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浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型

王宗志 刘克琳 刘友春 程亮 叶爱玲

王宗志, 刘克琳, 刘友春, 程亮, 叶爱玲. 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
引用本文: 王宗志, 刘克琳, 刘友春, 程亮, 叶爱玲. 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
WANG Zongzhi, LIU Kelin, LIU Youchun, CHENG Liang, YE Ailing. Optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
Citation: WANG Zongzhi, LIU Kelin, LIU Youchun, CHENG Liang, YE Ailing. Optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010

浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0403504);山东省级水利科研项目(SDSLKY201809)
详细信息
    作者简介:

    王宗志(1977-), 男, 山东邹平人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水资源复杂系统运行调度与管理研究。E-mail:zzwang@nhri.cn

  • 中图分类号: TV213.9

Optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake

Funds: The study is financially supported by the National Key R&D Program of China (No.2017YFC0403504)
  • 摘要: 在保障防洪与河湖生态安全的前提下,将汛期洪水尽可能多地蓄存起来以满足当前及未来一段时间的河道外用水需求,是浅水湖泊洪水资源利用所追求的目标。为综合考虑区域来水和需水不确定性、潜在储水空间和利用方式,合理确定洪水资源开发规模,采用模拟与优化相结合的方法,建立了浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型,并将该模型应用于南四湖。研究结果表明:以滨湖反向调节利用方式为主的浅水湖泊洪水资源开发规模,受制于泵站启动水位、抽水能力和河道外蓄水空间的共同作用,但并不呈现线性关系,存在明显的阈值效应;南四湖洪水资源开发的适度规模为多年平均全年3.63亿m3、汛期1.56亿m3,开发条件是泵站启动水位为33.75 m、泵站抽水能力为48 m3/s、区域蓄水体容积为4.80亿m3。研究可为确定南四湖洪水资源利用规模提供依据,为类似流域提供借鉴和参考。
  • 图  1  浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型结构示意

    Figure  1.  Model structure of optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake

    图  2  滨湖反向调节洪水资源利用中泵站抽水与蓄水体供水规则

    Figure  2.  Operating rules of pumping stations and reginal storages in the back-adjusting pattern of utilizing floodwater resources

    图  3  滨湖反向调节的可能供水区

    Figure  3.  Potential water supply area using floodwater by lakeside reverse regulation

    图  4  南四湖流域主要煤矿塌陷区分布

    Figure  4.  Main coal mine subsidence area in Nansi Lake basin

    图  5  泵站启动水位固定时区域蓄水体可供水量、弃水与泵站抽水能力和蓄水体容积的关系

    Figure  5.  Response of available water supply and surplus water amount of regional storages to their total storage capacity and pumping capacity of pumping stations

    图  6  区域蓄水体容积固定时区域蓄水体可供水量、弃水与泵站抽水能力和泵站启动水位的关系

    Figure  6.  Response of available water supply and surplus water amount of regional storages to pumping capacity of pumping stations and their start-up water level

    图  7  区域缺水量最少和蓄水体弃水最小目标函数间的竞争关系

    Figure  7.  Competitive relationship between the objective function of the reginal minimum water shortage and the objective function of the minimum surplus water of the storage area

    图  8  汛期和全年洪水资源可利用量

    Figure  8.  Floodwater available during the flood season and full year

    表  1  不同水平年在50%和75%保证率下的滨湖反向调节可能供水区用水需求

    Table  1.   Potential water demand of lakeside area in Nansi Lake basin under the level years of 2015 and 2020 万m3/d

    月份 2015年 2020年
    50% 75% 50% 75%
    1 154.24 154.24 187.15 187.15
    2 367.46 360.34 461.67 432.50
    3 338.84 315.35 446.71 417.89
    4 881.89 865.61 739.71 763.71
    5 154.24 442.49 187.15 472.32
    6 581.61 630.06 640.20 667.52
    7 400.15 329.34 394.83 345.73
    8 505.03 752.33 551.67 797.83
    9 516.71 553.34 563.79 603.42
    10 283.60 315.35 370.15 417.89
    11 154.24 154.24 187.15 187.15
    12 154.24 154.24 187.15 187.15
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-17
  • 网络出版日期:  2020-07-21
  • 刊出日期:  2020-11-30

浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
    基金项目:  国家重点研发计划资助项目(2017YFC0403504);山东省级水利科研项目(SDSLKY201809)
    作者简介:

    王宗志(1977-), 男, 山东邹平人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水资源复杂系统运行调度与管理研究。E-mail:zzwang@nhri.cn

  • 中图分类号: TV213.9

摘要: 在保障防洪与河湖生态安全的前提下,将汛期洪水尽可能多地蓄存起来以满足当前及未来一段时间的河道外用水需求,是浅水湖泊洪水资源利用所追求的目标。为综合考虑区域来水和需水不确定性、潜在储水空间和利用方式,合理确定洪水资源开发规模,采用模拟与优化相结合的方法,建立了浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型,并将该模型应用于南四湖。研究结果表明:以滨湖反向调节利用方式为主的浅水湖泊洪水资源开发规模,受制于泵站启动水位、抽水能力和河道外蓄水空间的共同作用,但并不呈现线性关系,存在明显的阈值效应;南四湖洪水资源开发的适度规模为多年平均全年3.63亿m3、汛期1.56亿m3,开发条件是泵站启动水位为33.75 m、泵站抽水能力为48 m3/s、区域蓄水体容积为4.80亿m3。研究可为确定南四湖洪水资源利用规模提供依据,为类似流域提供借鉴和参考。

English Abstract

王宗志, 刘克琳, 刘友春, 程亮, 叶爱玲. 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
引用本文: 王宗志, 刘克琳, 刘友春, 程亮, 叶爱玲. 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
WANG Zongzhi, LIU Kelin, LIU Youchun, CHENG Liang, YE Ailing. Optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
Citation: WANG Zongzhi, LIU Kelin, LIU Youchun, CHENG Liang, YE Ailing. Optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
  • 利用泵站择机抽提本已入湖且要下泄的洪水, 反向(与天然洪水入湖方向相反)蓄至平原水库、煤矿塌陷区等湖泊周边的可能蓄水空间, 以供非汛期使用的洪水资源开发活动, 称之为滨湖反向调节洪水资源利用。它既可为沿湖周边地区提供生产、生活和生态用水, 又能有效降低湖泊行洪风险, 是浅水湖泊地区挖掘洪水资源的常用方式。滨湖反向调节洪水资源利用的关键是, 在保障防洪安全与不再进一步损害河湖生态健康的前提下, 综合平衡蓄水体可供水量、湖泊弃水与所需要的蓄水体容积等多个方面而获得适度的开发利用规模, 不是把洪水资源用光。受缓解水资源短缺矛盾的强烈需求驱动, 21世纪初国内率先在海河流域等北方地区开展了洪水资源利用研究, 至今已取得了系列研究成果[1-2]。在概念及理论方面, 王忠静等[3]对洪水资源利用的适度性进行了分析;胡庆芳等[4]对洪水资源利用概念进行了梳理;Ding等[5]提出了考虑预报不确定性和可接受风险的水库洪水资源利用分析框架;王宗志等[6-7]在总结以往研究成果的基础上, 提出了流域洪水资源利用的概念模型、理论框架, 论述了水库汛限水位优化、蓄滞洪区低标准运用等常见洪水资源利用方式的基本原理和技术关键。在实现技术方面, Li等[8]以三峡等大型水库为对象开展了水库汛限水位动态控制方式研究;Yun和Singh[9]探讨了汛限水位分期运用和动态控制对供水能力的影响;钟平安等[10]探索了梯级水库汛限水位的动态控制阈值计算问题。在国外, 虽然没有明确提出洪水资源利用概念, 但为了协调汛期防洪与非汛期兴利之间的矛盾, 也采取了一些类似做法。例如, 美国在1993年密西西比河大水之后, 放弃了以往单纯依靠工程建设控制洪水的做法, 在汛期有意识地利用田间、蓄滞洪区、湿地和河道等蓄滞洪水, 实施洪水资源利用[11-12];1998年美国陆军工程师兵团提出利用洪水发生的季节性规律, 进行水库防洪库容再分配(与国内汛限水位分期设计的意义一致)的倡议[13]; 印度通过建设拦河坝滞缓和人工回补地下增蓄洪水, 在汛期将洪水尽可能多地转化为地下水, 来解决印度半岛洪水年内分配严重不均与需求不匹配的问题[14-15]。综上所述, 已有洪水资源利用相关研究集中在概念梳理与以水库汛限水位优化为主的挖掘技术和经验应用等方面, 但在流域特别是浅水湖泊流域洪水资源开发规模优选方面较为薄弱, 尚未与洪水资源利用的具体方式、区域需水和蓄水空间统一起来考虑, 往往导致评价结果偏大, 可操作性不强[4, 7, 17]

    本文以滨湖反向调节作为洪水资源利用方式, 建立浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型, 通过比选泵站启动水位、抽水能力、区域需水与需要的蓄水体容积、湖泊可供水量和弃水量之间的响应关系, 获得平衡风险与效益的洪水资源开发利用规模, 并以南四湖为例开展应用研究。

    • 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型, 在本质上是湖泊流域洪水资源配置调度模型, 包括模拟规则和优化模型两部分, 模型结构如图 1所示。图 1表明, 首先利用m个泵站, 从具有k条入流(Q1, Q2, …, Qk)的湖泊中抽提洪水资源, 并蓄至相应的m个区域蓄水体;再把储存在m个蓄水体中的水供给N个用水户当前及未来一段时间使用。

      图  1  浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型结构示意

      Figure 1.  Model structure of optimizing the moderate size using floodwater in a large-scale shallow lake

    • ① 计算时间尺度为日;②起调时段为6月1日(汛期开始);③为保证湖泊防洪安全, 泵站启动水位为低于汛限水位某一深度的湖泊水位(对应库容为Sc), 即当湖泊水位高于该水位, 泵站启动抽水, 否则泵站不工作, 不改变湖泊调度规则;④湖泊末库容Se与初始库容S0相等。

      模拟规则主要包括抽水泵站运行规则和区域蓄水体供水规则两部分。

    • (1) 如果湖泊洪水资源可利用量S+QΔtSc, 此时湖泊不具备洪水资源利用条件, 泵站停止运行, 泵站时段抽水量Wp=0。其中, S为湖泊时段初库容, Q为时段湖泊入流量, 即图 1中从Q1Qk的所有入流之和, Δt为计算时段长, Sc为启动库容。

      (2) 如果湖泊洪水资源可利用量S+QΔtSc, 并且S+QΔtSub (Sub为湖泊汛限水位或正常高水位对应的库容), 那么泵站时段抽水量Wp=aPcΔt, 其中$a = \frac{{(S + Q\Delta t) - {S_{\rm{c}}}}}{{{S_{{\rm{ub}}}} - {S_{\rm{c}}}}}$, Pc为泵站抽水能力。

      (3) 如果湖泊洪水资源可利用量S+QΔtSub, 那么泵站时段抽水量为Wp= PcΔt, 即按照抽提能力抽水运行。

      泵站运行规则如图 2(a)所示。

      图  2  滨湖反向调节洪水资源利用中泵站抽水与蓄水体供水规则

      Figure 2.  Operating rules of pumping stations and reginal storages in the back-adjusting pattern of utilizing floodwater resources

    • (1) 如果区域蓄水体可利用水量(SR0+Wp)满足0≤SR0+WpWd, 那么外供水量Ws=SR0+Wp。其中, SR0为区域蓄水体的时段初库容, Wd为时段河道外需水。

      (2) 如果区域蓄水体可利用水量(SR0+Wp)满足WdSR0+WpWd+SRc, 那么外供水量Ws=Wd。其中, SRc为区域蓄水体最大容积。

      (3) 如果区域蓄水体可利用水量SR0+WpWd+ SRc, 那么Ws=Wd, 蓄水体弃水Wq=SR0+Wp -Ws-SRc

      区域蓄水体供水规则(如图 2(b))类似于水库的供水标准规则[18]

    • 1.1节中, 在给定ScPcSRc的条件下, 阐述了泵站抽水规则和蓄水体供水规则的建立过程, 构成了模型的“模拟模块”, 本节将以ScPcSRc为决策变量, 构建模型的“优化模块”。

    • (1) 区域缺水量最小

      $$ f=\min \sum\limits_{t=1}^{T} \sum\limits_{i=1}^{M}\left(W_{i, t}^{\mathrm{d}}-W_{i, t}^{\mathrm{s}}\right) $$ (1)

      式中: Wi, td为时段ti个用户的需水量; Wi, ts为蓄水体时段t向第i用户的供水量; TM分别为计算时段和用户数目。

      (2) 区域蓄水体弃水量最小

      $$ g=\min \sum\limits_{t=1}^{T} \sum\limits_{j=1}^{N} W_{j, t}^{\mathrm{q}} $$ (2)

      式中: Wj, tq为蓄水体j时段t的弃水量; N为区域蓄水体数目。

    • (1) 时段抽水量不大于抽水能力

      $$ \sum\limits_{j=1}^{N_{k}} W_{k, j, t}^{\mathrm{p}} \leqslant P_{k}^{\mathrm{c}} $$ (3)

      式中: Wk, j, tp为时段t泵站k向蓄水体j的供水量; Nk为泵站k服务的蓄水体数目; Pkc为泵站k的时段抽水能力。

      (2) 供水量不大于区域河道外需水量

      $$ W_{i, t}^{\mathrm{s}} \leqslant W_{i, t}^{\mathrm{d}} $$ (4)

      (3) 所有变量非负

    • 浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型是一个模拟与优化相结合的复杂非线性多目标优化模型, 常规方法求解十分困难。多目标遗传算法(NSGA-II)是目前使用最为广泛的多目标遗传算法, 它降低了非劣排序遗传算法的复杂性, 具有运行速度快、收敛性好等优点[19], 已在多个水资源工程中得到成功应用。本文采用NAGA-II进行求解, 它可以比较方便地分析泵站启动水位、泵站抽水能力、区域蓄水体容积及区域洪水资源供水量之间的动态博弈关系。

    • 南四湖属于沂沭泗水系, 为中国第六大淡水湖, 流域面积31 700 km2, 正常条件下湖泊水面面积1 266 km2, 湖区承接苏、鲁、豫、皖4省32个县(市、区)来水, 汇集大小河流共有53条, 湖东28条, 湖西25条, 来水经南四湖调蓄后, 经韩庄运河和不牢河下泄入中运河, 再下排骆马湖。流域多年平均降雨量684.0 mm, 年内分配高度不均, 汛期6—9月降水约占全年的75%, 7—8两月约占全年的57%。据1962—2005年的实测资料分析, 南四湖多年平均入湖水量27.13亿m3, 其中汛期21.28亿m3, 占全年的78.4%;多年平均出湖水量(出境水量)16.57亿m3, 汛期11.58亿m3, 占全年的69.9%。

    • 经过多次调研和专家咨询确定了可能采用滨湖反向调节方式实施洪水资源利用的区域, 经预测沿湖周边河道外生活、生产和生态环境的需水量过程如表 1所示, 反向调节可能供水区如图 3所示。

      表 1  不同水平年在50%和75%保证率下的滨湖反向调节可能供水区用水需求

      Table 1.  Potential water demand of lakeside area in Nansi Lake basin under the level years of 2015 and 2020 万m3/d

      月份 2015年 2020年
      50% 75% 50% 75%
      1 154.24 154.24 187.15 187.15
      2 367.46 360.34 461.67 432.50
      3 338.84 315.35 446.71 417.89
      4 881.89 865.61 739.71 763.71
      5 154.24 442.49 187.15 472.32
      6 581.61 630.06 640.20 667.52
      7 400.15 329.34 394.83 345.73
      8 505.03 752.33 551.67 797.83
      9 516.71 553.34 563.79 603.42
      10 283.60 315.35 370.15 417.89
      11 154.24 154.24 187.15 187.15
      12 154.24 154.24 187.15 187.15

      图  3  滨湖反向调节的可能供水区

      Figure 3.  Potential water supply area using floodwater by lakeside reverse regulation

      经预测, 滨湖供水区现状年(2015年水平年)50%和75%条件下的需水量分别为13.48亿m3和15.08亿m3、规划水平年2020年分别为14.75亿m3和16.44亿m3。要满足这些用水需求, 除滨湖反向调节利用湖泊水之外, 还需要当地地表水、地下水、引黄水、引江水及非常规水, 仅依靠滨湖反向调节难以完全满足。本研究旨在获得不受需求约束下的滨湖反向调节方式的最大可供水量, 因此, 对于本次调节计算而言, 需水过程的形状比数量大小更为重要, 故可选择上述任何一个过程, 作为模型的用水需求输入。

    • 南四湖流域矿藏资源特别是煤炭资源丰富、量大面广, 分布面积达3 920 km2, 赋存厚度达8~12 m, 累计探明煤炭资源储量151亿t。2020年总塌陷面积为769.54 km2, 除部分经治理变为耕地外, 其他可作为反向调节蓄水场所的面积为394.34 km2。采煤塌陷严重破坏了生态环境, 造成了诸如河道断流、地下水系破坏等现象, 但为雨洪水集蓄提供了空间。南四湖煤矿塌陷区分布如图 4所示。《济宁市采煤塌陷地治理规划》明确塌陷区设计水深2~3 m蓄水养鱼、供水为宜, 据此核算南四湖流域内煤矿塌陷区反调节蓄水容积约为7.89亿~11.83亿m3。此外, 济宁市现有中小型水库总库容约2.88亿m3, 总兴利库容约1.78亿m3, 加上即将建成的孟宪洼水库库容为0.098 7亿m3, 则已建和在建的中小水库总库容与兴利库容合计分别为2.98亿m3和1.88亿m3, 加上煤矿塌陷区可用容积, 总结可用于滨湖反向调节的总蓄水容积为9.67亿~13.61亿m3

      图  4  南四湖流域主要煤矿塌陷区分布

      Figure 4.  Main coal mine subsidence area in Nansi Lake basin

    • 从模型建立过程可知, 南四湖洪水资源潜力挖掘取决于泵站抽水能力(Pc)、泵站抽水时机即启动抽水位(Hc)(对应蓄水量Sc)、区域蓄水体容积(SRc)和河道外需水量(Wd)。前已述及模型中输入的需水过程远远大于实际情况, 故决定河道外可供水量的制约因素在于前3个因素。为直观分析PcHcSRc对河道外供水的制约关系, 分别进行如下模拟:

      (1) 保持泵站启动水位不变, 分析区域蓄水体容积、泵站抽水能力与可供水量、弃水量和湖泊弃水量的响应关系。设置上级湖泵站启动水位33.7 m(汛限水位为34.2 m), 下级湖泵站启动水位为33.0 m(汛限水位32.5 m);泵站抽水能力从0到150 m3/s, 每隔5 m3/s取一个数据, 区域外蓄水体容积从0到15亿m3, 每隔0.5亿m3设置1个方案。采用1962年1月1日—2005年12月31日逐日入湖数据连续模拟。模拟结果如图 5 (a)所示, 随着泵站抽水能力、区域外蓄水体容积增大, 区域蓄水体可供水量并不是呈线性增加关系, 而是在蓄水容积约为4.5亿m3存在一个明显的平面, 泵站抽水能力在50 m3/s时存在明显的拐点。

      图  5  泵站启动水位固定时区域蓄水体可供水量、弃水与泵站抽水能力和蓄水体容积的关系

      Figure 5.  Response of available water supply and surplus water amount of regional storages to their total storage capacity and pumping capacity of pumping stations

      图 5(b)反映了泵站启动水位固定(上级湖33.7 m, 下级湖33.0 m)时, 区域蓄水体弃水随泵站抽水能力和启动水位的关系, 从该图可以明显看出, 当泵站抽水达到一定量级时, 区域蓄水体存在明显的弃水现象, 产生能源浪费。

      (2) 保持区域蓄水容积不变, 分析泵站启动水位、泵站抽水能力与蓄水体供水量、弃水量与湖泊弃水量的响应关系。设置区域蓄水体容积为5亿m3, 泵站启动的湖泊水位从33.7 m到34.2 m(汛限水位)每隔0.02 m作为1个方案;泵站抽水能力从0到150 m3/s, 每隔5 m3/s取1个数据。采用1962年1月1日—2005年12月31日逐日入湖数据连续模拟。模拟结果如图 6(a)所示, 随泵站抽水能力和启动水位变化, 蓄水体年均供水量存在明显的平台效应, 此时区域蓄水体年均供水量约为3.6亿m3、泵站抽水能力50 m3/s, 泵站启动水位为33.9 m。图 6(b)反映了区域蓄水体和南四湖上级湖弃水随泵站抽水能力和启动水位的变化关系, 从该图可以明显看出, 当泵站抽水达到一定量级时, 区域蓄水体存在明显的弃水现象, 这表明泵站启动水位、泵站抽水能力和区域蓄水体容积存在一个合理区间。

      图  6  区域蓄水体容积固定时区域蓄水体可供水量、弃水与泵站抽水能力和泵站启动水位的关系

      Figure 6.  Response of available water supply and surplus water amount of regional storages to pumping capacity of pumping stations and their start-up water level

      (3) 多目标综合分析。采用1962—2005年长系列逐日入湖资料, 利用建立的浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型进行综合分析。区域缺水量最小与区域蓄水体弃水最小2个目标函数之间的竞争关系如图 7所示。当年均缺水量2.25亿m3和区域蓄水体弃水为0.175亿m3时, 目标函数加权(等权)平均最小, 可认为是最适宜规模, 此时泵站启动水位33.75 m、泵站抽水能力为48 m3/s、区域蓄水体容积4.8亿m3图 8为该条件下1962—2005年来水情况下的全年和汛期供水量年际变化图, 从该图可以看出湖泊可供水量年际差异大, 最大值可到6.2亿m3, 但有的年份则取不到水, 例如枯水年组1987—1989年、2000—2002年等, 多年平均供水量3.63亿m3, 多年平均汛期供水量1.56亿m3, 相当于超过2年一遇以上降水条件发生时才能取到水, 远低于文献[17]方法的评价结果6.78亿~7.33亿m3

      图  7  区域缺水量最少和蓄水体弃水最小目标函数间的竞争关系

      Figure 7.  Competitive relationship between the objective function of the reginal minimum water shortage and the objective function of the minimum surplus water of the storage area

      图  8  汛期和全年洪水资源可利用量

      Figure 8.  Floodwater available during the flood season and full year

    • 针对目前浅水湖泊洪水资源开发规模评价, 较少考虑区域来水和需水不确定性与工程调度方式, 评价结果往往偏于乐观, 导致工程建设规模偏大, 易于造成浪费等问题。本文基于浅水湖泊滨湖反向调节洪水资源利用方式, 建立了模拟与优化相结合的湖泊洪水资源适度开发规模优选模型, 详细论述了模型的建立过程, 并以南四湖流域为例开展了应用, 具体结论如下:

      (1) 评价了南四湖滨湖区可用于反向调节利用洪水的蓄水体分布与容积, 容积总量为9.67亿~13.61亿m3, 包括煤矿塌陷区容积7.89亿~11.83亿m3、中小型水库兴利库容1.88亿m3(总库容2.98亿m3)。

      (2) 调查了南四湖滨湖地区潜在用水户分布, 并对2020年需水量进行了预测。50%和75%条件下需水量分别为14.75亿m3和16.44亿m3, 这些需求由当地地表水、地下水、引黄水、引江水与湖泊水等多水源共同提供。

      (3) 利用1962—2005年长系列逐日入湖资料, 模拟了湖泊洪水资源开发规模(河道外可供水量)与工程建设规模(泵站抽提能力、区域蓄水体容积)的互动关系, 发现其并不呈现线性增加关系, 存在明显的阈值效应。

      (4) 泵站启动水位33.75 m(上级湖)、抽水能力为48 m3/s、区域蓄水体容积4.80亿m3时, 利用规模最为适宜, 多年平均全年供水量3.63亿m3、汛期1.56亿m3, 相当于超过2年一遇降水条件发生时汛期才能取水, 否则可能会影响下游生态与供水安全。

      通过实例研究, 对浅水湖泊流域洪水资源利用实践得到的启示:对于调蓄能力不高且与周边水量交换频繁的浅水湖泊, 例如南四湖、太湖、鄱阳湖、洞庭湖等, 滨湖反向调节挖掘洪水资源利用潜力, 兼具普遍性和安全性, 但平衡工程建设规模、河道外供水和河湖生态安全, 寻求洪水资源“适度”开发规模是非常必要的;同时在实施过程中, 要加强水文预报与精细化调度, 既要充分利用好本应下泄的入湖洪水, 也要防止因事先过多占用坡面“防洪库容”而增加内涝风险。

参考文献 (19)

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