鎮(zhèn)下泄+小浪底初始蓄水小于140億m3時(shí)，由于來水較少且小浪底水庫補(bǔ)水能力有限，花園口以下區(qū)間的旱情出現(xiàn)缺水的情況，花園口以下區(qū)間旱情補(bǔ)水量小于30億m3；②大于140億m3時(shí)，隨著來水和下游旱情的增加，花園口以下區(qū)間旱情補(bǔ)水量由30億m3逐漸增加至大于45億m3。

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了應(yīng)對(duì)干旱的黃河梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，通過長(zhǎng)系列模擬分析計(jì)算，提出了應(yīng)對(duì)干旱的黃河梯級(jí)水庫群調(diào)度規(guī)律，包括水庫蓄補(bǔ)水量規(guī)律、流域旱情保證程度、流域旱情補(bǔ)水量規(guī)律，為提升流域抗旱水平，有序應(yīng)對(duì)干旱提供了支撐。如何利用應(yīng)對(duì)干旱的水庫調(diào)度運(yùn)行規(guī)律，以指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度，將是下一步研究的重點(diǎn)。