秦政，雷坤，黃國(guó)鮮,3，孫明東，代丹，程全國(guó)*

1.沈陽(yáng)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 3.青海大學(xué)三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

官?gòu)d水庫(kù)是永定河流域最重要的大型控制性水庫(kù)，水庫(kù)上游社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使需水量日益增加，導(dǎo)致官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)水量從20世紀(jì)50年代的20.40億m3a驟降到21世紀(jì)初的1.13億m3a，近年來(lái)略有回升，達(dá)2.00億m3a，入庫(kù)水量銳減導(dǎo)致官?gòu)d水庫(kù)持續(xù)多年低水位運(yùn)行。官?gòu)d水庫(kù)曾是北京市的重要供水水源地之一，由于水環(huán)境污染嚴(yán)重等原因，1997年被迫退出北京市生活飲用水體系，隨著北京市水資源供需矛盾的日益突出，2007年其被重新啟用為北京市的備用飲用水源地，但只保留了對(duì)北京市局部地區(qū)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的有限供水[1-2]。為緩解官?gòu)d水庫(kù)及其下游水資源緊缺問(wèn)題，自2003年起通過(guò)永定河上游水庫(kù)陸續(xù)向官?gòu)d水庫(kù)調(diào)水，在一定程度上改善了官?gòu)d水庫(kù)蓄水量不足的狀況，同時(shí)提升了水庫(kù)水質(zhì)；但官?gòu)d水庫(kù)的蓄水水位仍較低，水庫(kù)下泄流量不能滿(mǎn)足連續(xù)下泄和下游河道最小生態(tài)流量的需求，使永定河下游的北京—天津段仍長(zhǎng)期處于斷流狀態(tài)[3-4]。自2016年起從黃河萬(wàn)家寨調(diào)水，使流域獲得一定的附加水資源[5]，永定河上游桑干河源頭區(qū)—三家店區(qū)域都得到一定程度的補(bǔ)水。

為了更好地解決官?gòu)d水庫(kù)及其下游水資源供需矛盾和可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)維持官?gòu)d水庫(kù)及其下游河道生態(tài)環(huán)境健康，迫切需要定量求解官?gòu)d水庫(kù)水資源的收支過(guò)程和平衡，開(kāi)展不同調(diào)水方案和生態(tài)流量下泄條件下的湖庫(kù)水量過(guò)程和平衡問(wèn)題的研究[6]。目前在官?gòu)d水庫(kù)水量平衡方面的總量研究比較缺乏，已有研究主要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，圍繞實(shí)測(cè)水量和降水等水文特性，進(jìn)行長(zhǎng)序列和年內(nèi)變化的分析，或?qū)購(gòu)d水庫(kù)流域的降水、蒸發(fā)和徑流等變量的變化特點(diǎn)進(jìn)行研究[7-8]，缺乏利用平衡方程對(duì)官?gòu)d水庫(kù)不同水文條件下水量平衡的整體分析。筆者采用2002—2016年的氣象、水文和水庫(kù)特征等數(shù)據(jù)，基于水庫(kù)水量平衡方程建立模型，求解官?gòu)d水庫(kù)蓄水量和水位的日均過(guò)程，在模型中有效考慮水庫(kù)出入流、蒸發(fā)、降水和下滲等因素的具體過(guò)程和影響，分析官?gòu)d水庫(kù)的水量平衡狀況；定量分析官?gòu)d水庫(kù)在不同收水量和生態(tài)流量下泄條件下水庫(kù)蓄水和水位變化情況，并定量分析黃河萬(wàn)家寨調(diào)水能否滿(mǎn)足官?gòu)d水庫(kù)最小生態(tài)流量下泄的要求，以期為未來(lái)官?gòu)d水庫(kù)水資源的合理調(diào)度和改善官?gòu)d水庫(kù)下游河道的生態(tài)環(huán)境狀況提供技術(shù)支撐和決策參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

官?gòu)d水庫(kù)位于華北沿海平原向中溫帶干旱的內(nèi)蒙古高原過(guò)渡的地帶、河北省懷來(lái)縣與北京市延慶區(qū)交界處(115°34′02"E～115°49′30"E，40°13′46"N～40°25′42"N)。官?gòu)d水庫(kù)建于1954年，水庫(kù)總庫(kù)容為41.6億m3，控制流域面積為43 402 km2，正常蓄水位為479 m，死水位為471.47 m。流入官?gòu)d水庫(kù)的河流主要有洋河、桑干河和媯水河，其中洋河與桑干河在懷來(lái)縣夾河村匯流進(jìn)入永定河，永定河向東8 km注入官?gòu)d水庫(kù)，而媯水河自東向西流經(jīng)延慶區(qū)后注入官?gòu)d水庫(kù)(圖1)。永定河下泄水流經(jīng)官?gòu)d水庫(kù)的攔蓄和調(diào)節(jié)，沿永定河中下游進(jìn)入北京和天津段。區(qū)域氣候特征為夏短冬長(zhǎng)，年平均氣溫為6～8 ℃，多年平均降水量為405 mm，降水主要集中在6—9月，占全年的64%～76%；庫(kù)區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 200～1 400 mm，水面蒸發(fā)量大于降水量[9]。

圖1 研究區(qū)及各控制站分布Fig.1 Study area and location of control stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)模型計(jì)算要求，需要收集庫(kù)區(qū)降水量與蒸發(fā)量，進(jìn)、出流流量，調(diào)水量和壩前下滲過(guò)程的水文數(shù)據(jù)，水庫(kù)水位-面積-庫(kù)容曲線和水庫(kù)特征水位等參數(shù)，數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 水量平衡計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源

由于官?gòu)d水庫(kù)的底泥淤積較為嚴(yán)重，淤積量達(dá)6.51億m3，而水庫(kù)缺少近年的水位-面積曲線數(shù)據(jù)，因此基于1979—2014年的長(zhǎng)序列遙感影像水體面積解譯分析結(jié)果[13-15]，結(jié)合當(dāng)時(shí)水庫(kù)對(duì)應(yīng)的水位，通過(guò)分析水庫(kù)水位與對(duì)應(yīng)面積的擬合曲線，求解得到水庫(kù)的水位-面積曲線，結(jié)果如圖2所示。由于所選用的分析資料大部分與本研究計(jì)算的時(shí)段(2002—2016年)重疊，因此得到的水位-面積曲線具有較好的代表性，可用于模擬時(shí)段內(nèi)水庫(kù)水量計(jì)算。官?gòu)d水庫(kù)水位-庫(kù)容關(guān)系采用1980年水位-庫(kù)容曲線(圖2)。

圖2 官?gòu)d水庫(kù)的水位-面積-庫(kù)容曲線Fig.2 Water level-area-capacity curve of Guanting Reservoir

1.3 研究方法

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，利用官?gòu)d水庫(kù)日時(shí)間尺度數(shù)據(jù)，建立水庫(kù)水量平衡方程。公式如下：

(1)

式中：QIn(i)、QOut(j)分別為第i條入庫(kù)河流、第j個(gè)水庫(kù)出口的日平均流量，m3s；NI為入庫(kù)河流條數(shù)；NO為水庫(kù)出口數(shù)量；TsecDay為時(shí)間換算常量，表示1 d內(nèi)包含的秒數(shù)，取值86 400；P為庫(kù)區(qū)日降水量，mmd；E為庫(kù)區(qū)日水面蒸發(fā)量，mmd，由直徑20 cm蒸發(fā)皿的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(E20)及折算系數(shù)(k0，取值0.60)(E=k0×E20)計(jì)算得出；A為不同水位下水庫(kù)的水面面積，m2，可根據(jù)水庫(kù)的水位-面積曲線求解得出；ΔV為水庫(kù)蓄水量的日變化，ΔV=Vt+1-Vt(t為時(shí)間，d)；WMan為人工引水水量日均過(guò)程；Sp為庫(kù)區(qū)滲透率，主要包括水庫(kù)床面滲透率(Sp1)和水庫(kù)壩體有無(wú)截滲墻條件下的水庫(kù)滲漏損失率(Sp2+Sp3)。Sp的計(jì)算公式為：

(2)

式(2)第一項(xiàng)為根據(jù)土壤滲流達(dá)西公式計(jì)算得到的庫(kù)底滲漏量。其中K為地基的滲透系數(shù)，md，由于官?gòu)d水庫(kù)河道及庫(kù)區(qū)底部細(xì)顆粒泥沙沉積厚度平均約為20 m，因此K取1×10-6～1×10-7cms[16]；Zs為水庫(kù)水位，m；Zsa為庫(kù)區(qū)地下水水位，m；ΔL為河床平均高程與地下水位的垂直距離[17]，m。式(2)第二項(xiàng)為鋪設(shè)防滲墻的土壩的滲漏率。其中B1為防滲墻的寬度，m；K0為黏土地基滲透系數(shù)，md；T為透水地基厚度，m；Le為覆蓋面材料的等效長(zhǎng)度，m；Δh1為覆蓋面材料的末端的水頭損失，m。式(2)第三項(xiàng)為未鋪設(shè)防滲墻的土壩的滲漏率。其中B2為未鋪設(shè)防滲墻的土壩寬度，m；ΔH為上下游水位差，m；M1為坡度系數(shù)[18]。

計(jì)算模型主要采用Visual Studio和Inter Visual Fortran 2013組合平臺(tái)下Fortran 95語(yǔ)言編寫(xiě)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 d，為了保證計(jì)算精度，在同一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)采用有限次(最大200次)迭代算法進(jìn)行水庫(kù)水量平衡求解，水庫(kù)接收的有效降水量、庫(kù)面蒸發(fā)量和下滲量等主要與相鄰時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)水庫(kù)水面面積平均值有關(guān)，因此需要迭代計(jì)算的間接變量包括有效降水量、蒸發(fā)量和下滲量，最終停止迭代計(jì)算的決策變量是相鄰迭代步內(nèi)計(jì)算得出的水位、水面面積和水體體積差足夠小。在迭代求解過(guò)程中，通過(guò)保持各出、入流流量不變條件下，迭代更新求解式(1)中每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)水庫(kù)水面區(qū)域內(nèi)的有效降水量、蒸發(fā)量和下滲損失量，最大循環(huán)200次，在迭代過(guò)程中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)條件下一般經(jīng)過(guò)3次迭代，相鄰時(shí)段內(nèi)計(jì)算的水位差絕對(duì)值就可以控制在1.0×10-8m以?xún)?nèi)。具體計(jì)算結(jié)果表明：迭代后相鄰迭代步的水面面積差絕對(duì)值小于1.1×10-3m2，水體體積差絕對(duì)值在2.0×10-2m3以?xún)?nèi)，每日計(jì)算產(chǎn)生的誤差較小。若不進(jìn)行迭代計(jì)算，每步水位計(jì)算誤差絕對(duì)值在9×10-5m以?xún)?nèi)，面積誤差絕對(duì)值在1.2×104m2以?xún)?nèi)，體積誤差絕對(duì)值在7.7×104m3以?xún)?nèi)，水位平均誤差絕對(duì)值為3.4×10-6m，面積誤差絕對(duì)值為34.7 m2，體積誤差絕對(duì)值為186.7 m3；而迭代后的水位平均誤差絕對(duì)值為5.2×10-9m，面積平均誤差絕對(duì)值為5.4×10-2m2，體積平均誤差絕對(duì)值為0.31 m3。說(shuō)明從模型計(jì)算角度迭代計(jì)算是必要的，通過(guò)迭代計(jì)算能顯著降低相鄰時(shí)段內(nèi)水位、面積和體積的計(jì)算誤差，進(jìn)而減小庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量和下滲量的計(jì)算誤差。同時(shí)應(yīng)該指出：庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量和下滲量的計(jì)算受到物理過(guò)程、計(jì)算公式類(lèi)型和主要參數(shù)取值等多個(gè)環(huán)節(jié)的影響[19-20]，迭代求解只是減少計(jì)算誤差的一個(gè)方面。

該模型計(jì)算所需輸入的數(shù)據(jù)包括庫(kù)區(qū)氣溫，水面蒸發(fā)量與降水量，水庫(kù)進(jìn)、出口各水文站數(shù)據(jù)，水庫(kù)水位-面積-庫(kù)容曲線數(shù)據(jù)，水庫(kù)下泄的最小生態(tài)流量月過(guò)程數(shù)據(jù)，黃河萬(wàn)家寨調(diào)水月流量過(guò)程，水庫(kù)各特征水位，水庫(kù)歷史實(shí)測(cè)水位和水庫(kù)滲漏流量等。

1.4 平衡因子分析

1.4.1入庫(kù)徑流量

由于永定河流入官?gòu)d水庫(kù)尾閭段的8號(hào)橋站沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的水文站，所以選取位于洋河上的響水堡站和位于桑干河上的石匣里站的流量之和作為永定河入官?gòu)d水庫(kù)徑流量。洋河、桑干河、媯水河3條主要入?yún)R河流多年入庫(kù)徑流量如圖3所示。

圖3 官?gòu)d水庫(kù)各水文站2002—2016年入庫(kù)徑流量變化Fig.3 Variation of annual inflow water volume of each hydrological station of Guanting Reservoir in 2002-2016

1.4.2庫(kù)區(qū)降水量及蒸發(fā)量

官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)水面的降水和蒸發(fā)對(duì)水庫(kù)水量有一定程度的影響。利用延慶和沙城等氣象站的日降水量和日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，采用反距離加權(quán)空間插值法求得官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)面中心點(diǎn)的日降水量和日蒸發(fā)量。其中上述參考?xì)庀笳镜乃嬲舭l(fā)量采用直徑為20 cm的小型蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)乘以蒸發(fā)折算系數(shù)確定[21-23]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)多年水面降水量平均值為0.319億m3a，蒸發(fā)量平均值為0.535億m3a，降水量和蒸發(fā)量年變化如圖4所示。

圖4 官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)2002—2016年降水量與蒸發(fā)量變化Fig.4 Varation of annual precipitation and evaporation in Guanting Reservoir area in 2002-2016

1.4.3水庫(kù)下滲量

官?gòu)d水庫(kù)下滲主要分為水庫(kù)庫(kù)底下墊面的滲透、鋪設(shè)防滲墻的大壩或兩岸繞壩壩體的下滲、水庫(kù)大壩與未鋪設(shè)防滲墻的兩岸繞壩壩體的下滲。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)底已形成了一定厚度的淤積泥層，其主要由細(xì)沙和中沙組成，且分布較為均勻，滲透系數(shù)取1×10-7～1×10-6cms[24]；水庫(kù)攔河壩為黏土心墻壩且壩前鋪設(shè)水平的防滲蓋，因此壩前的滲漏量較小；左右肩壩壩坡經(jīng)過(guò)回填防滲土并與黏土防滲心墻連接等工程措施形成厚達(dá)5 m的防滲體，防滲效果較好；水庫(kù)左右岸繞壩未鋪設(shè)防滲體壩體，因此按照未鋪設(shè)防滲墻條件下的滲漏公式計(jì)算下滲量。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果分析

2.1.1水庫(kù)水位模擬驗(yàn)證

在原有來(lái)流和調(diào)度作用下，模型計(jì)算的2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)水位變化如圖5所示。由圖5可知，水位的模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.933 3，二者吻合良好。但在水庫(kù)低水位運(yùn)行期，模擬值和實(shí)測(cè)值出現(xiàn)一定差距，主要是由于水庫(kù)嚴(yán)重淤積，模型采用的水庫(kù)水位-面積-庫(kù)容曲線與實(shí)際曲線分布可能存在一定的差異。在水庫(kù)水位較低條件下(如小于470 m)，官?gòu)d水庫(kù)的永定河干道入?yún)R口附近長(zhǎng)期淤積形成的攔門(mén)沙將官?gòu)d水庫(kù)分成2個(gè)相對(duì)隔離的子水庫(kù)，此時(shí)實(shí)際參與調(diào)節(jié)的子水庫(kù)(主要為永定河入?yún)R子水庫(kù))的庫(kù)容較小，在調(diào)度過(guò)程中，媯水河入?yún)R的子庫(kù)容不能自由地參與調(diào)度調(diào)節(jié)，因此整個(gè)水庫(kù)的調(diào)節(jié)功能呈削弱狀態(tài)，從而使水位的模擬值與實(shí)測(cè)值有一定差異。

圖5 官?gòu)d水庫(kù)水位模型驗(yàn)證結(jié)果(2002—2016年)Fig.5 Water level verification results of Guanting Reservoir in 2002-2016 by model

2.1.2下滲量模擬驗(yàn)證

根據(jù)模型計(jì)算的水庫(kù)下滲量模擬值與1998年水庫(kù)下滲量實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖6所示。由圖6可以看出，模型計(jì)算的下滲量與水庫(kù)水位相關(guān)曲線和1998年對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)水位與下滲量相關(guān)點(diǎn)群基本吻合，因此本研究采用的下滲量算法是合理的。1998年官?gòu)d水庫(kù)下滲量隨水位增加而增加，其變化幅度為0.050～0.065 m3s，量級(jí)遠(yuǎn)小于庫(kù)區(qū)的來(lái)流量、庫(kù)區(qū)降水量和蒸發(fā)量，因此可以判斷下滲量對(duì)庫(kù)區(qū)的水量平衡影響較小。

圖6 官?gòu)d水庫(kù)下滲量驗(yàn)證(2002—2016年)Fig.6 Verification of infiltration discharge of Guanting Reservoir in 2002-2016

2.1.3現(xiàn)狀調(diào)度條件下的水庫(kù)水量收支過(guò)程

現(xiàn)有調(diào)度條件下2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)水量平衡如表2所示。由表2可知，2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流量為1.58億m3a，其中從桑干河、洋河和媯水河控制站直接入庫(kù)的多年平均徑流量為1.26億m3a，占總?cè)霂?kù)量的80%；而庫(kù)區(qū)多年平均降水量為0.32億m3a，占總?cè)霂?kù)量的20%。多年平均出庫(kù)水量為1.45億m3a，其中多年平均蒸發(fā)量為0.54億m3a，占總出庫(kù)量的37.2%；水庫(kù)多年平均下泄流量為0.9億m3a，占總出庫(kù)量的62.2%；多年平均下滲量為0.009億m3a，僅占總出庫(kù)量的0.6%，可見(jiàn)下滲量對(duì)水庫(kù)整體運(yùn)行水位影響較小。水庫(kù)多年平均蓄變量為0.133億m3a，總體上看，2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)屬于正收支平衡狀態(tài)，但2006年之前蓄變量多為負(fù)收支，之后多為正收支，水位呈逐漸升高態(tài)勢(shì)。

表2 2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)水量平衡分析統(tǒng)計(jì)

雖然2002—2007年永定河流域的平均降水量為424.20 mm，屬于多年偏枯年份，但由于上游對(duì)官?gòu)d水庫(kù)的調(diào)水作用，入庫(kù)徑流量仍為水庫(kù)來(lái)水的主要部分。為保證一定的下泄流量，官?gòu)d水庫(kù)年均水位從2002年的473.48 m降至2007年的470.29 m，為多年來(lái)的最低水位。2007年后水庫(kù)開(kāi)始減小下泄流量，并且上游的調(diào)水水量減小直至2010年停止調(diào)水，但由于2008—2016年永定河流域多年平均降水量增至535.26 mm，流域降水對(duì)徑流的影響具有一定的滯后且上游各水庫(kù)的蓄水延長(zhǎng)了滯后的時(shí)間，官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)徑流量逐年增加，加之下泄流量的減少，官?gòu)d水庫(kù)水位逐漸抬升。

將官?gòu)d水庫(kù)各出入庫(kù)項(xiàng)變化作為一個(gè)整體平衡過(guò)程(來(lái)水項(xiàng)為正，耗水項(xiàng)為負(fù)，下滲量因占比較小未列入)，得出水庫(kù)平衡分析及各出入庫(kù)項(xiàng)在平衡中的占比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，官?gòu)d水庫(kù)來(lái)水量構(gòu)成比例并不穩(wěn)定，年際變化較大。以洋河響水堡站為例，該站來(lái)水量在平衡中的占比最小，僅為7%，在水量充沛時(shí)可達(dá)31%。入庫(kù)徑流對(duì)水庫(kù)蓄水量影響較大，各站徑流量總和約占水庫(kù)來(lái)水的38%～80%。在水庫(kù)耗水項(xiàng)中，蒸發(fā)量的占比較為穩(wěn)定，為12%～27%；水庫(kù)下泄流量年際波動(dòng)十分明顯，為7%～51%，且整體呈遞減趨勢(shì)，下泄流量在水庫(kù)耗水項(xiàng)中占主導(dǎo)地位。入庫(kù)水量的不穩(wěn)定導(dǎo)致水庫(kù)下泄流量年際波動(dòng)較大，這給下游水生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了一定風(fēng)險(xiǎn)，也給水庫(kù)水資源調(diào)度管理帶來(lái)一定的困難與挑戰(zhàn)[25]。

圖7 2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)水量平衡 Fig.7 Water balances of Guanting Reservoir in 2002-2016

2.2 水庫(kù)下游生態(tài)流量計(jì)算

由于官?gòu)d水庫(kù)上游來(lái)水量存在明顯不足，加上水庫(kù)水面蒸發(fā)量較大，水庫(kù)下泄流量逐年減少，下泄流量不足將會(huì)直接影響下游的生態(tài)功能。目前官?gòu)d水庫(kù)下游河段存在嚴(yán)重的水資源不足、河道斷流和河道沙化等生態(tài)退化等問(wèn)題，保障官?gòu)d水庫(kù)下游生態(tài)流量對(duì)于維護(hù)永定河生態(tài)功能健康有著重要意義。

依據(jù)Tennant法計(jì)算官?gòu)d水庫(kù)下游永定河河道生態(tài)需水量[26]。Tennant法以下泄流量與多年平均流量的之比為基準(zhǔn)，將河流流量分為幾個(gè)等級(jí)：最大允許極限、最佳范圍、極好狀態(tài)、良好狀態(tài)、一般或較差狀態(tài)、最小狀態(tài)和極差狀態(tài)[27-28](表3)。

表3 河道不同生態(tài)環(huán)境狀況與流量對(duì)應(yīng)情況

永定河流域降水年內(nèi)主要集中于6—9月，占全年降水量的76%，10月—翌年5月降水量占全年的24%。根據(jù)1956—2009年系列月天然徑流，計(jì)算出官?gòu)d水庫(kù)下游(壩下)河道的生態(tài)需水量為1.84億m3a，其中汛期為0.81億m3a，非汛期為1.03億m3a?；谠撋鷳B(tài)需水量數(shù)據(jù)，結(jié)合2002—2016年下游河道實(shí)測(cè)水量，計(jì)算官?gòu)d水庫(kù)汛期與非汛期實(shí)際生態(tài)需水量虧缺情況，結(jié)果如表4所示。由表4可知，官?gòu)d水庫(kù)下游河道生態(tài)水量虧缺較為嚴(yán)重，汛期多年平均虧缺量為0.50億m3a，虧缺率為61.73%；非汛期多年平均虧缺量為0.60億m3a，虧缺率為58.25%；官?gòu)d水庫(kù)下游河道多年平均生態(tài)水量虧缺率為60.43%?？梢?jiàn)，造成下游河道生態(tài)水量虧缺嚴(yán)重的原因之一是官?gòu)d水庫(kù)下泄流量逐年減小。雖然多年來(lái)通過(guò)上游水庫(kù)調(diào)水以及減小下泄流量，官?gòu)d水庫(kù)蓄水水位有所升高，但下游河道的生態(tài)需水量沒(méi)有得到相應(yīng)的補(bǔ)給。因此在水庫(kù)現(xiàn)有調(diào)度條件下難以滿(mǎn)足下游河道的生態(tài)需水量，需要流域外的水資源調(diào)度來(lái)補(bǔ)充[29-30]。通過(guò)山西省萬(wàn)家寨引黃北線工程，連通桑干河與黃北干線向永定河補(bǔ)水(簡(jiǎn)稱(chēng)引黃調(diào)水)，是解決永定河生態(tài)水量虧缺的重要措施。引黃北線線路全長(zhǎng)164 km，規(guī)劃引水量為5.6億m3a，可利用供水能力為2.64億m3a[31]。

表4 2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)下游河道實(shí)測(cè)水量和生態(tài)需水量虧缺情況

2.3 不同調(diào)度方案下模型對(duì)水位的預(yù)測(cè)

利用官?gòu)d水量平衡模型，設(shè)置不同調(diào)水和生態(tài)流量下泄控制情景，模擬官?gòu)d水庫(kù)水位和下游生態(tài)流量的關(guān)系。為了檢測(cè)調(diào)水對(duì)官?gòu)d水庫(kù)正常運(yùn)行水位和水庫(kù)下游生態(tài)需水量的影響，設(shè)置2種情景進(jìn)行討論：1)情景1，不進(jìn)行調(diào)水，保持原有水庫(kù)調(diào)度條件，只考慮滿(mǎn)足下游最小生態(tài)流量限制；2)情景2，考慮每年3—5月從萬(wàn)家寨引黃調(diào)水1億m3a，官?gòu)d水庫(kù)收水0.5億m3a，同時(shí)滿(mǎn)足下游最小生態(tài)流量限制。針對(duì)以上2種情景進(jìn)行模擬，同時(shí)與基于現(xiàn)狀真實(shí)水量(不考慮補(bǔ)水調(diào)水，也不考慮下游生態(tài)需水量)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 2種情景下官?gòu)d水庫(kù)水位模擬結(jié)果Fig.8 Water level simulation results of two scenarios of Guanting Reservoir

由圖8可知，情景1時(shí)，官?gòu)d水庫(kù)為了滿(mǎn)足下游最小生態(tài)流量限制，水位將會(huì)持續(xù)下降，年均水位從2002年的473.48 m跌至2014年的466.11 m，遠(yuǎn)小于官?gòu)d水庫(kù)正常運(yùn)行水位。盡管在降水量較大，且來(lái)流充沛的情況下還能保證一定的下泄流量，但在降水量減小條件下，官?gòu)d水庫(kù)并不能滿(mǎn)足下游最小生態(tài)流量的需求。情景2時(shí)，官?gòu)d水庫(kù)水位保持穩(wěn)定并在降水量較大的年份略有升高，即使在沒(méi)有其他調(diào)水且在降水較少的年份也能保持一定的水位運(yùn)行，既保證了官?gòu)d水庫(kù)的水位維持，也保證了下游的最小生態(tài)流量。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合多源數(shù)據(jù)，建立官?gòu)d水庫(kù)水量日過(guò)程計(jì)算模型，編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法，模型中詳細(xì)考慮了水庫(kù)河流流量入?yún)R、庫(kù)區(qū)水流輸出、降水、蒸發(fā)和下滲等過(guò)程，模型計(jì)算的2002—2016年官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)水位和相應(yīng)實(shí)測(cè)值吻合良好。

(2)基于官?gòu)d水庫(kù)來(lái)水構(gòu)成及水庫(kù)水量平衡，分析得出官?gòu)d水庫(kù)水位受地表徑流量、庫(kù)區(qū)降水量及水庫(kù)下泄流量影響較大。庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量、下滲量多年平均值分別為0.54億、0.009億m3a，且變化幅度較小，較為穩(wěn)定。水庫(kù)在沒(méi)有調(diào)水補(bǔ)充的情況下，需要減少下泄流量來(lái)保證水庫(kù)合適的運(yùn)行水位。

(3)官?gòu)d水庫(kù)下游河道生態(tài)需水量為1.84億m3a，目前官?gòu)d水庫(kù)下游生態(tài)需水量虧缺情況較為嚴(yán)重，對(duì)比2002—2016年河道實(shí)測(cè)水量，平均生態(tài)水量虧欠率為60.43%。

(4)模型模擬結(jié)果表明，在引黃調(diào)水1億m3a，水庫(kù)收水0.5億m3a條件下，官?gòu)d水庫(kù)在降水較少的年份也能保持一定的水位運(yùn)行，且保證水庫(kù)下泄流量基本滿(mǎn)足下游河道最小生態(tài)流量的需求。