某流域并聯(lián)水庫(kù)正常蓄水位確定方法

吳 萌

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

中國(guó)西北地區(qū)水資源緊缺，同一流域往往需要在其支流建設(shè)水庫(kù)來(lái)承擔(dān)其支流全部、干流部分的城鄉(xiāng)生活、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉等多項(xiàng)供水任務(wù)，由于干支流供水范圍、供水保證率不同，當(dāng)流域支流修建多座水庫(kù)形成并聯(lián)，共同承擔(dān)全流域供水任務(wù)時(shí)，并聯(lián)水庫(kù)規(guī)模的確定往往具有一定的復(fù)雜性[1-3]。本文采用長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB數(shù)學(xué)模型，對(duì)AKS流域并聯(lián)水庫(kù)正常蓄水位確定方法研究，為流域并聯(lián)水庫(kù)正產(chǎn)蓄水位的確定提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

AKS河[4-6]是新疆天山南坡第一大河，是塔里木河重要源流之一，主要由KMLK河與TSG河兩大支流匯流而成，西大橋水文站斷面多年平均年徑流量84.78億m3。根據(jù)AKS河流域控制性工程布局，AKS河兩大支流中，在KMLK河上建設(shè)DSX水利樞紐，在TSG河上建設(shè)AK水利樞紐，通過(guò)2座水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，共同滿足AKS河流域綜合利用要求。支流KMLK河全長(zhǎng)293 km，協(xié)合拉水文站以上集水面積12 816 km2，多年平均年徑流量48.82億m3，該河上控制性水庫(kù)DSX水利樞紐[7-9]正在開(kāi)工建設(shè)；支流TSG河全長(zhǎng)457 km，沙里桂蘭克水文站以上集水面積19 166 km2，多年平均年徑流量29.09億m3，該河上擬建控制性工程AK水利樞紐。AKS河控制性工程位置見(jiàn)圖1。

圖1 AKS河控制性工程位置示意圖

2 研究方法

2.1 長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序

長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序?yàn)橐环N通用的數(shù)學(xué)模型，該模型可用于模擬分析承擔(dān)發(fā)電、灌溉、生態(tài)等一種或多種任務(wù)綜合利用水庫(kù)的運(yùn)行情況。該程序以天然徑流、灌溉用水、生態(tài)用水過(guò)程作為輸入，水庫(kù)損失、電站保證出力作為程序迭代循環(huán)計(jì)算過(guò)程的控制性指標(biāo)，水庫(kù)發(fā)電量、出庫(kù)水量、灌溉水量、生態(tài)水量等作為輸出。該計(jì)算數(shù)學(xué)模型已多次應(yīng)用于新疆大中型水利樞紐工程設(shè)計(jì)，并獲得水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、 水利部黃河水利委員會(huì)等多家審查機(jī)構(gòu)認(rèn)可。長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序計(jì)算流程圖

2.2 流域綜合利用要求

AKS河流域綜合利用要求有下泄塔里木河干流生態(tài)水量[10-11]、流域內(nèi)灌溉供水[12-14]、防洪[15-16]和發(fā)電等綜合利用。

(1) 塔里木河干流需AKS河下泄水量要求

AKS河多年平均來(lái)水條件下，在阿拉爾斷面下泄水量34.2億m3，考慮到4—5月是荒漠河岸林返青期，該時(shí)段按照阿拉爾斷面天然來(lái)水50%保證率下泄水量。兩座山區(qū)水庫(kù)共同承擔(dān)流域生態(tài)供水任務(wù)。

(2) 灌溉供水要求

AKS河流域灌區(qū)包括阿合奇灌區(qū)、TSG河灌區(qū)、KMLK河灌區(qū)、老大河灌區(qū)、塔里木灌區(qū)，設(shè)計(jì)水平年2030年總灌溉面積45.37萬(wàn)hm2(680.66萬(wàn)畝，總需水量50.17億m3，其中地表水年需水量46.09億m3。根據(jù)灌區(qū)水資源利用節(jié)點(diǎn)關(guān)系(見(jiàn)圖3)，由下至上從塔里木攔河閘推求至西大橋斷面，地表水年需水量31.15億m3。其中DSX水庫(kù)單獨(dú)控制KMLK河灌區(qū)；AK水庫(kù)單獨(dú)控制阿合奇灌區(qū)、TSG河灌區(qū)；兩庫(kù)共同控制老大河灌區(qū)、塔里木灌區(qū)(面積30.6萬(wàn)hm2(459萬(wàn)畝)，占總面積67%)。

圖3 AKS河流域灌區(qū)水資源利用節(jié)點(diǎn)示意圖

(3) 防洪要求

AKS河干流主要防洪保護(hù)對(duì)象為阿克蘇市，防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，防洪控制斷面為西大橋水文站斷面，2座山區(qū)水庫(kù)共同承擔(dān)流域防洪任務(wù)。

(4) 發(fā)電要求

南疆四地州電力系統(tǒng)對(duì)于有調(diào)峰能力的水電電源點(diǎn)需求較為迫切。

3 正常蓄水位選擇

3.1 按調(diào)節(jié)庫(kù)容分?jǐn)偝醪奖容^兩座水庫(kù)正常蓄水位

DSX和AK水庫(kù)分別位于AKS河支流KMLK河和TSG河上，確定兩庫(kù)正常蓄水位首先要分析滿足流域綜合利用要求所需調(diào)節(jié)庫(kù)容，其次結(jié)合水庫(kù)地形地質(zhì)條件尋求2座水庫(kù)正常蓄水位上限要求，最后根據(jù)2座水庫(kù)庫(kù)容條件，進(jìn)行庫(kù)容分?jǐn)偅瑢で笸顿Y最省、效益最優(yōu)的兩庫(kù)正常蓄水位組合方案。

從2座水庫(kù)建設(shè)條件來(lái)看，DSX水庫(kù)受國(guó)界線控制條件制約，正常蓄水位上限不宜超過(guò)1 700.00 m；AK水庫(kù)受左岸古河槽地形條件制約，正常蓄水位上限不宜超過(guò)2 470.00 m。根據(jù)AKS河流域灌溉及供水要求，在保證向塔里木河干流生態(tài)供水目標(biāo)的前提下，流域所需山區(qū)水庫(kù)灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容10.9億m3。從兩庫(kù)調(diào)節(jié)能力來(lái)看，按照淤積50 a考慮，DSX水庫(kù)受國(guó)境線限制，最大調(diào)節(jié)庫(kù)容7.1億m3，奧庫(kù)受地形條件限制，最大調(diào)節(jié)庫(kù)容6.7億m3，兩座水庫(kù)均無(wú)法單獨(dú)滿足流域灌溉調(diào)節(jié)要求，因此流域灌溉調(diào)節(jié)任務(wù)需由兩庫(kù)共同分?jǐn)偂８鶕?jù)2座水庫(kù)庫(kù)容條件，首先考慮2種極端情況進(jìn)行分?jǐn)偅磰W庫(kù)按最大承擔(dān)、剩余由DSX水庫(kù)承擔(dān)，DSX水庫(kù)按最大承擔(dān)、剩余由奧庫(kù)承擔(dān)，然后內(nèi)插中間方案，據(jù)此擬定6組方案開(kāi)展水庫(kù)正常蓄水位比選工作，通過(guò)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序進(jìn)行模擬計(jì)算，得到2座水庫(kù)灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容分?jǐn)倓?dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表1。

考慮到不同分?jǐn)偡桨妇杉骖櫚l(fā)電，各方案計(jì)入發(fā)電指標(biāo)按整體效益進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。從整體趨勢(shì)看，DSX水庫(kù)分?jǐn)値?kù)容越大，相應(yīng)AK水庫(kù)分?jǐn)値?kù)容越小，兩庫(kù)整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)越優(yōu)，即適當(dāng)抬高DSX水庫(kù)發(fā)電水頭可獲取較為優(yōu)越的發(fā)電效益。因此，從兩庫(kù)庫(kù)容分?jǐn)偡治觯珼SX水庫(kù)正常蓄水位1 700.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容7.10億m3；相應(yīng)AK水庫(kù)正常蓄水位2 457.50 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容3.80億m3，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

3.2 DSX水庫(kù)正常蓄水位比選

(1) 方案擬定

通過(guò)DSX與AK水庫(kù)灌溉庫(kù)容分?jǐn)傆?jì)算，DSX水利樞紐工程承擔(dān)的灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容越大，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)越好，推薦DSX水庫(kù)正常蓄水位1 700.00 m方案。在單獨(dú)比較DSX水庫(kù)正常蓄水位時(shí)，結(jié)合工程自身特點(diǎn)及工程任務(wù)，在兩庫(kù)分?jǐn)偼扑]最優(yōu)正常蓄水位1 700.00 m基礎(chǔ)上，擬定了1 698.00、1 699.00、1 700.00和1 701.00 m 4個(gè)正常蓄水位方案，通過(guò)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序進(jìn)行模擬計(jì)算，得到DSX水庫(kù)不同正常蓄水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表2。

表2 DSX水庫(kù)不同正常蓄水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

(2) 正常蓄水位選擇

各正常蓄水位方案，隨著水位抬高，調(diào)節(jié)庫(kù)容增大，在滿足流域分?jǐn)偨o本工程的灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容要求后，剩余的庫(kù)容作為發(fā)電專用庫(kù)容，可用于增加電站容量效益。

(3) 正常蓄水位比選結(jié)果

1) 通過(guò)與AK水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，各正常蓄水位方案均能滿足AKS河向塔里木河干流阿拉爾斷面多年平均下泄水量34.2億m3，4、5月下泄生態(tài)水量保證率不低于50%的要求。

2) 從滿足流域農(nóng)業(yè)灌溉供水要求分析，DSX水庫(kù)所需灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容7.10億m3；正常蓄水位1 698.00～1 700.00 m，泥沙淤積50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容為6.92～7.33億m3，正常蓄水位1 700.00 m和1 701.00 m方案能夠滿足灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容要求。

3) 從動(dòng)能指標(biāo)分析，隨著正常蓄水位的抬高，電站發(fā)電水頭有所增大，動(dòng)能指標(biāo)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，正常蓄水位1 701.00 m方案動(dòng)能指標(biāo)最大。

4) 從水庫(kù)淹沒(méi)及移民安置分析，DSX水庫(kù)工程點(diǎn)處于無(wú)人區(qū)，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)不涉及耕地、居民點(diǎn)及專項(xiàng)設(shè)施等，淹沒(méi)對(duì)象主要為荒漠草場(chǎng)。各方案均不存在影響工程建設(shè)的制約因素。

5) 從地形地質(zhì)條件分析，各方案均無(wú)制約因素。

6)從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，采用差額內(nèi)部收益率進(jìn)行比較，正常蓄水位1 701.00 m方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

7) 從國(guó)界線邊防管控要求分析，DSX水庫(kù)回水按照多年平均流量下距國(guó)界線 1 km 為控制條件，正常蓄水位1 700.00 m方案滿足要求。

綜合上述分析，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，以邊防管控要求作為控制條件，推薦水庫(kù)正常蓄水位為1 700.00 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容11.48億m3(淤積 50 a剩余庫(kù)容7.6億m3)；調(diào)節(jié)庫(kù)容10.22億m3(淤積 50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容7.19億m3)。

3.3 AK水庫(kù)正常蓄水位選擇

(1) 方案擬定

通過(guò)DSX與AK水庫(kù)灌溉庫(kù)容分?jǐn)傆?jì)算，AK水庫(kù)承擔(dān)的灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容越小，整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)，因此，以滿足流域灌溉調(diào)節(jié)分?jǐn)値?kù)容3.80億m3，相應(yīng)水庫(kù)水位2 457.50 m為正常蓄水位比選下限方案。結(jié)合水庫(kù)地形地質(zhì)條件，受左岸古河槽地形條件制約，水庫(kù)水位2 470.00 m為上限方案，按2.5 m水位間隔擬定了6組正常蓄水位方案，通過(guò)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算VB程序進(jìn)行模擬計(jì)算，得到AK水庫(kù)不同正常蓄水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表3。

表3 AK水庫(kù)不同正常蓄水位方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

(2) 正常蓄水位選擇

各正常蓄水位方案，隨著正常蓄水位的抬高，調(diào)節(jié)庫(kù)容隨之增大，在滿足本流域灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容后，剩余的庫(kù)容作為發(fā)電專用庫(kù)容，可用于增加本電站的容量效益和補(bǔ)償下游梯級(jí)水電站的電力電量。

(3) 正常蓄水位比選結(jié)果

1) 通過(guò)與DSX水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，各正常蓄水位方案均能滿足AKS河向塔里木河干流阿拉爾斷面多年平均下泄水量34.2億m3，4、5月下泄生態(tài)水量保證率不低于50%的要求。

2) 從滿足流域農(nóng)業(yè)灌溉供水要求分析，所需灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容3.80億m3；正常蓄水位2 457.50～2 470.00 m，泥沙淤積50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容為3.80～6.47億m3，均能同等程度滿足下游灌溉供水所需調(diào)節(jié)庫(kù)容要求。

3) 從動(dòng)能指標(biāo)分析，隨著正常蓄水位的抬高，發(fā)電水頭增大，多年平均年發(fā)電量和下游梯級(jí)電站補(bǔ)償電量隨之增加，正常蓄水位2 470.00 m，電量最大，但正常蓄水位高于2 465.00 m方案后，電量增幅減小；從對(duì)下游梯級(jí)電站補(bǔ)償出力及電量分析，隨著正常蓄水位的抬高，補(bǔ)償電力電量隨之增大，正常蓄水位2 470.00 m方案補(bǔ)償電力電量最大。

4) 從水庫(kù)淹沒(méi)及移民安置分析，正常蓄水位越高，水庫(kù)淹沒(méi)投資越大，重要的淹沒(méi)實(shí)物指標(biāo)主要沿河岸呈帶狀分布在低水位階地上。因此，隨各比選方案蓄水位提高淹沒(méi)實(shí)物數(shù)量遞增較緩，各正常蓄水位方案之間投資增幅為3%～4%。因此，從水庫(kù)淹沒(méi)及移民安置分析，正常蓄水位越低越好，正常蓄水位2 457.50 m方案較優(yōu)。

5) 從地形地質(zhì)條件分析，各方案均無(wú)制約因素。

6) 從各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，采用差額內(nèi)部收益率進(jìn)行比較，正常蓄水位2 465.00 m方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

綜合上述分析，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，推薦AK水庫(kù)正常蓄水位為2 465.00 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容7.17億m3(淤積 50 a剩余庫(kù)容5.70億m3)；調(diào)節(jié)庫(kù)容6.77億m3(淤積 50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容5.38億m3)。

4 結(jié) 論

(1) 流域2座并聯(lián)水庫(kù)共同承擔(dān)下游生態(tài)、灌溉、防洪等綜合利用任務(wù)時(shí)，正常蓄水位的比較應(yīng)先根據(jù)流域所需調(diào)節(jié)庫(kù)容要求，結(jié)合2座水庫(kù)庫(kù)容條件，進(jìn)行水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容分?jǐn)偙容^，初步確定2座水庫(kù)投資最省、效益最優(yōu)調(diào)節(jié)庫(kù)容分?jǐn)偡桨浮KS河流域所需灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容10.9億m3，通過(guò)庫(kù)容分?jǐn)偙容^，DSX水庫(kù)承擔(dān)灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容7.1億m3，奧庫(kù)承擔(dān)灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容3.8億m3，為最優(yōu)方案。

(2) 按水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容分?jǐn)偙容^，確定的2座水庫(kù)各自需承擔(dān)的調(diào)節(jié)庫(kù)容和相應(yīng)的水庫(kù)水位，為水庫(kù)開(kāi)展正常蓄水位比較的基本方案。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合每座水庫(kù)的地形地質(zhì)條件、庫(kù)容特性、水庫(kù)淹沒(méi)及移民安置等條件，對(duì)水庫(kù)開(kāi)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，最終推薦適宜每個(gè)工程的最優(yōu)水位方案。經(jīng)綜合比較，DSX水庫(kù)正常蓄水位1 700.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容10.22億m3(泥沙淤積 50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容7.19億m3)；AK水庫(kù)正常蓄水位2 465.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.77億m3(泥沙淤積 50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容5.38億m3)，2座水庫(kù)總調(diào)節(jié)庫(kù)容16.99億m3(泥沙淤積 50 a剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容12.57億m3)為最優(yōu)方案。

(3) AKS河流域DSX和AK水利樞紐工程建成后，通過(guò)聯(lián)合調(diào)度，可保證AKS河多年平均下泄塔里木河34.2億m3水量，以及4、5月按照阿拉爾斷面天然來(lái)水50%保證率下泄生態(tài)水量的要求，與下游4座平原水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，可解決AKS河流域灌區(qū)灌溉缺水的問(wèn)題，使灌區(qū)灌溉保證率達(dá)到75%；與堤防聯(lián)合運(yùn)用，可使TSG河和KMLK河兩岸的村莊和農(nóng)田防洪標(biāo)準(zhǔn)由5年一遇提高到10年一遇，可使阿克蘇市防洪標(biāo)準(zhǔn)由30年一遇提高到50年一遇；并利用水庫(kù)下泄水量進(jìn)行發(fā)電，向南疆四地州電網(wǎng)輸送22.04億kWh的電量。