東臺(tái)子水庫特征水位合理性淺析

呂曉慧，姚山虎，趙 青

(1.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長春 130021)

1 工程概況

東臺(tái)子水庫位于西拉木倫河干流中上游，壩址以上流域面積為10764.4km2，占全流域面積的37.5%，壩址以上區(qū)間多年平均徑流量為4.84億m3。水庫設(shè)計(jì)總庫容3.21億m3，防洪庫容為2426萬m3，屬大(2)型水庫。

2 規(guī)模確定原則

東臺(tái)子水庫是西拉木倫河流域的控制性工程，建設(shè)規(guī)模首先要滿足下游防洪要求，其次擔(dān)負(fù)著林西縣工業(yè)園區(qū)供水任務(wù)同時(shí)兼顧下游區(qū)間農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水作用，要有充足的興利庫容，所以規(guī)模的選擇應(yīng)從各方面進(jìn)行綜合比較，選定時(shí)主要考慮以下原則：

1)庫區(qū)淹沒小，涉及的社會(huì)問題比較少，應(yīng)科學(xué)合理預(yù)測流域需水量。

2)考慮地形、地質(zhì)條件。

3)水庫工程應(yīng)在技術(shù)上安全可靠，經(jīng)濟(jì)上合理可行[1-2]。

3 各特征值水位比選

3.1 死水位

確定水庫死水位考慮的主要因素包括工程布置及泥沙淤積情況。根據(jù)東臺(tái)子水庫入庫水沙特點(diǎn)以及水庫所承擔(dān)的防洪與興利任務(wù)，東臺(tái)子水庫采用不分期蓄洪調(diào)度、分期蓄洪調(diào)度兩種調(diào)度方式進(jìn)行具體研究，尋求既能滿足防洪、興利要求，又能滿足水庫長期使用的調(diào)度方式[3-5]。

選取1983年、1992-1993年、1996年、1998年、2000-2001年、2007年、2009-2010年共計(jì)10a實(shí)測水沙系列作為代表系列年，開展水庫排沙調(diào)度方式研究，按照分期運(yùn)用蓄洪調(diào)度、不分期運(yùn)用蓄洪調(diào)度，計(jì)算水庫運(yùn)用后淤積變化情況。從全庫容泥沙淤積和不同水位下的泥沙淤積來看，分期蓄洪運(yùn)用方案的泥沙淤積量較不分期運(yùn)用蓄洪方案下的泥沙淤積量減少，且泥沙淤積更靠壩前。不分期運(yùn)用蓄洪方案相比分期運(yùn)用蓄洪方案，50a水庫總出庫沙量少1465萬t，排沙比減小5%。從水庫的防洪、供水及其長期使用綜合來看，推薦分期運(yùn)用蓄洪調(diào)度方式[6]。

根據(jù)水庫不同運(yùn)用時(shí)期河底縱坡變化，河底縱坡變化圖(蓄洪分期運(yùn)用調(diào)度)，見圖1。由圖1可見，隨著水庫運(yùn)用時(shí)間的延長，庫區(qū)泥沙淤積從庫尾演進(jìn)到壩前。水庫運(yùn)用10a，壩前斷面河槽淤積高程為642.84m；水庫運(yùn)用30a，壩前斷面河槽淤積高程為646.59m；水庫運(yùn)用50a，壩前斷面河槽淤積高程為652.84m；水庫運(yùn)用100a，壩前斷面河槽淤積高程為665.71m。

圖1 河底縱坡變化圖(蓄洪分期運(yùn)用調(diào)度)

東臺(tái)子水庫泥沙調(diào)度采用分期蓄洪方案，水庫壩前50a泥沙淤積高程為652.84m，引水口底板高程為653.84m，考慮引水口孔徑3.0m及3.16m淹沒水深，綜合泥沙淤積和引水高程的要求，則水庫死水位為660.0m。

3.2 正常蓄水位

水庫采用分期運(yùn)用調(diào)度，淤積30a以后，水庫運(yùn)行調(diào)度死水位為660.0m，興利調(diào)節(jié)考慮50a泥沙淤積庫容。考慮到東臺(tái)子水庫庫區(qū)地形、地質(zhì)、沒有特殊的突變以及上下限制條件，又因整個(gè)庫區(qū)遠(yuǎn)離居民集中居住區(qū)，淹沒及動(dòng)遷量相對(duì)較小，正常蓄水位的比較針對(duì)水庫調(diào)節(jié)能力不同，初步擬定了正常蓄水位671.3m、672.3m、673.3m三個(gè)方案[7]。

1)方案1：正常蓄水位671.3m。2030年補(bǔ)償下游干流缺水8918萬m3，多年平均可供工業(yè)園區(qū)水量為4600萬m3。不滿足興利要求，但是工程投資較少，綜合方案的投資和收益，需要從經(jīng)濟(jì)比較上說明正常蓄水位的經(jīng)濟(jì)合理性。

2)方案2：正常蓄水位672.3m。2030年補(bǔ)償下游干流缺水8918萬m3，多年平均可供工業(yè)園區(qū)水量為5340萬m3，可以滿足2030年國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展需水。通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來選擇經(jīng)濟(jì)合理正常蓄水位方案。

3)方案3：正常蓄水位673.3m。2030年補(bǔ)償下游干流缺水8918萬m3，多年平均可供工業(yè)園區(qū)水量為5340萬m3，可以滿足2030年國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展需水。多余水量可以考慮進(jìn)行水力發(fā)電。通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來選擇經(jīng)濟(jì)合理正常蓄水位方案。

3個(gè)正常蓄水位方案通過水庫興利作用、發(fā)電收益、水庫淹沒、工程投資、經(jīng)濟(jì)分析等綜合比較，最終確定東臺(tái)子水庫工程規(guī)模，選定正常蓄水位為672.3m。

3.3 防洪限制水位

防洪限制水位的確定是根據(jù)防洪庫容與興利庫容相結(jié)合的共用庫容來確定。如果汛后來水較多，汛期過后水庫仍能蓄滿，那么適當(dāng)降低水庫的防洪限制水位，可以在汛期為水庫騰空一部分防洪庫容，增大防洪與興利相結(jié)合的共用庫容，進(jìn)而降低水庫總體規(guī)模，減少工程投資和淹沒投資[8-9]。

根據(jù)地區(qū)洪水特性，興利計(jì)算時(shí)汛限起止時(shí)間定為7月初-9月上旬。擬通過正常蓄水位672.3m時(shí)，進(jìn)行防洪限制水位的比較，初步擬定防洪限制水位為672.3m和671.8m兩個(gè)方案，通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇是否采用防洪庫容與興利庫容相結(jié)合的共用庫容方案。

3.3.1 興利供水比較

防洪限制水位671.8m方案，至控制枯時(shí)段末期，水庫已降至死水位，不能滿足需水要求，總?cè)彼?74萬m3，為2010年3月非汛期缺水474萬m3，此時(shí)，即使將正常蓄水位抬高至673.2m時(shí)，也缺水474萬m3，原因是將防洪限制水位降至671.8m，在該控制段內(nèi)2008年7月上旬汛期產(chǎn)生更多棄水，防洪限制水位為672.3m時(shí)2008年7月上旬汛期棄水為426萬m3，降低至671.8m棄水為920萬m3，促使2010年3月非汛期缺水474萬m3，只有抬高防洪限制水位，減少該控制時(shí)段內(nèi)汛期棄水，才能保證興利供水要求，經(jīng)測算，當(dāng)防洪限制水位抬高至672.15m時(shí)，可滿足上述需水要求。即在正常蓄水位672.3m時(shí)，防洪限制水位672.15m時(shí)不影響興利，考慮防洪和興利結(jié)合庫容僅為287.1萬m3，對(duì)工程淹沒及工程規(guī)模影響較小。因此，從興利供水角度，推薦防洪限制水位為672.3m。控制枯水段徑流調(diào)節(jié)成果，見表1(正常蓄水位672.3m，汛限671.8m情況)。

表1 控制枯水段徑流調(diào)節(jié)成果 萬m3

3.3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較

采用防洪限制水位671.8m方案和防洪限制水位672.3m方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選，通過兩個(gè)方案的工程投資、淹沒投資、以及供水收益等方面進(jìn)行綜合比較。采用投資差額內(nèi)部收率法推薦出經(jīng)濟(jì)合理的防洪限制水位[10]。

通過比較可以看出，方案1(防洪限制水位671.8m)整體壩高降低0.43m，大壩主體投資可以減少647萬元，整體上移民淹沒占地投資減少13萬，但是由于降低防洪限制水位，直接影響工程興利多年平均供水449萬m3，方案2與方案1投資差額比較，差額內(nèi)部收益率為12.41 %，>社會(huì)折現(xiàn)率8%，所以方案2(防洪限制水位672.3m方案)更為經(jīng)濟(jì)合理，防洪限制水位比較表，見表2。

表2 防洪限制水位比較表

續(xù)表2 防洪限制水位比較表

綜上分析，東臺(tái)子水庫工程推薦防洪限制水位為672.3m，與正常蓄水位同高。

4 影響分析

依據(jù)西拉木倫河流域現(xiàn)有水利工程及1957-2015年水文系列來水情況，同時(shí)考慮工農(nóng)業(yè)回歸水，并以流域2030年國民經(jīng)濟(jì)各部門需水量為基礎(chǔ)，依據(jù)水資源供需平衡分析原則，按長系列時(shí)歷法進(jìn)行西拉木倫河流域水資源供需平衡分析計(jì)算。

經(jīng)分析，西拉木倫河流域多年平均徑流量為10.55億m3，流域2030年國民濟(jì)各部門地表水總需水量3.85億m3，在工業(yè)和生活用水保證率95%，旱田用水保證率50%情況下，支流需水2.06億m3，供水1.63億m3，缺水0.33億m3；干流需水1.80億m3，供水1.67億m3，其中東臺(tái)子水庫多年平均可向林西工業(yè)園區(qū)供水3951萬m3，西拉木倫河流域多年平均余水6.96億m3，西拉木倫河流域水資源開發(fā)利用程度達(dá)到31.2%。

水資源開發(fā)利用率是指流域或區(qū)域用水量占水資源可利用量的比率。國際上一般認(rèn)為，一條河流的合理開發(fā)限度為40%，而當(dāng)利用率超過40%時(shí)，即表明嚴(yán)重缺水，可能制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并導(dǎo)致社會(huì)穩(wěn)定和環(huán)境安全問題。通過上述分析可知，分析確定的水庫規(guī)模，建成后對(duì)流域水資源開發(fā)利用的影響較為合理。

5 結(jié) 論

東臺(tái)子水庫工程選定正常蓄水位672.3m方案，既滿足了防洪要求，又滿足國民經(jīng)濟(jì)各部門用水要求，經(jīng)濟(jì)分析合理可行。工程建設(shè)充分考慮了地區(qū)的防洪體系建設(shè)，水庫建成后削減西拉木倫河干流洪水，結(jié)合下游堤防的建設(shè)，可以使下游海日蘇閘至河口段防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到30a一遇。水庫具有2426萬m3防洪庫容，針對(duì)整個(gè)西遼河的防洪調(diào)度，水庫建成后具有更多操作性，對(duì)整個(gè)西遼河防洪體系的建設(shè)以及總體調(diào)度更為有利。