专利名称：一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法
技术领域：
本发明涉及一种保障下游通江湖泊供水安全的水库优化调控方法，属于流域水资源保护及水利工程调控技术领域。
背景技术：
通江湖泊与河流相通，江湖之间水流可以自由交换，对流域内水资源调配具有十分重要的作用。通江湖泊周围往往人口密集，工农业发达，供水安全事关人民群众的切身利益，也是经济社会可持续发展和生态环境保护的重要保障。但近年来，在全球气候变化和人为作用的双重影响下，流域内水资源时空分布不均的趋势不断加剧，通江湖泊的供水安全问题日益突出，长江流域的通江湖泊鄱阳、洞庭两湖是其中的典型代表。多年统计数据显示，鄱阳湖的入流流量呈衰减趋势，枯水期的湖区水体面积往往不及丰水期的二十分之一。又如，洞庭湖在枯水期时蓄水量可低至7.7亿立方米，不到丰水期正常蓄水量的十分之一。鄱阳、洞庭两湖近年来在枯水期已经出现了多次供水危机，不但威胁着湖区的生态环境健康，对生活用水、工农业生产、通航、渔业也造成巨大负面影响。与封闭式湖泊不同，通江湖泊与河流是不可分割的完整水系，通江湖泊自身受到河流上游兴建水利工程的强烈影响。水利工程是对流域水系统的人为作用和扰动，既可能是正面的，也可能是负面的。我国现行的水库调度方式，主要依据于水库自身的设计任务和社会经济效益，极少兼顾下游通江湖泊的供水需求。尤为突出的是，上游水库蓄水期与通江湖泊的最枯季节往往重叠，会显著加剧下游湖泊的枯水情况。现知的水库优化调度多以增加经济效益为目标，如张曙光和周曼在《三峡枢纽水库运行调度》一文中，对三峡枢纽调度的优化措施进行了初步探讨，涉及了汛限水位浮动、中小洪水调度、提前蓄水等方面；张继顺等在《三峡水库优化调度研究》的文献中，根据长江上游流域来水特性、枢纽的运行特点，从水库汛前消落、汛限水位动态化、汛末蓄水及实时调度等方面，提出了三峡水利枢纽正常运行期内各阶段水库的优化调度方式。但必须指出，已有技术方案或模式论述均只针对上游水库自身利益进行优化调度，其根本目标只为了提高水库库区内部、大坝自身的经济价值，并未考虑下游通江湖泊枯季的供水安全问题，未见有切实可行的方案来保障通江湖泊的枯季供水安全。上游水库的运行工况变化会对下游河道及通江湖泊的水资源分布状况造成强烈影响已是不争事实。一般而言，大型水利水电工程的后期运用尚有较大的优化空间，迫切需要提出一种上游水库优化调控技术方案以缓解下游通江湖泊的供水危机。为此，本发明在遵循变化环境下整个流域水循环规律的前提下，通过采取更加科学合理的水库蓄排水调控措施以优化江湖关系，避免出现湖泊过低水位，保障下游通江湖泊供水安全。
发明内容
发明目的:针对现有技术的不足，提供一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法，通过减轻上游水库运行对下游通江湖泊的不利影响，改善河流与通江湖泊的江湖关系，以克服水库常规调度中蓄排水与下游供水需求的矛盾，保障水库下游通江湖泊枯季的供水安全。技术方案:本发明解决以上技术问题的技术方案是:
一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法，在上游水库蓄水期和枯水期特定时段内实施水库优化调控，通过水库预蓄与减蓄相接合的交错蓄水方式，错开上游水库低泄流量与下游通江湖泊最枯季节的重叠期，增加蓄水期及枯水期的下游河道流量，抑制通江湖泊湖区出流量过大，进而保障水库下游通江湖泊供水安全，包括以下步骤:
(一)水库蓄水期调控:在主汛期未，以河流上游控制性水库的常规调度为基础，减小下泄流量以提高库区水位，进行水库第一阶段预蓄；在丰水期末期，加大水库预蓄力度，进一步减小下泄流量以加速提高库区水位，进行水库第二阶段预蓄；在汛末实施水库正式蓄水，通过前两个阶段的预蓄准备，正式优化蓄水过程与常规调度相比明显放缓，对应的优化下泄流量较常规调度明显增加，使下游河道流量与天然河道流量过程契合，下游通江湖泊水位也随之抬高；
(二)枯水期调控:在蓄水期之后的枯水期初，保持正常蓄水位不变，为在最枯季节对下游通江湖泊进行调控提供足够的水量储备和调控空间；在接近枯水中期时，增加水库水位的下降速度，增大下泄流量；在最缺水的枯水期中期，大幅提高水库水位的下降速度，下泄流量明显增加，水位提前降至防洪高水位。上述步骤可避免上游水库蓄水期和最枯期通江湖泊出现过低水位，保障供水安全。具体而言，本发明的进一步限定上述方案为:所述步骤(一)和(二)根据实际情况与时间节点按以下步骤实施:
(1)主汛期过后，开始减小下泄流量，此过程持续10-18天，日下泄流量较常规调度减小100-600 m3/s,使得水位日上升0.02-0.03 m/d,若遇到上游洪水，则按上游来流量进行泄水；
(2)在主汛期末进一步加快预蓄速度，加快预蓄速度，此过程持续5-7天，结合上游来流过程，继续减小下泄流量，日下泄流量较常规调度减小300-500 m3/s，水库水位日上升
0.06-0.07 m，此段结束后，水库水位抬升至146±0.2 m，为随后的第二阶段预蓄提供先期准备；
(3)在丰水期末期，由于承担防洪压力大大减小，水库日均增加水位可明显加快，进一步减小下泄流量，此步骤持续6-8天，水库水位日上升1.0-1.2 m/d,日均下泄流量减小6000-9000 m3/s，此段结束后，水位抬升至156±0.2 m，并在随后的期间一直保持该水位不变，为随后的放缓正式蓄水创造必要条件；
(4)在汛末，启动正式蓄水过程，但蓄水过程与常规调度相比有所放缓，使水库水位在一个月内均匀上升20-23 m，日均上升水位由常规调度的0.83 m/d降至0.5 m/d，对应日增加下泄水量600-4000 m3/s ；
(5)在枯水期初，保持正常蓄水位不变，为随后的最枯季节对下游通江湖泊进行调控提供足够水量储备和调度空间，在接近枯水期中期时，由常规调度的水位日均下降0.14 m/d提高至日均下降0.21 m/d，对应的日下泄流量5000-5500 m3/s，较常规调度增加400-1000m3/s ； (6)枯水期中期，为保证水位降至枯水期消落水位，适当加快下泄流量，由常规调度的水位日均下降0.29 m/d提高至日均下降0.33 m/d，对应的日下泄流量5200-6000 m3/s，较常规调度增加500-1000 m3/s,以提高下游河道水位并抑制通江湖泊的出湖流量，抵御最枯期通江湖泊出现过低水位，保障通江湖泊的供水安全。上述一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法的工作原理为:
在主汛期末分两个阶段进行水库预蓄，其中步骤(I)为第一阶段的前期，此时逐步放缓水库蓄水速度，在保证水库防洪安全的基础上，为后期预蓄提供了过渡条件；步骤(2)为第一阶段的后期，通过加快水库蓄水速度，使水库水位到达预蓄中期水位，为步骤(3)的第二阶段预蓄提供先期准备。步骤(3)始于丰水期末期，此时由于水库所需承担的防洪压力大大减小,水库日均增加水位可明显加快，因此日均下泄流量较常规调度显著减小，水库日均上升水位随之有所增大。当此步骤结束后，水库水位在一段时间内保持在预蓄水位不变，直到进入常规调度的蓄水期。步骤(4)建立在之前水库预蓄的基础上，相对于常规调度的水库蓄水过程而言，水库的下泄流量优势增加，水库日上升水位有所减少，因此水库下泄流量更契合天然状况的河流流量，正式蓄水期间下游通江湖泊的水位比常规调度情况下的水位也有所抬高。步骤(4)既保证了枯水期水电站出力和增加发电量，也减弱了水库蓄水对通江湖泊的不利影响。步骤(5) (6)在枯水期分两个阶段对水库进行调控，第一阶段是枯水期初，为保证在最枯季节对下游通江湖泊进行调度时能够提供足够的水量储备和调度空间，先保持正常蓄水位不变，然后再在常规调度的基础上增加下泄流量；第二阶段是最枯季节，适当进一步加大下泄流量，既能保证水库水位在此过程结束后降至枯水期消落水位，又能提高下游河道水位以抑制通江湖泊的出湖流量，抵御最枯期通江湖泊出现过低水位，对保障供水安全十分有利。本发明以常规调度为基础，在遵循流域水文水循环规律前提下，通过采用上游水库预蓄与减蓄相接合的交错蓄水方式，错开了河流低泄流量与下游通江湖泊湖区最枯季节的重叠期，有效减小下游通江湖泊的出湖流量，避免湖泊出现过低水位，既能够满足水库防洪、发电、航运等常规效益，又能够保障通江湖泊枯水季节的供水安全，经济和生态效益可观，可操作性强。
图1为实施本发明的某流域内上游水库及下游通江湖泊地理位置示意图。图2为上游水库常规调度方法和实施本发明的优化调控方法对比图。图3为上游水库平水年常规调度和实施本发明优化调控的下泄流量对比图。图4为上游水库平水年常规调度和实施本发明优化调控时下游通江湖泊的水位对比图。
具体实施例方式下面对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。实施例:使用本发明，通过对某流域的上游水库进行优化调控，以保障下游通江湖泊供水安全。图1所示为某流域内上游水库及下游通江湖泊的地理位置示意图，在河道上游建设有一座大型水库，在下游有两个通江湖泊分别与河道直接相连，江湖之间水流可以自由交换。通江湖泊的平均水深分别为6.7和8.5米，平水期时水面面积分别约为3900和3200平方公里，但在枯水期时候水面面积均会明显减少为约500平方公里。上述流域内，当河道水位高于通江湖泊水位时，通江湖泊接纳河流来水形成倒灌，湖区水位会逐步上升；若河道水位低于湖泊时，通江湖泊内水体通过交汇口流出进入河道，湖区水位会相应下降。近年来极端气候频发，流域内枯水期有提前和延长的趋势，同时上游大型水库建成后对下游通江湖泊供水安全也造成了显著影响。尤其是，上游水库的低泄流量与下游湖区的最枯季节发生了重叠，极易引起水库蓄水期和枯水期引发下游通江湖泊水位过低现象，导致通江湖泊区域内出现供水危机。图2对该上游水库的常规调度方法及本发明中采用的优化调控方法进行了比较。由图可知，为服务于防洪和发电效益，该上游水库的常规调度过程在保证汛期至来之前水位降至防洪汛限水位145 m，水位自I月I日起开始下降，下降过程采用分段连续的方式进行:
(1)从I月上旬至2月上旬，水位日降幅为0.14 m/d ；
(2)2月上旬至3月下旬，水位日降幅为0.29 m/d，此时水位回落至防洪高水位156 m,并保持此水位至5月下旬；
(3)从5月下旬开始，水位加速下降，日降幅为0.83 m/d ；
(4)至6月中旬，水位降低至防洪限制水位145m；
(5)在汛期6月上旬至9月下旬，水位尽可能维持在防洪限制水位运行，以留出防洪库容准备调节可能发生的洪水，超过电站过流能力的水量通过泄洪设施下泄。仅当入库流量超过下游河道安全泄量时，水库拦蓄洪水，库水位抬高。洪水过后，水库水位及时降低至防洪限制水位，以迎接下一次可能发生的洪水；
(6)从9月下旬开始，水库水位逐渐升高，至10月下旬蓄水至正常蓄水位175m，并保持此水位至I月上旬。在常规水库调度模式下，由于9月下旬已过主汛期，一方面上游来水量逐渐减少，另一方面水库蓄水拦截了上游部分来水，在这两方面叠加作用下，水库下泄流量较天然情况相比明显减少，下游河道水位出现偏低，通江湖泊流入干流的流量明显增加，湖区内水量相对减少，对下游通江湖泊供水安全产生了不利的影响。为克服上述问题，采用本发明在蓄水期保障下游通江湖泊供水安全时，所采用的调控方法为:
(1)在主汛期末8月12日开始减小下泄流量，日下泄流量较常规调度减小100-600m3/S，使得水位由常规调度中的维持在145 m变成水位缓慢上升，水位日上升幅度达0.02-0.03m/d，此过程持续10-18天，若遇到上游洪水则按上游来流量泄水；
(2)在汛末8月30日起，加快预蓄速度，此过程持续5-7天，结合上游来流过程，继续减小下泄流量，日下泄流量较常规调度减小300-500m3/s,水库水位日上升0.06-0.07 m,此段结束后,水库水位抬升至146 ± 0.2 m ；
(3)在丰水期末期的9月上旬，水库日均增加水位可明显加快，进一步减小下泄流量，此步骤持续6-8天,水库水位日上升1.0-1.2 m/d,日均下泄流量减小6000-9000 m3/s,此段结束后，水位抬升至156±0.2 m，并在随后的9月期间一直保持该水位不变；(4)在前几个阶段预蓄的基础上，启动正式蓄水过程，使水库水位在一个月左右均匀上升约20-23!11，日均上升水位由常规调度的0.83 m/d降至0.5 m/d，对应的日增加下泄水量600-4000 m3/s,正式蓄水过程中，下游通江湖泊平均水位抬高0.5m,最大抬高1.0 m,实施表明能很大程度改善蓄水期内的下游通江湖泊供水安全。随后，进一步采用本发明在枯水期保障下游通江湖泊供水安全时，所采用的调控方法为:
(1)在枯水期I月上旬，保持正常蓄水位不变，持续时间约为10天，从I月中旬水位下降，由常规调度的水位日均下降0.14 m/d提高至日均下降0.21 m/d，对应的日下泄流量5000-5500 m3/s，较常规调度增加 400-1000 m3/s ；
(2)从2月上旬至3月下旬，为保证水库水位降至枯水期消落水位，适当加快下泄流量，由常规调度的水位日均下降0.29 m/d提高至日均下降0.33 m/d，对应的日下泄流量5200-6000 m3/s，较常规调度增加500-1000 m3/s，下游通江湖泊平均水位抬高了 0.15 m，最大将之抬高了 0.18 m，可明显缓解下游通江湖泊湖区内的供水安全问题。图3比较了在典型平水年实施本发明对下游通江湖泊供水安全进行优化调控时水库下泄流量的变化情况。图4给出了此时下游通江湖泊水位的调控前后效果。从图3中可以看出，在正式蓄水期，通过前阶段的预蓄，正水蓄水期下游流量比常规调度有所增加，下泄日均流量增加1850 m3/s，下游通江湖泊水位也随之对应增高(图4)，但由于下泄水流从大坝流至通江湖泊需要一定的时间，通江湖泊的升高与下泄流量的增稍有延后，湖泊水位日均升高0.63 m，有效改善了蓄水期湖泊供水安全；在枯水期，通过本发明采用的调度方法，下泄日均流量增加560 m3/s，湖泊水位日均升高0.17 m，有效保证了枯水期湖泊供水安全。尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化 。
权利要求
1.一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法，其特征在于:在上游水库蓄水期和枯水期特定时段内实施水库优化调控，通过水库预蓄与减蓄相接合的交错蓄水方式，错开上游水库低泄流量与下游通江湖泊最枯季节的重叠期，增加蓄水期及枯水期的下游河道流量，进而保障水库下游通江湖泊供水安全，包括以下步骤: (一)水库蓄水期调控:在主汛期末，在河流上游控制性水库的常规调度的基础上，减小常规下泄流量以提高库区水位，进行水库第一阶段预蓄；在丰水期末期，加大水库预蓄力度，进一步减小下泄流量以加速提高库区水位，进行水库第二阶段预蓄；在汛末水库实施正式蓄水，通过前两个阶段的预蓄准备，正式优化蓄水过程与常规调度相比明显放缓，对应的优化下泄流量较常规调度明显增加，使下游河道流量与天然河道流量过程契合，下游通江湖泊水位也随之相应抬高； (二)枯水期调控:在蓄水期之后的枯水期初，保持正常蓄水位不变，为在最枯季节对下游通江湖泊进行优化调控提供足够水量储备和调度空间；在接近枯水中期时，增加水库水位的下降速度，使得下泄流量增大；在下游通江湖泊最缺水的枯水期中期，大幅提高上游水库水位的下降速度，使下泄流量明显增加，水位提前降至防洪高水位，以抬高下游河道水位，对湖泊入江水流起到顶托和补水作用，避免下游通江湖泊出湖流量过大造成湖区水位过低的问题，保障下游通江湖泊的供水安全。
2.根据权利要求1所述的一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法，其特征在于:所述步骤(一)和(二)具体按以下步骤实施: (1)主汛期过后，开始减小下泄流量，此过程持续10-18天，日下泄流量较常规调度减小100-600m3/s，使得水位日上升0.02-0.03 m/d,若遇到上游洪水，则按上游来流量进行泄水； (2)在主汛期末进一步加快预蓄速度，此过程持续5-7天，结合上游来流过程，继续减小下泄流量，日下泄流量较常规调度减小300-500 m3/s,水库水位日上升0.06-0.07 m,此段结束后，水库水位抬升至146 ±0.2 m，为随后的第二阶段预蓄提供先期准备； (3)在丰水期末，由于承担防洪压力大大减小，水库日均增加水位可明显加快，进一步减小下泄流量，此步骤持续6-8天，水库水位日上升1.0-1.2 m/d,日均下泄流量减小6000-9000 m3/s，此段结束后，水位抬升至156±0.2 m，并在随后的期间一直保持该水位不变，为随后的放缓正式蓄水创造必要条件； (4)汛末，启动正式蓄水过程，但蓄水过程与常规调度相比有所放缓，使水库水位在一个月内左右均匀上升约20-23 m，日均上升水位由常规调度的0.83 m/d降至0.5 m/d，对应日增加下泄水量600-4000 m3/s ； (5)在枯水期初，保持正常蓄水位不变，为在最枯季节对下游通江湖泊进行调控提供足够水量储备和调度空间，在接近枯水期中期时，由常规调度的水位日均下降0.14 m/d提高至日均下降0.21 m/d，对应的日下泄流量5000-5500 m3/s，较常规调度增加400-1000 m3/s ； (6)枯水期中期，为保证水位降至枯水期消落水位，适当加快下泄流量，由常规调度的水位日均下降0.29 m/d提高至日均下降0.33 m/d，对应的日下泄流量为5200-6000 m3/s,较常规调度增加了 500-1000 m3/s，以提高下游河道水位并抑制通江湖泊的出湖流量，抵御最枯期通江湖泊出现过低水位，保障通江湖泊的供水安全。
全文摘要
本发明公开了一种保障下游通江湖泊供水安全的水库调控方法，以河流上游控制性水库的常规调度过程为基础，在蓄水期和枯水期特定时段实施水库优化调控，通过预蓄与减蓄相接合的交错蓄水方式优化水库蓄排水过程，错开河流低泄流量与湖区最枯季节的重叠期；与常规调度相比，在调控时段内通过增加出库流量以抬高下游河道水位，对湖泊入江水流起到了明显顶托和补水作用，避免下游通江湖泊出湖流量过大造成的湖区水位过低问题，保障了下游通江湖泊的供水安全。该发明克服了上游水库常规运行时蓄排水与下游供水需求的矛盾，在满足河流防洪、发电、航运等功能的同时，也保障了通江湖泊的供水安全，经济和生态效益显著，可操作性强。
文档编号E02B1/00GK103205950SQ20131012150
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者戴会超, 毛劲乔, 戴凌全, 张培培, 梁璐 申请人:河海大学, 南京河海科技有限公司