注入式水庫興利庫容調節計算方法探討
----以平涼市崆峒區北楊澗水庫為例

金彥兆，盧書超

(甘肅省水利科學研究院 蘭州 730000)

平涼市崆峒區北楊澗水庫列入全國抗旱應急備用水源工程規劃，設計采用注入式年調節水庫，分為1號、2號庫區。注入式水庫興利庫容調節計算不同于一般河床式水庫，其水庫來水過程同時受控于天然來水過程和引水管道的引水過程，計算過程的最大不同之處在于河床式水庫棄水發生在水庫蓄滿之后，而注入式水庫在河道來水流量超過引水管道引水能力之時以及水庫蓄滿之后均發生棄水，事實上，這兩部分棄水均未進入水庫，而是通過引水樞紐泄沖閘直接下泄河道。因此，在確定水庫調度運行規則的基礎上，按照“以需定供”的原則確定引水管道的引水能力，是進行注入式水庫興利庫容調節計算的最基本條件。

1 水庫工程基本情況

平涼市崆峒區北楊澗水庫位于涇河北岸一級支流北楊澗河。北楊澗河發源于崆峒區寨河鄉高寨村，屬典型的黃土高原丘陵溝壑第二副區，水土流失極為嚴重。為盡量避免泥沙淤積對北楊澗水庫安全運行帶來的一系列問題，最大限度合理利用有限水資源，提高供水保證率，規劃北楊澗水庫采用注入式年調節水庫，其水庫工程系統主要由引水樞紐、沉沙池、引水管道和水庫工程等組成。

北楊澗水庫取水樞紐以上控制流域面積237 km2。引水樞紐位于北楊澗河口上游3.0 km處，由進水閘、泄沖閘和溢流壩組成。沉沙池位于引水樞紐下游30 m處的右岸臺地上，有效容積7 375 m3。引水管道自沉沙池開始跨過主河道后，沿河道左岸階地布置，總長3.493 km。水庫工程包括1號、2號2座注入式水庫，布置在入河口以下的涇河左岸灘涂地上。

2 水庫引水樞紐斷面可引用水量計算

2.1 引水樞紐斷面徑流量

北楊澗河流域內無水文測站，但在相鄰流域大路河上設有窯峰頭水文站，控制流域面積219 km2。北楊澗河與大路河同屬涇河一級支流，分析認為具有相近的氣象因素及下墊面條件。因此，利用窯峰頭水文站水文資料，采用鄰近流域水文比擬法，計算得到北楊澗水庫引水樞紐斷面多年平均徑流量為813.89萬m3。

2.2 不同頻率徑流年內分配

如前所述，北楊澗河與大路河具有相近的氣象因素及下墊面條件，采用大路河窯峰頭水文站作為參證站計算確定水庫引水樞紐斷面年內徑流分配過程。經對窯峰頭水文站系列資料進行頻率分析，選用窯峰頭站典型年年內徑流逐月分配比例，計算確定北楊澗水庫引水樞紐斷面不同頻率年內逐月徑流分配過程。具體計算結果見表2。

2.3 引水樞紐斷面以上用水量及下泄生態流量

根據有關規定，北方河流生態基流原則上不小于多年平均流量的10%，枯水時段不小于同期流量均值的20%?？紤]本工程區域特點，非汛期11-翌年4月下泄生態用水量按同期平均徑流量的20%確定，5-10月按同期平均徑流量的10%確定。具體計算結果見表3。

表1 北楊澗水庫引水樞紐斷面不同頻率徑流計算成果表

表2 北楊澗水庫引水樞紐斷面徑流年內分配過程計算結果表 萬m3

表3 北楊澗水庫引水樞紐斷面下泄生態流量計算結果表 萬m3

另外，水庫引水樞紐斷面以上僅分布有零星村落，人口稀少，生活用水量相對較小，除此之外，無灌溉及廠礦企業用水，具體分析時農村人口生活用水量忽略不計。

2.4 引水樞紐斷面可引用水量

在前述50%、75%、90%和95%頻率徑流量基礎上，扣除斷面上游用水量、生態下泄流量的剩余水量，即為水庫引水樞紐斷面可引用水量。經計算，50%、75%、90%和95%頻率下引水樞紐斷面可引用水量分別為663.41、469.19、342.71和286.33萬m3。

3 規劃水庫供水對象及供水過程

3.1 農村生活用水

水庫工程規劃年供水人口16 877人，農村生活用水定額按60 L/(人·d)計算，設計供水保證率95%。其中大小牲畜用水依靠原有供水系統解決，不計入本水庫工程供水范圍內。農村生活用水過程計算結果見表4。

3.2 農業灌溉用水

本水庫工程規劃對區域內492 hm2耕地實施高效節水灌溉，綜合毛灌溉定額4 525.33 m3/hm2。其中溫室蔬菜占12%，采用滴灌系統灌溉，設計灌溉保證率90%；大田小麥、玉米、胡麻、蔬菜、經濟林等占88%，采用管道輸水系統灌溉，設計灌溉保證率75%。依據規劃確定的各種作物灌溉制度分時段進行灌溉需水計算。農村灌溉用水過程計算結果見表4。

3.3 其他用水及管網漏失量

農村建筑及其他用水按農村生活用水的10%估算，管網漏失按農村生活與農村建筑用水的10%估算，水廠自用水量按平均日供水量的5%計算。具體計算結果見表4。

3.4 水庫蒸發損失

水庫蒸發損失為水庫建成后的水庫水面蒸發損失，其值等于水面蒸發強度乘以該月水庫水面的平均面積。北楊澗水庫水面蒸發強度見表5。

表4 北楊澗水庫規劃用水對象用水量計算結果表 萬m3

表5 北楊澗水庫水面蒸發強度分析結果表 萬m3

3.5 水庫滲漏損失

規劃北楊澗水庫為注入式水庫，壩址地質條件良好，無永久滲漏通道，且規劃對庫底、壩體均進行防滲處理，滲漏損失相對較小。參考類似工程經驗，確定北楊澗水庫滲漏損失按水庫月平均蓄水量的0.1%計算。

4 引水流量確定

注入式水庫引水流量按照“以需定供”的原則確定，即引水量等于規劃工程總供水量與水庫蒸發、滲漏損失之和。其引水流量應按式(1)計算確定：

W引=W引1+W引2

(1)

其中：

(2)

W引2=10Q·tiQi≥Q

(3)

式中：W引為設計引水量，系非農業用水、農業灌溉用水以及水庫蒸發滲漏損失之和，萬m3；W引1為典型年月平均可引水流量小于引水流量時的總引水量，萬m3；W引2為典型年月平均可引水流量大于引水流量時的總引水量，萬m3；Qi為典型年第i月可引水流量，m3/s；Q為引水管道設計引水流量，m3/s；ti為第i月設計引水時間，s。

5 水庫特征曲線確定

水庫特征曲線包括水庫面積曲線和水庫容積曲線。本水庫設計采用注入式水庫，建設在北楊澗河入河口下游的涇河左岸灘涂地上，包括1號、2號兩個庫區。水庫采用半挖半填形式，經人工修整后總體呈梯形結構。為在庫容調節計算時方便計算水面蒸發量，繪制水庫面積----容積曲線。經回歸分析，1號、2號兩個庫區的水庫面積----容積曲線均可近似地用數學方程(4)表示：

S=4.8+0.051V

(4)

式中：S為水庫水面面積，萬m2；V為相應水面下的水庫蓄水量，萬m3。

6 興利庫容調節計算

6.1 水庫任務及供水保證率

規劃水庫主要承擔農村生活用水和農業灌溉供水任務，其供水保證率分3種情形，其中農村生活供水保證率95%，農業滴灌工程灌溉保證率90%，農業管道灌溉工程灌溉保證率75%。因此，應分3種情形，分別進行水庫興利庫容的調節計算。

6.2 調度運行規則

(1)堅持“以供定需”的原則，最大引水量按水庫供水對象的需水要求計算確定。

(2)規劃1號、2號水庫均為年調節水庫，并按最合理水文年進行調節計算。

(3)根據水庫蓄水情況，清淤檢修期安排在每年的6、7、8月輪流進行。

(4)調節計算時，非檢修期按1號、2號水庫同時均勻蓄水計算。

6.3 水量保障供給規則

在75%來水頻率情況下，所有供水對象應全部滿足供水；90%來水頻率情況下，應首先保證農村生活和滴灌工程供水，其余可供水量用于管道灌溉工程；95%來水頻率情況下，除滿足農村生活用水外，其余可供水量依次供給滴灌、管灌工程。

6.4 調節計算

6.4.1一次調節計算

1)在75%來水頻率下，月最大引水量29.21萬m3時(折合最大月平均引水流量0.11 m3/s)，所有用水都能得到滿足，水庫興利庫容52.99萬m3，1座水庫即可滿足調蓄要求，年總供水量275.09萬m3，其中非農業46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發5.19萬m3，滲漏0.27萬m3。

(2)在90%來水頻率下，月最大引水量43.95萬m3時(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，所有用水都能得到滿足，水庫興利庫容93.19萬m3，年總供水量280.66萬m3，其中非農業46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發10.46萬m3，滲漏0.58萬m3。

(3)在95%來水頻率下，月最大引水量117.33萬m3時(折合最大月平均引水流量0.45m3/s)，所有用水都能得到滿足，但水庫興利庫容138.40萬m3，年總供水量283.24萬m3，其中非農業46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發12.36萬m3，滲漏1.26萬m3。

由此可見，在引水流量、水庫庫容都沒有限制的前提下，75%、90%、95%頻率年的來水均可滿足規劃供水要求，但在95%來水頻率下，所需引水流量、水庫庫容均較大，不符合經濟利用的原則。因此，在此來水頻率下，必須限制低保證率供水，以便減小引水流量和水庫庫容，降低投資。

6.4.2二次調節計算

95%來水頻率情況下，限制低保證率管灌工程供水，按滿足65%供水要求考慮，月最大引水量43.95萬m3時(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，可按計劃供水，水庫興利庫容88.53萬m3，年總供水量209.85萬m3，其中非農業46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌132.66萬m3，蒸發10.57萬m3，滲漏0.68萬m3。

北楊澗水庫興利庫容調節計算結果見表6～表9。

表6 北楊澗水庫興利庫容調節計算表(一次調節計算，P=75%) 萬m3

表7 北楊澗水庫興利庫容調節計算表(一次調節計算，P=90%) 萬m3

表8 北楊澗水庫興利庫容調節計算表(一次調節計算，P=95%) 萬m3

表9 北楊澗水庫興利庫容調節計算表(二次調節計算，P=95%) 萬m3

6.5 興利庫容確定

在前述一次調節計算75% 、90%來水頻率以及二次調節計算95%來水頻率計算結果中，按照“保守挑大法”原則，確定北楊澗水庫興利庫容為93.19萬m3。此時，在75%、90%來水頻率情況下，可保證所有規劃供水對象的用水需求，在95%來水頻率情況下，除保證非生產用水、高標準設施農業溫室滴灌用水外，只能保證管灌工程65%的用水需求。

7 結 語

興利庫容是水庫工程總體規模的重要組成部分。探討注入式水庫工程興利庫容調節計算方法，科學合理地確定興利庫容，不僅是確定水庫工程規模的重要依據，而且對進一步完善水庫工程規劃設計理論與方法具有重要參考作用和借鑒意義。

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