引漢濟(jì)渭輸配水干線工程總體布局方案研究

孫鐵蕾，楊 莉，王 潔，王文成

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

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是陜西省境內(nèi)一項(xiàng)跨流域調(diào)水工程，工程從陜南漢江流域調(diào)水至關(guān)中渭河流域，向關(guān)中渭河沿岸的重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)供水，緩解關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重缺水問題，替代超采的地下水、逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，改善渭河流域的生態(tài)環(huán)境狀況，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。一期工程在調(diào)水區(qū)漢江干流和支流子午河上分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐，通過穿越秦嶺山脈的輸水隧洞調(diào)水至關(guān)中周至縣境內(nèi)的黃池溝，2025水平年多年平均調(diào)水量為10億m3，2030水平年為15億m3。

引漢濟(jì)渭輸配水工程是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，工程從關(guān)中配水節(jié)點(diǎn)黃池溝起，輸水干線西到楊凌，東到華州區(qū)，北到富平，南到鄠邑，輸配水區(qū)域范圍東西長約163km，南北寬約84km，總面積約1.4萬km2。工程由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線及相應(yīng)的輸水支線組成。

2 前期工作過程

2015年9月，陜西省發(fā)展和改革委員會(huì)、水利廳聯(lián)合印發(fā)了《引漢濟(jì)渭輸配水干線工程總體規(guī)劃》，在此基礎(chǔ)上，陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院依據(jù)《長江流域規(guī)劃》《黃河流域規(guī)劃》《陜西省渭河流域綜合治理規(guī)劃》《西咸新區(qū)總體規(guī)劃》和一期引漢濟(jì)渭調(diào)水工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)報(bào)告相關(guān)成果，陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院編制完成了引漢濟(jì)渭二期工程可行性研究報(bào)告，2017年7月24—26日，水利部水規(guī)總院組織專家對(duì)可研報(bào)告進(jìn)行了審查；2018年1月14—15日，水利部水規(guī)總院對(duì)審查修改后的《陜西省引漢濟(jì)渭二期工程可行性研究報(bào)告》進(jìn)行了復(fù)核。

3 受水對(duì)象位置分布

本工程受水對(duì)象共21個(gè)，以渭河為界，各受水對(duì)象分布于渭河南、北兩岸。

重點(diǎn)城市西安、渭南，中小城市(區(qū))周至、鄠邑、長安、臨潼、華州區(qū)和西咸新區(qū)的灃西、灃東新城等9個(gè)受水對(duì)象分布在渭河以南的階地或秦嶺北麓，各受水對(duì)象基本呈東西向分布。

重點(diǎn)城市咸陽、楊凌，中小城市(區(qū))武功、興平、高陵、三原、閻良、富平，西咸新區(qū)秦漢、空港、涇河新城，以及西安渭北工業(yè)園區(qū)(高陵、臨潼、閻良組團(tuán))12個(gè)受水對(duì)象分布于渭河以北的階地或黃土臺(tái)塬區(qū)，各受水對(duì)象基本沿東北向分布。

4 各受水對(duì)象水廠位置規(guī)劃

結(jié)合工程總體布局方案和受水對(duì)象位置，經(jīng)征求意見，引漢濟(jì)渭二期工程共規(guī)劃水廠20座，其中南干線7座(鄠邑念莊、西安西南郊、西安子午、西安灞河、臨潼高溝、渭南蘭王、華州杏林)，北干線13座(周至四府、楊凌四水廠、武功劉家、興平坡頭、咸陽引石過渭、西咸新區(qū)二水廠、涇河新城北關(guān)、三原西郊、高陵組團(tuán)康橋馬、臨潼組團(tuán)馬家莊、高陵區(qū)上院、閻良東任、富平南苑)。

5 輸配水干線分水口布置

5.1 分水口設(shè)置原則

①在滿足各受水對(duì)象用水的條件下，盡量減少分水口數(shù)量，以避免輸水干線流量的頻繁變化。②位置應(yīng)服從輸水干線的總體布置。③結(jié)合各受水城市總體規(guī)劃確定分水口數(shù)量，各中小城市原則上只設(shè)1個(gè)分水口，西咸新區(qū)、工業(yè)園區(qū)及重點(diǎn)城市依據(jù)相關(guān)規(guī)劃可就近串聯(lián)、合并設(shè)置分水口。④分水口設(shè)置應(yīng)兼顧和結(jié)合支線布置和水廠位置，力求支線最短、水頭損失最小，最大限度實(shí)現(xiàn)向各受水對(duì)象重力供水。⑤承擔(dān)多個(gè)受水對(duì)象的分水口，可根據(jù)支線布設(shè)情況再設(shè)支線分水口。⑥分水口位置應(yīng)便于工程運(yùn)行管理。

5.2 分水口設(shè)置規(guī)劃

南干線沿線共承擔(dān)鄠邑、西安、灃西新城、灃東新城、長安區(qū)、臨潼、渭南和華縣8個(gè)供水對(duì)象的輸水任務(wù)，根據(jù)各受水點(diǎn)高程及有關(guān)地市相關(guān)規(guī)劃，布置了7個(gè)分水口。北干線沿線共承擔(dān)周至、武功、楊凌、興平、咸陽、秦漢新城、空港新城、涇河新城、三原、高陵、閻良、富平、渭北工業(yè)園13個(gè)受水對(duì)象的輸水任務(wù)，共規(guī)劃了11個(gè)分水口。干線分水口統(tǒng)計(jì)詳見表1。

6 輸水干線工程布局方案

6.1 輸水干線工程平面布局方案

可研階段結(jié)合現(xiàn)場踏勘以及南北干線輸水線路走向征求意見情況，在合理避讓重要文物、新城和工業(yè)園區(qū)核心規(guī)劃區(qū)的前提下，規(guī)劃了一處過渭和二處過渭方案。

6.1.1一處過渭方案

在秦嶺輸水隧洞出口黃池溝布置配水樞紐配水，分別向渭河以南、渭河以北兩大供水片區(qū)供水，該方案以渭河為界，設(shè)渭河南、北兩大輸水干線系統(tǒng)，渭河以北輸水干線采用1處過渭河方案，過渭河點(diǎn)選在周至縣辛家寨鎮(zhèn)康家號(hào)村北，此方案共布置黃池溝配水樞紐1座，南干線和北干線2條輸水干線，輸水干線工程總體布局一處過渭方案示意見圖1。

表1 南干線分水口統(tǒng)計(jì)

6.1.2二處過渭方案

二處過渭方案擬在秦嶺輸水隧洞出口黃池溝布置配水樞紐配水，分別向渭河以南、渭河以北兩大供水片區(qū)供水，按照渭河以北、咸陽以西為一個(gè)供水系統(tǒng)，渭河以北咸陽以東和渭河以南為另一個(gè)供水系統(tǒng)的思路布設(shè)輸水線路，此方案輸水線路需要穿越渭河2次，共布置輸配水樞紐1座，輸水南干線1條，西分干、渭北東分干2條。輸水干線工程總體布局二處過渭方案示意見圖2。

6.1.3輸水干線平面布局方案選擇

經(jīng)綜合分析得出：一處過渭方案渭河南、北輸水干線水量分配基本合適，南北兩大獨(dú)立輸水干線系統(tǒng)覆蓋面大，為渭北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展預(yù)留了一定的空間，輸水干線過渭點(diǎn)偏離了西安(咸陽)文化體育功能區(qū)、西咸新區(qū)、咸陽城區(qū)等人口稠密區(qū)，同時(shí)避開了眾多文物保護(hù)區(qū)，影響、制約因素較小，管理運(yùn)行靈活、供水安全性高、投資省，且考慮了對(duì)已成供水工程的利用。二處過渭方案輸水干線距離上述熱點(diǎn)地區(qū)較近，沿線需經(jīng)過眾多文物保護(hù)區(qū)，影響、制約因素較多，南干線始端流量增加到70.0m3/s，東分干線約38km的雙根壓力管道直徑達(dá)4.0m，投資和工期不可控，管理運(yùn)行不方便，實(shí)施難度極大，因此本階段仍推薦輸水干線總體布局方案采用一處過渭方案。

圖1 一處過渭方案示意

圖2 二處過渭方案示意

6.2 輸水干線工程縱向布局方案

6.2.1主要控制節(jié)點(diǎn)要求水位

在滿足重力供水地形條件下，結(jié)合引漢濟(jì)渭輸配水工程及輸水線路布設(shè)的情況，依據(jù)確定的工程平面布局方案和各受水點(diǎn)規(guī)劃水廠及分水口位置，重點(diǎn)考慮支線預(yù)留6～10m凈水廠處理水頭及支線水頭損失來確定各主要控制節(jié)點(diǎn)要求最低水位高程，結(jié)果見表2。

表2 主要控制節(jié)點(diǎn)要求最低水位高程 單位：m

6.2.2南干線工程縱向布置方案

可研階段南干線工程縱向布置擬定了自流和局部加壓兩個(gè)輸水方案進(jìn)行綜合比較。

6.2.2.1 自流方案

依據(jù)南干線平面走向、地形地質(zhì)和各分水口要求水位條件，擬定黃池溝至子午分水口段、子午分水口至灞河分水口段、灞河分水口至渭南分水口段采用無壓流(穿越河道時(shí)采用壓力流)方式輸水，渭南分水口至華州分水口采用無壓流與壓力流結(jié)合方式輸水，其中，渭南分水口至南馬進(jìn)水池段采用無壓流方式輸水，南馬進(jìn)水池至華州分水口段采用壓力流輸水。具體布置如下：

自流方案南干線全長170.2km，主要由輸水隧洞、箱涵、倒虹、渡槽、壓力管道組成，經(jīng)過對(duì)無壓流隧洞不同縱比降、壓力流倒虹不同管徑綜合分析比較后，共布置隧洞9座長132.12km、倒虹6座長14.46km、箱涵4處長2.68km、壓力管道1段長20.95km。

6.2.2.2 局部加壓方案

考慮到自流方案的隧洞、箱涵縱比降為1/2500～1/3000，長度占線路總長的79%，投資額較大，且輸水線路沿線穿越了滈河、潏河、浐河、灞河、沋河等較大河流，具備在合適位置設(shè)置加壓泵站，降低倒虹出口設(shè)計(jì)水位，增加水頭差，增大無壓流隧洞、箱涵縱比降，縮小倒虹管徑，降低工程造價(jià)的條件，因此提出了局部加壓輸水方案。

局部加壓方案線路全長170.2km，按照滿足隧洞過流能力要求的最陡比降、倒虹管徑相對(duì)最小的原則，在灞河?xùn)|岸設(shè)置泵站，經(jīng)過對(duì)隧洞不同縱比降、倒虹不同管徑綜合分析比較后，布置隧洞9座長132.25km、倒虹6座長13.03km、箱涵4處長2.68km、加壓泵站1座(泵站下水面454.38m，黃池溝至灞河段水頭差由44.12m增加到60m、壓力管道2段長22.25km。灞河分水口至華州分水口段工程布置與自流方案相同。

6.2.2.3 方案比較

兩方案工程布置基本相當(dāng)，最大的區(qū)別為：自流方案無壓流隧洞、箱涵比降1/2500、1/3000，倒虹管徑大；自流方案管理人員少，相對(duì)管理方便、費(fèi)用低；主體工程投資38.75億元。

局部加壓方案通過降低灞河倒虹出口設(shè)計(jì)水位、增加水頭，使隧洞縱比降變陡為1/2500、1/2000和1/1500，潏河、浐河、灞河倒虹管徑由2根DN2600mm縮小至DN2200mm，缺點(diǎn)是需要修建加壓泵站1座(揚(yáng)程15.88m)，年提抽水量3.0億m3，年運(yùn)行費(fèi)用1841萬元，管理費(fèi)用高。泵站需要增加永久占地43畝，移民拆遷和賠償費(fèi)用高，協(xié)調(diào)工作量大，施工干擾因素多。局部加壓方案主體工程投資37.05億元，考慮泵站50年運(yùn)行費(fèi)用后，局部加壓方案總投資為47.07億元，比自流方案增加8.32億元。

綜合分析，自流方案、局部加壓方案均能實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，在技術(shù)上均不存在重大制約因素，從工程運(yùn)行管理、移民占地、施工條件、工程投資和節(jié)能降耗等方面綜合考慮，南干線縱向布置推薦自流方案。

6.2.3北干線工程縱向布置方案

北干線始端黃池溝配水樞紐設(shè)計(jì)水位514.88m，黃池溝至楊武分水口段其南北走向和沿線地形高程較低(過渭河處最低高程406.0m)的地形條件決定了宜采用壓力流輸水；板橋至涇河段地形高程具備無壓流和壓力流結(jié)合輸水條件；涇河至閻良分水口段地形高程較低(涇河河底高程382.5m)的地形條件決定了該段宜采用壓力流輸水；閻良分水口至富平水口段受逐漸升高的地形條件限制，只能采用加壓方式輸水。

在滿足北干線沿線各分水口用水要求后，縱向布置方案擬訂了自流方案、集中加壓方案和分散加壓方案3個(gè)方案進(jìn)行綜合分析比較。

6.2.3.1 自流方案

該方案除楊凌、富平須設(shè)置泵站加壓供水外，其余各受水對(duì)象均為重力自流供水。以紅荊泵站進(jìn)水池下水面428m為起點(diǎn)從下游向上游逐段推求干線設(shè)計(jì)水壓線標(biāo)高，則張閣村進(jìn)水池的要求水位不低于485m，再由張閣村向上游按照無壓流輸水方式推求干線設(shè)計(jì)水位，則板橋出水池的要求水位不低于498m。自流方案北干線全長130.86km，主要由輸水隧洞、箱涵、壓力管道(包括倒虹)組成，共布置隧洞2座長33.3km、箱涵2處長3.35km、壓力管道長94.21km。

6.2.3.2 集中加壓方案

考慮自流方案北線黃池溝至板橋出水池壓力流段具有管徑大、管壓大、投資占比高的特點(diǎn)，為達(dá)到降低該段工程造價(jià)、增大水頭、縮小壓力管道管徑的目的，規(guī)劃在板橋出水池前設(shè)置加壓泵站，重力輸水至478.0m高程后再加壓至498.0m至板橋出水池，其后布局同自流方案。

集中加壓方案北干線全長130.86km，主要由輸水隧洞、箱涵、壓力管道(包括倒虹)組成，共布置隧洞2座，長33.3km、箱涵2處，長3.35km、壓力管道長94.21km，板橋泵站1座(泵站下水面478.0m，黃池溝至板橋段水頭差由16.88m增加到36.88m)。

6.2.3.3 局部分散加壓方案

該方案黃池溝至板橋出水池壓力流段布置同自流方案，始端設(shè)計(jì)水位514.38m，末端板橋出水池設(shè)計(jì)水位498m。板橋出水池至張閣村進(jìn)水池明流段，通過加大該段隧洞(箱涵)縱坡來降低工程造價(jià)，對(duì)該段沿線個(gè)別供水對(duì)象無法滿足重力自流供水的，考慮支線加壓供水。張閣村進(jìn)水池至富平分水口壓力流段干支線流速按3m/s控制，由富平分水口反推至張閣村進(jìn)水池水位為480m，由此確定板橋出水池至張閣村進(jìn)水池明流段縱比降為1/2100。依據(jù)板橋出水池至張閣村進(jìn)水池段縱比降1/2100推算，該段的西咸新區(qū)秦漢、空港新城分水口水位不能滿足重力自流供水需要，需加壓供水，凈揚(yáng)程8m。張閣村進(jìn)水池至富平分水口壓力流段干支線流速按3m/s控制，其間水頭損失較大，根據(jù)推算，該段的三原分水口及閻良分水口水位不能滿足重力自流供水需要，需加壓供水，凈揚(yáng)程分別為8m、16m。

6.2.3.4 方案比較

三方案工程布置基本相當(dāng)，最大的區(qū)別為：

自流方案僅富平、楊凌需要加壓，其余均能實(shí)現(xiàn)重力自流供水，缺點(diǎn)是黃池溝至板橋段壓力管道管徑達(dá)3.4m，管理人員少，但相對(duì)管理方便、費(fèi)用低，主體工程投資59.54億元。考慮泵站50年運(yùn)行費(fèi)用后，主體工程投資65.89億元。

集中加壓方案通過增大黃池溝至板橋泵站段水頭，使得該段管徑由DN3400降為DN2800～3000mm，缺點(diǎn)是需要增加1座泵站，凈提水揚(yáng)程20m，增加年提抽水量4.64億m3，年運(yùn)行費(fèi)用3184萬元，管理費(fèi)用高，集中加壓方案泵站需要增加永久占地50畝，移民拆遷和賠償費(fèi)用高，協(xié)調(diào)工作量大，施工干擾因素多。集中加壓方案主體工程投資50.78億元，考慮泵站50年運(yùn)行費(fèi)用后，主體工程投資73.49億元。

分散加壓方案雖然照顧了北干線大部分分水口，滿足重力輸水要求，但需要增加泵站3座，凈提水揚(yáng)程9.26～105m，增加年提抽水量1.09億m3，年運(yùn)行費(fèi)用672萬元。增加永久占地36畝，移民拆遷和賠償費(fèi)用高，協(xié)調(diào)工作量大，施工干擾因素多。分散加壓方案主體工程57.14億元，考慮泵站50年運(yùn)行費(fèi)用后，主體工程投資67.86億元。

綜上所述，自流方案、集中加壓、分散加壓方案均能實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，在技術(shù)上均不存在重大制約因素。集中加壓方案投資最高，雖然通過將黃池溝至板橋段流速提高減小管徑，降低了該段的管材造價(jià)，但泵站裝機(jī)功率10000kW，年運(yùn)行費(fèi)較大，不予推薦。分散加壓方案雖然加大了板橋出水池到張閣村進(jìn)水池段無壓流段的比降，降低了該段的造價(jià)，但全線增設(shè)了3座泵站，不便于管理維護(hù)。自流方案工程投資最省，運(yùn)行費(fèi)較低，便于管理，且上下兩段壓力流段管道低流速，可在一定程度上降低水錘壓力。因此，從工程運(yùn)行管理、移民占地、施工條件、工程投資和節(jié)能降耗等方面綜合考慮，北干線工程縱向布置推薦采用自流方案。

7 結(jié)語

引漢濟(jì)渭輸配水工程是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，具有受水對(duì)象多、輸水線路長、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、涉及陜西省關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素多的特點(diǎn)，為此，先后完成了《引漢濟(jì)渭受水區(qū)水量配置規(guī)劃》《陜西省引漢濟(jì)渭調(diào)水工程規(guī)劃》《引漢濟(jì)渭輸配水干線工程總體規(guī)劃》，可行性研究設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員在相關(guān)規(guī)劃基礎(chǔ)上，按照科學(xué)規(guī)劃、合理布局，嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家、地方法律、法規(guī)，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源，節(jié)約用地的原則對(duì)輸配水干線工程布局方案進(jìn)行了深入的分析研究，為引漢濟(jì)渭輸配水工程可行性研究設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。