水庫徑流調(diào)節(jié)計算及分析

寇石峰，寇鮮苗

（1.西安市水政監(jiān)察支隊,陜西 西安 710016；2.寶雞市金臺區(qū)水利水保工作站,陜西 寶雞 721000）

1 工程概況

以采兔溝水庫工程為例,該工程地址在陜西省榆林市神木縣禿尾河中游干流,水庫距榆神鐵路大橋約1 km、距縣城約35 km、距市區(qū)75 km[1]。修建該工程是為了保障下游人民的生產(chǎn)生活以及滿足大保當工業(yè)區(qū)的供水需求。

禿尾河是黃河的一級支流,上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成。匯合口烏雞灘以下稱禿尾河干流,流域面積3373 km2,全長133.9 km,河道平均比降3.87‰。采兔溝水庫壩址位于禿尾河干流瑤鎮(zhèn)水庫以下13 km 處,距下游高家堡水文站約24 km,控制流域面積1339 km2。流域主要為風沙草灘地區(qū)和少量的黃土溝壑區(qū),其中黃土溝壑地區(qū)位于壩址附近,面積約為24 km2。

2 工程任務和規(guī)模

采兔溝水庫位于神木縣禿尾河的中游,壩址以上流域面積1339 km2,多年平均徑流量15980 萬m3,神木縣地處毛烏素沙漠東南邊緣,干旱少雨,多年平均降水量434.2 mm,多年平均蒸發(fā)量1781 mm（φ20 cm）。隨著神府煤田的建設和發(fā)展以及陜北能源重化工基地的規(guī)劃建設,地方經(jīng)濟迅速發(fā)展,城鎮(zhèn)人口急劇增長,工農(nóng)業(yè)用水和城鎮(zhèn)居民生活用水的矛盾也日益尖銳。水源工程滯后是制約工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的關鍵[2]。2003 年在采兔溝水庫上游13 km 處建成了瑤鎮(zhèn)水庫,解決了向錦界工業(yè)區(qū)和神木縣城供水問題。采兔溝水庫作為禿尾河干流上的第二座水庫的修建,是神木縣計劃梯級開發(fā)禿尾河水資源,帶動和發(fā)展當?shù)毓I(yè)建設及經(jīng)濟的迫切要求[3]。采兔溝水庫任務是在不影響下游生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水的前提下,向大保當工業(yè)區(qū)供水。按照采兔溝水庫運用方式,在保證生態(tài)用水0.35 m3/s,1.0 萬畝灌區(qū)灌溉保證率50%情況下,向大保當工業(yè)區(qū)供水15 萬m3/d,多年平均給工業(yè)區(qū)的可供水量5445.48 萬m3,供水保證率95%。經(jīng)水庫調(diào)節(jié)計算,確定水庫死水位1066.05 m、正常蓄水位1082.00 m、設計洪水位1082.11 m,校核洪水位1082.94 m,總庫容7281 萬m3,調(diào)節(jié)庫容5800 萬m3。

3 徑流調(diào)節(jié)計算

3.1 基本資料

采兔溝水庫壩址年徑流根據(jù)烏雞灘斷面年徑流按水文比擬法進行計算,計算年段為1957 年～2000 年44 年長系列,年徑流CV、CS參照同屬沙漠區(qū)的海流兔河韓家峁站徑流CV、CS,即CV取0.15,CS/CV取2.5。

瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流根據(jù)烏雞灘斷面年徑流按水文比擬法進行計算,計算年段為1957 年～2000 年44 年長系列,年徑流CV、CS參照同屬沙漠區(qū)的海流兔河韓家峁站徑流CV、CS,即CV取0.15,CS/CV取2.5。

瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間年徑流由采兔溝水庫壩址年徑流減去瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流得到,計算年段為1957 年～2000 年44 年長系列。

3.1.1 調(diào)節(jié)選用徑流系列

初設階段,根據(jù)采兔溝水庫壩址年徑流1957 年～2000 年44 年水文系列,瑤鎮(zhèn)水庫1957 年～2000 年44 年長系列,瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間1957 年～2000 年44 年長系列基本資料,調(diào)節(jié)計算選用1957 年8 月～2000 年7 月水文調(diào)節(jié)年段,共計43 年水文年資料。

其調(diào)節(jié)計算采用徑流資料分別為：

采兔溝水庫壩址年徑流,1957 年8 月～2000 年7 月43 年調(diào)節(jié)年段,多年平均徑流量為1.598 億m3,最大值2.57 億m3（1964 年8 月～1965 年7 月）,最小值1.19 億m3（1994 年8 月～1995 年7 月）。

瑤鎮(zhèn)水庫壩址年徑流,1957 年8 月～2000 年7 月43 年調(diào)節(jié)年段, 多年平均徑流量為0.919 億m3, 最大值1.46 億m3（1964 年8 月～1965 年7 月）,最小值0.67 億m3（1994 年8 月～1995 年7 月）。

瑤鎮(zhèn)水庫～采兔溝水庫區(qū)間年徑流,1957 年8 月～2000 年7 月43 年調(diào)節(jié)年段,多年平均徑流量為0.68 億m3,最大值1.1 億m3（1964 年8 月～1965 年7 月）,最小值0.52 億m3（1994 年8 月～1995 年7 月）。

3.1.2 水庫庫容曲線與蒸發(fā)損失

按1∶5000 地形圖對采兔溝水庫水位高程與水庫庫容、水位與面積進行了復核計算,復核后的水庫水位與庫容、水位與面積關系見表1。

采兔溝水庫壩址多年平均蒸發(fā)量為1019.3 mm,各月蒸發(fā)標準見表2。

表2 采兔溝水庫壩址各月蒸發(fā)增損量表

3.1.3 滲流量計算

采兔溝水庫地處沙漠地區(qū),選定壩型為碾壓式砂壩,水庫在壩基、壩體及左右壩肩存在滲漏問題,根據(jù)類似工程的經(jīng)驗,水庫調(diào)節(jié)時按照月平均庫容3.0%扣除,即多年平均滲漏量為1169.24 萬m3,約為入庫水量的14%。

3.2 調(diào)節(jié)原則及運行方式

3.2.1 調(diào)節(jié)原則

水資源統(tǒng)一調(diào)配,兩庫聯(lián)調(diào)的目的,盡可能地合理配置水資源。其方法為：

（1）上游瑤鎮(zhèn)水庫在滿足其工程任務工況下,水庫的棄水和滲漏水量與瑤鎮(zhèn)～采兔溝區(qū)間徑流疊加,作為采兔溝水庫的入庫水量,“以供定需”,確定經(jīng)濟合理的采兔溝水庫規(guī)模。

（2）水庫放水滿足壩下游河道日最小下泄流量為0.25 m3/s的常流水要求。

（3）采兔溝水庫先滿足大保當工業(yè)區(qū)供水,用采兔溝水庫的滲漏水量調(diào)節(jié)下游的1 萬畝灌區(qū)的灌溉用水（年均需水量392.14 萬m3）,且保證率滿足50%要求。

3.2.2 運行方式

禿尾河上游的瑤鎮(zhèn)水庫棄水和滲漏水量與瑤鎮(zhèn)～采兔溝區(qū)間徑流疊加,作為采兔溝水庫壩址處徑流量。

首先,從采兔溝水庫壩址處的徑流量中,扣除壩址處河道日最小下泄流量為0.25 m3/s 的常流量生態(tài)用水。其次,剩余水量作為采兔溝水庫的入庫水量,進行水庫的調(diào)蓄運用。

采兔溝水庫的運行方式為：豐水期蓄庫,枯水期水庫供水,采用早蓄方案,即從死水位開始蓄庫,庫滿后,多余水量作為加大河道內(nèi)生態(tài)水量下泄；枯水期來水小于用水,水庫開始供水,水位降落,直到水庫水位降至死水位,完成整個蓄供水周期。根據(jù)水量平衡原理,用長系列歷時法進行月調(diào)節(jié)計算。

3.3 采兔溝水庫正常蓄水位的復核確定

在可行性研究階段分別用四種不同水文徑流系列,進行了方案比較確定,推薦采兔溝水庫正常蓄水位為1082 m。為了進一步對水庫正常蓄水位進行復核,本階段仍采用“以供定需”,聯(lián)合調(diào)節(jié)水資源的原則,以韓家峁站為參證站,計算得出的徑流分配系列,進行調(diào)節(jié)計算、復核比較確定。

3.3.1 方案擬定

以水資源統(tǒng)一調(diào)配為原則,采用瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫聯(lián)合調(diào)節(jié),“以供定需”,根據(jù)來水量,確定與供水量相應的水庫規(guī)模。按照采兔溝水庫的運行方式,在初選死水位為1066.05 m 的基礎上,本階段采用韓家峁44 年徑流資料,調(diào)節(jié)計算采用1957 年8 月～2000 年7 月43 年調(diào)節(jié)年段,以期與可研階段采用的四種不同水文資料的計算結果進行比較。

3.3.2 初設結果與可研階段成果比較分析

滲漏水量作為下游灌區(qū)1 萬畝灌溉面積的灌溉水量,其初設結果與可研階段不同水文徑流系列方案計算比較結果見表3。

表3 初設結果與可研結果的采兔溝水庫滲漏水量作為灌溉水量結果對比表

初設階段43 年調(diào)節(jié)年段與可研階段推薦方案的43 年調(diào)節(jié)年段,通過對采兔溝水庫多年平均各月調(diào)節(jié)結果的統(tǒng)計分析以及初設階段正常蓄水位1082 m 長系列多年平均初設階段調(diào)節(jié)結果的分析,本次計算結果與可研結果基本一致,僅有的區(qū)別為,可研階段采兔溝水庫多年平均給大保當工業(yè)區(qū)供水量為5418.84 萬m3,水庫滲漏水量為1099.47 萬m3；本階段采兔溝水庫多年平均給大保當工業(yè)區(qū)供水量為5445.48 萬m3,水庫滲漏水量為1169.24 萬m3。初設結果的滲漏水量比可研結果多70 萬m3,表明水庫規(guī)模是合適的。采兔溝水庫正常蓄水位1082 m,在不影響下游農(nóng)灌和生態(tài)用水前提下,滿足大保當工業(yè)區(qū)供水量及供水保證率的要求。

3.3.3 經(jīng)濟比較

為合理確定采兔溝水庫的正常蓄水位,需要進行不同供水量的水庫規(guī)模比較,即大保當日供水量從15 萬t 提高到15.5 萬t,不同正常蓄水位方案進行技術經(jīng)濟比較。結果表明：

（1）大保當日供水量從15 萬t 提高到15.5 萬t,雖然日供水量僅增加0.5 萬t/日,但水庫的調(diào)節(jié)庫容需增加到9627.14 萬m3,增加調(diào)節(jié)庫容3827.14 萬m3,多年平均供水量僅增加182.5 萬t,相當于21m3 庫容滿足1t 的水量。

（2）從15 萬t 提高到15.5 萬t,壩高需從1082 m 抬高到1089 m,增加壩高7 m 增加的大壩與移民投資約為1980 萬元,單位調(diào)節(jié)水量增加的大壩與移民投資為9.22 元/m3,大于正常蓄水位1082 m 的單位供水量大壩與移民投資。

（3）從方案的財務內(nèi)部收益率來看,正常蓄水位1082 m的內(nèi)部收益率為9.79%,而正常蓄水位1089 m 的內(nèi)部收益率為7.63%,正常蓄水位1082 m 的內(nèi)部收益率大于正常蓄水位1089 m。

由此可見,正常蓄水位1089 m 方案不經(jīng)濟。采兔溝水庫的最大供水能力為：大保當日供水量15 萬t。亦就是采兔溝水庫正常蓄水位1082 m 具有良好的社會經(jīng)濟效益,是經(jīng)濟合理的水庫規(guī)模。

綜合考慮1082 m 方案較優(yōu),因此,本階段推薦正常蓄水位為1082m。

3.4 水庫死水位的確定

根據(jù)泥沙淤積量的復核計算,瑤鎮(zhèn)水庫至采兔溝水庫壩址區(qū)間多年平均輸沙量為26.4 萬t,折合18.9 萬m3,水庫按30 年淤滿死庫容考慮,30 年淤積總沙量為567 萬m3；根據(jù)地質(zhì)資料,塌岸方量為1214.47 萬m3,結合工程實際情況分析,水庫蓄水后導致庫岸再造,最終形成水下9°、水上32°的穩(wěn)定岸坡,其中塌岸方量中一部分在塌岸范圍內(nèi)自身穩(wěn)定,另一部分塌落到庫區(qū)內(nèi),通過分析、計算,塌落到庫區(qū)內(nèi)的方量約為533.2 萬m3左右,泥沙淤積和塌岸方量共計為1100.2 萬m3。因為塌岸方量主要位于壩前主河道兩岸,距離大壩較近,部分泥沙淤積在回水末端的有效庫容內(nèi),尚有一部分懸移質(zhì)細顆粒沉積在壩前,大壩設有導流泄洪洞,可以沖走部分泥沙,綜合考慮,擬定死庫容為996.5 萬m3,相應水位為1066.05 m,則死水位選定為1066.05 m。

3.5 選定水庫規(guī)模的調(diào)節(jié)結果

綜合上述論證,瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫聯(lián)合調(diào)節(jié),推薦正常蓄水位1082 m。通過對1957 年8 月～2000 年7 月43 年調(diào)節(jié)年段的各年調(diào)節(jié)結果分析可知,正常蓄水位1082 m,多年平均給工業(yè)區(qū)的可供水量5445.48 萬m3,供水保證率為95.5%；水庫滲漏水量作為下游灌區(qū)灌溉用水,多年平均可供水量為309.0 萬m3,灌溉保證率為50%；采兔溝水庫壩址扣除灌溉水量后,多年平均下泄河道生態(tài)水量2548.05 萬m3,滿足工程任務要求。

3.6 調(diào)節(jié)結果的合理性分析

3.6.1 瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫水資源聯(lián)合調(diào)節(jié)對下游用水的影響分析

瑤鎮(zhèn)水庫是一座以城鎮(zhèn)供水為主,兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水等綜合利用的中型水利工程,同時兼顧水庫以下和采兔溝水庫以上的農(nóng)田灌溉面積3500 畝,其中稻田1000 畝,水澆地2500 畝以及瑤鎮(zhèn)水庫以下公草灣處0.9 萬畝的生態(tài)林用水。

瑤鎮(zhèn)水庫的運行方式滿足了城鎮(zhèn)供水,亦滿足瑤鎮(zhèn)水庫以下和采兔溝水庫以上的農(nóng)田灌溉以及瑤鎮(zhèn)水庫以下公草灣處0.9 萬畝的生態(tài)林用水。

瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫之間再無別的用水戶,瑤鎮(zhèn)水庫對下游用水戶無影響。

瑤鎮(zhèn)水庫的棄水自然加入瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫區(qū)間水量。

根據(jù)上述論述的瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)原則：

1）從采兔溝水庫壩址處的徑流量中,考慮了水資源的可持續(xù)發(fā)展,扣除壩址處河道日最小下泄流量為0.25 m3/s 的常流量生態(tài)用水；加上采兔溝水庫下游有神樹溝和采兔溝二個支溝,日最小流量0.1 m3/s,即采兔溝水庫下游河道日最小流量為0.35 m3/s 的常流量生態(tài)水量。

2）考慮區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,進行水庫調(diào)節(jié)計算,滿足區(qū)域經(jīng)濟對水資源的需求后, 水庫棄水與水庫多余的滲漏水量可作為加大壩址處河道生態(tài)水量,滿足下游河道可持續(xù)發(fā)展,故修建采兔溝水庫不會對河道自然生態(tài)環(huán)境造成不良影響。

經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)以后,采兔溝水庫下游河道日最小流量均大于等于0.35 m3/s,滿足生態(tài)用水的要求。

3.6.2 聯(lián)合調(diào)節(jié)對下游灌溉供水利用方式的合理性分析

在不修建采兔溝水庫情況下,設計水平年下游的1 萬畝灌區(qū)的用水從禿尾河取水,1 萬畝灌區(qū)50%年份需水量為383.7 萬m3,經(jīng)長系列調(diào)節(jié)計算,灌區(qū)灌溉保證率為13.6%,不滿足50%的保證率要求。

修建采兔溝水庫后,水庫采用堆、風積細砂筑壩,壩型選擇為砂壩。從筑壩材料及方式看,水庫蓄水后,滲漏水量比較均勻且恒定,年均滲漏水量1169.24 萬m3。

修建采兔溝水庫,最低限度不能對原下游1 萬畝灌區(qū)造成不利的影響。

修建采兔溝水庫后,如果用水庫調(diào)節(jié)水量滿足灌區(qū)用水要求,采兔溝水庫的正常蓄水位必須達到1089 m,才能滿足灌區(qū)用水及其保證率的要求。

修建采兔溝水庫前后下游1 萬畝灌區(qū)供水及滿足程度對比情況見表4。

表4 修建采兔溝水庫前后下游灌區(qū)用水及滿足程度對比情況表 單位：萬m3

由表4 可知：修建采兔溝水庫后,用采兔溝水庫的滲漏水量進行調(diào)節(jié),下游的1 萬畝灌區(qū)50%年份需水量383.7 萬m3,其灌區(qū)50%年用水量為383.7 萬m3,灌溉保證率達到50%,滿足要求,從而,修建采兔溝水庫后,水庫對下游1 萬畝灌區(qū)沒有造成不利的影響,且提高了其用水量,提高了灌溉保證率,使灌區(qū)增產(chǎn)、增收,提高農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入。

4 結語

通過對采兔溝水庫工程資料和基本資料的分析,確定了該水庫的多年平均滲流量、水庫規(guī)模及運行方式。通過可行性研究階段四種不同水文徑流系列的對比,進行了方案比較確定,最終推薦采兔溝水庫正常蓄水位為1082 m。結合瑤鎮(zhèn)水庫至采兔溝水庫壩址區(qū)間地質(zhì)資料和工程實際情況,死水位選定為1066.05 m。最后,通過對瑤鎮(zhèn)水庫與采兔溝水庫水資源聯(lián)合調(diào)節(jié)對下游用水的影響分析和聯(lián)合調(diào)節(jié)對下游灌溉供水利用方式的合理性分析,表明經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)以后,采兔溝水庫下游河道日最小流量均大于等于0.35 m3/s,滿足生態(tài)用水的要求,同時提高了用水量和灌溉保證率。