串并混聯(lián)水庫(kù)群規(guī)模論證研究

庹世華，陳永娟

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

金昌市位于甘肅省河西走廊中部的戈壁灘上，市內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，是一個(gè)以采、冶、煉鎳鈷族等有色金屬為主的資源型工業(yè)城市，現(xiàn)己形成有色冶金、化工、建材、能源四大支柱產(chǎn)業(yè)體系，被譽(yù)為“中國(guó)的鎳都”。市內(nèi)主要河流為東大河、西大河和金川河，各河上分別建有皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)和金川峽水庫(kù)，皇城水庫(kù)主要為永昌縣東河灌區(qū)提供水源，同時(shí)向金川峽水庫(kù)和肅南縣調(diào)水；西大河水庫(kù)主要為永昌縣西河灌區(qū)提供水源，同時(shí)承擔(dān)向金川峽水庫(kù)、山丹馬場(chǎng)以及四壩灌區(qū)的調(diào)水任務(wù)；金川峽水庫(kù)是金昌市金川區(qū)生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源。

金昌市工業(yè)地位尤為突出，近些年需水量逐漸增加，根據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》2020水平年重點(diǎn)治理措施“結(jié)合渠道電站建設(shè)，完成東大河、西大河向金川峽水庫(kù)專(zhuān)用輸水渠的改造，從東大河向金川峽水庫(kù)輸水1.28億m3，西大河向金川峽水庫(kù)輸水0.40億m3，實(shí)現(xiàn)金昌市范圍內(nèi)永昌縣和金川區(qū)水資源配置目標(biāo)。”目前由于金川峽水庫(kù)調(diào)節(jié)能力有限，水庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊群眾居住密集，且水庫(kù)上游3km處為省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)區(qū)—圣容寺，不具備實(shí)施大壩加高的條件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)增容擴(kuò)建，致使流域配水指標(biāo)未能充分利用，供水矛盾日益突出。因此擬在金川峽水庫(kù)下游4.0km處的金川河上修建韓家峽水庫(kù)，與金川峽水庫(kù)、皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)形成串、并混聯(lián)的水庫(kù)群，四庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，充分高效利用配水指標(biāo)，保障金昌市金川區(qū)用水需求，提高城市供水保證率，緩解水資源供需矛盾。四庫(kù)位置如圖1所示。

圖1 四庫(kù)位置示意圖

1 徑流

東大河、西大河均為石羊河支流，徑流具有年內(nèi)分配不均勻，年際變化小等特點(diǎn)。東大河發(fā)源于祁連山脈東段冷龍嶺北麓，流域地勢(shì)由西南向東北傾斜，流域上游分為東西兩岔，至皇城鄉(xiāng)大湖灘附近匯合后稱(chēng)為東大河，在皇城鎮(zhèn)附近匯入皇城水庫(kù)。西大河發(fā)源于祁連山脈中段金瑤嶺北麓，上游主要由五條支流組成，是西大河的主要產(chǎn)流區(qū)，各支流于三個(gè)洞掌一帶匯合后流入西大河水庫(kù)。通過(guò)對(duì)東大河、西大河1955—2018年64年實(shí)測(cè)徑流系列頻率分析計(jì)算，采用P-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn)，求得東大河多年平均徑流量為2.91億m3；西大河多年平均徑流量為1.58億m3。東大河、西大河年徑流設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表1。

表1 東大河、西大河徑流成果計(jì)算表

金川河發(fā)源于永昌縣城以西紅廟墩、南泉一帶，主要由西大河地表水沿途滲入地下潛流至下游以泉水形式露頭后再匯聚各泉而成，此后由西向東流，至北海子右納東大河二壩渠水量后折轉(zhuǎn)向北流至金川峽水庫(kù)。2003年引硫濟(jì)金工程建成后，從青海省門(mén)源縣境內(nèi)的硫磺溝引水經(jīng)西大河水庫(kù)、西金輸水渠入金川峽水庫(kù)。根據(jù)金川河泉水資料統(tǒng)計(jì)，多年平均泉水量為5455萬(wàn)m3，P=50%的泉水量為5383萬(wàn)m3，P=85%的泉水量為4337萬(wàn)m3，P=95%的泉水量為3793萬(wàn)m3。

2 水資源配置

2.1 需水量

韓家峽水庫(kù)供水對(duì)象與金川峽水庫(kù)一致，為金昌市金川區(qū)城鄉(xiāng)生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)田灌溉需水和生態(tài)需水。按照區(qū)域現(xiàn)狀社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)行業(yè)需水定額指標(biāo)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)水平年金川區(qū)需水總量為16090萬(wàn)m3，其中城鄉(xiāng)生活需水量2914萬(wàn)m3，工業(yè)需水量7595萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)需水量4246萬(wàn)m3，生態(tài)需水量1335萬(wàn)m3。需水過(guò)程見(jiàn)表2。

2.2 水資源配置

水資源配置優(yōu)先解決城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水，適度增加生態(tài)用水和發(fā)展高效農(nóng)業(yè)用水。區(qū)域地下水允許開(kāi)采量0.87億m3，地下水主要用于灌區(qū)高效節(jié)水面積和八一農(nóng)場(chǎng)灌溉用水，開(kāi)采量不得超過(guò)允許開(kāi)采量，控制灌溉面積18.17萬(wàn)畝；地表水主要用于金昌市城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水、生態(tài)用水及農(nóng)田灌溉用水，配置地表水供水15103萬(wàn)m3；中水主要配置金川區(qū)城鎮(zhèn)生態(tài)用水，配置中水987萬(wàn)m3。地表水配水過(guò)程見(jiàn)表3。

表3 金川區(qū)地表水配水過(guò)程表 單位：萬(wàn)m3

3 徑流調(diào)節(jié)

3.1 調(diào)節(jié)原則

(1)韓家峽水庫(kù)來(lái)水過(guò)程受東大河皇城水庫(kù)、西大河西大河水庫(kù)和金川河金川峽水庫(kù)來(lái)、用水影響，水庫(kù)規(guī)模確定需皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)、金川峽水庫(kù)四庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)。

(2)充分發(fā)揮金昌市皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)、金川峽水庫(kù)現(xiàn)有調(diào)蓄功能，滿(mǎn)足下游生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求。

(3)皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)各用水對(duì)象供水保證率不同，當(dāng)來(lái)水量不能滿(mǎn)足全部用水需求時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)足保證率高的生活工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水遭到一定程度的破壞，破壞深度20%。

(4)徑流調(diào)節(jié)中，韓家峽水庫(kù)壩址來(lái)水在滿(mǎn)足下游生態(tài)基流的前提下，優(yōu)先解金川區(qū)城鄉(xiāng)生活用水和工業(yè)用水，其次用于生態(tài)和農(nóng)田灌溉，并考慮水庫(kù)投資效益，使得單位投資的供水效益最大化。

3.2 計(jì)算條件

(1)金川峽水庫(kù)、皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)以當(dāng)前興利庫(kù)容為基礎(chǔ)條件，并充分考慮水庫(kù)汛限水位的影響。金川峽水庫(kù)始建成于1959年，總庫(kù)容6500萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為5500萬(wàn)m3。經(jīng)2001年對(duì)水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行實(shí)測(cè)，水庫(kù)平均每年淤積17萬(wàn)m3，推算2020年水庫(kù)興利庫(kù)容5020萬(wàn)m3。皇城水庫(kù)始建于1974年， 1985年建成蓄水，水庫(kù)總庫(kù)容8000萬(wàn)m3，興利庫(kù)容6400萬(wàn)m3，死庫(kù)容800萬(wàn)m3；西大河水庫(kù)建于1968年10月，1974年建成蓄水，水庫(kù)總庫(kù)容6800萬(wàn)m3，興利庫(kù)容5430萬(wàn)m3，死庫(kù)容300萬(wàn)m3。

(2)依據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》水資源配置方案，東大河皇城水庫(kù)每年向金川峽水庫(kù)調(diào)水12800萬(wàn)m3，輸水效率85.5%，調(diào)至金川峽水庫(kù)水量10944萬(wàn)m3；西大河水庫(kù)每年向金川峽水庫(kù)足額調(diào)水4000萬(wàn)m3，輸水效率70%，調(diào)至金川峽水庫(kù)水量2800萬(wàn)m3。

(3)東大河皇城水庫(kù)大流量調(diào)水避開(kāi)灌溉高峰期，調(diào)水時(shí)間盡量安排在非灌溉期，減少調(diào)水與農(nóng)業(yè)灌溉爭(zhēng)水矛盾，灌溉間歇小流量調(diào)水；西大河調(diào)水流量較小，冬季輸水易結(jié)冰，盡量安排在灌溉間歇調(diào)水。

(4)韓家峽水庫(kù)、皇城水庫(kù)、西大河水庫(kù)、金川峽水庫(kù)蒸發(fā)損失由永昌縣氣象站實(shí)測(cè)資料求得，水庫(kù)各月滲漏損失量根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件按水庫(kù)平均蓄水容積的0.5%估算。

(5)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)SL/Z322—2011《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》6.2.3條“對(duì)于河道生態(tài)需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定”。本次設(shè)計(jì)以多年平均流量的10%作為河道的最小生態(tài)環(huán)境需水量。金川河自產(chǎn)徑流多年平均流量為1.73m3/s，生態(tài)基流量為546萬(wàn)m3。

3.3 計(jì)算方法

韓家峽水庫(kù)和金川峽水庫(kù)供水范圍、供水對(duì)象一致，且兩庫(kù)之間無(wú)其他徑流匯入，以金川峽水庫(kù)壩址所需興利庫(kù)容減去金川峽水庫(kù)設(shè)計(jì)水平年的興利庫(kù)容即為韓家峽水庫(kù)的興利庫(kù)容。

金川峽水庫(kù)壩址來(lái)水由西大河調(diào)水、東大河調(diào)水以及區(qū)間泉水三部分組成，由于20世紀(jì)70—80年代調(diào)水資料缺失，不具備長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)的條件，文章徑流調(diào)節(jié)計(jì)算采用設(shè)計(jì)代表年法。根據(jù)不同供水對(duì)象的保證率，分別選取選取保證率為50%、85%和95%的來(lái)水作徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，先將東大河、西大河50%、85%和95%來(lái)水過(guò)程與用水過(guò)程進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，在各自水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)按照調(diào)水時(shí)間向金川峽水庫(kù)調(diào)水，得到東大河、西大河向金川峽水庫(kù)調(diào)水過(guò)程。該調(diào)水過(guò)程與金川河泉水過(guò)程組合成金川峽水庫(kù)壩址來(lái)水過(guò)程。以金川峽水庫(kù)壩址來(lái)水過(guò)程和金川區(qū)用水過(guò)程進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，得到的興利庫(kù)容減去金川峽水庫(kù)設(shè)計(jì)水平年的興利庫(kù)容即為韓家峽水庫(kù)的興利庫(kù)容，如圖2所示。

圖2 韓家峽水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算流程圖

3.4 徑流調(diào)節(jié)

3.4.1西大河水庫(kù)調(diào)入金川峽水庫(kù)水量

西大河入庫(kù)水量為西大河自產(chǎn)水量和引硫濟(jì)金工程引入水量二者之和，水庫(kù)供水任務(wù)主要包括向金川峽水庫(kù)、馬場(chǎng)、四壩灌區(qū)調(diào)水以及向西河灌區(qū)的生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)灌溉供水。西大河水庫(kù)通過(guò)西金干渠向金川峽水庫(kù)輸水，采用非灌溉期輸水，年調(diào)出水量4000萬(wàn)m3。首先根據(jù)西金干渠的輸水時(shí)段，初步確定西大河水庫(kù)向金川峽水庫(kù)歷年的調(diào)水過(guò)程和調(diào)水量；然后，將試算出的調(diào)水過(guò)程與西河灌區(qū)的需水過(guò)程同時(shí)輸入興利計(jì)算程序，再次進(jìn)行多用水戶(hù)不同保證率的興利調(diào)節(jié)計(jì)算，得到符合保證率要求的調(diào)出水量過(guò)程。西大河水庫(kù)向金川峽調(diào)水過(guò)程見(jiàn)表4。

表4 西大河水庫(kù)向金川峽調(diào)水過(guò)程 單位：萬(wàn)m3

3.4.2皇城水庫(kù)向金川峽水庫(kù)調(diào)水量

皇城水庫(kù)供水對(duì)象主要包括金昌市東河灌區(qū)、金川峽水庫(kù)調(diào)水以及張掖市肅南縣部分用水。皇城水庫(kù)向金川峽水庫(kù)輸水是通過(guò)東大河峽谷口，經(jīng)東大河渠首和東河總干渠、二壩輸水干渠完成，輸水效率為0.855。皇城水庫(kù)向金川峽水庫(kù)的調(diào)水時(shí)間沿用現(xiàn)行的調(diào)水時(shí)間，一方面避開(kāi)農(nóng)業(yè)用水的高峰期，減少與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)水的矛盾；另一方面皇城水庫(kù)的冬季來(lái)水量相對(duì)較大且比較穩(wěn)定，調(diào)水時(shí)間確定為：11- 4月基本以固定流量調(diào)水，5、6月基本不調(diào)水或者少調(diào)水，剩余水量7—10月調(diào)水，年調(diào)出水量12800萬(wàn)m3。皇城水庫(kù)向金川峽調(diào)水過(guò)程見(jiàn)表5。

表5 皇城水庫(kù)向金川峽調(diào)水過(guò)程 單位：萬(wàn)m3

3.4.3區(qū)間泉水量計(jì)算

由于金川峽水庫(kù)實(shí)測(cè)入庫(kù)流量已非天然過(guò)程，其入庫(kù)水量受二壩渠調(diào)水量、引硫濟(jì)金調(diào)水量及西大河灌區(qū)用水量影響。

本文以2000—2018年金川河自產(chǎn)水資源作為設(shè)計(jì)水平年的金川河(泉水)徑流量，并對(duì)之前的徑流資料進(jìn)行還原處理，扣除上游水庫(kù)下泄水量、調(diào)水量等對(duì)徑流系列的影響。金川河多年平均自產(chǎn)水量為5455萬(wàn)m3，多年平均入庫(kù)流量為1.73m3/s。

3.4.4徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

設(shè)計(jì)水平年金川區(qū)總需水量16090萬(wàn)m3，配置中水987萬(wàn)m3，需配置地表水15103萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)水平年金川峽水庫(kù)壩址P=50%保證率來(lái)水量為22142萬(wàn)m3，扣除生態(tài)基流546萬(wàn)m3后可調(diào)節(jié)水資源量為21597萬(wàn)m3。經(jīng)逐月來(lái)、用水調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫(kù)容為3415萬(wàn)m3，尚未達(dá)到金川峽水庫(kù)興利庫(kù)容，韓家峽水庫(kù)興利庫(kù)容為0；P=85%保證率來(lái)水量為18243萬(wàn)m3，扣除生態(tài)基流后可調(diào)節(jié)水資源量為17697萬(wàn)m3。經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫(kù)容為5541萬(wàn)m3，扣除金川峽水庫(kù)興利庫(kù)容5020萬(wàn)m3，韓家峽水庫(kù)興利庫(kù)容為521萬(wàn)m3；P=95%來(lái)水量為17765萬(wàn)m3，扣除生態(tài)基流后可調(diào)節(jié)水資源量為17220萬(wàn)m3，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫(kù)容為5730萬(wàn)m3，扣除金川峽水庫(kù)興利庫(kù)容后韓家峽水庫(kù)興利庫(kù)容為710萬(wàn)m3。經(jīng)過(guò)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，P=50%、P=85%和P=95%保證率下，韓家峽水庫(kù)的興利庫(kù)容分別為0、52、710萬(wàn)m3。韓家峽水庫(kù)(金川峽壩址)徑流調(diào)節(jié)示意圖如圖3所示。

圖3 韓家峽水庫(kù)(金川峽壩址)徑流調(diào)節(jié)示意圖

3.4.5水庫(kù)正常蓄水位及規(guī)模確定

從壩址及庫(kù)區(qū)地形地質(zhì)情況、供水效益、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工難度等各方面進(jìn)行分析考慮，選取1822.76、1825.70、1826.70m三個(gè)方案進(jìn)行正常蓄水位比選，見(jiàn)表6。

表6 韓家峽水庫(kù)正常蓄水位比選表

經(jīng)比較，三種方案在工程建設(shè)難度上、淹沒(méi)影響角度無(wú)太大差別，地質(zhì)條件也均達(dá)到要求，從經(jīng)濟(jì)因素分析，正常蓄水位1825.70m方案在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上為最優(yōu)方案。因此，從受水區(qū)供水保證程度、工程投資，淹沒(méi)影響范圍等方面比較，確定韓家峽水庫(kù)正常蓄水位為1825.70m，相應(yīng)庫(kù)容為850萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為710萬(wàn)m3。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)不同保證率韓家峽水庫(kù)、金川峽水庫(kù)、皇城水庫(kù)和西大河水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)計(jì)算，最終確定金川峽水庫(kù)壩址興利庫(kù)容為5730萬(wàn)m3，扣除金川峽水庫(kù)設(shè)計(jì)水平年的興利庫(kù)容5020萬(wàn)m3得到韓家峽水庫(kù)興利庫(kù)容為710萬(wàn)m3。

(2)混聯(lián)各水庫(kù)供水對(duì)象不同，保證率不同，要綜合考慮上下游用水關(guān)系，供水保證率高用水戶(hù)的優(yōu)先滿(mǎn)足，供水保證率低用水戶(hù)的可按一定比例縮減供水。

(3)串并混聯(lián)水庫(kù)下游來(lái)水量受上游各水庫(kù)來(lái)、用水的影響，規(guī)模確定時(shí)需上、下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)，在充分發(fā)揮上游各水庫(kù)的效益的前提下，確定合理的水庫(kù)規(guī)模。

(4)水庫(kù)規(guī)模論證需綜合考慮水文、地質(zhì)、供水及投資等各方面因素，進(jìn)行多方案比選，選取合理的規(guī)模，使得單位投資供水效益最大化。