四湖流域地处江汉平原腹地,三面环水,其过境河流有长江、汉江和东荆河。因境内原有4个大型湖泊(长湖、三湖、白鹭湖和洪湖)而得名[ 1 ] 。全流域总面积10 375 km2 ,根据流域排灌特点分为上、中、下3个区。长湖、田关河以上地区为上区,流域面积3 240km2。长湖、田关河以下为中下区, 流域面积7 135km2。
长湖位于四湖上区,是上区唯一的大型调蓄湖泊,既调蓄四湖上区洪(涝)水,承担上区防洪排涝任务,又向长湖周边2. 3万hm2 灌区和中区总干渠两岸1. 38万hm2 灌区提供灌溉水源,因而具有举足轻重的地位。
近年来,随着四湖地区经济的快速发展,水资源问题日渐突出。不断增加的荆州城区废污水经豉湖渠进入总干渠后,导致总干渠水质严重恶化。根据2007年5月的水质监测资料,总干渠豉湖渠入口以下水质由Ⅲ类下降为Ⅴ类。为了改善水环境,增加水体流动性,提高水体纳污能力,需加大长湖下泄总干渠水量。但是,长湖目前自身综合利用任务很重,需要为周边及四湖总干渠两岸共3. 67万hm2 耕地提供灌溉水源,而流域自产水资源量相对较小,调蓄容积有限,仅依靠其当地径流很难为四湖中区提供较丰富的补充水源,以满足日渐增长的生态用水需求。因此考虑通过提高长湖越冬水位,以增加水源的储备量,同时运用外流域引水等措施,来实现流域水资源的合理配置[ 2 - 3 ] 。
本文主要针对以长湖为中心的水资源配置体系中出现的新情况、新问题,在流域水污染防治、水资源保护、灌溉、供水、航运等研究成果的基础上,从水力调配的角度提出相应的对策措施或建议。
1 供需分析
1. 1 需水分析
需水主要包括水环境需水和灌溉需水两部分:
(1) 生态环境需水。为了加大总干渠的水环境容量,改善水环境,结合水污染防治规划,在控制排污总量的前提下,需要加大长湖下泄四湖总干渠的水量。
(2) 农业灌溉需水。在规划水平年情况下,其需水包括总干渠两岸通过总干渠进行直灌的灌区需水,长湖周边以长湖为水源的提灌区和直灌区需水量。需水量的确定需考虑的因素较复杂,不是本文关注的重点,因此本文将直接引用相关成果。
1. 2 来水分析
长湖来水组成较复杂,既有流域的当地径流,又包括漳河灌区和太湖港灌区(万城闸引入)的回归水。因此,可根据历年习家口闸向总干渠下泄和刘岭闸向田关河排水的流量资料及历年长湖实测水位资料,同时考虑湖面蒸发和渗漏等因素,通过水量平衡的方法对来水进行还原分析,得到长湖天然来水过程。
2 拟定配置方案
为了实现水资源配置的目标,解决长湖自身产水不足,调蓄容积有限等问题,首先应考虑在不影响长湖防洪排涝条件的前提下,采取将长湖枯期水位由30. 5m调整至31. 0 m的非工程措施,从而增加长湖枯期蓄水。同时在此基础上,结合考虑流域的特点以及现实可能性,从维持流域现有工程布局的角度,通过采取从沮漳河引水(万城闸→太湖港→长湖)和汉江引水(新城闸→西荆河→双店排洪渠→长湖)实施引清调度的工程措施,进而配合截污、整治等水污染防治综合措施,提高下泄四湖总干渠水量,进而提高总干渠的水环境容量,满足日益增长的灌溉、生态等水的需求[ 4 ]。
对从汉江引水措施,因新增引水量补济长湖与南水北调中线规划布局不相协调,且影响因素较为敏感,故从汉江(新城)引水分为多引水和少引水两种方案。
通过将上面3种措施进行组合和整理,按照层层递进的原则,拟定了如下5个具体方案:
(1) 方案1 (现状方案) 。不考虑从外流域引水,长湖枯期水位维持在30. 5 m,此为基准方案。
(2) 方案2 (水位调整方案) 。不考虑从外流域引水,将长湖枯期水位调整至31. 0 m。
(3) 方案3 (沮漳河引水方案) 。仅考虑从沮漳河引水补济长湖,将长湖枯期水位调整至31. 0 m。
(4) 方案4 (汉江少引水方案) 。在方案3的基础上,按不影响兴隆电站发电效益,增加从汉江新城引水的措施。
(5) 方案5 (汉江多引水方案) 。在方案3的基础上,按引江济汉工程分期补水目标增加从汉江新城引水的措施。
3 调度规则与配置模型
根据拟定的方案,建立模型如下:
(V2 - V1 ) / t = Q长湖来水+Q万城+Q汉江- Q习家口-Q刘岭- Q灌区- Q蒸发- Q渗漏(1)
式中, Q长湖来水为单位时段长湖来水, m3 / s; Q万城为单位时段沮漳河万城闸可供水量, m3 / s; Q汉江为单位时段汉江新城可供水量, m3 / s; V1、V2 为时段初、末长湖湖泊蓄水量, m3 ; t为单位时段, s; Q习家口为单位时段习家口闸下泄总干渠水量, m3 / s; Q刘岭为单位时段刘岭闸下泄田关河水量, m3 / s; Q灌区为单位时段灌区灌溉消耗水量, m3 / s; Q蒸发为单位时段长湖湖面蒸发量,m3 / s; Q渗漏为单位时段长湖渗漏损失水量, m3 / s。
习家口闸控制下泄总干渠所需的水量包括生态环境需水量和总干渠沿线灌区的灌溉需水量。该闸启闭的调度规则受长湖水位控制,当长湖水位低于死水位29. 5 m 时,该闸停止下泄,当汛期长湖水位达到33. 0 m时,习家口闸将有控制地下泄,设计流量为70m3 / s。
刘岭闸启闭的调度规则受长湖水位控制,当汛期(4～10月)长湖的正常蓄水位超过30. 5 m,枯期( 11月至次年3月)超过31. 0 m (30. 5 m)时,该闸开启泄水。
沮漳河万城闸供水为扣除沮漳河万城闸断面的保证最小生态流量和太湖港灌区的需水量后,根据长湖水位情况泄入太湖港(港北渠)的水量。在汛期( 4～10月) ,当长湖水位高于正常蓄水位30. 5 m时,该闸关闭停止引水;在枯期(11月至次年3月) ,当长湖水位高于越冬蓄水位31. 0 m时,该闸关闭停止引水,其最大引水流量不超过15 m3 / s。
汉江新城供水为有条件引水,一方面在不影响兴隆电站发电效益的基础上实施引水;另一方面在以不影响引江济汉工程补水目标的前提下实施引水。该闸的启闭调度规则受长湖水位控制,在汛期(4～10月) ,当长湖水位高于正常蓄水位30. 5 m时,该闸关闭,停止引水;在枯期(11月至次年3月) ,当长湖水位高于越冬水位31. 0 m时,该闸关闭停止引水。
4 方案优选
采用典型年法,按水文年(4月至次年3月)逐日进行平衡计算。得到5个方案的计算结果,见表1。
表1 长湖供需平衡分析成果
根据上述结果分析,方案1和方案2均不能满足目标要求,说明仅依靠长湖当地水资源,不可能满足总干渠的最小水环境容量及其直灌面积的灌溉水需求,故不予推荐;而方案5 (汉江多引水方案) ,尽管补水效果较好,但由于过多的引水将会给该江段其他用水户造成影响,因而也不予推荐。方案3仅考虑从沮漳河万城闸引水补济长湖,基本满足目标要求,引水效果较好。方案4在考虑从沮漳河万城闸引水和将长湖越冬水位提高到31. 0 m的基础上从汉江适量引水,引水效果最好,达到了本次水资源配置的目标,同时考虑到从汉江适量引水又有利于水体循环流动和航运发展,故作为本次推荐方案。
5 结语
本文针对长湖目前水资源配置中存在的主要问题,为满足生态环境和农业灌溉等多用户的需水,通过综合运用引水和调整优化长湖调度规则等工程与非工程措施,建立了以长湖为中心的水资源配置模型,并求解模型得到较合理的配置方案。今后可考虑运用节水措施,优化区域产业结构布局,建立水权市场等方案来进一步实现水资源的合理配置,同时开展基于生态效益和经济效益的方案比较分析。上述问题值得以后进一步研究[ 5 ] 。
参考文献:
[ 1 ] 湖北省水利水电勘测设计院,湖北省水文水资源局,湖北省水利水电科学研究所. 四湖流域综合规划[ R ]. 武汉:湖北省水利水电勘测设计院, 2007.
[ 2 ] 徐建新,商崇菊,高峰,等. 基于可持续发展的水资源优化配置模型研究与应用[ J ]. 海河水利, 2006, (1) : 40 - 43.
[ 3 ] 宁辉. 水资源优化配置的研究与展望[ J ]. 水资源研究, 2009,(12) : 12 - 18.
[ 4 ] 吴泽宁,索丽生. 水资源优化配置研究进展[ J ]. 灌溉排水学报,2004, (4) : 1 - 5.
[ 5 ] 粟晓玲,康绍忠. 石羊河流域多目标水资源配置模型及其应用[ J ]. 农业工程学报, 2009, 25 (11) : 128 - 132.
作者简介:常 达,男,工程师,主要从事水利水电工程规划设计工作。
