劉 穎，梅亞?wèn)|，王現(xiàn)勛，李學(xué)海

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072；2. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

水庫(kù)蓄水按其時(shí)期不同，可分為常規(guī)蓄水和初期蓄水，常規(guī)蓄水過(guò)程復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：①庫(kù)區(qū)及下游范圍廣，既要滿(mǎn)足下游用水，又要兼顧電力需求，蓄水會(huì)受到多種限制；②來(lái)水的不確定性將使蓄水問(wèn)題更為棘手。因此，下游用水、來(lái)水等將影響常規(guī)蓄水。而初期蓄水時(shí)要試用新建工程，水工建筑物尚未經(jīng)過(guò)水荷載的作用，各方面性能不能處于完全受控狀態(tài)[1]，將可能受到一系列工程因素的限制。所以，水庫(kù)在進(jìn)行初期蓄水時(shí)，除用水和來(lái)水外，還需考慮工程因素。

水庫(kù)蓄水時(shí)水資源利用矛盾突出[2]，受諸多因素影響，因此，識(shí)別蓄水影響因素，協(xié)調(diào)好來(lái)水、用水與蓄水的關(guān)系，合理分配供、蓄水量，明確蓄水風(fēng)險(xiǎn)，制定行之有效的蓄水方案至關(guān)重要。本文依據(jù)近年來(lái)水庫(kù)蓄水問(wèn)題的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)蓄水影響因素進(jìn)行分類(lèi)和梳理，總結(jié)水庫(kù)蓄水方案的研究現(xiàn)狀、探討蓄水風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，在提出現(xiàn)階段存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上展望未來(lái)的研究重點(diǎn)，以期為研究水庫(kù)蓄水問(wèn)題提供參考。

1 水庫(kù)蓄水影響因素研究

常規(guī)蓄水的影響因素主要為下游用水、工程發(fā)電要求和來(lái)水，而初期蓄水還需考慮施工進(jìn)度、庫(kù)岸穩(wěn)定、工程安全、移民搬遷進(jìn)度等工程因素。

根據(jù)各因素對(duì)蓄水的作用方式，可分為三類(lèi)：一類(lèi)為目標(biāo)性影響因素，即水庫(kù)除蓄水外，還需滿(mǎn)足其他目標(biāo)，如完成一定的發(fā)電量；另一類(lèi)為限制性影響因素，分為工程限制因素和非工程限制因素，工程限制因素為施工進(jìn)度、庫(kù)岸穩(wěn)定性、工程安全、移民搬遷進(jìn)度等，直接妨礙蓄水過(guò)程；非工程限制因素指下游用水限制，要求水庫(kù)下泄流量具有相應(yīng)閾值；第三類(lèi)因素為來(lái)水，一般影響蓄水時(shí)間。本文分別對(duì)三類(lèi)影響因素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納。

1.1 目標(biāo)性影響因素

以發(fā)電為主的水庫(kù)，目標(biāo)性影響因素為發(fā)電要求。發(fā)電要求主要影響蓄水的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在初期蓄水方面，景連才[3]以保證率75%組合年來(lái)水過(guò)程為例，說(shuō)明了三年蓄滿(mǎn)能使察爾森水庫(kù)獲得更多初期發(fā)電效益；在常規(guī)運(yùn)用蓄水上，甘富萬(wàn)[4]提出：相較提前連續(xù)蓄水，分旬控制蓄水既能保證防洪、又可明顯提高三峽水庫(kù)的發(fā)電效益；左建等[5]論證了三峽水庫(kù)年均發(fā)電量會(huì)隨水庫(kù)起蓄時(shí)間的提前而增加。

1.2 限制性影響因素

1.2.1 工程限制因素

工程限制因素分為施工進(jìn)度、庫(kù)岸穩(wěn)定性、工程安全、庫(kù)區(qū)移民搬遷進(jìn)度等。

(1)施工進(jìn)度。施工進(jìn)度對(duì)蓄水的影響體現(xiàn)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，如：杜菁等[6]在分析提前蓄水可行性時(shí)指出：黃花寨水電站的蓄水時(shí)間應(yīng)隨施工進(jìn)度的加快而提前。

(2)庫(kù)岸穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，學(xué)者對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性的研究大部分集中于蓄水過(guò)程對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性的影響，如：鐘式范等[7]認(rèn)為庫(kù)水通過(guò)沖刷等作用會(huì)降低庫(kù)岸穩(wěn)定性；王明華等[8]指出：蓄水促使鄂西南某水庫(kù)滑坡變形模式發(fā)生改變；卻少有人探討庫(kù)岸穩(wěn)定性如何影響蓄水。

(3)工程安全。水工建筑物存在安全隱患會(huì)明顯影響蓄水速度。我國(guó)學(xué)者對(duì)此因素的研究趨勢(shì)為：是否產(chǎn)生影響-如何影響。如：2003年，涂俊欽等[9]認(rèn)為江埡水庫(kù)的壩頭灌漿裂縫等工程缺陷會(huì)影響蓄水速度；2012年，李太成等[10]指出：蜀河水電站壩基帷幕灌漿施工質(zhì)量等缺陷將導(dǎo)致初期蓄水速度較慢。

(4)庫(kù)區(qū)移民搬遷進(jìn)度。移民搬遷進(jìn)度通常滯后于水庫(kù)工程的建設(shè)，進(jìn)而有可能會(huì)限制蓄水水位。陳鵠等[11]從經(jīng)濟(jì)的角度闡述了移民搬遷滯后致使白市水電站建成后無(wú)法蓄至擬定水位發(fā)電，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.2 非工程限制因素

非工程限制因素指水庫(kù)蓄水的同時(shí)，受到下游生產(chǎn)、生態(tài)、防洪、航運(yùn)等用水需求的限制，根據(jù)它們對(duì)蓄水過(guò)程的限制方式可分為兩類(lèi)：一類(lèi)限制水庫(kù)下泄流量，如：李紅剛[12]在考慮下游生態(tài)、航運(yùn)等用水的基礎(chǔ)上，指出小灣水電站初期蓄水時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下游用水的基本流量；李建樂(lè)等[13]考慮到金王寺水庫(kù)河段的生態(tài)環(huán)境需水，認(rèn)為應(yīng)按壩址多年平均流量的10%下泄生態(tài)基流；王炎等[14]在研究三峽水庫(kù)蓄水問(wèn)題時(shí)，選定四大家魚(yú)和中華鱘的生態(tài)需水作為河段的生態(tài)需水量，要求月最小下泄流量不低于此生態(tài)需水量。

另一類(lèi)則影響蓄水的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，如：為保證三峽水庫(kù)初期蓄水時(shí)兼顧通航，裴金林等[15]對(duì)比了提前蓄水、正常蓄水、有控制延長(zhǎng)蓄水和推遲蓄水4種方案，認(rèn)為有控制延長(zhǎng)蓄水較優(yōu)；李雨[16]基于防洪討論了三峽水庫(kù)汛末蓄水方式，他建議三峽水庫(kù)應(yīng)提前均勻蓄水、分段控制。

1.3 來(lái)水限制因素

目前，學(xué)者針對(duì)來(lái)水影響水庫(kù)蓄水問(wèn)題，開(kāi)展了一些研究，如：閔要武[17]等基于保證率，構(gòu)建了對(duì)三峽水庫(kù)蓄水不利的來(lái)水情況，為水庫(kù)蓄水提供了理論基礎(chǔ)；李雨[16]在討論來(lái)水豐、枯對(duì)三峽水庫(kù)起蓄時(shí)間的影響時(shí)得出：隨著來(lái)水量減少，水庫(kù)的起蓄時(shí)間將提前；李長(zhǎng)春等[18]在分析長(zhǎng)江干流和兩湖地區(qū)徑流特性的基礎(chǔ)上提出：由于兩湖地區(qū)來(lái)水在三峽蓄水時(shí)期總體偏枯，有必要適時(shí)提前開(kāi)展蓄水任務(wù)；耿旭[19]等認(rèn)為：在來(lái)水較豐的年份，三峽水庫(kù)的蓄水時(shí)間可適當(dāng)推遲?？梢?jiàn)，目前的研究重在討論其對(duì)蓄水時(shí)間的影響。

2 水庫(kù)蓄水方案研究

識(shí)別蓄水影響因素，協(xié)調(diào)好來(lái)水、用水與蓄水之間的關(guān)系、制定合理的蓄水方案至關(guān)重要。國(guó)外對(duì)水庫(kù)蓄水方案問(wèn)題的研究相對(duì)成熟，自20世紀(jì)中后期開(kāi)始，許多理論、模型相繼被提出[20-24]，為水庫(kù)的蓄、泄水量提供了指導(dǎo)和建議。我國(guó)學(xué)者張國(guó)慶等[25]也在1992年指出：水庫(kù)蓄水時(shí)要特別考慮對(duì)下游的影響，應(yīng)合理分配水量以滿(mǎn)足各用水部門(mén)的最低要求。

2.1 防洪度汛

防洪作為水庫(kù)功能的重中之重，在研究水庫(kù)蓄水時(shí)受到了廣泛關(guān)注。Jay R. Loud[26-27]基于防洪，概化制定了串、并聯(lián)水庫(kù)的蓄水規(guī)則，為水庫(kù)蓄、泄水量提供了理論參考；萬(wàn)俊等[28]系統(tǒng)研究了白盆珠水庫(kù)汛期蓄水運(yùn)用方式，擬定了水庫(kù)的攔蓄水位、為水庫(kù)度汛提供了建議；劉心愿等[29]為確保防洪安全，科學(xué)地劃分了三峽汛末防洪庫(kù)容，為研究水庫(kù)汛末蓄水調(diào)度問(wèn)題提供了新思路；何小聰?shù)萚30]在研究溪洛渡、向家壩、三峽水庫(kù)群汛期蓄水方式時(shí)指出：“等比例蓄水”具有更高的聯(lián)合防洪效益。

2.2 滿(mǎn)足發(fā)電

作為水庫(kù)興利任務(wù)，蓄水與發(fā)電問(wèn)題也一直是研究的熱點(diǎn)，如：Ngo等[31]以越南HoaBinh水庫(kù)為例，將MIKE 11仿真模型和SCE(the Shuffled Complex Evolution)優(yōu)化算法結(jié)合，在考慮水庫(kù)發(fā)電的基礎(chǔ)上得到了HoaBinh水庫(kù)的優(yōu)化蓄泄方案；2012年，TD Asfaw等[32]以馬來(lái)西亞Perak河上的Temenggor、Bersia、Kenering和Chenderoh四個(gè)水庫(kù)為對(duì)象，以水庫(kù)群發(fā)電量最大為目標(biāo)，得到的最優(yōu)方案提高了水庫(kù)群的總發(fā)電量、并保證了蓄水。

2.3 兼顧生態(tài)

隨著水庫(kù)建成后生態(tài)環(huán)境受到不可避免的影響后，考慮生態(tài)的水庫(kù)蓄水方案研究逐漸開(kāi)展。Brain D Richter等[33]在描述水庫(kù)運(yùn)行改變天然徑流過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)在水庫(kù)蓄水時(shí)添加生態(tài)約束，以修復(fù)天然徑流；李瓊芳等[34]分析了不同蓄水方案對(duì)三峽水庫(kù)下游生態(tài)用水的影響，驗(yàn)證了提前蓄水能顯著提高下游最小生態(tài)徑流的滿(mǎn)足度，更有利于中華鱘產(chǎn)卵；趙越等[35]模擬了三峽水庫(kù)正常蓄水和提前蓄水時(shí)中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)的流場(chǎng)分布，并結(jié)合中華鱘對(duì)流速、水深等因子的喜好得出：提前蓄水能顯著增加中華鱘產(chǎn)卵棲息地的加權(quán)可利用面積，減輕蓄水對(duì)其產(chǎn)卵的不利影響。

2.4 綜合利用

在考慮水庫(kù)多種功能并行的基礎(chǔ)上，學(xué)者開(kāi)始對(duì)水庫(kù)的綜合利用與蓄水展開(kāi)研究，如：李義天等[36-37]指出：推遲蓄水不僅影響三峽水庫(kù)的蓄滿(mǎn)率和航運(yùn)，且發(fā)電效益不可觀，而提前、分旬控制蓄水既可顯著提高發(fā)電效益、又可兼顧防洪；彭?xiàng)畹萚38]聯(lián)合防洪、發(fā)電和航運(yùn)多個(gè)目標(biāo)，對(duì)三峽水庫(kù)蓄水時(shí)機(jī)和方式進(jìn)行決策，論證了汛末提前分階段蓄水能充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益；汪蕓等[39]建立的以年均蓄滿(mǎn)率最大為目標(biāo)、下游防洪和生態(tài)用水為約束的蓄水方案表明：分階段提前蓄水能提高丹江口水庫(kù)蓄滿(mǎn)率，且綜合利用效益顯著。

2.5 水庫(kù)群蓄水

近幾年，學(xué)者將研究的對(duì)象移向水庫(kù)群，如：周研來(lái)等[40]研究的溪洛渡-向家壩-三峽梯級(jí)水庫(kù)的較優(yōu)聯(lián)合蓄水方案表明：同步起蓄和異步起蓄方案均能使水庫(kù)群年均發(fā)電量和蓄水率提高，而前者發(fā)電效益較優(yōu)、后者蓄水效益高；針對(duì)溪洛渡、向家壩與三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間同步性，導(dǎo)致的三峽水庫(kù)蓄水難度加大問(wèn)題，陳炯宏等[41]提出分階段攔蓄，以提高三峽的蓄滿(mǎn)率；丁毅等[42]給出了長(zhǎng)江流域三峽上游水庫(kù)群可先于三峽蓄水，并要分段控制蓄水位上升進(jìn)程的建議；彭?xiàng)頪43]和王冬等[44]也針對(duì)長(zhǎng)江流域水庫(kù)群聯(lián)合蓄水問(wèn)題進(jìn)行了研究，均給出了應(yīng)分批蓄水的結(jié)論。

3 水庫(kù)蓄水風(fēng)險(xiǎn)研究

水庫(kù)蓄水涉及來(lái)水、用水及工程等方面，入庫(kù)流量的不確定性、各部門(mén)用水的競(jìng)爭(zhēng)性、工程的不穩(wěn)定性均會(huì)造成蓄水風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)者針對(duì)蓄水風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，也進(jìn)行了研究，如：葉琰[45]用蒙特卡洛法比較得出：在有來(lái)水預(yù)報(bào)情況下，萬(wàn)安水庫(kù)的主、后汛期的蓄水風(fēng)險(xiǎn)明顯小于無(wú)預(yù)報(bào)情況；馮平等[46]以崗南水庫(kù)為例建立了超汛限水位蓄水風(fēng)險(xiǎn)效益分析方法，認(rèn)為在蓄水風(fēng)險(xiǎn)增加不大的條件下，水庫(kù)的蓄水位可適當(dāng)高于汛限水位。

4 水庫(kù)蓄水存在問(wèn)題及研究展望

4.1 存在問(wèn)題

(1)國(guó)外對(duì)蓄水影響因素的研究較少，而國(guó)內(nèi)對(duì)于工程影響因素的討論不多。由于工程影響因素多且繁雜，涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)、人文等諸多方面，在研究中若要量化研究其影響程度相對(duì)困難，因此大多數(shù)現(xiàn)有的研究均集中在定性探討，如：工程隱患將影響初次蓄水速度，但其影響程度尚較難確定。

(2)國(guó)內(nèi)對(duì)于目標(biāo)性影響因素和限制性影響因素的研究雖然相對(duì)詳盡，然而，蓄水總歷時(shí)長(zhǎng)，每一階段水庫(kù)的任務(wù)不盡相同，少有學(xué)者在理論研究中對(duì)蓄水過(guò)程進(jìn)行階段劃分、明確各階段的主導(dǎo)影響因素并制定相應(yīng)的蓄水方案。

(3)關(guān)于蓄水方案問(wèn)題，國(guó)外的研究重在理論與方法創(chuàng)新，但在國(guó)內(nèi)的蓄水方案研究中，大部分學(xué)者選取的研究實(shí)例多集中于長(zhǎng)江、金沙江等，對(duì)我國(guó)其他江河的研究相對(duì)較少，因此現(xiàn)有的研究成果具有一定的局限性。

4.2 研究展望

基于此，本文認(rèn)為水庫(kù)蓄水問(wèn)題未來(lái)的研究重點(diǎn)可為以下幾點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)對(duì)工程性限制因素的研究。水庫(kù)的初期蓄水至關(guān)重要，既是對(duì)蓄水機(jī)理的探究又是對(duì)新建工程的試驗(yàn)，因此必須加深對(duì)工程性限制因素的研究、量化其對(duì)蓄水的影響程度；

(2)分段研究蓄水過(guò)程。蓄水總歷時(shí)長(zhǎng)、水庫(kù)的階段功能和任務(wù)不盡相同，應(yīng)首先對(duì)蓄水過(guò)程進(jìn)行分段，在探討各階段水庫(kù)任務(wù)的基礎(chǔ)上，明確主導(dǎo)影響因素，進(jìn)而擬定各階段的蓄水方案、確定合理的蓄泄水過(guò)程。

(3)擴(kuò)大研究區(qū)域。目前我國(guó)對(duì)水庫(kù)蓄水方案的研究多集中在長(zhǎng)江、金沙江流域，研究成果具有一定的地理局限性，因此應(yīng)拓寬研究范圍，對(duì)我國(guó)其余江河水庫(kù)進(jìn)行研究。

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