吳士夫，伏 琳，蘭 茜

(長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

陸水水庫(kù)水量平衡計(jì)算方法

吳士夫，伏 琳，蘭 茜

(長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

簡(jiǎn)述了水量平衡的基本概念，介紹了陸水流域陸水水庫(kù)以上水量平衡的計(jì)算方法，分析了造成水量平衡差的因素。

水量平衡；陸水水庫(kù)；入庫(kù)水量；出庫(kù)水量

水資源是人類生存不可或缺的自然資源，也是地球上最為廣泛的、可持續(xù)利用的自然資源。目前，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求量日益增長(zhǎng)，水資源的供需矛盾日益突出。如何解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與有限的水資源之間的矛盾是目前水文學(xué)與水資源研究的熱點(diǎn)，因此在氣候、水文和水資源管理等領(lǐng)域，水量平衡計(jì)算顯得越來(lái)越重要。通過(guò)研究區(qū)域水量平衡，可以確定研究區(qū)域的水資源量，明確研究區(qū)域內(nèi)來(lái)水總量、消耗總量及其各自的組成，為水資源的優(yōu)化配置提供依據(jù)。

以陸水流域(陸水水庫(kù)以上)為研究對(duì)象，根據(jù)陸水水庫(kù)多年入庫(kù)總量、出庫(kù)總量以及蓄水變量之間的關(guān)系和變化，分析陸水流域水量平衡計(jì)算的最優(yōu)方法，得到陸水流域水資源的區(qū)間分布情況，從而為該區(qū)的水資源調(diào)度提供參考。

1 流域概況及資料選擇

1.1 流域及測(cè)站概況

陸水流域位于鄂東南，為長(zhǎng)江中游的一級(jí)支流，發(fā)源于湖南、湖北、江西三省交界的幕阜山脈北麓，流經(jīng)湖北省的通城、崇陽(yáng)、赤壁、嘉魚四縣市，在洪廟匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)183km，流域面積3 950km2。陸水水庫(kù)位于陸水干流山谷出口處的湖北省赤壁市城區(qū)東南側(cè)，東經(jīng)113°53′22″，北緯29°41′41″, 樞紐控制流域面積3 270km2，占全流域面積的82.8%。參見圖1。

陸水水庫(kù)入庫(kù)水量由水庫(kù)水情控制站實(shí)測(cè)徑流量、水文站至大壩(簡(jiǎn)稱崇壩間)區(qū)間徑流量以及庫(kù)面降水量組成。

陸水水庫(kù)出庫(kù)水量由樞紐下泄水量、電站發(fā)電引用流量、南北渠灌溉取水、庫(kù)區(qū)生活、工業(yè)用水組成。下泄流量和發(fā)電流量由水工建筑物推算并由陸水水庫(kù)(蒲圻)水文站校核、南北渠出流量由水工建筑物推算徑流量、生活和工業(yè)用水由相關(guān)企業(yè)用水流量計(jì)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)。

圖1 陸水流域圖

1.2 資料選擇

利用2003～2014十余年間相關(guān)水文站的實(shí)測(cè)徑流量、崇壩間雨量站實(shí)測(cè)降雨量、水庫(kù)調(diào)度資料、水庫(kù)庫(kù)區(qū)蒸發(fā)站以及庫(kù)區(qū)取用水戶水量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。分析和研究陸水流域(樞紐)水量平衡計(jì)算公式中各組成因子的量，進(jìn)而對(duì)來(lái)水量和去水量變化規(guī)律進(jìn)行分析，最終確定陸水流域(樞紐)水量平衡計(jì)算方法的合理性以及誤差分析。

2 陸水水庫(kù)水量平衡計(jì)算

2.1 水庫(kù)水量平衡方程

水量平衡是指某一區(qū)域在某一時(shí)段內(nèi)，輸入的水量與輸出的水量之差等于該區(qū)域內(nèi)時(shí)段始末的蓄水變量，水量平衡原理的定量表達(dá)式：

I-O=ΔW

(1)

式中，I為區(qū)域輸入的水量;O為區(qū)域輸出的水量;ΔW為區(qū)域變化的水量。

水庫(kù)水量平衡即水庫(kù)在某一時(shí)段內(nèi)，入庫(kù)總水量與出庫(kù)總水量之差等于水庫(kù)該時(shí)段始末的蓄水變量，一般以年來(lái)計(jì)算?？捎靡韵鹿奖磉_(dá)：

V入庫(kù)+V庫(kù)降+V區(qū)入-V出庫(kù)-V庫(kù)蒸-V庫(kù)漏=ΔW

(2)

式中，V入庫(kù)為水庫(kù)入庫(kù)水量；V庫(kù)降為庫(kù)面降水總量；V區(qū)入為區(qū)間入庫(kù)水量；V出庫(kù)為水庫(kù)出庫(kù)水量；V庫(kù)蒸為庫(kù)面蒸發(fā)量；V庫(kù)漏為水庫(kù)滲漏量；ΔW為水庫(kù)蓄水變量。

理論上，某段時(shí)間內(nèi)水庫(kù)的入庫(kù)總水量與出庫(kù)總水量之差應(yīng)該等于水庫(kù)該時(shí)段始末的蓄水變量，也即水量是平衡的。

2.2 入庫(kù)水量分析

陸水水庫(kù)入庫(kù)水量主要由三部分組成。

(1)水文站實(shí)測(cè)入庫(kù)徑流量

陸水水庫(kù)的入庫(kù)徑流量由三個(gè)水文站控制，分別是崇陽(yáng)(二)站、白霓橋(二)站、毛家橋(二)站。其中崇陽(yáng)(二)站是陸水河的入庫(kù)控制站，控制流域面積2 200km2；白霓橋(二)站為控制陸水水庫(kù)小港北支大市河水情的基本站，控制流域面積215km2；毛家橋(二)站為控制陸水水庫(kù)小港南支高堤河水情的基本站，控制流域面積364km2。三站位于樞紐庫(kù)尾上游1～2km，均是國(guó)家基本水文站，控制陸水水庫(kù)85%的流域面積，入庫(kù)徑流量均是利用實(shí)測(cè)流量定出水位流量關(guān)系推算得到。

(2)區(qū)間徑流量

水庫(kù)入庫(kù)控制斷面至壩前區(qū)間集水面積為437km2，此區(qū)間入?yún)R的河流并無(wú)測(cè)站監(jiān)測(cè)，因此只能采用間接的方法進(jìn)行區(qū)間水量的推求。目前采用的方法有兩種:其一是利用區(qū)間分布的雨量站資料，用區(qū)域的平均降雨量與區(qū)間面積的乘積然后在乘以流域的平均產(chǎn)流系數(shù)推求；其二是利用下墊面條件的相似性，用水文比擬法推算。兩種方法目前均有應(yīng)用并做對(duì)比分析。

(3)庫(kù)面降水量

庫(kù)面降水量數(shù)據(jù)根據(jù)水庫(kù)庫(kù)區(qū)降水量與水庫(kù)庫(kù)面面積的乘積求得。陸水水庫(kù)水面面積多年平均值54km2，一年中受水位高低會(huì)有一定變化，在此采用54km2，庫(kù)面降水量采用陸水水庫(kù)壩上水文站和庫(kù)區(qū)新莊雨量站、洪下雨量站觀測(cè)雨量數(shù)據(jù)均值，三個(gè)雨量站分布于水庫(kù)庫(kù)尾、庫(kù)中以及大壩右岸，是國(guó)家基本站和區(qū)域代表站，數(shù)據(jù)的可靠性和代表性均有保證。陸水水庫(kù)2003～2014年來(lái)水量統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 陸水水庫(kù)2003～2014年來(lái)水總量統(tǒng)計(jì)表(億m3)

2.3 出庫(kù)水量分析

陸水水庫(kù)出庫(kù)水量用以下幾部分組成。

(1)工農(nóng)業(yè)及生活用水

陸水水庫(kù)工農(nóng)業(yè)用水主要包括三部分：水庫(kù)電站發(fā)電取水、下游灌區(qū)農(nóng)田灌溉取水和企業(yè)生產(chǎn)用水，生活用水主要指赤壁市城區(qū)居民生活用水。用水量監(jiān)測(cè)的手段主要有水工建筑物推算、電功率反算、流量計(jì)監(jiān)測(cè)等。

(2)蒸發(fā)滲漏損失

蒸發(fā)滲漏損失量雖然占出庫(kù)水量的比例很小，但也是水庫(kù)水量平衡方程中重要組成部分。目前陸水水庫(kù)蒸發(fā)量采用陸水水庫(kù)壩上水文站觀測(cè)的蒸發(fā)量折算為庫(kù)面蒸發(fā)量再與水庫(kù)庫(kù)面面積的乘積來(lái)計(jì)算；滲漏量目前采用水庫(kù)水位相關(guān)法進(jìn)行估算。

(3)棄水量

主汛期上游洪水發(fā)生，入庫(kù)徑流量遠(yuǎn)大于發(fā)電流量導(dǎo)致水庫(kù)水位迅速上漲而需要開啟閘門泄洪，開啟泄洪閘泄洪的水量就是棄水量。棄水量采用水工建筑物推算，并用下游2km處陸水水庫(kù)蒲圻站流量監(jiān)測(cè)資料校核。陸水水庫(kù)2003～2014年出庫(kù)水量統(tǒng)計(jì)見表2(其中出庫(kù)徑流量匯總了滲漏、工農(nóng)業(yè)用水、棄水等)。

2.4 水量平衡計(jì)算

根據(jù)多年來(lái)水量和出庫(kù)水量統(tǒng)計(jì)值，以及根據(jù)水庫(kù)庫(kù)容曲線和水庫(kù)年頭水位變化可查算得水庫(kù)蓄水量的變化值，代入(2)式可進(jìn)行水庫(kù)水量平衡計(jì)算。列表計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 陸水水庫(kù)2003～2014年出庫(kù)水量統(tǒng)計(jì)表(億m3)

表3 陸水水庫(kù)2003～2014年水量平衡計(jì)算表

其中：平衡差=來(lái)水總量-去水總量-庫(kù)容變量；相對(duì)平衡差=平衡差/來(lái)水總量

3 誤差分析

3.1 影響因素

水庫(kù)水量平衡方程是一個(gè)多因子公式，影響其計(jì)算精度的包括入庫(kù)控制站流量監(jiān)測(cè)、水庫(kù)庫(kù)面面積計(jì)算、水面蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)、區(qū)間雨量監(jiān)測(cè)、水庫(kù)下泄流量計(jì)算、電站發(fā)電引用流量、水庫(kù)容積曲線、水庫(kù)滲漏、庫(kù)區(qū)工農(nóng)業(yè)以及生活引用水量等。此外，計(jì)算年度是日歷年還是水文年也會(huì)有一定的影響。

3.2 誤差來(lái)源

從表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，水庫(kù)水量平衡差歷年來(lái)有大有小，但都在一個(gè)范圍內(nèi)，沒有特大值出現(xiàn)，表明各項(xiàng)要素的數(shù)據(jù)基本可靠。可以把這些影響因子分成三類：第一類是實(shí)測(cè)值，流量、水位、雨量、蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)都是國(guó)家基本站，有長(zhǎng)系列資料，且資料每年都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審查，通過(guò)復(fù)審、匯編，并錄入國(guó)家水文數(shù)據(jù)庫(kù)，資料詳實(shí)可靠，僅有的一點(diǎn)誤差可能是計(jì)算方法的選擇帶來(lái)的。第二類是水庫(kù)庫(kù)面面積、水庫(kù)下泄流量、電站發(fā)電引用流量、水庫(kù)容積曲線這些資料，大都是在建壩初期進(jìn)行一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來(lái)率定的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行不可避免地會(huì)發(fā)生一些變化，因此會(huì)帶來(lái)一定的誤差。第三類是水庫(kù)滲漏、庫(kù)區(qū)部分工業(yè)用水、城鎮(zhèn)居民生活飲用水，對(duì)此類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)一是缺乏有效手段，二是取用水戶取用水量的監(jiān)測(cè)存在數(shù)和量的監(jiān)管問(wèn)題，數(shù)是指目前只對(duì)一定規(guī)模企業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量是指監(jiān)測(cè)的企業(yè)也缺少監(jiān)管。這就不可避免地會(huì)帶來(lái)誤差。

4 結(jié) 論

主要根據(jù)陸水水庫(kù)十余年資料進(jìn)行了水庫(kù)水量平衡計(jì)算，分析了造成陸水水量平衡差的主要因素。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)陸水流域(陸水水庫(kù)以上)水量平衡差計(jì)算結(jié)果表明：平衡差歷年有所波動(dòng)但整體穩(wěn)定，總體差值較小，相對(duì)差更小，方法及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較合理可靠。

(2)影響平衡差的主要因素有三個(gè)：一是計(jì)算方法的選擇，希望能在后續(xù)的研究中通過(guò)對(duì)比分析提出更合理的方法；二是相關(guān)公式的適用性，需加強(qiáng)水工建筑物推流公式、電功率反推流量公式、水庫(kù)庫(kù)容曲線等的率定；三是取用水戶監(jiān)管力度要加強(qiáng)，對(duì)取用水戶進(jìn)行排查，對(duì)其監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

以上僅僅是建立在陸水流域?qū)崪y(cè)資料基礎(chǔ)上展開的研究，但是由于影響因子的復(fù)雜性以及多變性，要想更精確的推求水庫(kù)水量平衡，還需更加確切的資料和方法的改進(jìn)，這也是今后需要開展的工作。

[1] 孫芬花.滹沱河黃壁莊水庫(kù)以上流域水量平衡方法探討[J].地下水,2014(3).

[2] 芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

Calculation Methods of Water Balance for Lu Shui Reservoir

WU Shi-fu, FU Lin, LAN Qian

(Bureau of hydrology and water resources survey of the middle reaches of the Yangtze River, Chibi 437300, China)

The factors causing the water balance differences of Lu Shui Reservoir are analyzed after briefly introducing the basic concepts of water balance and the calculation methods of water balance for Lu Shui Reservoir.

water balance; Lu Shui Reservoir; water inflow; water outflow

2017-02-15

吳士夫(1984-)，男，湖南祁陽(yáng)人，工程師，大學(xué)，主要從事水文勘測(cè)和分析研究工作。

TV214

A

1673-0496(2017)02-0008-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.003