榆林市馬鎮黃河引水設計徑流計算分析

席雅娟，霍 磊

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 基本情況

1.1 工程基本情況

馬鎮黃河引水工程是榆林市規劃東線黃河引水的骨干工程，解決2030年以前榆林市重點城鎮及工業園區的用水需求，是破解水資源瓶頸制約，保障榆林能源化工基地可持續發展的根本措施，馬鎮引水工程從榆林東部黃河干流府谷到神木之間的馬鎮斷面取水，年取水量約7億m3，線路長175.5 km，從東向西偏南布置，末端到王圪堵水庫。先后向神木窟野河區、榆神煤化學工業區、榆陽區、榆橫煤化學工業區及橫山區共五大區供水。

取水河段位于黃河中游，水資源短缺，供需矛盾突出，近年來沿黃地區人類活動加劇，用水需求與日俱增，導致水文情勢復雜多變，徑流有減少趨勢。斷面設計徑流的分析計算是工程規劃設計的基礎，關系到工程的安全可靠性。

本工程取水口位于府谷水文站下游46 km處，由于府谷水文站～取水口斷面區間的河流為季節性河流，來水主要集中在汛期，在非汛期經常處于斷流狀態，因此從供水安全角度考慮，采用府谷水文站斷面的設計徑流作為取水口斷面的設計徑流。

2.1 流域基本情況

黃河發源于青海省巴顏喀拉山北麓，自西向東，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東等九省（區），在山東省墾利縣注入渤海，全長5463.6 km，控制流域面積752443 km2。內蒙古托克托縣河口鎮以上為黃河上游：干流河道長3472km，流域面積42.8萬km2；河口鎮至河南鄭州桃花峪為黃河中游：干流河道長1206 km，流域面積34.4萬km2；桃花峪以下為黃河下游：干流河道長786 km，流域面積2.3萬km2。本工程取水河段位于黃河中游，地處黃土高原區，氣候干旱，降水量較少，植被較差，土質松散，水土流失嚴重，是黃河泥沙來源區之一。

本工程取水設計徑流擬采用府谷站斷面分析成果，府谷站以上黃河干流已建成大、中型水利樞紐工程有龍羊峽、李家峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、青銅峽、三盛公、萬家寨及龍口、天橋等水利樞紐等，水庫工程調蓄是影響下游斷面設計徑流分析的重要因素之一。

黃河流域有關徑流分析成果所選擇的主要水文站約30處，先后提出過不同階段的相關成果。本次選擇其中位于中上游的蘭州、下河口、河口鎮、龍門共4處主要水文站，據此對府谷站斷面徑流進行分析。見表1。徑流分析采用的主要水文站基本情況表。

府谷水文站位于黃河干流天橋電站以下，斷面以上流域面積40.4萬km2，位于上述的河口鎮站與龍門站之間。

表1 徑流分析采用的主要水文站基本情況表

2 實測徑流

在以往的規劃中，黃河流域設計徑流成果采用的是1919～1975年系列成果，2008年完成的《黃河流域水資源綜合規劃》將系列調整為1956～2000年，最新的黃河流域水文水資源相關成果系列已延長至2010年。

根據不同年代實測徑流統計資料，流域徑流量呈減少趨勢。根據典型斷面1956～2000年、2001～2010年實測徑流統計比較情況，可以看出，各斷面徑流都有不同幅度減少，上游減少幅度較小，在10%到20%左右；中游減少較多，河口鎮到龍門斷面均達到30%以上。見表2。主要水文站斷面2001～2010年實測徑流量與1956～2000年比較表。

府谷站 1956～2000年系列實測徑流 230.2億 m3，2001～2010年系列實測徑流155.7億m3，減少32.3%。

表2 主要水文站斷面2001～2010年實測徑流量與1956～2000年比較表 單位：億m3

3 天然徑流

實測徑流量主要受到兩方面影響，不能真實反映流域徑流狀況。一是受地表用水損耗及大中型水庫調蓄影響較大；二是受水利水保工程、地下水開采、煤炭開采等下墊面條件變化影響大，徑流分析需要考慮以上兩方面因素相應進行徑流還原計算與天然徑流量一致性處理，得到相同下墊面條件的流域天然徑流量，為工程設計提供科學、合理的依據?！饵S河流域水資源綜合規劃》提出了流域典型斷面的還原計算及一致性處理相關成果，根據該成果進行本工程取水口斷面天然徑流分析。

3.1 徑流還原計算

河川徑流量還原計算，基于水量平衡的原理，斷面天然徑流量等于實測徑流量加上還原水量，采用《水資源評價導則》（SL/T238-1999）規定的方法計算，即：

式中，W天然為水文站實測加還原徑流量；W實測為水文站實測徑流量；W還原指還原水量；W用水還原指用水還原水量，包括農灌耗水量、工業耗水量、城鎮生活耗水量以及跨流域引入（為正）或引出（為負）水量；W分洪為河道分洪決口水量，分出為正，分入為負；W庫蓄為大中型水庫蓄水變量，增加為正，減少為負。

可以看出，河川徑流量還原計算，主要考慮了人類利用河川徑流數量及水利工程蓄水情況，不包括水利工程及自然或人工湖泊蒸發滲漏損失、水土保持用水、地下水開采影響河川徑流數量等影響因素。見表3。主要水文站型斷面實測加還原后徑流（1956～2010年）成果。

表3 主要水文站斷面實測與還原后徑流成果（1956～2010）

3.2 天然徑流一致性處理

實測加還原系列沒有對流域面上的水利水保工程影響、地下水開采、煤炭開采等下墊面變化進行一致性處理，因此需要在實測加還原系列基礎上進行一致性修訂。采用降水徑流相關法、上下游斷面徑流相關法和成因分析法等分析下墊面變化對各河段徑流影響，黃河流域相關水資源規劃成果推薦近期Ⅰ下墊面（1980～2010年）條件作為天然徑流一致性處理的下墊面條件，根據各河段主要影響因素分別處理，其中，黃河上游，影響河川徑流的主要因素主要是水利工程建設、地下水過度開采以及新增水面的蒸發損失量等。黃河中游，影響河川徑流的主要因素主要是水利水保工程建設、煤炭開采、地下水過度開采以及新增水面的蒸發損失量等。見表4。主要水文站斷面天然徑流（1956～2010年）特征值統計表。

表4 主要水文站斷面天然徑流（1956～2010年）特征值統計表

3.3 府谷站斷面天然徑流量及月分配

府谷水文站位于河口鎮、龍門之間，控制流域面積40.4萬km2，按照河口鎮、龍門斷面天然徑流量成果進行內插，得到府谷水文站天然徑流量為319.8億m3，其中汛期7～10月徑流量187.8億m3，非汛期徑流量132億m3。徑流月分配見表5。府谷 站（1956～2010年）多年平均天然徑流月分配過程。

表5 府谷站（1956～2010年）多年平均天然徑流月分配過程 單位：億m3

4 設計徑流

馬鎮黃河引水工程設計水平年為2030年，斷面設計徑流的分析需考慮斷面上游相應水平年用水需求以及斷面上游大中型水庫的調節作用。采用上中游典型斷面1956～2010年天然徑流量系列，扣除黃河水量配置方案在各河段配置的水量，對上游龍羊峽、劉家峽和萬家寨等各梯級水庫按照設計運用方式進行調節計算，分析確定取水斷面設計徑流。

4.1 設計水平年府谷站斷面以上用水

1987年 9月，國務院辦公廳以“國辦發【1987】61號”（“87分水方案”）對黃河可供水量進行分配，依據的黃河徑流系列為1919～1975年天然徑流系列，黃河流域多年平均天然河川徑流量580億m3，黃河河道外配置水量370億m3，入海水量210億m3。

本次采用的1956～2010年系列，黃河多年平均天然徑流量為482.4億m3，考慮到黃河天然水量減少因素，遵循豐增枯減的原則，對設計水平年（2030年）河道外配置水量同比例縮減后為482.4/580*370＝307.75億m3，對各河段配置水量同樣按比例縮減。見表6。設計水平年黃河各河段配置水量及過程表。正常年份河口鎮以上耗水量114.56億m3，龍門以上耗水量136.54 億 m3。

表6 設計水平年（2030年）黃河各河段配置水量及過程表 單位：億m3

4.2 河口鎮以上梯級水庫調節計算

①調節計算原則

河口鎮以上已建龍羊峽、李家峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、小峽、大峽、青銅峽等梯級水電站。龍羊峽水庫入庫徑流采用貴德站天然徑流扣除壩址以上工農業用水，劉家峽水庫入庫采用龍羊峽水庫出庫＋貴德與小川區間天然入流并扣除區間工農業用水。其它梯級統一按此計算方法。

龍～青段梯級電站是西北電網的骨干調峰電站，與黃河上游其它水電站聯合運用，為西北電網提供電力、電量和調峰容量；龍羊峽、劉家峽、黑山峽（待建）是黃河上游水量調控子體系，承擔著黃河上游河段的防洪、防凌和工農業供水等任務，劉家峽水庫和龍羊峽水庫進行聯合補償調節運用，滿足黃河上游河段的綜合利用要求。聯合補償調節的基本原則是：寧蒙河段供水時先由劉家峽水庫放水，劉家峽水量不足時由龍羊峽水庫補充；梯級出力達不到保證出力要求時，先由龍羊峽水庫放水，仍然不足時由劉家峽水庫放水補充。

②寧蒙河段防凌控泄流量

本次進行古賢水庫入庫徑流分析計算時，上游寧蒙河段防凌主要由劉家峽和龍羊峽水庫共同承擔，以2003年～2013年凌汛期實際的劉家峽水庫下泄流量均值作為現狀情況下凌汛期防凌流量過程，見表7。劉家峽水庫凌汛期控泄流量過程。

表7 劉家峽水庫凌汛期控泄流量過程 單位：m3/s

③河口鎮斷面最小流量

根據《黃河流域綜合規劃》，河口鎮斷面非汛期生態需水量77億m3，最小流量250 m3/s。本次進行黃河上游梯級電站聯合補償調節計算時，河口鎮斷面最小下泄流量按照250 m3/s考慮，同時保證在非汛期下泄水量不小于77億m3。

④供水保證率和發電保證率

根據《黃河水量調度管理辦法》，“各?。▍^、市）年度用水量實行按比例豐增枯減的調度原則，即根據年度黃河來水量，依據1987年國務院批準的可供水量各省（區、市）所占比重進行分配，枯水年同比例壓縮?！?/p>

上游農業用水保證率為75%，超過75%年份按要求需相應打折，為簡化處理，超過75%來水年份農業用水統一按照80%進行打折處理。工業和生活供水保證率為95%以上，按全額滿足考慮。發電保證率為90%。

⑤上游梯級保證出力時段選取

根據貴德站天然徑流頻率，在1956年7月～2010年6月54年系列中，河口鎮以上河段梯級電站的保證出力的計算時段選取1993年7月～2003年6月。

4.3 河口鎮～工程取水口區間梯級調節計算

河口鎮～府谷站斷面區間梯級電站主要包括萬家寨、龍口、天橋等電站，區間梯級電站不考慮聯合補償調節，按照各自設計運用方式運用。河口鎮～府谷站斷面區間已建梯級中調節能力較強的只有萬家寨水庫，其它按照日調節電站考慮。

萬家寨水庫工程開發任務主要是供水結合發電調峰，兼有防洪、防凌作用，萬家寨水庫調節庫容4.45億m3，按照設計運用方式運用。

4.4 設計水平年府谷站斷面設計徑流

1）現狀下墊面設計徑流

采用近期（1980～2010年）下墊面條件天然徑流（1956～2010），扣除設計水平年各河段相應配置用水量，根據前述徑流調節計算基本條件及計算方法，進行黃河上游梯級聯合補償調節計算和中游梯級徑流調節計算，根據分析計算結果，府谷站斷面設計徑流198.0億m3。其中7到10月94.5億m3，11月到6月103.5億m3見表8。設計水平年府谷站斷面設計徑流成果。

表8 設計水平年府谷站斷面設計徑流成果（1956～2010）單位：億m3

2）未來下墊面條件設計徑流

由于氣候變化和人類活動對下墊面的影響，黃河流域水資源情勢發生了變化，黃河中游變化尤其顯著，水資源數量明顯減少，以上計算成果采用的1956～2010天然徑流系列，是以近期下墊面（1980年～2010年）為條件，隨著未來流域水土保持工程建設等將影響產匯流關系，天然徑流量進一步減少。根據《黃河流域水資源綜合規劃》，按1980-2000年下墊面考慮，2030年由于下墊面變化黃河天然徑流量將減少20億m3。本次1956～2010天然徑流系列已經考慮了近期下墊面影響（1980年～2010年），因此，本次考慮2030年水平黃河天然水量減少約10億m3，府谷以上天然來水考慮減少約5.3億m3，則府谷斷面設計水平年2030年設計徑流量為192.7億m3，其中汛期7～10月徑流量92.6億m3，非汛期11月～6月徑流量100.1億m3。對府谷斷面設計水平年逐年水量進行排頻，得到不同頻率來水年份各年水量及年內分配過程。見表9。府谷斷面設計水平年多年平均及不同頻率徑流年內分配過程。

表9 府谷斷面設計水平年多年平均及不同頻率徑流年內分配過程 單位：億m3

3）工程斷面設計徑流

綜合以上分析計算，府谷站斷面按近期下墊面（1980～2010年）條件計算，設計徑流量198.0億m3；按未來下墊面條件計算，設計徑流量192.7億m3。馬鎮引水工程設計水平年為2030年，采用府谷站斷面分析按未來下墊面分析成果，工程斷面設計徑流量192.7億m3。

5 結論

馬鎮引水取水口位于府谷水文站下游，區間無較大支流匯入，從供水安全角度考慮，斷面徑流采用府谷站分析成果。府谷站斷面多年平均實測徑流量230.2億m3，還原計算后府谷站多年平均天然徑流量（1956到2010年）319.8億m3。

工程設計水平年為2030年，考慮流域徑流呈減少趨勢，按照“87分水”方案及豐增枯減的分水原則，調整流域總配水量及各河段設計水平年分配水量，通過對上游大中型梯級水庫進行調節計算，分析確定設計水平年2030年府谷站斷面多年平均徑流量（1956～2010年系列）192.7億m3，也就是工程斷面設計徑流為192.7億m3，其中汛期7～10月徑流量92.6億m3，非汛期11月～6月徑流量100.1億m3；90%保證率來水143.4億m3，斷面徑流可以滿足工程年取水量約7億m3的要求。

采用水文系列1956～2010年為黃河水文水資源規劃設計的最新成果，反應了流域水文情勢的最新變化，分析的2030年斷面設計徑流量192.7億m3，充分考慮了上游河段用水及梯級水庫調蓄影響，并考慮了未來水保工程建設影響產匯流關系，由于下墊面條件的變化，河段徑流量進一步減少的可能，并分析扣除了該部分水量，馬鎮引水工程年取水量約7億m3，僅占斷面設計徑流的3.6%，水源是可靠的。

從總的變化趨勢看，2000年以后黃河流域徑流量呈減少趨勢，中游減少幅度較大，人類活動對下墊面影響加劇是主要原因之一，在規劃設計中，應結合不同河段具體情況，不同工程等別性質等要求，綜合分析，使水文計算成果更趨科學合理。