地下水超采區(qū)水源工程設(shè)計(jì)規(guī)模論證研究

庹世華

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

民樂生態(tài)工業(yè)園區(qū)位于張掖市甘州區(qū)、山丹縣和民樂縣交界處，距民樂縣城30km，距張掖市區(qū)35km，占地面積128km2。園區(qū)始建于1994年，1996年被國(guó)家農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)為“全國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)東西合作示范區(qū)”，2006年經(jīng)國(guó)家發(fā)改委、國(guó)土資源部、建設(shè)部審核確認(rèn)了四至范圍，同時(shí)經(jīng)省政府批復(fù)為省級(jí)工業(yè)園區(qū)。園區(qū)現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)23戶，其中規(guī)模以上13戶，從業(yè)人員4700多人，園區(qū)以濱河集團(tuán)、銀河集團(tuán)、國(guó)翔麥芽等重點(diǎn)骨干企業(yè)為主的新型工業(yè)發(fā)展格局，產(chǎn)業(yè)涉及釀造、糧油、食品、中藥材加工、建材、化工、造紙等領(lǐng)域。

民樂生態(tài)工業(yè)園區(qū)地處洪水河、童子壩河和海潮壩河等小流域尾閭的北部灘荒漠風(fēng)蝕區(qū)，氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，春秋風(fēng)沙多，園區(qū)現(xiàn)狀用水僅靠機(jī)井抽取地下水維持。根據(jù)《民樂縣人民政府辦公室關(guān)于公布民樂縣地下水超采區(qū)和限采區(qū)范圍的通知》(民政辦發(fā)〔2016〕140號(hào))，民樂縣六壩灘屬淺層中型一般地下水超采區(qū)，地下水允許開采量2211萬m3，當(dāng)前超采水量1440萬m3，其中洪水河灌區(qū)超采824萬m3，工業(yè)園區(qū)超采616萬m3。由于民樂縣地下水資源相對(duì)貧乏，目前條件下的水資源保障能力無法滿足今后園區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求，擬在民樂生態(tài)工業(yè)園區(qū)電石廠西側(cè)灘地上修建金山水庫(kù)，通過民樂縣益民東干渠引蓄洪水河灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水量，為工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水提供水源，置換園區(qū)工業(yè)地下水開采量，促進(jìn)該區(qū)域地下水采補(bǔ)平衡，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善提供基礎(chǔ)。

1 工程邊界條件

1.1 洪水河徑流

洪水河徑流主要由大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給，徑流年內(nèi)分配極不均勻，年際變化相對(duì)平緩。洪水河設(shè)立有雙樹寺水庫(kù)水文站，資料系列長(zhǎng)，資料可靠性、一致性、代表性良好，采用P-Ⅲ型曲線適線，求得洪水河多年平均流量為3.77m3/s，多年平均徑流量為1.19億m3。洪水河年徑流設(shè)計(jì)成果見表1。

表1 洪水河雙樹寺站年徑流量頻率計(jì)算成果表

1.2 洪水河灌區(qū)需水量

洪水河灌區(qū)需水量包括灌區(qū)生活用水和農(nóng)田灌溉需水兩部分，取水水源主要為洪水河雙樹寺水庫(kù)。現(xiàn)狀年總需水總量為12452萬m3，其中生活用水量為342萬m3，農(nóng)田灌溉用水量為12110萬m3；2025年需水總量為10870萬m3，其中生活用水量為406萬m3，農(nóng)田灌溉用水量為10464萬m3。

1.3 工業(yè)園區(qū)需水量

現(xiàn)狀年工業(yè)園區(qū)工業(yè)增加值為6.93億元，年取水量為317萬m3，萬元工業(yè)增加值用水量為46m3/萬元。綜合考慮園區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、民樂近年工業(yè)發(fā)展實(shí)際、十三五規(guī)劃要求以及十三五國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展整體環(huán)境，2015—2020年園區(qū)工業(yè)增加值增速取8.5%，據(jù)此預(yù)測(cè)2025年園區(qū)工業(yè)增加值將達(dá)到15.67億元。根據(jù)《張掖市縣級(jí)行政區(qū)2015、2020、2030年水資源管理控制指標(biāo)》按照2015年園區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量實(shí)際指標(biāo)與控制指標(biāo)比例關(guān)系，預(yù)測(cè)2025年園區(qū)實(shí)際萬元工業(yè)增加值用水量指標(biāo)為25m3/萬元，管網(wǎng)漏失水量按10%、未預(yù)見水量按8%、水廠自用水量按5%計(jì)，則工業(yè)園區(qū)工業(yè)毛用水量為489萬m3。

1.4 生態(tài)環(huán)境需水量

根據(jù)SL/Z322—2013《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》條文說明5.4.5款“對(duì)于生態(tài)需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定”和7.4.4款“關(guān)于河流生態(tài)需水量的基本要求，北方河流生態(tài)環(huán)境需水量指標(biāo)原則上不得小于多年平均流量的10%”的要求。本次以多年平均流量的10%作為河流的最小生態(tài)環(huán)境需水量。洪水河多年平均流量為3.77m3/s，多年平均生態(tài)環(huán)境需水量為0.377m3/s。

1.5 金山水庫(kù)可供水量計(jì)算

金山水庫(kù)取水水源為洪水河灌區(qū)節(jié)水量，通過益民東干渠引水進(jìn)行調(diào)蓄，一方面滿足工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水需求，另一方面對(duì)園區(qū)現(xiàn)狀工業(yè)用地下水進(jìn)行置換，實(shí)現(xiàn)地下水超采區(qū)治理的目標(biāo)。洪水河灌區(qū)的取水水源主要為雙樹寺水庫(kù)，雙樹寺水庫(kù)主要解決洪水河灌區(qū)居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水。金山水庫(kù)可供水量計(jì)算思路是：分析設(shè)計(jì)水平年洪水河灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水量，優(yōu)先配置灌區(qū)新增生活用水，其次配置灌區(qū)設(shè)計(jì)水平年地下水超采區(qū)超采水量壓減任務(wù)，剩余水量作為金山水庫(kù)的可供水量。

洪水河灌區(qū)節(jié)余水量主要由發(fā)展高效節(jié)水面積節(jié)水、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)水和骨干工程改造節(jié)水三部分組成，總節(jié)水量為1646萬m3，其中高效節(jié)水面積節(jié)水1114萬m3，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)水120萬m3，骨干工程改造節(jié)水萬412m3。節(jié)水優(yōu)先配置灌區(qū)新增生活用水量64萬m3；其次核減地下水超采量824萬m3，本次節(jié)水量核減地下水開采量，很好地完成了超采量治理任務(wù)，剩余節(jié)水758萬m3供金山水庫(kù)引蓄使用。

2 徑流調(diào)節(jié)

金山水庫(kù)水源為洪水河灌區(qū)節(jié)余水量，來水受上游雙樹寺水庫(kù)蓄水的影響。為了同時(shí)滿足洪水河灌區(qū)和工業(yè)園區(qū)的用水需求，要考慮金山水庫(kù)與雙樹寺水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)，在來水不能完全滿足需求的情況下，優(yōu)先滿足雙樹寺水庫(kù)的供水對(duì)象的用水需求。

2.1 基本原則

(1)雙樹寺水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)原則：在滿足生態(tài)環(huán)境需水量的前提下優(yōu)先滿足生活用水，其次解決生態(tài)用水和農(nóng)田灌溉用水，使生活用水保證率達(dá)到95%，滴灌灌溉保證率達(dá)到90%，渠管灌灌溉保證率達(dá)到50%；當(dāng)來水不能滿足需水要求時(shí)，灌溉用水遭到破壞，該區(qū)域多年平均降水量小于400mm，灌溉破壞深度按20%考慮。即對(duì)P<50%的年份，應(yīng)保證上述所有部門的正常供水；對(duì)于P>50%的年份，農(nóng)業(yè)灌溉用水破壞20%，灌溉用水縮減供水至各月原供水量的80%。

(2)金山水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)原則：充分利用洪水河灌區(qū)節(jié)余水量，以滿足工業(yè)園區(qū)內(nèi)工業(yè)用水，使工業(yè)用水保證率達(dá)到90%。

2.2 計(jì)算條件

(1)擬建金山水庫(kù)與上游雙樹寺水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)，雙樹寺水庫(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。雙樹寺水庫(kù)于1975年建成，2000年進(jìn)行了加固處理，總庫(kù)容2646萬m3，興利庫(kù)容2380萬m3，死庫(kù)容為108萬m3。主汛期為6月25日—8月15日，次汛期為5月1日—6月24日和8月16日—9月15日。主汛期汛限水位定為2476m，相應(yīng)庫(kù)容為1956萬m3，次汛期汛限水位定為2478.5m，相應(yīng)庫(kù)容為2243萬m3。

(2)洪水河灌區(qū)節(jié)余水量，經(jīng)雙樹寺水庫(kù)下泄，通過益民干渠引至金山水庫(kù)，引水流量要考慮益民干渠設(shè)計(jì)引水流量以及干渠利用率等。

(3)雙樹寺水庫(kù)和金山水庫(kù)蒸發(fā)損失分別由民樂縣氣象站(高程2300m)和山丹氣象站(高程1700m)實(shí)測(cè)資料求得，兩庫(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。

2.3 徑流調(diào)節(jié)

按照上述徑流調(diào)節(jié)計(jì)算基本原則，采用長(zhǎng)系列法進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。對(duì)雙樹寺水文站1957年7月—2015年6月58年徑流系列，以月為時(shí)段，來水扣除河道生態(tài)環(huán)境需水量后，與雙樹寺水庫(kù)控制區(qū)用水過程按照雙樹寺水庫(kù)現(xiàn)有規(guī)模進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，得到雙樹寺水庫(kù)的棄水過程。根據(jù)棄水過程并考慮益民干渠設(shè)計(jì)引水流量以及干渠利用率后得到金山水庫(kù)的來水過程，經(jīng)金山水庫(kù)來水、用水過程逐月調(diào)節(jié)計(jì)算，得到金山水庫(kù)興利庫(kù)容。先假定一個(gè)興利庫(kù)容，列表順時(shí)序逐年進(jìn)行水量平衡計(jì)算，得到水庫(kù)各年的供水情況，凡一年中一個(gè)或幾個(gè)時(shí)段的需水不能滿足，則該年就算不能保證，若各行業(yè)供水保證率滿足要求，則此假定興利庫(kù)容即為該方案需要的興利庫(kù)容，否則重新假定興利庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算，直至各項(xiàng)設(shè)計(jì)保證率滿足要求為止。最終使得選定的興利庫(kù)容可保證工業(yè)用水保證率達(dá)到90%。

根據(jù)來水、用水等情況，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算后上游雙樹寺水庫(kù)在58年長(zhǎng)系列中，有27年缺水，灌溉供水保證率達(dá)到53%，生活用水全部能滿足。對(duì)于金山水庫(kù)，經(jīng)試算當(dāng)金山水庫(kù)興利庫(kù)容為1130萬m3時(shí)，58年長(zhǎng)系列中，工業(yè)供水正常年份為53年，供水保證率為90%，供水保證率達(dá)到設(shè)計(jì)保證率，因此，金山水庫(kù)興利庫(kù)容確定為1130萬m3。兩庫(kù)聯(lián)合徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果見表2。

表2 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果表 單位：萬m3

(續(xù)表2)

2.4 規(guī)模確定

通過徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，得到金山水庫(kù)興利庫(kù)容為1130萬m3，由于規(guī)模較大，建設(shè)需要的資金量大，故分期建設(shè)，提早受益。即在已確定工程總規(guī)模的前提下，選擇合理的分期建設(shè)方案，首先建好金山水庫(kù)一期工程，盡早發(fā)揮效益。根據(jù)籌措資金情況、供水保證率、供水效益、庫(kù)區(qū)淹沒投資及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等各方面分析考慮，擬定一期工程規(guī)模為200萬、285萬、385萬m3三個(gè)方案進(jìn)行比選，其比較表見表3。

表3 金山水庫(kù)一期工程規(guī)模比選表

經(jīng)比較，3種方案在工程淹沒影響、供水保證率方面無太大差別，從經(jīng)濟(jì)因素分析，285萬m3方案在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上為最優(yōu)方案。因此，綜合考慮確定金山水庫(kù)一期工程興利庫(kù)容為285萬m3。金山水庫(kù)建成后，工業(yè)園區(qū)需水量為489萬m3，多年平均來水情況下供水量為367萬m3，可核減地下水超采量367萬m3，園區(qū)缺水122萬m3。由于水庫(kù)規(guī)模限制，豐水年洪水河有大量棄水無法引用，造成工業(yè)園區(qū)內(nèi)工業(yè)用水得不到保障，建議盡快完成金山系列水庫(kù)的后續(xù)建設(shè)，使有棄水的年份，特別是豐水年組，多余棄水可蓄到金山水庫(kù)，同時(shí)通過節(jié)水工程實(shí)施、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、灌溉面積壓減等多種措施，不斷減少超采區(qū)地下水開采量，從而達(dá)到核減地下水、恢復(fù)超采區(qū)地下水生態(tài)的最終目標(biāo)。

3 結(jié)語

(1) 金山水庫(kù)通過民樂縣益民東干渠引蓄洪水河灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水量，為工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水提供水源，置換園區(qū)工業(yè)地下水開采量，對(duì)恢復(fù)區(qū)域地下水超采具有極為重要的意義。

(2) 工業(yè)園區(qū)地下水總超采量616萬m3，金山水庫(kù)一期工程建成后，核減區(qū)域地下水超采量367萬m3，完成壓減任務(wù)的60%，金山水庫(kù)全部建設(shè)完成，核減地下水量489萬m3，完成壓減任務(wù)的79%，水庫(kù)建設(shè)較好的完成了地下水壓減任務(wù)，有效的改善了地下水環(huán)境。

(3) 水庫(kù)受上游蓄水過程和下游用水對(duì)象要求的影響，供水保證率各不相同，要綜合考慮上下游用水關(guān)系，工程建設(shè)投資等因素，最終確定水庫(kù)規(guī)模。