子洲縣康家溝水庫設(shè)計規(guī)模論證及運行方式研究

馬永勝　王　凱　霍　磊

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院　陜西　西安　710001）

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子洲縣康家溝水庫設(shè)計規(guī)模論證及運行方式研究

馬永勝王凱霍磊

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院陜西西安710001）

摘要子洲縣康家溝水庫位于子洲縣大理河左岸楊家溝入口處，該水庫由大理河抽水?dāng)y砂入庫，筆者在引水管道不同抽水設(shè)計流量、泵站不同抽水沙限、及水庫不同特征水位參數(shù)的不同組合邊界條件下，建立康家溝水庫優(yōu)化調(diào)度模型，進行不同調(diào)節(jié)方案的計算比選，論證出水庫合理的工程規(guī)模及其對應(yīng)的調(diào)度運行方式，實現(xiàn)康家溝水庫供水效益最優(yōu)。并對陜北地區(qū)類似抽水?dāng)y砂入庫的水庫工程有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞康家溝水庫；抽水?dāng)y砂；規(guī)模論證；運行方式

1　工程概況

子洲縣位于陜西省北部、榆林市南端，子洲縣降水特點為年際變化大，年內(nèi)分布不均勻，且多以暴雨形式出現(xiàn)。降水主要在7、8、9三個月，占多年平均降水量的69.8%，且多呈暴雨形式，歷時短，強度大，災(zāi)害性強。子洲縣徑流受降水特點的影響，也呈現(xiàn)出年際變化大，年內(nèi)分配不均，且多以洪水形式出現(xiàn)的特點。大理河屬無定河一級支流，發(fā)源于陜西省靖邊縣南部的白于山東側(cè)，自西向東流經(jīng)陜西省靖邊、橫山、子洲三縣，至綏德縣城附近注入無定河，是該縣第一大河。康家溝水庫大壩位于大理河一級支溝楊家溝上，壩址位于子洲縣楊家溝村，壩址上游沒有任何建筑控制，楊家溝為大理河左岸的小溝道，流區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，屬黃土丘陵溝壑區(qū)。

子洲縣康家溝水庫是以供水為主，兼有防洪、攔泥任務(wù)的綜合性水利樞紐工程，水庫工程主要任務(wù)是通過大理河上的抽水泵站抽取的大理河來水，經(jīng)輸水管道抽水?dāng)y砂儲蓄在康家溝水庫中，經(jīng)過供水管道自流供至子洲縣凈水廠，為子洲縣雙湖峪鎮(zhèn)、苗家坪鎮(zhèn)以及苗家坪工業(yè)園區(qū)補水。該水庫建成后，將是子洲縣最大的供水工程，對解決制約子洲縣工業(yè)園區(qū)建設(shè)的瓶頸，加快子洲縣經(jīng)濟社會發(fā)展，提高人民生活水平具有重大意義[1]。

2　方案研究邊界條件

2.1大理河可利用徑流量

根據(jù)大理河抽水?dāng)嗝?964年10月～2013年9月49年長系列逐日水沙過程，大理河抽水?dāng)嗝娑嗄昶骄烊粡搅髁繛?.3億m3。大理河下游綏德站基本斷面以上的用水量統(tǒng)計結(jié)果，設(shè)計水平年下按照農(nóng)業(yè)年用水量保持不變，非農(nóng)業(yè)年用水量考慮一定增長計算，通過計算綏德站基本斷面以上的用水量，采用面積比擬法確定大理河抽水?dāng)嗝嫔嫌魏挠每鬯俊＝?jīng)計算，大理河抽水?dāng)嗝嫔嫌味嗄昶骄盟繛?871.5 萬m3。根據(jù)《水資源供需預(yù)測分析技術(shù)規(guī)范》（SL429.2008），北方河流一般采用多年平均年徑流量的10%～20%作為河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量，本次采用10%。則大理河抽水?dāng)嗝婧拥纼?nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量為1294.5萬m3/a，折合流量為0.41m3/s。

根據(jù)大理河抽水?dāng)嗝娌煌诚薇冗x方案分析，初擬取水?dāng)嗝嫒∷诚逓?0kg/m3。扣除斷面上游耗用水量并考慮0.41m3/s下泄生態(tài)流量，在取水沙限范圍內(nèi)大理河抽水?dāng)嗝娴目梢繛?522.6萬m3。

2.2泵站設(shè)計流量

康家溝水庫可調(diào)節(jié)水量由大理河經(jīng)泵站抽水?dāng)y砂入庫，因此大理河入庫水量受泵站抽水流量限制。

2.3泵站抽水沙限

大理河為多泥沙河流，康家溝水庫由泵站抽取大理河徑流，不同的水沙系列，對應(yīng)不同可調(diào)節(jié)水過程，因此大理河泵站抽水沙限對直接決定引水過程。

2.4設(shè)計需水量

根據(jù)子洲縣雙湖峪鎮(zhèn)、苗家坪鎮(zhèn)二鎮(zhèn)國民經(jīng)濟發(fā)展水平，依供水區(qū)域的社經(jīng)統(tǒng)計資料，確定設(shè)計基準年為2012年，設(shè)計水平年為2020年。通過對不同水平年，供需水量測算平衡分析：設(shè)計水平年下折算至水源地的缺水量高達691萬m3。

2.5其他條件

考慮水庫蒸發(fā)滲漏損失，以及相關(guān)輸水損失條件。

3　水庫調(diào)節(jié)計算及運行方式研究

3.1康家溝水庫調(diào)節(jié)計算原則[2]

（1）首先滿足大理河抽水?dāng)嗝嫔嫌慰鬯约跋掠巫钚∩鷳B(tài)流量，在考慮沙限以及取水設(shè)計流量下，供給城鎮(zhèn)生活、生產(chǎn)用水；

（2）供水對象的供水保證率：城鎮(zhèn)生活、工業(yè)保證率不低于95%；

（3）調(diào)節(jié)時段為旬；

（4）調(diào)節(jié)從1964年10月上旬起、到2013 年9月下旬結(jié)束，共49年調(diào)節(jié)年份，水庫從空庫起調(diào)空庫結(jié)束，完成整個調(diào)節(jié)周期。

3.2優(yōu)化調(diào)節(jié)模型建立

水資源配置[3]基本原則主要包括：安全性原則；防洪優(yōu)先原則；公平性原則；寬淺式破壞原則；尊重現(xiàn)有分水協(xié)議原則；需水供給優(yōu)先序原則；各種水源的供水次序規(guī)則等。水資源的優(yōu)化配置原則為水資源可持續(xù)利用的高效性、公平性和可持續(xù)性，從微觀上看，水資源的配置還應(yīng)遵循高水高用、優(yōu)水優(yōu)用的原則。

水資源最優(yōu)調(diào)度的模型一般可分為兩大類，第一類為優(yōu)化模型，該模型能夠找出問題的最優(yōu)解，結(jié)果不受人為因素的影響，具有科學(xué)性、合理性，但對于復(fù)雜的水資源系統(tǒng)。優(yōu)化模型的描述不可能恰如其分，一定程度上存在建模、求解難度大的問題，而且目前水資源系統(tǒng)問題的研究不再一味地追求“解”的最優(yōu)性，而逐漸重視方案的滿意程度。第二類為模擬模型，該模型是基于系統(tǒng)仿真原理的模擬方法，根據(jù)水資源系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種運行工況，建立模型（即調(diào)控規(guī)則），選擇調(diào)控參數(shù)，然后再計算機上通過大量的模擬試驗，從中找出決策者滿意的水資源配置方案。這種模型計算簡單、不存在維數(shù)災(zāi)，但計算工作量大，要通過許多次的模擬試驗才能獲得滿意解，適用于求解復(fù)雜條件下的水資源調(diào)配問題[4]。

通過上述水庫調(diào)度理論建立康家溝水庫調(diào)節(jié)計算方程及應(yīng)滿足約束條件

（1）水庫水量平衡約束

表1　康家溝水庫不同正常蓄水位方案調(diào)節(jié)結(jié)果表

圖1　康家溝水庫調(diào)節(jié)計算流程圖

（2）水庫庫容約束

Vmin（m，t）一般為死庫容，Vmax（m，t）允許的最大庫容

（3）水庫供給量平衡約束

上述n個節(jié)點是水庫m的供水對象。

3.3水庫特征參數(shù)確定

3.3.1不同沙限比選

抽水與沙限原則是：擬合的不同抽水流量與沙限方案應(yīng)在滿足工程任務(wù)的要求下，考慮水庫抽水的淤積沙量，進行多方案綜合比選確定。

根據(jù)工程運行方式和調(diào)度原則，首先擬定抽水泵站不同的抽水沙限限制選取沙限25kg/m3，30kg/m3和35kg/m3三個方案進行分析比較，沙限25kg/m3方案不能滿足水庫供水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水保證率要求；沙限30kg/m3、35kg/m3均能滿足水庫供水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水調(diào)水量、保證率95%、以及破壞深度的要求。而沙限35kg/m3的工況下，水庫的淤積沙量較多，水庫有效運用年限必然減小。因此，沙限選擇30kg/m3相對較合理。

3.3.2不同抽水設(shè)計流量比選

在初擬的30kg/m3沙限的條件下，選取抽水流量0.8m3/s，1m3/s和1.2m3/s三個方案進行分析比較，從滿足工程開發(fā)任務(wù)來看，抽水流量0.8m3/s不能滿足水庫供水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水量及保證率要求；抽水流量為1m3/s、1.2m3/s分均能滿足水庫供水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水量、保證率要求。在抽水流量1m3/s 與1.2m3/s的工況下，兩種方案的多年平均供水量相差不大。而抽水流量1.2m3/s輸水管道規(guī)模相對偏大投資較多，因此，抽水流量選擇1m3/s相對較合理。

3.3.3水庫特征水庫確定

康家溝水庫死水位的確定：綜合考慮水庫泥沙淤積與供水建筑物的布置要求，由于水庫運用30年后，壩前淤積高程為938.82m，考慮工程使用壽命內(nèi)，均能取到滿足保證率要求的供水量，且取水口不產(chǎn)生漩渦，要保證一定的淹沒深度。綜合分析后確定死水位為940.0m。

按照康家溝水庫的運行方式和調(diào)節(jié)原則，在初選死水位為940m時，進行951m、953m、955m三個正常蓄水位方案比選，其調(diào)節(jié)結(jié)果見表1。

從滿足工程開發(fā)任務(wù)來看，康家溝水庫正常蓄水位為951m時，受水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水保證率為94.7%，不滿足工程任務(wù)的要求；正常蓄水位953m、955m均能滿足受水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水保證率的要求，而正常蓄水位955m，雖然滿足工程任務(wù)的要求，但康家溝水庫規(guī)模稍顯偏大，相對而言，蓄水位953m方案規(guī)模適中。從工程投資來看，正常蓄水位越高，所需單位引水量投資越大，選擇正常蓄水位為953m較合理。

從經(jīng)濟評價角度對滿足工程任務(wù)要求的Ⅱ、Ⅲ方案進行經(jīng)濟分析，可見，方案Ⅱ?qū)?yīng)的經(jīng)濟內(nèi)部收益率為10.88%，方案Ⅲ對應(yīng)的經(jīng)濟內(nèi)部收益率為10.60%，兩方案均滿足8%的社會折現(xiàn)率，均具有可行性，但方案Ⅱ?qū)?yīng)的經(jīng)濟內(nèi)部收益率較大，正常蓄水位953m對應(yīng)的方案Ⅱ更為合理。

通過上述技術(shù)經(jīng)濟比較，正常蓄水位為953m的方案較優(yōu)。

3.4調(diào)節(jié)結(jié)果分析

3.4.1水庫特征參數(shù)

擬合的不同抽水流量與沙限在滿足工程任務(wù)要求下，抽水泵站在30kg/m3與對應(yīng)其抽水流量1m3/s時，泵站運行經(jīng)濟合理。考慮水庫抽水的淤積沙量綜合考慮康家溝水庫泥沙淤積與供水建筑物的布置要求，確定死水位為940m。在滿足受水對象工業(yè)及城鎮(zhèn)生活用水情況下，進行多方案調(diào)節(jié)比選以正常蓄水位953m較優(yōu)。

3.4.2水庫運行方式

考慮生態(tài)基流及取水口斷面沙限情況下，工程從大理河抽水向受水區(qū)供水，若滿足受水區(qū)需水要求，余水進行充庫；若不滿足，則水庫相機供水。當(dāng)水源取水口不滿足斷面生態(tài)基流和取水沙限的狀況時，利用康家溝水庫調(diào)蓄進行供水，滿足各受水區(qū)的供水任務(wù)要求。

4　結(jié)論

上述，通過對子洲縣康家溝水庫在引水管道不同抽水設(shè)計流量、泵站不同抽水沙限、及水庫不同特征水位參數(shù)的不同組合邊界條件下，建立康家溝水庫優(yōu)化調(diào)度模型，進行不同調(diào)節(jié)方案的計算比選，論證出水庫合理的工程規(guī)模及其對應(yīng)的調(diào)度運行方式，其過程對陜北地區(qū)多泥沙河流修建反調(diào)節(jié)水庫，具有借鑒意義，水庫規(guī)模論證及調(diào)度運行方式確定需綜合考慮水文、地質(zhì)、流域水沙系列特性、及供水要求特點，進行多方案組合比選，通過建立優(yōu)化調(diào)度模型，律定調(diào)度調(diào)節(jié)各參數(shù)，模擬水庫調(diào)度過程，最終在“方案集”中選出“最優(yōu)解”。由于各水庫特性以及模型邊界條件的不同，尋求“最優(yōu)解”的過程也不完全一樣，但均應(yīng)基于技術(shù)經(jīng)濟比選尋找各平行方案“拐點”這一原則。陜西水利

參考文獻

[1]《陜西省榆林市子洲縣康家溝水庫可研報告》，陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，2015.3.15

[2]調(diào)水工程設(shè)計導(dǎo)則（SL430.2008）[S] .北京：中國水利水電出版社,2008(12)

[3]黃強暢建霞水資源系統(tǒng)多維臨界調(diào)控的理論與方法[M].北京：中國水利水電出版社,2007(8)

[4]暢建霞黃強王義民南水北調(diào)中線工程水量仿真調(diào)度模型研究[J].北京：水力學(xué)報, 2002(12)21—25.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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