榆林市馬鎮(zhèn)黃河引水設(shè)計(jì)徑流計(jì)算分析

席雅娟，霍 磊

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 基本情況

1.1 工程基本情況

馬鎮(zhèn)黃河引水工程是榆林市規(guī)劃東線黃河引水的骨干工程，解決2030年以前榆林市重點(diǎn)城鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)的用水需求，是破解水資源瓶頸制約，保障榆林能源化工基地可持續(xù)發(fā)展的根本措施，馬鎮(zhèn)引水工程從榆林東部黃河干流府谷到神木之間的馬鎮(zhèn)斷面取水，年取水量約7億m3，線路長(zhǎng)175.5 km，從東向西偏南布置，末端到王圪堵水庫(kù)。先后向神木窟野河區(qū)、榆神煤化學(xué)工業(yè)區(qū)、榆陽(yáng)區(qū)、榆橫煤化學(xué)工業(yè)區(qū)及橫山區(qū)共五大區(qū)供水。

取水河段位于黃河中游，水資源短缺，供需矛盾突出，近年來(lái)沿黃地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)加劇，用水需求與日俱增，導(dǎo)致水文情勢(shì)復(fù)雜多變，徑流有減少趨勢(shì)。斷面設(shè)計(jì)徑流的分析計(jì)算是工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，關(guān)系到工程的安全可靠性。

本工程取水口位于府谷水文站下游46 km處，由于府谷水文站～取水口斷面區(qū)間的河流為季節(jié)性河流，來(lái)水主要集中在汛期，在非汛期經(jīng)常處于斷流狀態(tài)，因此從供水安全角度考慮，采用府谷水文站斷面的設(shè)計(jì)徑流作為取水口斷面的設(shè)計(jì)徑流。

2.1 流域基本情況

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山北麓，自西向東，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東等九?。▍^(qū)），在山東省墾利縣注入渤海，全長(zhǎng)5463.6 km，控制流域面積752443 km2。內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上為黃河上游：干流河道長(zhǎng)3472km，流域面積42.8萬(wàn)km2；河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪為黃河中游：干流河道長(zhǎng)1206 km，流域面積34.4萬(wàn)km2；桃花峪以下為黃河下游：干流河道長(zhǎng)786 km，流域面積2.3萬(wàn)km2。本工程取水河段位于黃河中游，地處黃土高原區(qū)，氣候干旱，降水量較少，植被較差，土質(zhì)松散，水土流失嚴(yán)重，是黃河泥沙來(lái)源區(qū)之一。

本工程取水設(shè)計(jì)徑流擬采用府谷站斷面分析成果，府谷站以上黃河干流已建成大、中型水利樞紐工程有龍羊峽、李家峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤(pán)峽、青銅峽、三盛公、萬(wàn)家寨及龍口、天橋等水利樞紐等，水庫(kù)工程調(diào)蓄是影響下游斷面設(shè)計(jì)徑流分析的重要因素之一。

黃河流域有關(guān)徑流分析成果所選擇的主要水文站約30處，先后提出過(guò)不同階段的相關(guān)成果。本次選擇其中位于中上游的蘭州、下河口、河口鎮(zhèn)、龍門(mén)共4處主要水文站，據(jù)此對(duì)府谷站斷面徑流進(jìn)行分析。見(jiàn)表1。徑流分析采用的主要水文站基本情況表。

府谷水文站位于黃河干流天橋電站以下，斷面以上流域面積40.4萬(wàn)km2，位于上述的河口鎮(zhèn)站與龍門(mén)站之間。

表1 徑流分析采用的主要水文站基本情況表

2 實(shí)測(cè)徑流

在以往的規(guī)劃中，黃河流域設(shè)計(jì)徑流成果采用的是1919～1975年系列成果，2008年完成的《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》將系列調(diào)整為1956～2000年，最新的黃河流域水文水資源相關(guān)成果系列已延長(zhǎng)至2010年。

根據(jù)不同年代實(shí)測(cè)徑流統(tǒng)計(jì)資料，流域徑流量呈減少趨勢(shì)。根據(jù)典型斷面1956～2000年、2001～2010年實(shí)測(cè)徑流統(tǒng)計(jì)比較情況，可以看出，各斷面徑流都有不同幅度減少，上游減少幅度較小，在10%到20%左右；中游減少較多，河口鎮(zhèn)到龍門(mén)斷面均達(dá)到30%以上。見(jiàn)表2。主要水文站斷面2001～2010年實(shí)測(cè)徑流量與1956～2000年比較表。

府谷站 1956～2000年系列實(shí)測(cè)徑流 230.2億 m3，2001～2010年系列實(shí)測(cè)徑流155.7億m3，減少32.3%。

表2 主要水文站斷面2001～2010年實(shí)測(cè)徑流量與1956～2000年比較表 單位：億m3

3 天然徑流

實(shí)測(cè)徑流量主要受到兩方面影響，不能真實(shí)反映流域徑流狀況。一是受地表用水損耗及大中型水庫(kù)調(diào)蓄影響較大；二是受水利水保工程、地下水開(kāi)采、煤炭開(kāi)采等下墊面條件變化影響大，徑流分析需要考慮以上兩方面因素相應(yīng)進(jìn)行徑流還原計(jì)算與天然徑流量一致性處理，得到相同下墊面條件的流域天然徑流量，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)、合理的依據(jù)?！饵S河流域水資源綜合規(guī)劃》提出了流域典型斷面的還原計(jì)算及一致性處理相關(guān)成果，根據(jù)該成果進(jìn)行本工程取水口斷面天然徑流分析。

3.1 徑流還原計(jì)算

河川徑流量還原計(jì)算，基于水量平衡的原理，斷面天然徑流量等于實(shí)測(cè)徑流量加上還原水量，采用《水資源評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL/T238-1999）規(guī)定的方法計(jì)算，即：

式中，W天然為水文站實(shí)測(cè)加還原徑流量；W實(shí)測(cè)為水文站實(shí)測(cè)徑流量；W還原指還原水量；W用水還原指用水還原水量，包括農(nóng)灌耗水量、工業(yè)耗水量、城鎮(zhèn)生活耗水量以及跨流域引入（為正）或引出（為負(fù)）水量；W分洪為河道分洪決口水量，分出為正，分入為負(fù)；W庫(kù)蓄為大中型水庫(kù)蓄水變量，增加為正，減少為負(fù)。

可以看出，河川徑流量還原計(jì)算，主要考慮了人類(lèi)利用河川徑流數(shù)量及水利工程蓄水情況，不包括水利工程及自然或人工湖泊蒸發(fā)滲漏損失、水土保持用水、地下水開(kāi)采影響河川徑流數(shù)量等影響因素。見(jiàn)表3。主要水文站型斷面實(shí)測(cè)加還原后徑流（1956～2010年）成果。

表3 主要水文站斷面實(shí)測(cè)與還原后徑流成果（1956～2010）

3.2 天然徑流一致性處理

實(shí)測(cè)加還原系列沒(méi)有對(duì)流域面上的水利水保工程影響、地下水開(kāi)采、煤炭開(kāi)采等下墊面變化進(jìn)行一致性處理，因此需要在實(shí)測(cè)加還原系列基礎(chǔ)上進(jìn)行一致性修訂。采用降水徑流相關(guān)法、上下游斷面徑流相關(guān)法和成因分析法等分析下墊面變化對(duì)各河段徑流影響，黃河流域相關(guān)水資源規(guī)劃成果推薦近期Ⅰ下墊面（1980～2010年）條件作為天然徑流一致性處理的下墊面條件，根據(jù)各河段主要影響因素分別處理，其中，黃河上游，影響河川徑流的主要因素主要是水利工程建設(shè)、地下水過(guò)度開(kāi)采以及新增水面的蒸發(fā)損失量等。黃河中游，影響河川徑流的主要因素主要是水利水保工程建設(shè)、煤炭開(kāi)采、地下水過(guò)度開(kāi)采以及新增水面的蒸發(fā)損失量等。見(jiàn)表4。主要水文站斷面天然徑流（1956～2010年）特征值統(tǒng)計(jì)表。

表4 主要水文站斷面天然徑流（1956～2010年）特征值統(tǒng)計(jì)表

3.3 府谷站斷面天然徑流量及月分配

府谷水文站位于河口鎮(zhèn)、龍門(mén)之間，控制流域面積40.4萬(wàn)km2，按照河口鎮(zhèn)、龍門(mén)斷面天然徑流量成果進(jìn)行內(nèi)插，得到府谷水文站天然徑流量為319.8億m3，其中汛期7～10月徑流量187.8億m3，非汛期徑流量132億m3。徑流月分配見(jiàn)表5。府谷 站（1956～2010年）多年平均天然徑流月分配過(guò)程。

表5 府谷站（1956～2010年）多年平均天然徑流月分配過(guò)程 單位：億m3

4 設(shè)計(jì)徑流

馬鎮(zhèn)黃河引水工程設(shè)計(jì)水平年為2030年，斷面設(shè)計(jì)徑流的分析需考慮斷面上游相應(yīng)水平年用水需求以及斷面上游大中型水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用。采用上中游典型斷面1956～2010年天然徑流量系列，扣除黃河水量配置方案在各河段配置的水量，對(duì)上游龍羊峽、劉家峽和萬(wàn)家寨等各梯級(jí)水庫(kù)按照設(shè)計(jì)運(yùn)用方式進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，分析確定取水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)徑流。

4.1 設(shè)計(jì)水平年府谷站斷面以上用水

1987年 9月，國(guó)務(wù)院辦公廳以“國(guó)辦發(fā)【1987】61號(hào)”（“87分水方案”）對(duì)黃河可供水量進(jìn)行分配，依據(jù)的黃河徑流系列為1919～1975年天然徑流系列，黃河流域多年平均天然河川徑流量580億m3，黃河河道外配置水量370億m3，入海水量210億m3。

本次采用的1956～2010年系列，黃河多年平均天然徑流量為482.4億m3，考慮到黃河天然水量減少因素，遵循豐增枯減的原則，對(duì)設(shè)計(jì)水平年（2030年）河道外配置水量同比例縮減后為482.4/580*370＝307.75億m3，對(duì)各河段配置水量同樣按比例縮減。見(jiàn)表6。設(shè)計(jì)水平年黃河各河段配置水量及過(guò)程表。正常年份河口鎮(zhèn)以上耗水量114.56億m3，龍門(mén)以上耗水量136.54 億 m3。

表6 設(shè)計(jì)水平年（2030年）黃河各河段配置水量及過(guò)程表 單位：億m3

4.2 河口鎮(zhèn)以上梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算

①調(diào)節(jié)計(jì)算原則

河口鎮(zhèn)以上已建龍羊峽、李家峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤(pán)峽、小峽、大峽、青銅峽等梯級(jí)水電站。龍羊峽水庫(kù)入庫(kù)徑流采用貴德站天然徑流扣除壩址以上工農(nóng)業(yè)用水，劉家峽水庫(kù)入庫(kù)采用龍羊峽水庫(kù)出庫(kù)＋貴德與小川區(qū)間天然入流并扣除區(qū)間工農(nóng)業(yè)用水。其它梯級(jí)統(tǒng)一按此計(jì)算方法。

龍～青段梯級(jí)電站是西北電網(wǎng)的骨干調(diào)峰電站，與黃河上游其它水電站聯(lián)合運(yùn)用，為西北電網(wǎng)提供電力、電量和調(diào)峰容量；龍羊峽、劉家峽、黑山峽（待建）是黃河上游水量調(diào)控子體系，承擔(dān)著黃河上游河段的防洪、防凌和工農(nóng)業(yè)供水等任務(wù)，劉家峽水庫(kù)和龍羊峽水庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)運(yùn)用，滿(mǎn)足黃河上游河段的綜合利用要求。聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)的基本原則是：寧蒙河段供水時(shí)先由劉家峽水庫(kù)放水，劉家峽水量不足時(shí)由龍羊峽水庫(kù)補(bǔ)充；梯級(jí)出力達(dá)不到保證出力要求時(shí)，先由龍羊峽水庫(kù)放水，仍然不足時(shí)由劉家峽水庫(kù)放水補(bǔ)充。

②寧蒙河段防凌控泄流量

本次進(jìn)行古賢水庫(kù)入庫(kù)徑流分析計(jì)算時(shí)，上游寧蒙河段防凌主要由劉家峽和龍羊峽水庫(kù)共同承擔(dān)，以2003年～2013年凌汛期實(shí)際的劉家峽水庫(kù)下泄流量均值作為現(xiàn)狀情況下凌汛期防凌流量過(guò)程，見(jiàn)表7。劉家峽水庫(kù)凌汛期控泄流量過(guò)程。

表7 劉家峽水庫(kù)凌汛期控泄流量過(guò)程 單位：m3/s

③河口鎮(zhèn)斷面最小流量

根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃》，河口鎮(zhèn)斷面非汛期生態(tài)需水量77億m3，最小流量250 m3/s。本次進(jìn)行黃河上游梯級(jí)電站聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，河口鎮(zhèn)斷面最小下泄流量按照250 m3/s考慮，同時(shí)保證在非汛期下泄水量不小于77億m3。

④供水保證率和發(fā)電保證率

根據(jù)《黃河水量調(diào)度管理辦法》，“各?。▍^(qū)、市）年度用水量實(shí)行按比例豐增枯減的調(diào)度原則，即根據(jù)年度黃河來(lái)水量，依據(jù)1987年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的可供水量各省（區(qū)、市）所占比重進(jìn)行分配，枯水年同比例壓縮?！?/p>

上游農(nóng)業(yè)用水保證率為75%，超過(guò)75%年份按要求需相應(yīng)打折，為簡(jiǎn)化處理，超過(guò)75%來(lái)水年份農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)一按照80%進(jìn)行打折處理。工業(yè)和生活供水保證率為95%以上，按全額滿(mǎn)足考慮。發(fā)電保證率為90%。

⑤上游梯級(jí)保證出力時(shí)段選取

根據(jù)貴德站天然徑流頻率，在1956年7月～2010年6月54年系列中，河口鎮(zhèn)以上河段梯級(jí)電站的保證出力的計(jì)算時(shí)段選取1993年7月～2003年6月。

4.3 河口鎮(zhèn)～工程取水口區(qū)間梯級(jí)調(diào)節(jié)計(jì)算

河口鎮(zhèn)～府谷站斷面區(qū)間梯級(jí)電站主要包括萬(wàn)家寨、龍口、天橋等電站，區(qū)間梯級(jí)電站不考慮聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)，按照各自設(shè)計(jì)運(yùn)用方式運(yùn)用。河口鎮(zhèn)～府谷站斷面區(qū)間已建梯級(jí)中調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的只有萬(wàn)家寨水庫(kù)，其它按照日調(diào)節(jié)電站考慮。

萬(wàn)家寨水庫(kù)工程開(kāi)發(fā)任務(wù)主要是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，兼有防洪、防凌作用，萬(wàn)家寨水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容4.45億m3，按照設(shè)計(jì)運(yùn)用方式運(yùn)用。

4.4 設(shè)計(jì)水平年府谷站斷面設(shè)計(jì)徑流

1）現(xiàn)狀下墊面設(shè)計(jì)徑流

采用近期（1980～2010年）下墊面條件天然徑流（1956～2010），扣除設(shè)計(jì)水平年各河段相應(yīng)配置用水量，根據(jù)前述徑流調(diào)節(jié)計(jì)算基本條件及計(jì)算方法，進(jìn)行黃河上游梯級(jí)聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)計(jì)算和中游梯級(jí)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，府谷站斷面設(shè)計(jì)徑流198.0億m3。其中7到10月94.5億m3，11月到6月103.5億m3見(jiàn)表8。設(shè)計(jì)水平年府谷站斷面設(shè)計(jì)徑流成果。

表8 設(shè)計(jì)水平年府谷站斷面設(shè)計(jì)徑流成果（1956～2010）單位：億m3

2）未來(lái)下墊面條件設(shè)計(jì)徑流

由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)下墊面的影響，黃河流域水資源情勢(shì)發(fā)生了變化，黃河中游變化尤其顯著，水資源數(shù)量明顯減少，以上計(jì)算成果采用的1956～2010天然徑流系列，是以近期下墊面（1980年～2010年）為條件，隨著未來(lái)流域水土保持工程建設(shè)等將影響產(chǎn)匯流關(guān)系，天然徑流量進(jìn)一步減少。根據(jù)《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》，按1980-2000年下墊面考慮，2030年由于下墊面變化黃河天然徑流量將減少20億m3。本次1956～2010天然徑流系列已經(jīng)考慮了近期下墊面影響（1980年～2010年），因此，本次考慮2030年水平黃河天然水量減少約10億m3，府谷以上天然來(lái)水考慮減少約5.3億m3，則府谷斷面設(shè)計(jì)水平年2030年設(shè)計(jì)徑流量為192.7億m3，其中汛期7～10月徑流量92.6億m3，非汛期11月～6月徑流量100.1億m3。對(duì)府谷斷面設(shè)計(jì)水平年逐年水量進(jìn)行排頻，得到不同頻率來(lái)水年份各年水量及年內(nèi)分配過(guò)程。見(jiàn)表9。府谷斷面設(shè)計(jì)水平年多年平均及不同頻率徑流年內(nèi)分配過(guò)程。

表9 府谷斷面設(shè)計(jì)水平年多年平均及不同頻率徑流年內(nèi)分配過(guò)程 單位：億m3

3）工程斷面設(shè)計(jì)徑流

綜合以上分析計(jì)算，府谷站斷面按近期下墊面（1980～2010年）條件計(jì)算，設(shè)計(jì)徑流量198.0億m3；按未來(lái)下墊面條件計(jì)算，設(shè)計(jì)徑流量192.7億m3。馬鎮(zhèn)引水工程設(shè)計(jì)水平年為2030年，采用府谷站斷面分析按未來(lái)下墊面分析成果，工程斷面設(shè)計(jì)徑流量192.7億m3。

5 結(jié)論

馬鎮(zhèn)引水取水口位于府谷水文站下游，區(qū)間無(wú)較大支流匯入，從供水安全角度考慮，斷面徑流采用府谷站分析成果。府谷站斷面多年平均實(shí)測(cè)徑流量230.2億m3，還原計(jì)算后府谷站多年平均天然徑流量（1956到2010年）319.8億m3。

工程設(shè)計(jì)水平年為2030年，考慮流域徑流呈減少趨勢(shì)，按照“87分水”方案及豐增枯減的分水原則，調(diào)整流域總配水量及各河段設(shè)計(jì)水平年分配水量，通過(guò)對(duì)上游大中型梯級(jí)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，分析確定設(shè)計(jì)水平年2030年府谷站斷面多年平均徑流量（1956～2010年系列）192.7億m3，也就是工程斷面設(shè)計(jì)徑流為192.7億m3，其中汛期7～10月徑流量92.6億m3，非汛期11月～6月徑流量100.1億m3；90%保證率來(lái)水143.4億m3，斷面徑流可以滿(mǎn)足工程年取水量約7億m3的要求。

采用水文系列1956～2010年為黃河水文水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)的最新成果，反應(yīng)了流域水文情勢(shì)的最新變化，分析的2030年斷面設(shè)計(jì)徑流量192.7億m3，充分考慮了上游河段用水及梯級(jí)水庫(kù)調(diào)蓄影響，并考慮了未來(lái)水保工程建設(shè)影響產(chǎn)匯流關(guān)系，由于下墊面條件的變化，河段徑流量進(jìn)一步減少的可能，并分析扣除了該部分水量，馬鎮(zhèn)引水工程年取水量約7億m3，僅占斷面設(shè)計(jì)徑流的3.6%，水源是可靠的。

從總的變化趨勢(shì)看，2000年以后黃河流域徑流量呈減少趨勢(shì)，中游減少幅度較大，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)下墊面影響加劇是主要原因之一，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合不同河段具體情況，不同工程等別性質(zhì)等要求，綜合分析，使水文計(jì)算成果更趨科學(xué)合理。