基于分布式水文模型的水库调度生态问题研究

基于分布式水文模型的水库调度生态问题研究

水库生态规划研究是我国当前河流生态恢复研究的热点问题。这是减少新时期水库建设造成的损害，促进河流健康，促进人类协调发展，维护水资源可持续发展的有效措施。水库生态调度在国外相关实践较多,并以美国、澳大利亚、日本、德国等西方发达国家水平较高,而国内生态调度整体上还处于理论研究和探索的阶段,我国现行的水库调度方式普遍是依据水库承担的防洪及兴利任务来制定调度规则,对生态要求考虑较少,给库区及下游生态系统造成诸多不利影响。1生态保护及设计双峰寺水库小庙子坝址距承德市区12km;距入滦河河口约24km,控制武烈河流域面积2303km2,多年天然平均流量7.71m3/s,设计洪水流量3200m3/s。75%保证率下每年为承德市供水5600万m3,其中承德市工业、生活用水4800万m3,景观用水800万m3。同时,为保障非供水或发电时段下游生态与环境用水,特设置专门生态放水洞。工程开发任务以解决武烈河流域及承德市区防洪为主,结合城市供水,兼顾生态环境及发电等。水库总库容为1.373亿m3,调节库容、兴利调节库容和死库容分别为0.738亿m3、0.451亿m3、0.335亿m3;正常蓄水位、汛限水位和死水位分别为389m、387m、382m。2网络游戏模型的介绍2.1水分与能量过程模型WEP模型(WaterandEnergytransferProcessmodel,水分与能量过程模型)是由中国水利水电科学研究院自主开发,该模型综合了分布式流域水文模型和陆面地表过程模型的各自优势,具备明确的物理机制并且可以模拟水文循环的各要素过程,在国内外许多流域都得到了较好的实践应用。2.2模型校正和模型验证在本研究中,采用人—机交互的方式对1976~1990年进行模型校正(见图1),然后取1991~2000年作为模型验证期(见图2),采用同一套参数进行模型验证。整体拟合程度较好。3小生态流量结合我国水库调度运行的实际情况以及武烈河河流的生态需求,本次河流生态需水量重点考虑最小生态流量。根据双峰寺水库取水方式,河流生态基流计算以“小庙子坝址”、“承德水文站”、“武烈河入滦断面”三个控制断面多年平均天然流量的10%计算。小庙子坝址、承德水文站、武烈河入滦河口的生态基流量分别为0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s。4水库规划方案及其对烈河下游水文条件和生态环境的影响4.1水库洪水调节工程双峰寺水库在规划阶段的调度方案如下。水库防洪调度:水库汛期采用滞洪运用方式,汛限水位为387.0m,汛期8月15日前水库蓄水以汛限水位控制,超过汛限水位水库开始泄洪;主汛期后过渡至以正常蓄水位为控制,超过正常蓄水位水库开始泄洪。水库洪水调节起调水位为387m,水库水位低于100年一遇设计洪水位392.5m,水库限泄流量1520m3/s,超过该水位水库不实行控泄,但控制泄量不大于同标准最大入库流量。水库兴利调度:重点考虑水库的供水调度方案———水库水位在死水位382.0m至正常蓄水位389m之间,按均匀过程为承德市区供水,其中环境用水冬季三月不供。遇枯水年份可适当挖取死库容。水库建成后,武烈河水源井关闭,由水库代替地表水。市区规划到2020年的6400万m3的需水量由水库与滦河滩地水源地共同解决,其中城市工业生活供水量4800万m3,河道环境供水量800万m3,引滦河滩地水800万m3,滦河维持现状供水能力。4.2生态基流量不足规划方案下水库建成后,武烈河水源井将关闭,75%保证率下每年向河道环境供水量800万m3。而小庙子坝址、承德水文站、武烈河入滦河口的生态基流量分别为0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s,三个典型断面的生态基流量远远不能得到满足。武烈河干流地下水含水层较薄,仅为10m左右,所有武烈河水源井的关闭,使城区地下水位在枯水年下降。5修订后的计划对武烈河下游水文情势和水生态环境的影响5.1修正方案论证否定规划方案中水库建成后即关闭武烈河傍河水源地,城市生活工业用水直接从水库抽取的措施。为保证水库建成后武烈河的生态基流及下游生态与环境用水,修正方案中在利用下游现有4处傍河取水水源地的基础上,尚需在武烈河入滦河口新建水源(傍河水源井,简称河口水源井)以实现城市供水目标。水库正常供水时,每年分别从现有水源地、河口水源地取水2100万m3、2700万m3供承德市工业生活用水,并且保证河道环境用水量,从而可实现“一水多用”的水源调度。5.2影响下游水文条件以及水库下游河流生态环境的水体压力5.2.1水库水位现状双峰寺水库建库后,由于水库蓄水运行,库区段水位将明显高于天然河道状态。图3是双峰寺水库1956~2007年水库调节计算逐月(末)库水位过程。其中坝前最低水位381.7m,平均水位387.0m,流速明显减小。水库水深从库尾至坝前断面不断增加,水库流速从库尾至坝前断面不断减小。5.2.2调度对武烈河径流过程的影响选取小庙子坝址、承德水文站、武烈河入滦河口作为代表断面,对水库初期蓄水期50%、75%及90%典型年份坝址下游河道径流过程的变化规律进行分析,并对生态与环境用水的满足情况进行评价。在水库初期蓄水阶段50%典型年份下,水库运行将导致丰水期流量消减,但对枯水期河道流量影响相对较小,能够维持河流生态基流。此外,水库初期蓄水阶段50%典型年承德站月均流量最低值出现在1月,为0.92m3/s,下游生态与环境需水可得到满足。在水库初期蓄水阶段75%典型年份下,双峰寺水库调度对武烈河径流过程的影响主要表现为丰水期流量减少及枯水期流量增加。计算表明:若无双峰寺水库调节时,承德水文站断面有7个月生态基流得不到满足、武烈河入滦河口断面处有2个月生态基流得不到满足。双峰寺水库建成后,在初期蓄水阶段,每年分别从现有水源及河口水源井取水1030万m3和2700万m3供承德市工业、生活使用,承德站和武烈河口站的生态基流均可得到满足。水库初期蓄水阶段75%典型年承德站月均流量最低值出现在1月,为0.97m3/s,下游生态与环境用水可得到满足。在水库初期蓄水阶段90%典型年份下,双峰寺水库调度对武烈河径流过程的影响主要表现为丰水期流量减少及枯水期流量增加。计算表明:若无双峰寺水库调节时,承德站及武烈河入滦河口处的生态基流均有数月得不到满足。5.2.3武烈河径流过程选取小庙子坝址、承德水文站、武烈河入滦河口作为代表断面,对水库运行后多年平均、75%保证率及95%保证率典型年份坝址下游河道径流过程的变化规律进行分析,并对生态与环境用水的满足情况进行评价。结果表明:在多年平均情况下,水库运行导致丰水期流量消减,但对枯水期河道流量影响相对较小,能够维持河流生态基流。此外,水库调度后,承德站多年平均月流量最低值出现在1月,为0.95m3/s,下游生态与环境需水可得到满足。在75%保证率条件下,双峰寺水库调度对武烈河径流过程的影响主要表现为丰水期流量减少及枯水期流量增加。计算表明:若无双峰寺水库调节时,承德水文站断面有7个月生态基流得不到满足、武烈河入滦河口断面处有2个月生态基流得不到满足。双峰寺水库建成运行后,通过双峰寺水库调节,从现有水源及河口水源井取水供承德市工业、生活使用,承德站和武烈河口站的生态基流均可得到满足。承德站月均流量最低值出现在1月,为0.97m3/s,下游生态与环境用水可得到满足。在95%保证率年份,双峰寺水库调度对武烈河径流过程的影响主要表现为提高河道流量。计算表明:若无双峰寺水库调节时,承德站及武烈河入滦河口处的生态基流全年多数月份得不到满足。双峰寺水库建成运行后,通过水库调节及水源井联合调度,可有效改善河道径流过程。需要说明的是,95%保证率年份水库运行后武烈河入滦河口流量在部分月份较调度前有所降低,这是由于水库运行后,承德市区污水集中排放到滦河,从而对武烈河入滦径流过程造成一定影响。5.2.4水库的防洪任务双峰寺水库为大(2)型水库,设计洪水标准为100年一遇;校核洪水标准为2000年一遇;水库承担的防洪任务是将水库下游及承德市区防洪标准提高到100年一遇。双峰寺水库防洪调度时,100年一遇调洪过程中(见图4),武烈河洪水峰值流量降低了53%,持续时间延长了一倍,承德市防洪标准可提高到100年一遇。5.2.5年生基于水源入水双峰寺水库建成运行后,由于水库的调节作用,坝址下游河流径流过程趋于坦化,河道枯水期流量增加。75%保证率年份,水库泄水在满足沿河水源井取水的基础上能够维持河道生态基流,可使地下水得到有效补充,地下水位有所抬高。在特枯年份,水库下泄水量不足,通过水库、沿河水源井、河口水源井的联合调度,适当削减沿河水源井取水量,可在一定程度上降低承德市地下水开采量,从而保证地下水位。6生态基流得到满足小庙子坝址、承德水文站、武烈河入滦河口的生态基流量分别为0.77m3/s、0.82m3/s和0.86m3/s;规划阶段水库调度下,小庙子坝址、承德水文站、