金文婷，王義民，白 濤，石靜濤

(1.省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安理工大學(xué))，陜西西安 710048；2.國(guó)網(wǎng)陜西安康水力發(fā)電廠，陜西安康 725000)

黃河上游是指河源至內(nèi)蒙古的托克托縣河口鎮(zhèn)河段，為黃河水量的主要來源區(qū)域，徑流量占黃河全年徑流總量的60%以上[1-2]。黃河上游水沙關(guān)系變化最為復(fù)雜、河道形態(tài)演變最為劇烈的河段為寧蒙河段，穿越我國(guó)四大沙漠(河?xùn)|沙地、騰格里沙漠、庫(kù)布齊沙漠、烏蘭布和沙漠)，長(zhǎng)約1 237 km，地處蘭州下游，是典型的沙漠寬谷河段[3-4]。近50年來，隨著沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出；且極端氣候頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱，徑流量呈減小趨勢(shì)，致使寧蒙河段不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系進(jìn)一步惡化，河槽淤積萎縮，形成了長(zhǎng)達(dá)268 km的“新懸河”[5-6]。懸河主槽過流能力下降，極易導(dǎo)致寧蒙河段小水致大災(zāi)，洪水漫灘概率增大、凌災(zāi)發(fā)生更為頻繁，嚴(yán)重威脅防洪防凌安全，危及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全[7]。

面對(duì)黃河日益嚴(yán)峻的泥沙淤積問題，我國(guó)學(xué)者先后從水庫(kù)調(diào)度、水沙模型、調(diào)沙水量等多個(gè)層面出發(fā)開展了諸多理論研究。2002年，李國(guó)英[8]提出利用水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙，將不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系調(diào)節(jié)為相協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，減輕下游河道淤積甚至沖刷下游河道；2007年，胡春宏等[9]分析了黃河水沙過程及其分布變化，構(gòu)建了黃河流域水沙優(yōu)化配置方法的理論框架；2009年，張明等[10]研究了河流調(diào)水調(diào)沙對(duì)于減輕下游河段泥沙淤積狀況的積極作用，并指出在非飽和狀態(tài)下泄產(chǎn)生的洪水可對(duì)河段產(chǎn)生較好的沖淤效果，增大河段過流能力；2013年，紀(jì)昌明等[11]采用全局搜索能力和收斂性較強(qiáng)的鯰魚效應(yīng)粒子群算法建立并求解了水庫(kù)水沙多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型；2015年，白夏等[12]對(duì)黃河上游可調(diào)輸沙水量進(jìn)行了估算，表明在滿足綜合用水的情況下，黃河上游有一定富余水量可用于沖淤減沙；2016年，白濤等[13]建立了黃河上游的水沙調(diào)控單-多目標(biāo)調(diào)度模型，推薦以較小的電量損失換取輸沙量的大幅增加，從而達(dá)到顯著的水沙調(diào)控效果。2017年，姚文藝等[14]分析了龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用對(duì)徑流泥沙過程的調(diào)節(jié)作用及其影響，揭示了水庫(kù)運(yùn)用對(duì)黃河上游水沙關(guān)系的調(diào)控機(jī)制。在實(shí)踐方面，黃河下游小浪底水庫(kù)從2002年便開始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙，實(shí)現(xiàn)了小浪底以下至入?？邳S河河道主河槽的全線沖刷，河槽過流輸沙能力得到明顯提高[15]。上述理論和實(shí)踐為黃河上游調(diào)水調(diào)沙奠定了基礎(chǔ)和支撐，未來利用梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙已然成為緩解寧蒙河段河道泥沙淤積的必要措施。而黃河上游具有較大調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)為龍羊峽、劉家峽等梯級(jí)水庫(kù)，其現(xiàn)有的庫(kù)容規(guī)模能否滿足未來長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙及其他用水需求，是本文要解決的核心問題。

與此同時(shí)，黃河上游龍羊峽水庫(kù)還是未來南水北調(diào)西線工程的受水水庫(kù)，西線工程的總體規(guī)劃分為3期[16]：第1期工程從大渡河到雅礱江之間的共5條支流向黃河上游調(diào)水40億m3，第2期工程為從雅礱江干流調(diào)水50億m3，第3期工程為從金沙江調(diào)水80億m3，3期工程共調(diào)水170億m3。雖然目前西線工程的實(shí)施進(jìn)展緩慢，但未來其對(duì)于黃河上游的水資源利用形勢(shì)將產(chǎn)生重大影響，勢(shì)必也將為調(diào)水調(diào)沙、發(fā)電、供水等目標(biāo)帶來助力。未來西線工程的實(shí)施與調(diào)水量級(jí)的逐漸加大，將會(huì)對(duì)黃河上游梯級(jí)水庫(kù)的庫(kù)容規(guī)模提出怎樣的要求，是本文要回答的關(guān)鍵問題。

鑒于此，開展考慮調(diào)水調(diào)沙及西線調(diào)水的黃河上游梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容研究(本文所提庫(kù)容均指興利庫(kù)容)，首先模擬現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)滿足防洪、防凌、供水、發(fā)電、調(diào)水調(diào)沙多個(gè)用水需求的長(zhǎng)系列運(yùn)行過程；其次分析調(diào)水調(diào)沙及西線調(diào)水對(duì)供水、發(fā)電等效益的影響；推求滿足水資源綜合利用的梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容，定量分析調(diào)水調(diào)沙及西線工程對(duì)其影響；最后論證現(xiàn)有的龍羊峽、劉家峽水庫(kù)庫(kù)容規(guī)模是否能夠滿足未來新形勢(shì)下的水資源利用要求。研究結(jié)果可為合理布局黃河上游梯級(jí)水庫(kù)的工程規(guī)模、科學(xué)指導(dǎo)上游水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙、有效緩解寧蒙河段泥沙淤積等方面提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型

1.1 方案設(shè)置

龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)置主要考慮以下3個(gè)方面，方案設(shè)置具體詳見表1。

(1)現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年綜合用水不同?？紤]隨著沿黃地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來“三生”綜合用水量的提高對(duì)梯級(jí)水庫(kù)所需庫(kù)容規(guī)模的影響。以現(xiàn)狀及未來蘭州斷面需水量的不同為依據(jù)，設(shè)定現(xiàn)狀年為2010年，遠(yuǎn)景年為2030年。

(2)南水北調(diào)西線工程的調(diào)水量級(jí)不同?？紤]未來西線工程的實(shí)施及調(diào)水量級(jí)的逐步增大，對(duì)黃河上游調(diào)水調(diào)沙和梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容的影響。設(shè)置遠(yuǎn)景年西線調(diào)水分為無調(diào)水、調(diào)水40億m3、調(diào)水80億 m3。

(3)調(diào)沙與不調(diào)沙的對(duì)比。為了量化長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙對(duì)其他綜合效益的影響及其對(duì)龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容的要求，設(shè)置調(diào)沙與不調(diào)沙兩種對(duì)比方案。

表1 方案設(shè)置Tab.1 Setting schemes

1.2 數(shù)據(jù)資料

(1)來水資料。來水包括天然徑流及西線調(diào)水過程兩部分。①天然徑流：1956—2010年共55年逐月黃河上游唐乃亥水文站天然來水資料；龍羊峽至劉家峽區(qū)間入流及劉家峽至蘭州斷面區(qū)間入流。②西線調(diào)水40億m3及80億m3，除每年的12月份為檢修月份外，其余月份按平均分配疊加至龍羊峽入庫(kù)過程中。

(2)需水資料。蘭州斷面是黃河上游控制“三生”用水的供水控制斷面，因此以蘭州斷面需水過程作為需水資料。①現(xiàn)狀年2010年蘭州斷面需水過程按照“八七”分水方案確定。②遠(yuǎn)景年2030年蘭州斷面需水過程根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》[17]，綜合考慮未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、黃河流域人口增減趨勢(shì)、黃河流域水資源承載能力；在強(qiáng)節(jié)水模式下預(yù)測(cè)2030年南水北調(diào)西線工程不同調(diào)水量級(jí)下的蘭州斷面需水過程，原則上為隨著調(diào)水量級(jí)的增加而提高蘭州斷面需水，以緩解黃河流域的缺水程度。需水資料詳見表2。

表2 現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年蘭州斷面需水過程Tab.2 Process of water demand in Lanzhou section

(3)水庫(kù)參數(shù)。龍羊峽、劉家峽水庫(kù)特征參數(shù)見表3。

表3 龍羊峽、劉家峽水庫(kù)特征參數(shù)Tab.3 Characteristic parameters of Longyangxia and Liujiaxia reservoirs

(4)調(diào)水調(diào)沙參數(shù)。本文中黃河上游梯級(jí)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙的時(shí)機(jī)與調(diào)沙力度引用黃河上游沙漠寬谷河段水沙調(diào)控研究成果[18]，為與下游小浪底6月份的調(diào)水調(diào)沙銜接，上游梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)水調(diào)沙時(shí)機(jī)選為4月，調(diào)沙流量為2 580 m3/s。經(jīng)測(cè)試，方案2和4由于無西線工程水量補(bǔ)充，黃河上游不能進(jìn)行較長(zhǎng)歷時(shí)的調(diào)水調(diào)沙，否則將導(dǎo)致后續(xù)供水、發(fā)電的長(zhǎng)期破壞；而方案6和8由于有西線工程的水量補(bǔ)充，可進(jìn)行1次歷時(shí)30 d的調(diào)水調(diào)沙，因此各方案調(diào)沙力度(即1次調(diào)沙歷時(shí))有所不同：方案2和4調(diào)沙力度為15 d(4月上半月)，方案6和8調(diào)沙力度為30 d。

1.3 模型建立

1.3.1目標(biāo)函數(shù) 多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的庫(kù)容規(guī)模主要取決于連續(xù)枯水年組(年調(diào)節(jié)水庫(kù)為供水期)的最大累積虧水量，為尋求滿足綜合用水要求的梯級(jí)水庫(kù)最小庫(kù)容規(guī)模，模型的目標(biāo)函數(shù)為梯級(jí)水庫(kù)缺水量最小，梯級(jí)水庫(kù)長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙的實(shí)施則以調(diào)沙觸發(fā)條件為判斷依據(jù)。

(1)

式中：Wq為梯級(jí)水庫(kù)的最小缺水量(m3/s)；i為日歷年編號(hào)，i=1,2,…,55；j為1個(gè)日歷年的時(shí)段編號(hào)，j=1,2,…,12(以月為單位時(shí)段)，特別地，方案2和4的日歷年4月細(xì)分為上半月與下半月兩個(gè)時(shí)段，其余月份仍以月為單位時(shí)段，故方案2和4中j=1,2,…,13；t(i,j)為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度(s)；QP(i,j),QG(i,j)分別為蘭州斷面時(shí)段需水流量與實(shí)際供水流量(m3/s)；k(i,j)為缺水判別系數(shù)，當(dāng)(QP(i,j)-QG(i,j))>0時(shí)，k(i,j)=1，當(dāng)(QP(i,j)-QG(i,j))≤0時(shí)，k(i,j)=0。

1.3.2梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙觸發(fā)條件 梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙的觸發(fā)條件為長(zhǎng)系列運(yùn)行中可調(diào)沙年份4月初的梯級(jí)水庫(kù)總蓄水量大于1次調(diào)沙所需水量，且不導(dǎo)致后續(xù)時(shí)段的供水、出力遭到破壞，如式(2)。

(2)

1.3.3約束條件 模型約束條件包括：水位約束、下泄流量約束、水量平衡約束，電站出力約束和變量非負(fù)約束等，防洪、防凌、生態(tài)分別在水位約束、下泄流量約束方面體現(xiàn)。

(1)水位約束：

(3)

(2)下泄流量約束：

(4)

(3)水量平衡約束：

(5)

(4)電站出力約束：

(6)

1.4 求解算法

針對(duì)本文所建立缺水量最小模型，采用自迭代模擬優(yōu)化算法[19-20]進(jìn)行求解。模型變量因子為梯級(jí)水庫(kù)時(shí)段出庫(kù)流量，識(shí)別結(jié)構(gòu)分為子系統(tǒng)識(shí)別與全系統(tǒng)識(shí)別兩層，子系統(tǒng)識(shí)別為年調(diào)度過程中的水庫(kù)水位、斷面流量、時(shí)段出力3個(gè)識(shí)別項(xiàng)目；全系統(tǒng)識(shí)別為長(zhǎng)系列調(diào)度過程的總發(fā)電量、總供水量、總調(diào)沙水量3個(gè)目標(biāo)識(shí)別項(xiàng)目。通過兩層系統(tǒng)識(shí)別，對(duì)變量因子進(jìn)行反饋修正自迭代，最終輸出運(yùn)算結(jié)果。自迭代模擬優(yōu)化算法的求解流程如圖1所示。

圖1 自迭代模擬優(yōu)化算法求解流程Fig.1 Flow chart of self-iterative optimization algorithm

2 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度結(jié)果分析

2.1 水庫(kù)長(zhǎng)系列運(yùn)行結(jié)果分析

龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，龍羊峽水庫(kù)為龍頭水庫(kù)，劉家峽轉(zhuǎn)變?yōu)辇堁驆{的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，起到保障防凌期防凌安全及配合龍羊峽水庫(kù)兼顧梯級(jí)發(fā)電任務(wù)的作用。因此，劉家峽水庫(kù)的水位過程受龍羊峽出庫(kù)影響明顯，本文僅從龍羊峽的水位變化過程分析水庫(kù)運(yùn)行情況，如圖2所示。

由圖2可知：

(1)從4個(gè)不調(diào)沙方案(方案1,3,5,7)的龍羊峽水位變化總體趨勢(shì)分析，其共性為1956—1995年這40年龍羊峽水位總體處于較高水位運(yùn)行，變幅平穩(wěn)，說明這40年來黃河上游徑流量豐枯比例協(xié)調(diào)，特別是方案7加入了西線調(diào)水80億m3，使得龍羊峽來水充足，實(shí)時(shí)滿足多目標(biāo)用水需求，因此水位變幅平穩(wěn)。與此相反，各方案中1996—2010年龍羊峽水位變幅較大，水庫(kù)補(bǔ)枯作用明顯，這是由于該期間黃河上游徑流呈減小趨勢(shì)，且枯水年占比增大，促使水庫(kù)持續(xù)動(dòng)用自身庫(kù)容補(bǔ)水，水位不斷降低，表現(xiàn)最為明顯的是方案3，水位一度降至死水位運(yùn)行。

(2)從不調(diào)沙方案的龍羊峽水位變化過程差異分析，方案3的變幅最大，方案1和5次之，方案7最小。原因是方案3為2030年無調(diào)水情景，長(zhǎng)系列來水過程與方案1相同，但每年的需水量由方案1的238億m3增長(zhǎng)至263億m3，因此水庫(kù)補(bǔ)水量增大，水位變幅增大；方案7由于西線調(diào)水量級(jí)較大，龍羊峽水庫(kù)入庫(kù)流量大幅增加，無需水庫(kù)過多補(bǔ)水，因此水位變幅最小。

(3)從4個(gè)調(diào)沙方案(方案2，4，6，8)的龍羊峽水位變化過程分析，與不調(diào)沙相比，調(diào)沙方案的長(zhǎng)系列水位波動(dòng)劇烈，調(diào)水調(diào)沙對(duì)水位的下拉作用明顯，甚至降至死水位2 530 m。此外，各調(diào)沙方案的調(diào)水調(diào)沙主要集中在1956—2000這45年中，后10年中僅方案8能調(diào)沙3次，其余方案均不能調(diào)沙。這主要是受后期天然徑流減小影響，水庫(kù)優(yōu)先滿足供水、發(fā)電用水，除方案8外，均無力再承擔(dān)調(diào)水調(diào)沙水量。

圖2 各方案龍羊峽水位變化過程Fig.2 Water level hydrograph of Longyangxia reservior under different schemes

2.2 綜合效益分析

2.2.1梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙 現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年各調(diào)沙方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為：調(diào)沙力度、總調(diào)沙次數(shù)、調(diào)沙頻率。反映了黃河上游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙的可行性與可持續(xù)性，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 調(diào)水調(diào)沙評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation indexes for water and sediment regulation

(1)從調(diào)沙力度分析，現(xiàn)狀年及2030年無西線調(diào)水情景(方案2和4)的調(diào)沙力度為15 d/次，2030年西線調(diào)水40億m3及調(diào)水80億m3情景(方案6和8)的調(diào)沙力度為30 d/次。方案2和4不能進(jìn)行30 d/次調(diào)水調(diào)沙的原因是：無西線調(diào)水的補(bǔ)充，方案2和4的來水過程不足以支撐多次持續(xù)時(shí)間為30 d的調(diào)水調(diào)沙。這將導(dǎo)致龍羊峽、劉家峽水庫(kù)水位急劇下降，加之長(zhǎng)系列過程后期來水總體偏枯，水位無法穩(wěn)健回升，使得梯級(jí)水庫(kù)的后續(xù)供水、發(fā)電任務(wù)遭到嚴(yán)重且持續(xù)的破壞，違背了調(diào)水調(diào)沙需優(yōu)先滿足供水、發(fā)電的基本原則。

(2)從長(zhǎng)系列調(diào)沙次數(shù)分析，同一調(diào)沙力度下的方案4較方案2調(diào)沙次數(shù)減少了5次，這是由于二者的來水過程一致，但方案4的需水較方案2有所增加，減少了梯級(jí)水庫(kù)的可調(diào)沙水量，致使調(diào)沙次數(shù)減小。方案8較方案6的調(diào)沙次數(shù)增加了8次，說明西線調(diào)水量級(jí)的增大，將明顯提高梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙的能力。

(3)總體而言，各調(diào)沙方案的調(diào)沙指標(biāo)結(jié)果較為滿意，反映了現(xiàn)狀及未來一定時(shí)期內(nèi)黃河上游有能力進(jìn)行梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙，以緩解上游寧蒙河段泥沙淤積、二級(jí)懸河的問題，且未來西線工程的運(yùn)行將更有利于這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2.2供水效益 供水效益是龍羊峽、劉家峽水庫(kù)首要滿足的用水目標(biāo)，總體來看，現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年各方案均能滿足需水要求，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 供水效益評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.5 Evaluation indexes of water-supply benefit

(1)從多年平均供水量及缺水量分析。各方案的多年平均供水量略低于相應(yīng)的需水值，缺水量最小的方案為方案1(即2010水平年不調(diào)沙方案)，僅2.6億m3/a；缺水量最大的方案為方案8(即2030水平年調(diào)沙方案)，為13.3億m3/a。各情景調(diào)沙方案較不調(diào)沙方案的缺水量有所增加，主要原因是調(diào)沙方案的長(zhǎng)系列調(diào)沙用水?dāng)D占了部分蘭州斷面供水。

(2)從供水保證率分析。不調(diào)沙方案(方案1，3，5，7)供水保證率均在85.0%以上，其中最高值為方案1的94.5%，供水保障效果良好；調(diào)沙方案(方案2，4，6，8)供水保證率為75.0%～76.4%，僅剛好達(dá)到或略微高于設(shè)計(jì)要求，這是由于考慮長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙后梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電、供水、調(diào)沙調(diào)沙三者之間的用水矛盾較為突出，為了綜合協(xié)調(diào)各目標(biāo)的用水量，供水目標(biāo)僅按設(shè)計(jì)保證率完成即可。

(3)發(fā)電效益。年發(fā)電量是評(píng)價(jià)水庫(kù)發(fā)揮興利效益的一個(gè)重要指標(biāo)，圖3中龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)的各方案年發(fā)電量變化過程反映了調(diào)沙與否與西線調(diào)水對(duì)發(fā)電效益的影響。

圖3 各方案龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)年發(fā)電量變化過程Fig.3 Power generation of cascade reservoirs of different schemes

由圖3可知：

(1)圖3(a)中4個(gè)方案的年發(fā)電量曲線呈兩段式分布。受天然徑流減少影響，1996—2010年的梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電量較前40年總體呈下降趨勢(shì)，最小值為方案2中的2002年87.9 億kW·h；方案1～4的多年平均發(fā)電量分別為122.4，119.7，120.9和120.5 億kW·h，方案1和2的梯級(jí)發(fā)電保證率為92.7%和91.0%?？梢?，現(xiàn)狀條件下黃河上游進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙的同時(shí)能夠滿足龍羊峽、劉家峽水庫(kù)發(fā)電要求，然而遠(yuǎn)景年2030無西線調(diào)水的情況下，龍羊峽、劉家峽水庫(kù)的發(fā)電保證率將遭到破壞，不調(diào)沙方案的發(fā)電保證率僅為72.7%，遠(yuǎn)低于90%的設(shè)計(jì)保證率，調(diào)沙方案則進(jìn)一步降低至70.9%。主要原因是受遠(yuǎn)景年供水量增加影響，加之長(zhǎng)系列來水過程的后期天然徑流減小，水資源綜合利用的矛盾突出，水庫(kù)后期持續(xù)動(dòng)用自身庫(kù)容補(bǔ)水，導(dǎo)致水頭降低且無法快速回升，發(fā)電效益受損。

(2)圖3(b)中4個(gè)方案的年發(fā)電量過程線與圖3(a)相比，未呈現(xiàn)明顯的兩段式，說明西線工程的貫通緩解了水庫(kù)長(zhǎng)系列運(yùn)行中由于天然徑流減少所帶來的不利影響；且圖3(b)中的梯級(jí)水庫(kù)年發(fā)電量總體較圖3(a)有所提高，年發(fā)電量均在110 億kW·h以上。方案5～8的多年平均發(fā)電量分別為139.3，129.4，150.0和138.6 億kW·h，梯級(jí)發(fā)電保證率分別為96.4%，96.4%，98.2%和98.2%，均能滿足發(fā)電要求。其中，方案7的年發(fā)電量最高，原因是西線調(diào)水80 億m3極大地補(bǔ)充了黃河上游的水資源量，且此方案沒有調(diào)水調(diào)沙對(duì)水庫(kù)水位的集中下拉影響，能使水庫(kù)保持較高水位運(yùn)行，梯級(jí)發(fā)電量顯著增加。

(3)各情景下調(diào)沙方案的發(fā)電量過程總體低于不調(diào)沙方案，即龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙對(duì)梯級(jí)發(fā)電量將產(chǎn)生負(fù)面影響。受調(diào)沙力度不同影響，現(xiàn)狀年及2030年無西線工程的調(diào)沙方案較不調(diào)沙方案梯級(jí)發(fā)電量的減少程度低于有西線工程的情況，即方案2較方案1梯級(jí)年發(fā)電量平均減少2.7 億kW·h；方案4較方案3平均減少0.3 億kW·h；方案6較方案5平均減少了9.9 億kW·h；方案8較方案7平均減少了11.5 億kW·h。這是由于方案2和4為15 d/次的調(diào)沙力度，而方案6和8為30 d/次的調(diào)沙力度，使得方案2和4中調(diào)水調(diào)沙時(shí)的梯級(jí)水庫(kù)水位下降程度低于方案6和8，保留了一定的發(fā)電水頭，因此調(diào)水調(diào)沙對(duì)發(fā)電量的影響較小。這也表明了在黃河上游水資源量不充裕的情況下，降低調(diào)沙力度是協(xié)調(diào)發(fā)電與調(diào)沙關(guān)系的有效手段。

3 梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容分析

3.1 梯級(jí)水庫(kù)長(zhǎng)系列庫(kù)容規(guī)模分析

由上述現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年各方案龍羊峽、劉家峽水庫(kù)長(zhǎng)系列運(yùn)行過程，逐年判斷龍羊峽、劉家峽水庫(kù)的蓄水期和供水期，采用時(shí)歷法[21]求得單個(gè)水庫(kù)逐年的興利庫(kù)容。由于篇幅所限，此處僅列出2030年西線調(diào)水80億m3(方案7和8)時(shí)龍羊峽、劉家峽水庫(kù)的庫(kù)容規(guī)模長(zhǎng)系列變化過程，見圖4所示。

圖4 方案7和8梯級(jí)水庫(kù)所需興利庫(kù)容變化過程Fig.4 Changes in active storage of cascade reservoirs of schemes 7 and 8

由圖4可知：

(1)圖4(a)為方案7和8的龍羊峽水庫(kù)所需庫(kù)容規(guī)模長(zhǎng)系列變化過程。明顯地，方案8(即調(diào)沙方案)的庫(kù)容規(guī)?？傮w大于方案7(不調(diào)沙方案)，方案8的庫(kù)容均值為71.7億m3，較方案732.1億m3高出了39.6億m3。方案7的長(zhǎng)系列庫(kù)容規(guī)模中，最大值為2002年的70.3億m3，最小值為1969年的15.6億m3；方案8的最大值為1978年的164.7億m3，最小值為1996年的11.8億m3。方案8的庫(kù)容變化過程表現(xiàn)為調(diào)沙年份庫(kù)容增大，庫(kù)容規(guī)模與調(diào)水調(diào)沙呈正相關(guān)；方案7反映了豐水年組時(shí)水庫(kù)缺水量小則所需興利庫(kù)容小的規(guī)律。

(2)圖4(b)為方案7和8的劉家峽水庫(kù)所需庫(kù)容規(guī)模長(zhǎng)系列變化過程，與圖4(a)不同，調(diào)沙與不調(diào)沙方案劉家峽水庫(kù)的庫(kù)容變化過程較為貼近。方案8的劉家峽水庫(kù)庫(kù)容均值為21.9億m3，較方案7的庫(kù)容均值為21.6億m3，僅高出0.3億m3，說明調(diào)水調(diào)沙對(duì)劉家峽水庫(kù)的庫(kù)容要求影響不大，主要承擔(dān)調(diào)水調(diào)沙任務(wù)的水庫(kù)為龍羊峽水庫(kù)，劉家峽水庫(kù)起配合作用。

表6 各方案梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容Tab.6 Active storage of cascade reservoirs of each scheme 億m3

3.2 各方案梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容

龍羊峽水庫(kù)與劉家峽水庫(kù)二者的調(diào)節(jié)性能不同，確定合理庫(kù)容的方法也不相同：多年調(diào)節(jié)水庫(kù)取長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)過程中水庫(kù)在連續(xù)枯水年組的最大累積補(bǔ)水量與缺水量之和為合理庫(kù)容值，年調(diào)節(jié)水庫(kù)取庫(kù)容頻率曲線中設(shè)計(jì)保證率90%對(duì)應(yīng)的庫(kù)容值為合理庫(kù)容，結(jié)果見表6所示。

由表6可知：

(1)從8個(gè)方案梯級(jí)水庫(kù)興利庫(kù)容值的普遍規(guī)律分析。首先，遠(yuǎn)景年無西線工程情景(方案3和4)梯級(jí)水庫(kù)所需合理庫(kù)容均較現(xiàn)狀年情景(方案1和2)增加，分析原因主要為遠(yuǎn)景年蘭州斷面需水增加所致。其次，各情景調(diào)沙方案的梯級(jí)水庫(kù)興利庫(kù)容與不調(diào)沙相比有所增大，且龍羊峽水庫(kù)的增加幅度明顯比劉家峽高。這是由于長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙增加了梯級(jí)水庫(kù)的用水量，使得供水期補(bǔ)水量增加，所需的庫(kù)容規(guī)模增大；而梯級(jí)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙過程中，主要由龍羊峽水庫(kù)承擔(dān)了大部分的調(diào)沙水量，因此龍羊峽水庫(kù)所增加的庫(kù)容較大。

(2)從遠(yuǎn)景年西線工程對(duì)梯級(jí)水庫(kù)興利庫(kù)容的影響分析。方案3，5和7的梯級(jí)水庫(kù)興利庫(kù)容分別是222.9，202.7和156.9億m3，即遠(yuǎn)景年西線工程調(diào)水量增加將使得水庫(kù)興利庫(kù)容隨之減小。這是由于西線工程是一個(gè)均勻的調(diào)水過程，每月的調(diào)水量實(shí)時(shí)地用于滿足水資源綜合利用，調(diào)水量越大，梯級(jí)水庫(kù)供水期的缺水量越小，因此所需的庫(kù)容規(guī)模越小。

(3)各方案梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容值與現(xiàn)有興利庫(kù)容值226.9億m3相比較。各情景不調(diào)沙方案(方案1，3，5，7)的梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容均小于現(xiàn)有值，其最大值為方案3的222.9億m3，最小值為方案7的156.9億m3，分別較現(xiàn)有值減小了4.0億m3和70.0億m3；說明在不考慮調(diào)水調(diào)沙時(shí)，龍羊峽、劉家峽水庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)容完全能夠滿足現(xiàn)狀水平年及規(guī)劃水平年的綜合用水需求。但各情景調(diào)沙方案(方案2，4，6，8)中，除方案8外，其余方案的梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容值均超過現(xiàn)有庫(kù)容，說明在本文所采用的調(diào)沙力度與調(diào)沙頻率下，現(xiàn)有庫(kù)容值無法完全滿足現(xiàn)狀及未來不同西線調(diào)水下的調(diào)水調(diào)沙、供水、發(fā)電等綜合用水要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于缺少2011年至今的黃河上游月徑流過程，無法通過模擬調(diào)度分析近幾年上游來水過程的變化對(duì)梯級(jí)水庫(kù)供水、發(fā)電、調(diào)水調(diào)沙的影響。但通過查閱歷年的《黃河水資源公報(bào)》可知：2011—2017年龍羊峽年均入庫(kù)徑流量為206.72億m3，較1956—2010多年平均值增加了8.72億m3，增幅4.41%；2011—2017年龍羊峽、劉家峽區(qū)間年均入流53.07億m3，較1956—2010多年平均值增加了0.25億m3，增幅0.47%；2011—2017年劉家峽至蘭州區(qū)間年均入流39.72億m3，較1956—2010多年平均值減少了3.37億m3，降幅7.82%?？傮w而言，2011—2017年黃河上游梯級(jí)水庫(kù)的年徑流量較1956—2010多年平均值略微增大，這將有助于增加梯級(jí)水庫(kù)供水、發(fā)電用水，減少缺水，降低梯級(jí)水庫(kù)所需合理庫(kù)容。另一方面，由于南水北調(diào)東線一期、中線一期工程已分別于2013年11月、2014年12月12日開始實(shí)施調(diào)水，有效改善了北京、天津等省市地區(qū)的缺水局面，理論上可為“八七分水”方案置換部分黃河水量，減少蘭州斷面需水。但是，對(duì)于“八七分水”方案的調(diào)整是一個(gè)敏感而復(fù)雜、涉及諸方利益的問題，目前政府機(jī)構(gòu)尚未做出實(shí)際調(diào)整舉措，故“八七分水”方案仍然是現(xiàn)狀將繼續(xù)維持的用水方案，適用于本文中現(xiàn)狀水平年的分析計(jì)算。

黃河上游梯級(jí)水庫(kù)興利庫(kù)容規(guī)模的確定是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，需要綜合考慮供水、發(fā)電、未來調(diào)水調(diào)沙及西線調(diào)水工程對(duì)其影響。本文基于黃河上游寧蒙河段泥沙淤積而迫切需求的水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙，及未來南水北調(diào)西線工程的實(shí)施對(duì)上游梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)容規(guī)模所提出的新要求，通過建立梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙模型及求解，分析現(xiàn)狀年及遠(yuǎn)景年調(diào)沙與否、西線調(diào)水與否對(duì)上游梯級(jí)水庫(kù)的庫(kù)容規(guī)模的不同要求，探求龍羊峽、劉家峽水庫(kù)所需的合理庫(kù)容值，以論證上游龍羊峽、劉家峽水庫(kù)現(xiàn)有的興利庫(kù)容能否滿足未來復(fù)雜的水資源多目標(biāo)利用情況。結(jié)果表明：未來2030水平年的蘭州需水增加將導(dǎo)致龍羊峽、劉家峽水庫(kù)所需合理庫(kù)容增加，但西線工程的貫通與調(diào)水量級(jí)的增加將有助于降低綜合用水對(duì)梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)容規(guī)模的要求。若不考慮長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙，現(xiàn)有的龍羊峽、劉家峽水庫(kù)興利庫(kù)容能夠滿足現(xiàn)狀及未來一定時(shí)期內(nèi)的黃河上游綜合用水；但長(zhǎng)系列調(diào)水調(diào)沙則對(duì)現(xiàn)有梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)容提出了挑戰(zhàn)，僅當(dāng)2030水平年西線調(diào)水80億m3情景下現(xiàn)有庫(kù)容能夠滿足調(diào)水調(diào)沙及其他綜合用水要求。在此情況下，當(dāng)西線調(diào)水80億m3尚不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，適當(dāng)減小調(diào)沙力度或降低調(diào)沙頻率不失為緩解寧蒙河段泥沙淤積與現(xiàn)有工程條件之間矛盾的折中選擇。探求新的水資源利用形勢(shì)下的梯級(jí)水庫(kù)合理庫(kù)容有利于科學(xué)指導(dǎo)黃河上游水資源利用的總體工程布局，通過梯級(jí)水庫(kù)的科學(xué)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)寧蒙河段河道健康與水資源興利相協(xié)調(diào)的目標(biāo)，追尋人與自然的和諧共處。