枯季西江中游梯级水库调度对梧州流量影响初探

方神光，崔丽琴

(珠江水利科学研究院，水利部珠江河口海岸工程技术研究中心，广州 510611)

水库生态调度是在保证防洪、发电、灌溉等效益的条件下，调节下泄流量的时间序列，尽可能恢复下游水流的自然节律过程，并通过人造洪峰等恢复自然水位涨落特征，调节水质、水温和泥沙冲淤，进行流域自然生态环境修复。如1991-1996年，美国田纳西河流域管理局[1]为提高水库泄流水量和水质，从生态角度对水库调度方式进行调整从而改善水库下游水生态环境。建于1942年的哥伦比亚的大古力水坝(GCD)[2]在1982年以前承担发电和防洪任务，之后提出考虑溯河产卵鱼类的产卵问题，开始采用帮助幼鱼过坝、增大下泄流量、模拟高流量脉冲等方法，有效地提高了洄游鱼类的过坝率，解决其产卵问题及大坝水生物繁殖问题。巴西水库Tucuruí[3]在其水库调度中制定了水电站的运行水位不能超过72 m的调度规则，各项生态指标能有效地得到保障从而确保下游群落的生态安全；胡和平等[4]提出基于生态流量过程线的水库生态调度方法，应用在黄河某子流域，针对下游生态环境提出4个生态目标，结果显示生态目标与发电目标并不是完全对立，在满足生态目标的同时发电量仅减少7.6%。曾勇[5]提出跨界水冲突博弈模型，基于博弈论与最优方法，考虑参与人非合作及合作行为、河道最小生态需求、水资源的质与量，将模型运用于官厅水库流域的张家口市、北京市跨界的水量和水质冲突问题，合理确定排污少、经济效益高的水质水量联合调度方案。康玲和黄云燕等[6]提出逐步优化算法(POA)，分析计算了汉江的最小生态流量、适宜生态流量以及四大家鱼产卵所需要的洪水脉冲过程。小浪底调水调沙(2003-2005)[7]过程中，将生态引入调度总目标中，通过加大上游水库下泄流量的方法，缓解了淤积现象，有效的改善下游生态环境。王煜等[8]建立了针对中华鲟产卵场建立了葛洲坝下游河段水动力数学模型进行水库生态调度，以中华鲟产卵期为调度周期，将产卵场产卵适合度作为作为指标，同时考虑水库防洪、航运效益建立双目标水库生态调度模型，结果显示生态调度后中华鲟在产卵期(10-11月)同比历史可增加39%适合产卵水域面积，而发电量仅损失0.15%，取得了较好成果。

西江流域鱼类资源非常丰富，但由于人类活动影响，尤其是西江干流各梯级水库的开发很少考虑水生生态需求，导致鱼类生境萎缩，鱼类集中产卵场已由历史上的29个缩减为17个。梧州断面是西江中上游洪水进入下游的控制性断面，相关研究显示[9,10]，该断面流量达到1 800和2 100 m3/s时可分别满足西江干流的生态流量和河口压咸流量的需要。为此，本文基于西江中游河网及梯级水库整体数学模型[11]，考虑尽量减少对防洪发电等影响的前提下，探讨利用龙滩和岩滩正常蓄水位与汛限水位间的库容开展梧州断面流量调度方面的研究工作。

1 数学模型及典型水文年选取

1.1 计算范围及数学模型

本研究课题主要利用龙滩和岩滩正常蓄水位与汛限水位间库容调节下游梧州控制断面流量，因此涉及的西江中上游干支流河段主要有红水河、柳江、黔江、郁江和浔江，如图1所示，同时控制水文站的分布位置也作为计算范围重要依据；因此，红水河段上游选取到北盘江汇入口附近的蔗香水文站、下游止于石龙三江口，总长约632 km，该河段现有梯级电站主要有：龙滩、岩滩、大化、百龙滩、乐滩和桥巩；柳江计算河段上游始于柳州水文站、下游止于石龙三江口，总长约158 km，分布有红花电站；黔江上游始于石龙三江口、下游止于桂平三江口，总长约122 km；郁江段上游始于南宁、下游止于桂平三江口，总长约382 km，主要有西津电站和贵港水利枢纽；浔江段上游始于桂平三江口、下游止于长洲枢纽，总长约155 km。

图1 西江中游河网水系图Fig.1 Water system in the middle reach of Xijiang River

收集了2010年红水河、2009年柳江、2009年黔江、2006-2010年黔江及2010年浔江河道水深地形资料(85高程)，依据地形资料建立了西江中游河网及梯级水库联解数学模型，水动力数学模型采用一维圣维南方程组，西江中游为树状河网，且支流上分布有数量较多的梯级水库电站，导致大坝上下游水流失去了水力连续性，建模过程中提出了河网、子河网、河道、节点四个层面的计算求解概念，四者通过水利枢纽调度方式、外部边界条件的传递关系连接成一个整体，应用实测水文资料对该模型开展了大量的率定和验证工作[11,12]。

1.2 水文典型年选取

枯水季节梧州断面流量过程对珠江河口能否满足对珠海、澳门地区的供水、能否增加河口径流以压制咸水上溯以及能否满足河口地区补充淡水的需要具有重要影响。梧州枯水季节为12月至次年3月，其中绝大多数以1月份来流量最小，因此搜集了近些年从1997-2014年共计18年梧州站实测水文数据，对一月平均流量进行粗略统计如图2所示。由图可见，随着西江干流梯级电站建立，一月份梧州站平均流量呈现增长趋势，尤其在2009年龙滩水库投入运行后流量增加较为明显。2009年龙滩建成前在丰水年基本能满足1 800 m3/s的生态流量，但难以满足2 100 m3/s的抑咸流量；2009年龙滩建成后在丰水年与平水年，梧州站基本能满足生态和抑咸需要的流量，可见，由于上游龙滩水库调节库容较大，枯水期对梧州控制断面流量的增加起到了重要的作用。因此，本次调度以龙滩作为主要调节水库，考虑到龙滩下泄流量传递至梧州时间较长，此处增加岩滩水电站进行辅助调节；根据近5年来1月份流量来看，2012年1月份流量最小，仅为1 703 m3/s，相当于龙滩水库建成前梧州站重要枯水期(12月-次年2月)60%频率的枯季流量，大于最枯月平均流量1 490 m3/s；鉴于龙滩水库建成后对梧州枯季断面流量影响巨大，为反应近年来枯季流量的真实情况，因此选取枯水年份2012年1月1日0时至2012年2月29日0时共计1440小时水文数据进行生态调度计算研究。

图2 梧州站一月份历年平均流量值Fig.2 Average flux in Jan. at Wuzhou station

2 调度方案设置与计算步骤

2.1 调度方案设置

考虑到枯季水库调度要保证发电、航运、取水和生态等综合需求，此处调度主要考虑利用汛前腾空正常蓄水位与汛限水位间的库容作为可利用水量，即当水库水位低于汛限水位时调度停止。尹小玲等[13]针对枯季梧州流量对龙滩下泄流量的响应分析显示，龙滩下泄流量是梧州控制断面流量重要的组成部分，两者具有很好的线性关系，且枯水和偏枯水年时龙滩需要至少下泄600～800 m3/s的流量才能保证下游的生态和压咸需要。因此，此处将龙滩保证下泄800 m3/s的流量作为龙滩最基本的调度方案，为对比需要，将保证下泄1 000 m3/s作为加大调控方案，岩滩则主要作为调节中转水库进行利用，设计调度如表1所示。

2.2 区间入流还原和计算步骤

由于建立的数学模型范围几乎包含了西江中游主要干支流，此处依据主要支流水系和控制水文站点分布情况，将计算范围区间入流还原分为四个大的子区间分别进行还原：北盘江入流口-桥巩段，桥巩、柳州站-武宣段，南宁-贵港段，贵港、武宣-梧州段，分别对区间控制水文站的流量进行了比较验证，限于篇幅，图3给出了还原后的武宣和梧州流量的验证图，证实了此处还原后的2012年1月1日0时至2012年2月29日0时区间水文过程的可靠性。设计主要步骤如下：

表1 水库调度方案Tab.1 Plans of cascade reservoirs dispatch

(1)将整体计算模型划分为4段：北盘江入流口-桥巩段，桥巩、柳州站-武宣段，南宁-贵港段，贵港、武宣-梧州段，根据区段间主要支流汇入口设置区间入流位置断面；

(2)分别单独建立划分出来的4个区段的河网及梯级水库数学模型，由于这些区段模型取自整体大模型，已经进行过率定和验证，可直接用于区间入流还原计算；

(3)根据划分区段间的控制水文站点，给出2012年1月1日0时至2012年2月29日0时每段上游流量边界条件和下游水位边界条件，还原每段区间入流；

(4)将各区段还原的区间入流放入到整体大模型中，对设置的5个龙滩调度方案进行模拟计算和分析。

图3 主要控制站点流量验证Fig.3 Flux verification at main control stations

图4 梯级水库调度计算结果Fig.4 Results by numerical simulations of dispatch of cascade reservoirs

3 调度结果分析和比较

3.1 调度计算结果

根据表1设计的龙滩和岩滩调度方案中，两个水库正常蓄水位分别是375和223 m，汛限水位分别是359.3和220.5 m，统计调度前后梧州控制断面流量达到或超过生态基流和抑咸流量的时间，5种方案的计算成果如图4所示，分析如下：

(1)方案1采用龙滩单库调节，从1月1日至2月29日全程，龙滩水库始终保持800 m3/s的下泄流量，入库流量小于出库流量，坝前水位持续下降但始终高于汛限水位359.3 m。经过龙滩调节，梧州控制断面达到或超过生态需流的时间由调度前432 h提高至调度后766 h，满足率由调度前40%提高至调度后79%；达到或超过抑咸所需流量的时间由调度前175 h提高至调度后418 h，满足率由调度前16.2%提高至调度后38.7%。

(2)方案2采用龙滩单库调度并加大调节力度，可见从1月1日至2月21日，龙滩水库始终保持1 000 m3/s的下泄流量，入库流量小于出库流量，坝前水位持续下降至汛限水位359.3 m，因此从2月21日至2月29日，龙滩水库停止调度，按入库流量下泄，坝前水位保持不变。通过龙滩单库加大调节力度可见，梧州控制断面达到或超过生态需流的时间由调度前432 h提高至调度后664 h，满足率由调度前40%提高至调度后89.7%；达到或超过抑咸所需流量的时间由调度前175 h提高至调度后418 h，满足率由调度前16.2%提高至调度后61.5%。

(3)方案3采用岩滩单库调度，显示从1月1日至1月10日，岩滩水库始终保持800 m3/s的下泄流量，入库流量小于出库流量，坝前水位持续下降至汛限水位220.5 m；因此从1月11日至2月29日，岩滩水库停止调度，按入库流量下泄，坝前维持汛限水位。经过岩滩单库调度，梧州控制断面达到或超过生态需流的时间仅仅提高了6 h，流量达标率仅提高0.5%；抑咸流量达标时间提高19 h，达标率仅提高1.7%。

(4)方案4采用岩滩单库调度并加大调节力度从1月1日至1月7日，岩滩水库始终保持1 000 m3/s的下泄流量，由于入库流量小于出库流量，坝前水位下降至汛限水位220.5 m，之后便停止调度，维持坝前汛限水位不变。经岩滩单库极大下泄力度，梧州控制断面达到或超过生态需流的时间仅提高4 h，对抑咸流量提高没有效果。

(5)方案5采用龙滩、岩滩联合加大下泄强度调度，显示：①对龙滩水库，从1月1日至2月21日始终保持1 000 m3/s的下泄流量，入库流量小于出库流量，坝前水位逐渐下降至汛限水位359.3 m，之后即停止调度维持汛限水位不变；②对岩滩水库，从1月1日至2月21日，岩滩水库始终保持1 000 m3/s的下泄流量，入库流量为龙滩出库流量，两者相等，岩滩坝前水位维持不变。2月21日至2月28日，龙滩停止调度，岩滩继续以1 000 m3/s流量下泄，入库流量小于出库流量，坝前水位下降至汛限水位220.5 m，之后停止调度以维持坝前水位不变。经过龙滩和岩滩双库联合调度，梧州控制断面达到或超过生态需流的时间由调度前432 h提高至调度后997 h，达标率由调度前40%提高至调度后92.3%；达到或超过抑咸所需流量的时间由调度前175 h提高至调度后708 h；达标率由调度前16.2%提高至调度后65.6%。

3.2 梯级水库生态调度方案比较分析

梧州控制断面流量过程对西江下游及珠江河口三角洲的生态、供水和抑咸等具有重要的意义，因此以梧州控制断面生态和抑咸流量需求为目标，以2012年1月1日至2月29日枯季水文过程作为典型，采用西江中游河网及梯级水库数学模型对以龙滩为主、岩滩为辅的不同调度组合方案进行了模拟计算，获得了各调节方案下的梧州控制断面枯季流量过程，分析可见：

(1)由于龙滩水电站是红水河梯级开发的大型水库，其调节库容达111.5 亿m3，因此采用龙滩单库调度的方案1、方案2以及龙滩和岩滩联合调度的方案5都能取得较为明显的效果，可以使梧州断面生态流量由调度前仅40%的保证率提高到70.9%～92.3%，将压咸流量由调度前仅16.2%的保证率提高到38.7%～65.6%；

(2)岩滩水电站是红水河综合利用规划的第五个梯级电站，其调节库容10.5 亿m3，相对龙滩小很多，因此采用岩滩单库调度的方案3和方案4，对梧州断面流量提高几乎影响很小；但由于岩滩水库相对龙滩水库距离下游梧州控制断面更近，且其调节库容可进行不完全年调节，相对除龙滩以外的红水河上其他梯级水库来讲较大，极为适合作为龙滩生态调度的中转水库进行利用，可以显著缩短水量调度的时间；

(3)在方案5中，实际上是先后利用了龙滩和岩滩的部分库容进行梧州控制断面的生态流量调度，先利用龙滩库容，岩滩此时作为中转库容，在龙滩这部分库容使用完毕后，才开始利用岩滩，因此采用方案5进行调节后的梧州控制断面生态和抑咸流量改善最为显著，可见若同时再合理利用下游其他梯级水库的这部分库容，不仅可以进一步提高梧州控制断面的流量保证率，而且还可以大大缩短调度时间和提高调度效率。

由计算和分析显示，利用龙滩和岩滩正常运行水位与汛限水位间的库容可以有效提高梧州控制断面枯季的径流量。西江中游是梯级水库分布和建设最为集中的区域，同时也是防洪的重点区域，为保证汛期防洪安全，一般在汛前4月份要将水库水位降至汛限水位，由此会产生或多或少的弃水，若能有效利用好该弃水，可以避免与发电等其他需水造成冲突，使给出的实施方案更为切实可行。

4 结 论

针对枯季梧州控制断面水文径流过程对西江中下游河道生态以及珠江河口三角洲抑制咸潮入侵、保障供水的重要性，本文选取近年偏枯的2012年1-2月水文条件作为典型年，应用率定和验证过的西江中游河网及梯级水库整体数学模型，探讨枯季利用龙滩和岩滩的汛前弃水改善梧州控制断面径流的可能性，以达到提高枯季梧州控制断面径流量的目的，主要结论有：

(1)单独利用龙滩或龙滩与岩滩联合调度对提高梧州控制断面径流量具有显著作用，可以使梧州断面生态流量由调度前仅40%的保证率提高到70.9%～92.3%，将压咸流量由调度前仅16.2%的保证率提高到38.7%～65.6%；

(2)单独利用岩滩汛前弃水对改善梧州断面径流量作用很小，但由于岩滩距离下游控制断面更近，且库容相对较大，可以作为龙滩枯季开展生态调度的中转水库，能有效提高龙滩调度对下游控制断面的反应时间和效率；

(3)总体来看，在西江中游梯级水库的防洪或生态调度中，若能发挥上游龙滩大型水库的主导作用以及其他梯级水库辅助中转作用，在此方面开展进一步的研究探讨，能最大程度提高梯级水库的防洪和生态效益。

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