渾江流域用水變化及對梯級水庫影響分析

李福威，陳國日，張躍生，敬學(xué)東，丁文昌

(國電電力和禹水電開發(fā)公司，遼寧 桓仁 117201)

1 概 述

渾江流域目前已開發(fā)眾多的水利水電工程和引調(diào)水工程，同時工農(nóng)業(yè)的發(fā)展對用水要求也發(fā)生變化。由于人類活動的影響，使渾江下游干流水庫入庫洪水及徑流預(yù)報成果與實際情況產(chǎn)生一定偏差[1]，給電站經(jīng)濟運行與防洪調(diào)度決策帶來較大影響。為提高流域水文預(yù)報的精確度，并為渾江流域梯級聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)提供支撐，對渾江流域進行流域調(diào)查，以桓仁縣斷面作為控制斷面，分析上游用耗水變化規(guī)律及其對下游梯級水庫洪水預(yù)報的影響。

2 流域概況及調(diào)查范圍

渾江位于吉林省東南部、遼寧省東部，是鴨綠江右側(cè)的一大支流，發(fā)源于龍崗山東南山麓，自東北流向西南，流經(jīng)吉林省白山市、通化市、遼寧省撫順市新賓縣、本溪市桓仁縣、丹東市寬甸縣，于遼寧省桓仁縣沙尖子鄉(xiāng)下游約50 km處注入鴨綠江[2]。其全長435 km，流域面積15 414 km2，為山區(qū)性河流，中下游河谷呈U形，寬度一般在1 km左右。渾江蜿蜒曲折，河道多急灘哨口，坡度大，全河平均比降為0.63‰。渾江流域自上而下建有多座梯級電站。

本次調(diào)查范圍涉及流域面積12 961 km2，涉及行政區(qū)域包括吉林、遼寧兩省5個地級市的10個縣區(qū)。調(diào)查內(nèi)容包括自然地理、社會經(jīng)濟、各行業(yè)用耗水量、水利水電工程基本特性及調(diào)度運行等[3-4]。

3 流域調(diào)查主要成果

3.1 水庫、塘壩分布情況

經(jīng)過流域調(diào)查，渾江流域(太平哨電站以上)現(xiàn)有中型水庫9座，其中吉林省境內(nèi)7座，遼寧省境內(nèi)2座；小型水庫47座，其中吉林省境內(nèi)31座，遼寧省境內(nèi)16座；引調(diào)水工程2處；塘壩47座，其中吉林省19座，遼寧省28座。大中型水庫位置分布見圖1。

圖1 渾江流域水庫位置分布圖

3.2 社會經(jīng)濟用耗水量

通過收集相關(guān)10個縣區(qū)的地區(qū)統(tǒng)計年鑒等社會經(jīng)濟資料，對流域現(xiàn)狀社會經(jīng)濟情況進行了解。對各地區(qū)的用耗水量資料進行統(tǒng)計分析，得到渾江流域2012、2017年較為完整的用耗水量成果，分別涵蓋農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、城鎮(zhèn)居民生活、農(nóng)村居民生活、生態(tài)環(huán)境等方面。其中，2012年渾江流域總用水量69 068×104m3，總耗水量39 176×104m3；2017年，渾江流域(太平哨電站以上)總用水量66 069×104m3，總耗水量38 307×104m3。用水情況見圖2、圖3。

圖2 2012年各行業(yè)用耗水情況統(tǒng)計

圖3 2017年各行業(yè)用耗水情況統(tǒng)計

4 各類水利工程對梯級水庫影響分析

4.1 上游各行業(yè)用水對徑流的影響分析

渾江桓仁以上各業(yè)耗水量在既往工作中開展過多次典型調(diào)查，各次調(diào)查成果見表1。

表1 渾江流域上游歷次調(diào)查耗水量成果表 /108 m3

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上世紀80、90年代，桓仁縣以上的耗水以農(nóng)業(yè)為主，約2.2×108～2.4×108m3，占總耗水量的71.8%，且年際變化不大。2008年后，隨著最嚴格水資源管理制度的實施，各縣市均制定了用水總量、用水效率、水功能區(qū)限制納污等控制指標，耗水總量得以有效控制。2008-2017年，耗水總量在3.1×108～3.3×108m3之間，年際變化不大，但各產(chǎn)業(yè)耗水量發(fā)生了較明顯的變化——灌溉用水隨著節(jié)水措施的實施有了較大幅度的降低；工業(yè)用水量取決于工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[5-6]，但隨著高耗水行業(yè)的限制，加之用水定額的降低，工業(yè)耗水量基本維持在1×108m3左右。另外，由于城市化的快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，生活用水、城鎮(zhèn)公共設(shè)施、生態(tài)環(huán)境耗水等出現(xiàn)大幅提升，由2008年的0.494×108m3提高至2017年的1.440 2×108m3，增加了1.92倍。生活與工業(yè)用水量的大小取決于人口的增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

桓仁以上1988年耗水量2.20×108m3，占桓仁多年平均來水量的(44.04×108m3)的5%；1999年耗水量2.385×108m3，占桓仁多年平均來水量的5.4%；2008年耗水量3.288×108m3，占桓仁多年平均來水量的7.5%；2012年耗水量3.126×108m3，占桓仁多年平均來水量的7.1%；桓仁以上2017年耗水量3.114×108m3，占桓仁多年平均天然來水量的7.07%。

2017年，桓仁以上跨流域引出水量共計0.831 7×108m3，占多年平均天然來水量的1.89%?？缌饔蛘{(diào)水工程調(diào)水量受渾江流域來水及受水區(qū)需水影響，年際、年內(nèi)調(diào)水量差異較大，多年平均引出水量0.898 1×108m3、占桓仁多年平均天然來水量的2.04%。

4.2 水庫調(diào)蓄對徑流的影響分析

渾江流域桓仁以上無大型水庫，現(xiàn)有中小型水庫工程共計48座，總庫容2.60×108m3，興利庫容1.46×108m3。其中，中型水庫7座，總庫容2.12×108m3、興利庫容1.19×108m3；小型水庫41座，總庫容0.48×108m3、興利庫容0.27×108m3；調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)、無調(diào)節(jié)的有9座，其中中型水庫2座、小型水庫7座，總庫容0.87×108m3、興利庫容0.156×108m3?；溉室陨现行退畮焱負潢P(guān)系見圖4。

圖4 桓仁以上各中型水庫拓撲關(guān)系圖

各水庫一般在正常蓄水位與死水位之間調(diào)度運行，從長期來看，蓄水量維持在一個相對均衡的水平，對徑流的調(diào)蓄影響可以忽略不計。如桃園水庫2010-2018年多年平均年蓄變量12.9×104m3/s，占桃園多年平均來水量的0.021%，占桓仁水庫多年平均來水量的0.003%；三家子水庫2010-2018年多年平均年蓄變量60.4×104m3/s，占多年平均來水量的0.38%，占桓仁水庫多年平均來水量的0.014%。

桓仁縣以上流域各中小水庫庫容相對較小、調(diào)節(jié)能力不強，從長期運行情況分析，水庫調(diào)蓄對桓仁縣斷面年入庫徑流基本無影響，但對桓仁短期內(nèi)的來水量有一定影響，一般在枯水期水庫蓄水量減少，豐水期蓄水量增加、使桓仁斷面徑流減少。上游各水庫最大調(diào)蓄量考慮極端情況、按各水庫(不考慮日調(diào)節(jié)、無調(diào)節(jié)水庫)興利庫容進行估算，月最大調(diào)蓄量可達1.3×108m3。

4.3 水庫調(diào)蓄對洪水的影響分析

本文重點研究桃園、三家子、曲家營、英額布4座中型水庫的調(diào)蓄作用對桓仁縣斷面入庫洪水的影響。4座水庫總興利庫容為0.97×108m3，占桓仁以上各類水庫總興利庫容的66.4%。各水庫調(diào)節(jié)性能較強，均為年調(diào)節(jié)水庫，其調(diào)度運行對桓仁縣斷面洪水的影響在桓仁以上各類水庫中具有一定的代表性。

4.3.1 主汛期對桓仁斷面洪水影響分析

渾江流域的大洪水主要集中在7月下旬至8月中旬，在該期間的洪水過程中，各水庫的出庫流量過程隨著入庫流量的增減而同步增減。但在漲水過程中，出庫流量一般小于入庫流量；在退水過程中，出庫流量一般大于入庫流量，致使水庫調(diào)度呈現(xiàn)明顯的峰前攔蓄、峰后棄水的特點，形成一定的滯洪、錯洪作用。且在退水過程的末期，庫水位一般會退至較洪水初期更低的水位，使整個洪水期內(nèi)蓄水量有所減少。

4.3.2 后汛期對桓仁斷面洪水影響分析

9月份渾江流域的來水量較小，為保證枯水期興利需求，水庫一般會在8月下旬、9月初攔蓄洪水的尾部過程，使庫水位回復(fù)到相對較高的位置。在該期間的洪水調(diào)度中，出庫流量過程仍然隨著入庫流量的增減而同步增減，且峰前過程仍以攔蓄為主，峰后退水段的前部仍以棄水為主，但退水尾部變?yōu)閿r蓄水量，使退水期末庫水位回復(fù)到較高的位置，整個洪水期內(nèi)蓄水量有所增加。

4.3.3 洪水調(diào)蓄對桓仁斷面洪水影響分析(以2010年洪水為例)

依據(jù)上游4座水庫洪水調(diào)度運行資料，考慮洪水傳播時間，將各水庫入出庫洪水過程分別演進至桓仁斷面，其各時段差值即為各水庫調(diào)度運行對桓仁斷面洪水過程的影響值。下面以2010年為例，研究洪水調(diào)蓄對桓仁斷面洪水的影響。

2010年7月28日至8月3日洪水為渾江流域本年度第一場大洪水，也是年內(nèi)最大的一場洪水?；溉蕯嗝婧榉辶髁? 840 m3/s，7天洪量11.7×108m3，其中峰前量5.94×108m3，峰后量5.76×108m3；最大3天洪量7.94×108m3，其中峰前量3.12×108m3，峰后量4.82×108m3。

7月28日至8月3日7天洪水過程中，上游4庫的調(diào)度運行使桓仁斷面水量增加1 306×104m3、占桓仁同期來水量的1.12%，其中峰前量減少2 145×104m3、占桓仁同期來水量的1.3%，峰后量增加3 451×104m3、占桓仁同期來水量的3.61%。7月31日至8月2日最大3天洪水過程中，上游4庫的調(diào)度運行使桓仁斷面水量增加495×104m3、占桓仁同期來水量的0.62%，其中峰前量減少808×104m3、占桓仁同期來水量的2.59%，峰后量增加1 303×104m3、占桓仁同期來水量的2.70%；峰前以削減入流為主，最大削減流量997 m3/s，峰后以增大入流為主，最大增加流量503 m3/s。

各水庫對桓仁入斷面洪水的影響統(tǒng)計見表2。

表2 4庫調(diào)度對桓仁斷面洪水的影響統(tǒng)計表(7月28日至8月3日)

根據(jù)上游4座中型水庫洪水調(diào)度運行及其對桓仁斷面洪水的影響分析，結(jié)合流域洪水特性得出以下結(jié)論：

渾江流域的大洪水主要集中在7-8月中旬，該期間桓仁上游水庫在單庫洪水調(diào)度過程中具有明顯的峰前攔蓄、峰后棄水的特點，導(dǎo)致桓仁斷面洪水過程發(fā)生較明顯的改變。由于各水庫的洪水發(fā)生時間以及到桓仁斷面的傳播時間不盡相同，因此對桓仁斷面洪水的影響也與單庫調(diào)度情況存在一定差異?？傮w而言，在桓仁斷面洪水的漲水期及峰后短期內(nèi)(約6～20 h)以削減來水量為主，且峰前段削減量值較大。如2010年7月28日至8月3日洪水，4庫調(diào)度使桓仁峰前第4小時的入庫流量減小997 m3/s，占同時段入庫流量的17.7%。隨后，上游水庫棄水對桓仁斷面洪水的增量影響逐漸顯現(xiàn)，且與前期削減流量相比，有影響時間更長、影響流量級更小、影響總量更大的特點。整個洪水期，上游水庫的調(diào)度使桓仁斷面總水量有所增加。

8月下旬至9月初，上游4庫的洪水調(diào)度仍具有峰前攔蓄、峰后主退水段棄水的特點，對桓仁斷面洪水的影響也與前述大致相同。在桓仁斷面洪水的漲水期及峰后短期內(nèi)以削減來水量為主，且峰前段削減量值較大。在桓仁退水段的中部以增加來水量為主。但在桓仁退水段尾部，受上游水庫回蓄影響，桓仁斷面流量有所減少。整個洪水期，上游水庫的調(diào)度使桓仁斷面總水量有所減少。

5 結(jié) 語

流域中小型水庫的調(diào)度運行對桓仁斷面月來水量、洪峰、洪量都存在一定影響。在桓仁斷面洪水預(yù)報方案中，可以考慮上游洪水調(diào)蓄的相應(yīng)影響，適當修正參數(shù)。尤其是久旱無雨或者來水較大時，更應(yīng)注意上游水庫調(diào)蓄的影響，以便合理研判水情變化，為下游梯級水庫調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。