玉水水庫(kù)工程設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位的合理性分析

羅 琳，王海元

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010）

0 前言

白節(jié)河為永寧河右岸一級(jí)支流，流域面積266 km2，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量1180.9 mm，但降雨量年際、年內(nèi)變化較大。白節(jié)河流域地處四川盆地東南部的低山、淺丘地帶，上游為低山河谷地貌、中部為丘陵區(qū)、再經(jīng)過狹窄的山谷區(qū)后到達(dá)相對(duì)開闊的河口區(qū)。流域內(nèi)中下游地區(qū)耕園地較為集中連片，是當(dāng)?shù)刂饕募Z食產(chǎn)區(qū)和蔬菜基地。目前，白節(jié)河流域尚無一座骨干水源工程，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉、場(chǎng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活、農(nóng)村人畜飲水均依賴于微小型水利設(shè)施，水源保障能力的不足已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

擬建的玉水水庫(kù)位于永寧河支流白節(jié)河上游，地處四川省瀘州市納溪區(qū)白節(jié)鎮(zhèn)皇觀村。根據(jù)永寧河流域規(guī)劃、區(qū)域水資源綜合規(guī)劃，玉水水庫(kù)主要調(diào)蓄白節(jié)河徑流，以解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題。由此確定的工程任務(wù)為滿足農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水等綜合利用。水庫(kù)壩址控制集雨面積25.87 km2，入庫(kù)徑流量1850 萬m3，水庫(kù)總庫(kù)容1278 萬m3，興利庫(kù)容955 萬m3，多年平均供水量1327 萬m3。水庫(kù)受水區(qū)主要為白節(jié)河中下游的白節(jié)鎮(zhèn)及棉花坡鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)灌溉面積5.25 萬畝，供水總?cè)丝诩s6.1 萬人。

1 受水區(qū)分布高程及供水特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)灌溉是玉水水庫(kù)承擔(dān)的主要功能之一，水庫(kù)灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積5.25 萬畝，為中型灌區(qū)。結(jié)合白節(jié)河流域地形地貌，中部地區(qū)主要為淺丘圓包山，耕園地海拔一般270 m～300 m，部分饅頭山、圓包山山頂高程達(dá)到320 m，下游河口區(qū)耕園地多集中于高程285 m以下。通過GIS疊加納溪區(qū)二次國(guó)土資源調(diào)查成果可知，灌區(qū)內(nèi)300 m以下耕園地4.21 萬畝（占比80.2%），高程300 m～320 m耕園地1.04 萬畝（占比19.8%）。由于高程300 m～320 m之間的耕園地主要位于淺丘區(qū)的饅頭山、圓包山山頂，較為分散，難以實(shí)現(xiàn)自流灌溉和集中提水灌溉，故擬由灌區(qū)內(nèi)農(nóng)戶自行采用單相水泵（揚(yáng)程在30 m以下）提水灌溉。由此確定的灌區(qū)灌溉原則為高程300 m以下的4.21 萬畝耕園地采用自流灌溉，灌區(qū)自流比例為80.2%，是玉水水庫(kù)工程設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的自流灌溉區(qū)域。

鄉(xiāng)村供水是玉水水庫(kù)承擔(dān)的另一主要功能，主要包括白節(jié)場(chǎng)鎮(zhèn)及灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)村人畜飲水，供水總?cè)丝诩s6.1 萬人。玉水水庫(kù)作為百吉水廠的水源工程，通過百吉水廠向白節(jié)場(chǎng)鎮(zhèn)、灌區(qū)內(nèi)農(nóng)村人畜供水。百吉水廠位于壩址下游約720 m，高程281 m。

玉水水庫(kù)壩址位于白節(jié)鎮(zhèn)皇觀村玉皇觀處，河谷總體呈較開敞的“V”型，河底高程276 m。考慮泥沙淤積、取水建筑物布置要求后，最低死水位為291 m，可滿足鄉(xiāng)村自流供水要求。但要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)高程300 m以下耕園地自流灌溉的最低死水位為308 m，較最低死水位高出17 m。可見，灌區(qū)灌面分布高程是制約死水位選擇的關(guān)鍵因素。如何實(shí)現(xiàn)灌區(qū)自流灌溉是玉水水庫(kù)工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題。

2 提出設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位

受來水量、受水區(qū)需水量、庫(kù)容條件等多重因素的制約，玉水水庫(kù)工程正常蓄水位處于321 m～327 m之間。當(dāng)死水位為291 m時(shí)，對(duì)應(yīng)正常蓄水位為321.5 m。通過徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)調(diào)節(jié)過程中各時(shí)段水位，可以分析出，在長(zhǎng)系列逐旬調(diào)節(jié)過程中有62.9%的時(shí)間水庫(kù)水位高于308 m，此時(shí)可滿足灌區(qū)高程300 m以下耕園地自流灌溉要求的供水量達(dá)69.9%，僅在短時(shí)間不能滿足自流灌溉要求，且灌溉水量占比較少。基于上述結(jié)論，本文提出通過設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位的方式，以滿足灌溉自流供水的要求。

表1 死水位291m方案徑流調(diào)節(jié)水位及灌溉水量統(tǒng)計(jì)表

3 灌溉運(yùn)行控制水位內(nèi)涵分析

在水利調(diào)度過程中，為滿足水庫(kù)某一功能任務(wù)或者水庫(kù)自身安全運(yùn)行的要求，通常會(huì)設(shè)置運(yùn)行控制水位，如排沙水位、防洪限制水位、旱警水位[2]等。當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到特定的運(yùn)行控制水位時(shí)，按照相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行水庫(kù)運(yùn)行。同理，在水利工程設(shè)計(jì)過程中，也可通過設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位，當(dāng)水庫(kù)水位不低于灌溉運(yùn)行控制水位時(shí)，向灌區(qū)供水以保障灌區(qū)自流灌溉要求；當(dāng)水庫(kù)水位低于灌溉運(yùn)行控制水位時(shí)，停止向灌區(qū)供給灌溉用水。為此，該水位是一個(gè)下限水位，是將水庫(kù)調(diào)度理論簡(jiǎn)化應(yīng)用的結(jié)果。尤其是對(duì)于綜合利用的水庫(kù)工程，功能任務(wù)多，當(dāng)各項(xiàng)功能所要求的最低死水位差距大、難以統(tǒng)一或取最高水位作為死水位不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可通過設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行控制水位，以滿足不同工程任務(wù)的取水需要。

從水庫(kù)調(diào)度過程分析，通過設(shè)置不同的運(yùn)行控制水位的方式，以改變水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)過程、協(xié)調(diào)解決排沙、防洪、航運(yùn)、供水、灌溉等不同功能要求不一致的問題。這與水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究的意義是相符合的，即通過水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)防洪、興利、航運(yùn)等綜合效益的最大化[3]。

4 設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位的合理性分析

4.1 水庫(kù)興利調(diào)度原則

玉水水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，設(shè)置308 m灌溉運(yùn)行控制水位，水庫(kù)興利調(diào)度過程如下：

①當(dāng)水庫(kù)水位高于308 m時(shí)，水庫(kù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序按鄉(xiāng)村需水及農(nóng)業(yè)灌溉需水過程供水，當(dāng)來水大于供水，水庫(kù)蓄水，水位上升，達(dá)到正常蓄水位時(shí)，水庫(kù)按防洪運(yùn)用方式運(yùn)行；當(dāng)來水小于供水，則動(dòng)用水庫(kù)庫(kù)容，水位下降，降落至灌溉運(yùn)行控制水位308 m時(shí)，停止供給灌溉用水。

②當(dāng)水庫(kù)水位低于308 m，水庫(kù)根據(jù)鄉(xiāng)村需水過程供水，當(dāng)來水大于供水，水庫(kù)蓄水，水位上升，達(dá)到灌溉運(yùn)行控制水位308m及以上時(shí)，按高于308 m方式調(diào)度；當(dāng)來水小于供水，則動(dòng)用水庫(kù)庫(kù)容，水位下降，降落至死水位時(shí)，停止供水。

③當(dāng)水庫(kù)水位高于308 m且鄉(xiāng)村需水、灌溉需水不能同時(shí)滿足時(shí)，應(yīng)優(yōu)先削減灌溉水量。

按照上述調(diào)度原則，玉水水庫(kù)正常蓄水位為324 m，死水位為301 m（水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)水位消落最低最低水位），興利庫(kù)容995 萬m3，即可滿足受水區(qū)用水需求。

4.2 合理性分析

玉水水庫(kù)設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位，是為抬高灌溉取水水位以滿足自流供水要求。為分析設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位的合理性，本文通過泵站提水、設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位、直接抬高死水位三種方法進(jìn)行綜合比選，擬定死水位291 m（方案一）、死水位301 m（方案二：設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位308 m時(shí)，消落最低水位為301 m）、死水位308 m（方案三）3個(gè)方案，進(jìn)一步分析玉水水庫(kù)工程建設(shè)方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性。

方案一中，由于水庫(kù)水位低于308 m時(shí)，不能滿足灌區(qū)灌溉取水要求，需在壩后設(shè)置提水泵站。相應(yīng)的水庫(kù)調(diào)度方式為：在水庫(kù)運(yùn)行過程中，按優(yōu)先級(jí)順序滿足鄉(xiāng)村供水、灌溉供水要求，當(dāng)水庫(kù)水位低于308 m時(shí)，灌溉供水通過壩后泵站提水至高位水池（高程308 m），以滿足灌區(qū)高程300 m以下耕園地取水要求。

方案二中，水庫(kù)調(diào)度方式為，當(dāng)水庫(kù)水位高于308 m時(shí)，水庫(kù)按優(yōu)先級(jí)順序滿足鄉(xiāng)村供水、灌溉供水要求；當(dāng)水庫(kù)水位低于308 m時(shí)，水庫(kù)僅向鄉(xiāng)村供水，不再供給灌溉用水。

方案三中，可直接滿足受水區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水的自流供水要求，水庫(kù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序按鄉(xiāng)村需水及農(nóng)業(yè)灌溉需水過程供水即可。

按照上述調(diào)度原則，確定三個(gè)方案的各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

樞紐布置及建筑物方面，3個(gè)方案樞紐布置差異不大、主要建筑物結(jié)構(gòu)型式相同，工程及建筑物屬同一等別和級(jí)別，工程規(guī)模及洪水標(biāo)準(zhǔn)均相同。但隨著死水位的抬高，正常蓄水位、壩頂高程及壩頂長(zhǎng)度、溢洪道堰頂高程等均抬高，樞紐工程的土石方開挖、填筑量以及混凝土量相應(yīng)增加。由于方案一需設(shè)置提水泵站，需額外增加樞紐工程的建設(shè)工程量。

表2 死水位方案綜合比選表

建設(shè)征地與移民安置方面，3 個(gè)方案涉及實(shí)物指標(biāo)類型相同，無制約工程可行性的重大性、敏感性指標(biāo)，各個(gè)方案建設(shè)征地與移民安置難度基本相當(dāng)。但隨著死水位、正常蓄水位的抬高，實(shí)物指標(biāo)量隨之增加，建設(shè)征地移民投資也增加。

從工程投資方面分析，方案三水源工程投資最大，指標(biāo)最差；方案一和方案二相比，盡管方案二較方案一的正常蓄水位抬高了2.5 m，庫(kù)區(qū)建設(shè)征地面積及人口與房屋指標(biāo)有一定的增加，但方案一需設(shè)置提水泵站，增大了樞紐工程投資，最終導(dǎo)致兩個(gè)方案的水源工程投資基本相當(dāng)。由此可見，與方案二相比，方案一無顯著優(yōu)勢(shì)。

從年運(yùn)行費(fèi)用方面分析，方案二年運(yùn)行費(fèi)用最低，方案一最高。方案一與方案二、方案三相比，由于增加了提水泵站，在工程運(yùn)行過程中存在相應(yīng)的提水電費(fèi)以及泵站維護(hù)費(fèi)、修理費(fèi)、職工工資薪酬等費(fèi)用，使得年運(yùn)行費(fèi)用增加。由于方案三的工程投資高于方案二，相應(yīng)的年運(yùn)行費(fèi)也大于方案二。

從工程管理運(yùn)行角度分析，方案一需配置更多的工作人員及工作設(shè)備，當(dāng)水庫(kù)水位低于308 m，需根據(jù)灌溉需要啟動(dòng)泵站等，均增加了運(yùn)行管理難度；而方案二、方案三僅按照相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則運(yùn)行即可，運(yùn)行管理維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面分析，3 個(gè)方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)定，具備可行性；但從投資差額內(nèi)部收益率分析，死水位從291 m提高到301 m時(shí)，差額投資內(nèi)部收益率為7.51%，大于社會(huì)折現(xiàn)率6%，說明方案二優(yōu)于方案一；從301 m提高到308 m時(shí)，差額投資內(nèi)部收益率為4.33%，小于社會(huì)折現(xiàn)率6%，說明方案二優(yōu)于方案三。

綜上所述，從工程投資分析，方案三投資最大，方案一與方案二投資基本相當(dāng)；從年運(yùn)行費(fèi)用分析，方案二最小、方案一最大；從工程管理運(yùn)行角度分析，方案一難度最大，方案二與方案三運(yùn)行管理維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單；從方案間比選分析，方案二最優(yōu)。經(jīng)綜合比選，玉水水庫(kù)工程推薦死水位選擇方案二，并設(shè)置相應(yīng)的灌溉運(yùn)行控制水位308 m。

5 結(jié)語(yǔ)

開展玉水水庫(kù)工程設(shè)計(jì)時(shí)，基于水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的思想，通過設(shè)置灌溉運(yùn)行控制水位，較好的解決了灌區(qū)高程300 m以下耕園地自流灌溉的問題。

項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，從項(xiàng)目建設(shè)條件出發(fā)，通過水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度、設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行控制水庫(kù)，以改變水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)過程，可協(xié)調(diào)解決不同功能要求不一致的問題，達(dá)到供水、灌溉等不同功能效益的最大化。這對(duì)于類似水庫(kù)工程設(shè)計(jì)具有借鑒意義。