梧桐河流域蓄水工程可供水量计算

摘要：在分析蓄水工程可供水量计算方法和适用条件的基础上，依据梧桐河流域蓄水工程的来水、用水条件和水库观测资料情况，分别采用长系列调节计算法、典型年法和简化计算法计算了流域内蓄水工程的可供水量，计算方法实用，可操作性较强。

关键词：梧桐河流域 蓄水工程 可供水量

1 基本情况

梧桐河流域位于三江平原西北部，东经129°35′～130°48′，北纬47°13′～48°05′之间，流域面积4338km²。行政区划属鹤岗市市区、宝泉岭农管局和汤原县，是黑龙江省重要的煤矿基地和和粮食主产区之一，总人口77.4万人，国内生产总值41.2亿元。

梧桐河流域地处小兴安岭与三江平原的交接地带，西北部为小兴安岭低山丘陵，海拔高程200～700m，面积3140.7km²；东南部为三江冲积平原，海拔高程70～140m，面积1197km²。流域属大陆季风性气候，春迟夏短，秋早夏长。多年平均气温2℃，极端最高气温零上36℃，极端最低气温零下42℃。多年平均降水量588mm。多年平均水面蒸发量728mm。

梧桐河为松花江左岸一级支流，发源于小兴安岭南麓，河长498km，主要支流有西梧桐河、嘎拉基河、细鳞河及鹤立河等十余条大小河流，流域多年平均径流量13.14×10⁸m³，地表水可利用量5.80×10⁸m³。梧桐河河各支流上游建有五号水库、细鳞河水库、小鹤立河水库3座中型水库，新一水库、平原水库等9座小型水库，志诚塘坝1座，这些蓄水工程是流域内城镇生活用水和工农业生产用水的主要供水水源。

2 可供水量计算的基本方法

可供水量是指在不同水平年、不同保正率情况下，考虑需水要求供水工程措施可能提供的能满足一定水质要求的水量。蓄水工程可供水量的计算，就是要求计算蓄水工程现状水平年、不同保证率情况下的可供水量，预测未来水平年通过对现有工程挖潜配套和新建蓄水工程后所能提供的水量。目前，在水资源供需分析中，计算蓄水工程可供水量的计算主要有长系列调节计算法、代表年法和简化计算法三种常用方法。长系列调节计算法是根据长系列来水和用水等资料逐年计算水库可供水量，然后对可供水量系列进行频率计算，求出不同水平年和不同保证率的可供水量。代表年法是根据实测和调查的来水用水等资料，从中选出代表不同保证率的典型年，对典型年进行调节计算求出对应于不同保证率的可供水量。对于小型水库或塘坝，由于资料缺乏或不足而不能应用以上两种方法计算可供水量时，通常采用简化计算法。简化计算法是参考相邻流域和类似地区的计算成果，利用比拟法、经验公式法或其它方式估算可供水量的一种方法。本文针对梧桐河流域各蓄水工程的资料情况和供水对象的重要程度分别采用上述不同方法，计算了该流域蓄水工程的现状可供水量。

3 现状来水量和用水量计算

现状来水量是指工程控制点上游现有水利工程和实况下垫面条件下的实际来水量。现状条件下工程节点上游受各类水利工程的调节影响，由于不同年份上游水利工程数量和调节能力不同，故对各年来水量的影响也不一致，为使来水量系列具有一致性，满足兴利调节的需要，各年的水库来水量需统一换算到现状年（2000年）水利工程和下垫面条件的来水量水平。根据流域内水文测站分布和水库观测资料情况，工程控制点来水量系列分别采用水量平衡法、代表站法和降水径流关系法计算。现状用水量计算：工业用水量月际间变化不大，调查年用水量平均分配到各月即可求得逐月用水量；水库各灌区农作物均为水稻，其月灌溉用水量通过实际调查获得，没有实测资料的灌区，参考流域内梧桐河水稻灌区灌溉定额，由灌区的实灌面积推算求得。

4 水库可供水量计算

4.1 长系列调节计算法

梧桐河流域各中型水库均为多年调节水库，且来水量、用水量和水库观测资料比较齐全，因此采用长系列时历列表法逐月调节计算可供水量。

(1) 基本方法

时历列表法调节计算的基本原理是根据长系列的来水和用水资料，以月为计算时段，按水量平衡公式，计入损失水量，逐年计算水库的调节过程和调节水量，然后根据水库的供需关系和年调节水量确定水库的可供水量。水库的水量平衡公式如下：

V_月初+W_来-W_用-W_损-W_弃=V_月末（5）

式中：V_月初为水库月初库容；W_来为水库本月来水量；W_用为本月各用水户的用水量；W_损为水库本月蒸发和渗漏损失水量；W_弃为水库本月弃水量；V_月末为水库月末库容。

根据上述水量平衡公式，以月为计算时段计算水库逐年净调节水量，对年净调节水量系列进行排序，经频率分析计算求得不同保证率的可供水量。

(2) 约束条件

①蓄水方案：为简化计算水库的蓄水过程按早蓄方案考虑，即水库在蓄水期有余水就蓄水，兴利库容蓄满后还有多余再弃水。在调算时从来水量系列中选择最丰水年中的最丰水月份为起调时段，先假定此时段水库蓄满，然后按早蓄方案向下循环调算到起始时段为止，如计算的月末蓄水量与假定的蓄水量相同则认为调算结果合理，如不一致应按计算的月末蓄水量再次调节计算，直至一致为止。

②供水顺序：梧桐河流域各中型水库均承担着保障城镇生活用水、城市工业用水和农田灌溉用水的多重供水任务，其中城镇生活用水和城市工业用水供水保证率为95%，农田灌溉用水供水保证率为75%，按供水对象的重要程度，在调节计算时水库的供水顺序为先城镇生活用水和城市工业用水后农田灌溉用水，即在水库供水调度时首先满足城镇生活用水和城市工业用水，使其达到供水保证率或实现最大供水，然后再考虑农田灌溉用水，在来水量不足的情况下，允许农田灌溉用水保证率遭到破坏。

③水库蓄水位：水库最高蓄水位为兴利水位，最低允许水位为死水位，对于有防汛任务的水库汛期蓄水位按汛中限制水位控制。

④河道生态用水：当水库不弃水或弃水量小于下游河道生态用水量时，为保证下游河道生态用水，水库要为下游河道补水，月放水量按工程控制点最近10年最小月径流量考虑。

(3) 调节计算

根据水库1956～2000年45个水文年现状来水量和用水量系列，按照上述约束条件采用（5）式逐年逐月进行连续调节计算，调算时利用计算机设定步长和目标函数自动循环，直至城镇生活用水和城市工业用水满足供水保证率要求、农田灌溉用水经调整灌溉面积后达到设计供水保证率为止。

(4) 可供水量计算

将经优化调节计算的各月用水量相加求得逐年用水量，然后按由大到小的顺序排列，用公式计算经验频率，点绘用水量频率曲线，根据频率曲线即可查出水库不同保证率的可供水量（用水量）。梧桐河流域中型水库可供水量计算成果如表1。

表1 梧桐河流域中型水库现状年可供水量计算成果表 单位：万m³

4.2 典型年法

以伏尔基河水库为例叙述典型年法计算可供水量的具体方法和步骤。伏尔基河水库是一座为下游农田供的年调节水库，集水面积80km²，总库容890万m³，兴利库容500万m³，死库容390万m³，水库特性曲线、水量损失等资料为已知，设计灌溉面积0.8万亩，设计供水保证率为75%。

(1) 来水量、用水量和可供水量三者间的关系

以W_来表示月进库水量，W_可供表示水库的可供水量， M_需&­&­表示用水户月需水量，△V表示由水库调节库容补充的月需水量，根据可供水量的定义，当W_来≥M_需&­&­时，水库的可供水量按“以需定供”考虑，W_可供= M_需；当W_来＜M_需时，水库的可供水量按“以供定需”考虑，W_可供=W_来+△V。

(2) 不同保证率可供水量计算

①保证率p=50%可供水量：供水保证率50%，低于水库设计供水保证率，灌区灌溉需水量低于设计保证率需水量，因此水库不需要完全年调节，只动用水库部分兴利库容就可满足该保证率灌溉用水的要求，此时水库的可供水量可按“以需定供”的原则确定，即保证率50%的可供水量等于相应保证率的灌区需水量，灌区设计灌溉面积0.8万 亩，毛灌溉定额632.8m³/亩，需水量 505.6万m³，则保证率为50%的可供水量为 505.6万m³。

②保证率p=75%可供水量：伏尔基水库设计供水保证率为75%与可供水量计算的保证率一致，因此当水库淤积量较小，水库的兴利库容基本不变时，来水经水库调节后能够满足灌区的需水要求，此时供需平衡，水库的可供水量等于灌区的需水量，保证率75%时灌区设计灌溉面积0.8万亩，毛灌溉定额711.9 m³/亩，需水量为 569.5万m³，则水库保证率为75%的可供水量为569.5万m³。

③保证率p=95%可供水量：保证率95%高于水库供水设计保证率，此时的水库的供水可能出现以下三种情况：一是当来水量大于用户需水量且水库具有足够调节能力时，水库供水虽然超过了设计保证率，但灌区的需水要求仍能得到全部保障，这说明该水库供水能力较大，在保证率75%时水库的供水潜力尚未完全发挥，这是一种极端的情况，在水资源比较贫乏的北方，此类现象并不多见；二是当水库来水量小于用户需水量时，受来水量的限制，灌区的需水无法全部满足，水库供水量只能保证设计灌溉面积的一部分，在水库完全年调节的情况下，来水量将全部利用，此时水库的可供水的大小取决于年来水量的多少；三是水库年来量虽然小于年需水量，但由于来水量月际间变化较大，水库调蓄能力有限，年来水量不能完全调节、全部利用，此时水库的可供水量的大小既受来水量的制约又受水库调节能力的影响，需要通过调节计算才能确定。综上所述，保证率p=95%时，水库的可供水量与来水、需水、工程供水能力之间的关系非常复杂，按简单的“以需定供”和“以供定需”难以计算水库的可供水量，须选择典型年通过调节试算才能确定水库的可供水量。具体步骤为：①计算代表典型年的现状逐月来水量；②根据灌区毛灌溉用水定额推求逐月用水过程；③假定灌溉面积，计入损失调节计算，求兴利调节库容，其值等于工程兴利库容或虽小于兴利库容但来水已全部利用时，假定的灌溉面积即为所求；④对所求得灌溉面积进行判断，当灌溉面积大于设计灌溉面积时取设计灌溉面积，当所求面积小于设计灌溉面积取保证灌溉面积；⑤用通过试算法求得的保灌面积乘以年毛灌溉定额计算出灌区年用水量，此值即为水库该保证率的可供水量。选择1978年9月～1979年8月为代表典型年调节计算伏尔基河水库的可供水量，计算结果如表2。

表2　　　　　　　　 伏尔基水库保证率95%可供水量调节计算成果表

由表2可知，水库供水属第二种情况，水库来水量小于灌区设计需水量，经水库完全年调节后来水量全部被利用，此时灌区的可保证灌溉面积为0.462万亩，占灌区总面积0.8万亩的58%，水库的可供水量与来水量和用水量相等，为367万m³。

4.3 简化计算法

流域内各小型水利工程中除新一水库、伏尔基水库外其它水库的集水面积都非常小，由于水库上游没有水文站控制，工程控制点的来水量的只能要通过移用相邻流域的水文资料间接获得，由于和代表站的集水面积相差太大，采用水文比拟法或降水径流相关法计算的来水量势必会存在较大的误差，加上个别水库又没有实测的用水资料，因此采用兴利调节的方法逐座计算水库可供水量不但难于进行，而且并不提高精度，对于这些水库采用简化计算法估算可供水量即可。小型水库中，天水湖水库是为满足城市的生态环境和库区旅游的景观用水的生态用水水库，除相向库区少量的生活用水外，水库不为工业和农业等用水户提供河道外用水。库区的水位观测资料比较齐全，库区生活用水量也容易调查统计。除天水湖水库外，流域内其它小型水库仅为下游水稻灌区供水（保证率75%），因水库负担的灌溉面积较小，灌区逐年的实灌面积和灌溉定额易于调查获得。本文根据以上水库的供水情况和资料条件，采用实际用水量法估算可供水量，即用不同保证率代表年用水户的实际用水量代替水库相应保证率的可供水量。

(1) 农业用水水库的可供水量

由于水库的供水保证率为75%，可供水量保证率为50%和75%时，灌区的用水能够得到保证，按照“以需定供”的原则，取设计用水量作为水库的可供水量。灌区的设计用水量可根据设计灌溉面积、设计净灌溉定额和渠系水利用系数，由下列公式计算求得：

W_用水=F_设M_设/η　　　　　　（6）

式中：W_用水为保证率50%、75%的用水量(可供水量)；F_实为灌区保证率50%、75%的设计灌溉面积；M_设为保证率50%、75%的设计净灌溉定额；η为渠系水利用系数。

计算保证率95%可供水量时，由于其保证率高于水库的设计供水保证率，水库供水遭到破坏，灌区的实际灌溉面积将小于设计灌溉面积，而且在非充分供水的情况下灌区的实际灌溉定额也会低于作物的设计灌溉定额，灌区的实灌面积通过调查获得，在非充分供水条件实际灌溉定额按保证率95%的设计灌溉定额消减10%考虑，此时可供水量的计算公式如下：

　　 W_用水=0.9F_实M_设/η　　　　　　 （7）

式中：W为保证率95%时水库用水量（可供水量）；F_实为保证率95%时灌区的实际灌溉面积。

(2)生态用水水库的可供水量

天水湖水库属生态用水型水库，不向河道外提供调节水量，所消耗的水量包括库区的水面蒸发、水库的渗漏和少量的库区生活用水，水库的可供水量就是为满足上述水量消耗所补充的水量，不同保证率的可供水量用典型年法按如下公式计算：

　　 　　 （8）

式中：W_可供为水库可供水量；F为水库月平均水面面积；E为水库月水面蒸发损失深度；S为水库月渗漏损失深度；W_生活为库区年生活用水量。

5 流域蓄水工程可供水总量

梧桐河流域面积4338km²，属中等流域，蓄水工程均分布在梧桐河右岸各河流上游的山丘区，工程所在区域多年平均降水量变化在550～600mm之间，多年平均径流深变化在200～250mm之间，降水和径流的空间分布变化不大，加之各蓄水工程位于同一气候区，其径流的年际和年内变化具有较好的同步性，因此本文采用同频组合的方法计算流域内蓄水工程的可供水总量，即将各蓄水工程的可供水量进行同频相加，求得不同保证率的可供水总量。经计算，梧桐河流域蓄水工程保证率50%、75%、95%现状可供水总量为7342.3 万m³、7187.7 万m³、4759.2 万m³ 。

6 结语

(1)本文综合考虑梧桐河流域蓄水工程的来水、用水资料条件及供水对象的重要程度等因素，分别采用了长系列时历列表调算法、典型年法和实际用水量法计算流域各蓄水工程的供水量，计算方法实用，计算结果精度较高，为本流域的水资源供需分析和水资源规划提供了依据。

(2)流域内水文站点数量不足，一些水库没有库水位、出入库流量观测资料或资料不齐全，给本次的可供水量计算带来极大的不便，影响了计算结果的精度。建议有关部门加强此方面工作，适当增加水文站网密度，增设水库专用观测站，为本流域的水资源规划和管理积累翔实可靠的基础数据。

(3)本文计算的蓄水工程可供水总量，系由单项工程可供水量同频相加求得，此法在流域面积较小、各区间来水同步性较好时是合适的。对于面积较大的流域，由于各区间来水组合情况复杂，上下游、干支流有密切的水量联系，各项工程、各种水源之间可能存在水量补偿关系，此时可供水总量计算不能采用简单的同频相加，应将供水和用水视为整体系统，按照一定的调度原则，从上游到下游逐级进行水量调节平衡计算，从而求得全流域不同保证率的可供水总量。

参考文献

[1] 叶守泽主编，水文水利计算，中国水利电力出版社，2003。

[2] 高贵霞主编，水资源评价与管理，中国水利水电出版社。

[3] 王凤鸣编写，地表水供水水源地分析论证实例介绍，山东省水文水资源勘测局，2002。

[4] 梧桐河流域水资源规划报告，佳木斯水文局，2005。