李 臻，張維蓉

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100020)

初期蓄水期系指水庫(kù)從封堵導(dǎo)流設(shè)施并開始蓄水至水庫(kù)水位達(dá)到初期運(yùn)用起始水位(一般指死水位或灌溉、供水、發(fā)電的最低水位)的蓄水時(shí)段。合理擬定水庫(kù)初期蓄水計(jì)劃，并制定初期蓄水期的洪水度汛方案，對(duì)水庫(kù)的蓄水安全和興利運(yùn)用具有重要影響。水庫(kù)初期蓄水計(jì)劃或度汛方案不合理，會(huì)導(dǎo)致工程無法及時(shí)發(fā)揮供水、灌溉或發(fā)電等綜合效益，給項(xiàng)目管理單位和國(guó)家造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，更有甚者可能危及工程安全乃至下游人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。筆者在系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)多項(xiàng)大型水利樞紐工程初期蓄水方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐工程初期蓄水期供水安全保障問題進(jìn)行了典型研究，并提出相應(yīng)的對(duì)策建議，為大型水利樞紐工程擬定初期蓄水計(jì)劃提供借鑒與參考。

1 大型水利樞紐初期蓄水特征分析

水庫(kù)初期蓄水安排受移民搬遷、工程形象進(jìn)度、工程安全、下游供水等諸多因素影響，目前尚無明確的擬定蓄水方案的準(zhǔn)則和要求[1]。國(guó)內(nèi)水庫(kù)初期蓄水方面的研究多以水電站工程為主，其核心研究?jī)?nèi)容是在滿足工程度汛安全前提下，協(xié)調(diào)水庫(kù)來水、上下游用戶的用水要求和水庫(kù)蓄水的矛盾，盡可能減少對(duì)第三方用水的不利影響[2- 5]，對(duì)蓄水時(shí)機(jī)、蓄水方案、工程措施等方面進(jìn)行優(yōu)化，力求盡早發(fā)揮水庫(kù)發(fā)電效益[6- 10]。與水電站工程相比，大型水利樞紐工程通常具有防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)等多種綜合利用任務(wù)，各項(xiàng)開發(fā)任務(wù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系更加復(fù)雜，初期蓄水期的目標(biāo)函數(shù)和約束條件更多、蓄水時(shí)機(jī)和蓄水方案更加復(fù)雜，從移民搬遷、工程形象進(jìn)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樞紐工程的初期蓄水特征十分困難?？紤]到移民搬遷、工程形象進(jìn)度、工程安全和下游供水要求既是影響水庫(kù)初期蓄水方案的因素，同時(shí)也是水庫(kù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)考慮的重要方面，均可以體現(xiàn)在工程的地質(zhì)條件、壩址成庫(kù)條件和徑流洪水特性中，而這些條件和特性往往能夠從工程死庫(kù)容、最大壩高、壩址徑流量、集水面積降水量等工程特性指標(biāo)中得以體現(xiàn)。自“十三五”以來，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部先后組織實(shí)施了172項(xiàng)重大水利工程和150項(xiàng)重大水利工程，其中涉及數(shù)十項(xiàng)大型水利樞紐工程。本文對(duì)“十三五”以來19座已開工的和11座可研報(bào)告已經(jīng)水利部審查通過的大型水庫(kù)(水利樞紐)工程初期蓄水下閘時(shí)機(jī)、蓄水時(shí)間等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并重點(diǎn)分析了水庫(kù)初期蓄水時(shí)機(jī)和蓄水時(shí)間與水庫(kù)集水面積降水量、死庫(kù)容、最大壩高、壩址徑流量與死庫(kù)容倍比系數(shù)之間的散點(diǎn)關(guān)系，見表1。

表1 大型水利樞紐工程水庫(kù)初期蓄水時(shí)機(jī)與蓄水時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析表

1.1 初期蓄水下閘時(shí)機(jī)特征

分析表1和圖1、圖2可知，我國(guó)近期建設(shè)(擬建)的大型水利樞紐工程初期蓄水下閘時(shí)機(jī)呈現(xiàn)以下特征：

(1)30座大型水庫(kù)(水利樞紐)中，有7座水庫(kù)在汛期下閘蓄水，占比為23.3%，有23座水庫(kù)選擇在非汛期下閘蓄水，占比為76.7%。

(2)汛期下閘蓄水的7座水庫(kù)中，水庫(kù)死庫(kù)容大小與當(dāng)?shù)亟邓畯搅鳁l件具有明顯負(fù)相關(guān)性：4座位于降雨量400mm以下的干旱地區(qū)的水庫(kù)，其死庫(kù)容均大于8000萬m3；3座位于降雨量400mm以上地區(qū)的水庫(kù)，其死庫(kù)容均在2000萬m3以下。

(3)非汛期下閘蓄水的23座水庫(kù)，水庫(kù)死庫(kù)容大小與當(dāng)?shù)亟邓畯搅鳁l件相關(guān)性不顯著。

(4)限于各水庫(kù)工程前期工作深度不同導(dǎo)致的資料限制，本文對(duì)30座水庫(kù)中的22座水庫(kù)初期蓄水時(shí)間與下閘時(shí)機(jī)的關(guān)系進(jìn)行了分析。其中，汛期下閘蓄水的5座水庫(kù)，有4座初期蓄水時(shí)間大于200d，占80%以上；有1座水庫(kù)初期蓄水時(shí)間小于200d。非汛期下閘蓄水的17座水庫(kù)，有6座初期蓄水時(shí)間大于200d，占35%；11座初期蓄水時(shí)間小于200d，占65%。

圖1 水庫(kù)的死庫(kù)容與壩址集雨面積降水量關(guān)系散點(diǎn)圖

圖2 初期蓄水時(shí)間與壩址集雨面積降水量關(guān)系散點(diǎn)圖

1.2 初期蓄水時(shí)間特征

分析表1和圖3—6可知，我國(guó)近期建設(shè)(擬建)的大型水利樞紐工程初期蓄水時(shí)間呈現(xiàn)以下特征：

圖3 初期蓄水時(shí)間與壩址集雨面積降水量關(guān)系散點(diǎn)圖

圖4 初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)死庫(kù)容關(guān)系散點(diǎn)圖

圖5 初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)最大壩高關(guān)系散點(diǎn)圖

圖6 初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)壩址徑流量/死庫(kù)容倍比系數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖

(1)初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)集雨面積內(nèi)的降水徑流條件具有一定的相關(guān)性，盡管無論是降水量不足800mm的干旱半干旱地區(qū)水庫(kù)還是降水量超過800mm的濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)水庫(kù)，其初期蓄水時(shí)間都出現(xiàn)了高于200d的情況，但總體來看，仍以干旱半干旱區(qū)域居多；且初期蓄水時(shí)間超過250d的5座大型水庫(kù)均位于干旱和半干旱地區(qū)。

(2)初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)死庫(kù)容呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性，即水庫(kù)的死庫(kù)容越大，相應(yīng)所需的初期蓄水時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)最大壩高也呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性，但相關(guān)程度不如與死庫(kù)容大小的關(guān)系明顯，即水庫(kù)最大壩高也在一定程度上體現(xiàn)了水庫(kù)總庫(kù)容、死庫(kù)容的大小。

(4)初期蓄水時(shí)間與水庫(kù)壩址徑流量與死庫(kù)容倍比系數(shù)呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，即水庫(kù)的徑流條件越好、死庫(kù)容越小，相應(yīng)所需的初期蓄水時(shí)間越短。

1.3 初期蓄水特征

綜合以上分析可知，我國(guó)大型水利樞紐(水庫(kù))工程初期蓄水具有以下幾方面特征：

(1)水庫(kù)初期蓄水下閘時(shí)機(jī)多選擇在非汛期進(jìn)行，主要是盡可能減少或避免汛期下閘蓄水帶來的臨時(shí)度汛風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于選擇在汛期下閘的水庫(kù)，多分布在干旱半干旱地區(qū)，其降水徑流條件相對(duì)較差、死庫(kù)容相對(duì)較大、初期蓄水所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，選擇在汛期下閘蓄水，能夠緩解下游水資源供水矛盾，在滿足工程安全的前提下利用汛期水量大的優(yōu)勢(shì)盡快蓄水至死水位。

(2)水庫(kù)初期蓄水時(shí)間與工程死庫(kù)容、最大壩高呈正相關(guān)性，與水庫(kù)降水徑流條件呈負(fù)相關(guān)性。工程最大壩高越高、死庫(kù)容越大表明了水庫(kù)初期蓄水的要求越高，水庫(kù)降水徑流條件差則說明水庫(kù)初期蓄水期的上下游水資源供需矛盾更加突出。

根據(jù)國(guó)內(nèi)30座大型水利樞紐工程初期蓄水特征分析結(jié)論，干旱半干旱地區(qū)高壩大庫(kù)的初期蓄水時(shí)間往往更長(zhǎng)，初期蓄水下閘時(shí)機(jī)選擇更難、下游供水安全保障矛盾更突出，其初期蓄水問題值得進(jìn)一步深入研究。

2 初期蓄水期供水保障問題識(shí)別

水庫(kù)初期蓄水計(jì)算需統(tǒng)籌考慮上、下游用水對(duì)象的用水需求。對(duì)于水庫(kù)上游用水對(duì)象，可分析預(yù)測(cè)其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來的新增耗水，并從水庫(kù)設(shè)計(jì)徑流中優(yōu)先扣除。對(duì)于水庫(kù)下游用水對(duì)象，可根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源條件以及各用水對(duì)象的重要程度，統(tǒng)籌考慮河道內(nèi)生態(tài)基流、城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。從國(guó)內(nèi)眾多大型水庫(kù)初期蓄水實(shí)踐看，水庫(kù)初期蓄水期上下游用水對(duì)象的供水要求是可以滿足的，但對(duì)于以干旱半干旱地區(qū)水庫(kù)而言，流域水資源供需矛盾較為突出，水庫(kù)下游綜合利用要求高，水庫(kù)蓄水要求和下游用水保障之間的矛盾較為突出，其初期蓄水期下游用水對(duì)象供水保障難度較大。

本文以新疆葉爾羌河的阿爾塔什水利樞紐工程為例，該水庫(kù)所在葉爾羌河河發(fā)源于喀喇昆侖山北脈喀喇昆侖山冰川，流經(jīng)克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣，喀什地區(qū)葉城、塔什庫(kù)爾干、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚等6縣，并于阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣與和田河匯合后注入塔里木河，河流全長(zhǎng)1281km，流域面積8.58萬km2，流域多年平均降水量為70mm?？ㄈ赫臼侨~爾羌河主要控制站點(diǎn)，卡群站以上為流域徑流形成區(qū)，多年平均天然徑流量為66.5億m3。擬建的阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河卡群水文站上游55km處，多年平均徑流量為64.17億m3，P=50%、P=75%、P=90%年份徑流量分別為62.97億、55.4億、49.44億m3，水庫(kù)死庫(kù)容8.69億m3，正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容21.29m3。卡群站以下至塔里木河匯合口之間為葉爾羌河徑流耗散區(qū)，分布有葉爾羌河流域大型灌區(qū)(設(shè)計(jì)灌溉面積651.5萬畝)，考慮灌區(qū)各取水口斷面灌溉用水過程及河道輸水損失后，折算到卡群斷面的灌區(qū)地表水引水量為54.41億m3。根據(jù)《塔里木河近期綜合治理規(guī)劃報(bào)告》，葉爾羌河黑尼亞孜水文站斷面需年均下泄塔里木河干流生態(tài)水量3.3億km2，如折算至卡群站則需下泄生態(tài)水量9.71億m3。由此可知，如要優(yōu)先保障下游灌區(qū)用水及下泄塔里木河生態(tài)水量，阿爾塔什水利樞紐在平水年份(P=50%)就已經(jīng)無水可蓄，水庫(kù)蓄水與下游供水保障的矛盾十分突出。

3 初期蓄水期供水保障對(duì)策研究

為解決該水庫(kù)初期蓄水供水保障問題，從以下方面進(jìn)行了研究：一是協(xié)調(diào)各用水對(duì)象供水保障與水庫(kù)蓄水的優(yōu)先級(jí)，明確初期蓄水原則；二是分析來水與用水過程匹配程度，確定下閘蓄水時(shí)機(jī)；三是調(diào)整水庫(kù)上下游其他水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式，減緩初期蓄水影響。

3.1 明確供水優(yōu)先級(jí)及蓄水原則

前已述及，如優(yōu)先保障下游農(nóng)業(yè)灌溉及下泄塔里木河干流生態(tài)水量，則阿爾塔什水利樞紐在平水年甚至枯水年情境下幾乎無水可蓄，工程效益也將無法及時(shí)發(fā)揮。因此，有必要分析確定下游用水對(duì)象用水保障的優(yōu)先級(jí)，提出水庫(kù)蓄水原則，盡可能平衡好水庫(kù)蓄水與下游農(nóng)業(yè)灌溉及下泄塔里木河生態(tài)水量之間的關(guān)系。

葉爾羌河流域灌區(qū)沿干流兩岸呈南北走向狹長(zhǎng)分布(南北長(zhǎng)400km，東西寬40～80km)，灌區(qū)采用“多級(jí)引水、集中引枯、分級(jí)引洪”方式從葉爾羌河干流引水，經(jīng)東、西岸大渠等骨干渠系向灌區(qū)內(nèi)24座平原水庫(kù)補(bǔ)水，經(jīng)調(diào)蓄后滿足灌區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活用水需求。由于葉爾羌河流域基本無有效降雨，葉爾羌河供水一旦發(fā)生破壞，不僅對(duì)灌區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)有重大影響，還將給灌區(qū)內(nèi)上百萬少數(shù)民族群眾的生產(chǎn)生活帶來極大影響，不利于邊疆穩(wěn)定和民族團(tuán)結(jié)。因此，阿爾塔什水利樞紐初期蓄水期需要盡可能減少對(duì)下游灌區(qū)供水的影響。

葉爾羌河下游生態(tài)用水需求可分為2個(gè)方面，一是初期蓄水期水庫(kù)壩址斷面生態(tài)流量下泄要求，二是下泄塔里木河干流生態(tài)水量。前者是基本生態(tài)需求，在水庫(kù)初期蓄水期應(yīng)盡可能予以滿足，后者則可以根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮。葉爾羌河為塔里木河九大源流之一，也是現(xiàn)狀能向塔里木河干流下泄水量的4條源流之一。根據(jù)國(guó)務(wù)院批復(fù)的《塔里木河近期綜合治理規(guī)劃》，葉爾羌河流域多年平均下泄塔里木河干流生態(tài)水為3.3億m3(黑尼亞孜斷面)，占4條源流下泄塔里木河干流水量46.5億m3的1/15。從水量上看，葉爾羌河對(duì)塔里木河干流生態(tài)的貢獻(xiàn)相對(duì)阿克蘇河、和田河等其他源流相對(duì)較小。因此，在阿爾塔什水利樞紐初期蓄水時(shí)，可減少葉爾羌下泄水量，同時(shí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)其他源流下泄水量，以減少對(duì)塔里木河干流生態(tài)用水的影響。

因此，阿爾塔什水利樞紐初期蓄水的優(yōu)先級(jí)為，優(yōu)先滿足葉爾羌河下游灌區(qū)灌溉用水以及平原水庫(kù)蓄水，其余水量?jī)?yōu)先蓄到庫(kù)內(nèi)，剩余水量向塔里木河干流輸水。

3.2 確定初期蓄水下閘時(shí)機(jī)

初期蓄水下閘時(shí)機(jī)除考慮工程形象面貌、庫(kù)區(qū)移民搬遷等因素外，還需考慮河流洪水特性對(duì)工程蓄水安全影響，以及徑流特性對(duì)下游用水保障的影響。限于篇幅限制，本文不在此處探討工程形象面貌和庫(kù)區(qū)移民搬遷等常規(guī)因素，對(duì)干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐初期蓄水的影響。

(1)洪水特性對(duì)工程蓄水安全影響

葉爾羌河洪水除具有冰川積雪消融型、暴雨型、消融與暴雨混合型的洪水成因之外，還具有冰川突發(fā)型洪水。根據(jù)喀群水文站實(shí)測(cè)洪水資料，年最大洪水全部發(fā)生在7—9月，其中以8月頻次最高，7、8、9月發(fā)生年最大洪峰流量的頻率分別為33%、60%、7%。如在汛期下閘蓄水，水庫(kù)水位上升速率較快，壩體穩(wěn)定及安全運(yùn)行將面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)河流洪水特性可知，7、8月發(fā)生大洪水的頻次較高，蓄水存在一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，9月洪水頻次相對(duì)較低，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)7、8月較小。

(2)徑流特性對(duì)下游用水保障的影響

葉爾羌河多年平均徑流量為66.5億m3，全年徑流主要集中6—9月，約占年徑流量的80%；灌區(qū)考慮平原水庫(kù)蓄豐補(bǔ)枯作用后多年平均灌溉需補(bǔ)水量為54.4億m3。由圖7可知，5—10月壩址月均來水流量大于灌區(qū)需補(bǔ)水流量，水庫(kù)可蓄水量較豐富，非汛期11月至來年4月天然來水不足，下泄河道生態(tài)基流和灌區(qū)用水需求后水庫(kù)基本無水可蓄。因此，考慮壩址徑流特性后，宜選擇汛期下閘蓄水，充分利用汛期余水進(jìn)行蓄水。此外，汛期蓄水，有利于庫(kù)水位盡快從導(dǎo)流洞下閘水位抬高至泄流底孔底板高程，縮短對(duì)下游供水的影響時(shí)間。

綜合考慮上述2方面因素，推薦該工程從汛期9月1日起下閘蓄水。

圖7 多年平均月均壩址來水流量和灌區(qū)需補(bǔ)水流量過程線

3.3 與其他水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用方式

為減緩對(duì)下游農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)影響，在阿爾塔什水利樞紐蓄水前，需盡可能通過調(diào)度措施使上游下坂地水庫(kù)和下游平原水庫(kù)處于高水位狀態(tài)。待到導(dǎo)流洞下閘蓄水后，一方面可安排下游平原水庫(kù)在次年春灌用水高峰期向農(nóng)業(yè)供水，另一方面如遇后續(xù)時(shí)段天然來水不足，通過加大上游下坂地水庫(kù)泄流量以縮短阿爾塔什水利樞紐蓄水時(shí)間。限于篇幅限制，本文列出了是否考慮上、下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度4種情景下，阿爾塔什水利樞紐下閘時(shí)間分別為8月1日和9月1日的初期蓄水計(jì)算成果，見表2。對(duì)比可知：

(1)不同情景下，9月1日下閘蓄水至死水位的時(shí)間與8月1日下閘相比，蓄水期更長(zhǎng)，主要原因是8月為全年徑流最大的月份，盡早下閘可充分利用該月徑流及早蓄水。

(2)8月1日下閘情況下，不考慮與當(dāng)?shù)仄渌畮?kù)聯(lián)合調(diào)度，豐、平、枯水年份蓄水時(shí)間在326～367d之間；考慮下游平原水庫(kù)或上游下坂地水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，則平、豐水年蓄水期將大幅縮短；如考慮上下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，則豐、平、枯年份蓄水期將大幅縮短，約在36～50d。

(3)9月1日下閘情況下，無論采用何種水庫(kù)調(diào)度情景，初期蓄水期均在317d以上，考慮上下游全部水庫(kù)參與聯(lián)合調(diào)度情景與不考慮水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度情景相比，水庫(kù)蓄水期可縮短約14～34d。

表2 不同情景下阿爾塔什水利樞紐初期蓄水計(jì)算成果 單位：d

從對(duì)比結(jié)果看，利用上、下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度在豐、平水年份的作用較為明顯，但是上下游水庫(kù)能否按照計(jì)劃在下閘前蓄至正常蓄水位，與下閘時(shí)機(jī)之前的徑流情況有關(guān)，問題較為復(fù)雜，本文不再對(duì)此進(jìn)行贅述。

3.4 一般性原則

基于上述考慮，提出干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐初期蓄水一般性原則：

(1)優(yōu)先滿足下游河道生態(tài)基流用水需求，對(duì)于生態(tài)基流以外的生態(tài)水量供水順序可以適當(dāng)延后，必要時(shí)可考慮在水資源條件具備的情況下，如當(dāng)來水頻率大于50%時(shí)，需考慮下泄生態(tài)水量要求。

(2)若天然來水大于灌區(qū)需補(bǔ)水過程要求，按灌區(qū)用水要求下泄；若天然來水小于灌區(qū)需補(bǔ)水過程要求，則按天然來水下泄，維持庫(kù)水位不變。

(3)滿足其他如庫(kù)水位變幅、施工形象面貌、庫(kù)區(qū)移民搬遷、度汛安全等其他控制性要求。

(4)為配合工程初期蓄水，可統(tǒng)籌上下游水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式，在下閘蓄水前盡可能使其他水庫(kù)水位處于“庫(kù)滿”狀態(tài)，下閘蓄水后，優(yōu)先利用水庫(kù)蓄水向農(nóng)業(yè)和生態(tài)供水，不足由河流補(bǔ)充。

4 結(jié)語

在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)大型水利樞紐工程初期蓄水特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)干旱半干旱地區(qū)大型水利樞紐工程初期蓄水存在的主要問題，通過典型研究提出了初期蓄水期供水優(yōu)先級(jí)及蓄水原則、初期蓄水下閘時(shí)機(jī)和水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用方式等，為今后的大型水利樞紐工程初期蓄水計(jì)劃擬定工作提供借鑒與參考。限于資料和篇幅限制，本文重點(diǎn)從下閘蓄水時(shí)機(jī)選擇、下游供水優(yōu)先級(jí)順序，以及通過水工程聯(lián)合調(diào)度減緩下游供水影響等方面進(jìn)行了研究，對(duì)于初期蓄水與度汛安全的關(guān)系，以及保障生態(tài)流量下泄的工程措施等問題未進(jìn)行深入研究，有待今后進(jìn)一步研究探討。