水庫徑流調(diào)節(jié)計(jì)算及分析

寇石峰，寇鮮苗

（1.西安市水政監(jiān)察支隊(duì),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(dāng)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(fēng)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(wù)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(shè)和發(fā)展以及陜北能源重化工基地的規(guī)劃建設(shè),地方經(jīng)濟(jì)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(guān)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(jì)劃梯級開發(fā)禿尾河水資源,帶動和發(fā)展當(dāng)?shù)毓I(yè)建設(shè)及經(jīng)濟(jì)的迫切要求[3]。采兔溝水庫任務(wù)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(dāng)工業(yè)區(qū)供水。按照采兔溝水庫運(yùn)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(dāng)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(jì)算,確定水庫死水位1066.05 m、正常蓄水位1082.00 m、設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行計(jì)算,計(jì)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(jìn)行計(jì)算,計(jì)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(jì)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(shè)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(jì)算選用1957 年8 月～2000 年7 月水文調(diào)節(jié)年段,共計(jì)43 年水文年資料。

其調(diào)節(jié)計(jì)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(jìn)行了復(fù)核計(jì)算,復(fù)核后的水庫水位與庫容、水位與面積關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(yàn),水庫調(diào)節(jié)時(shí)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(yùn)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(wù)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(jì)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(dāng)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(yùn)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(jìn)行水庫的調(diào)蓄運(yùn)用。

采兔溝水庫的運(yùn)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(shí)法進(jìn)行月調(diào)節(jié)計(jì)算。

3.3 采兔溝水庫正常蓄水位的復(fù)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(jìn)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(jìn)一步對水庫正常蓄水位進(jìn)行復(fù)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(jì)算得出的徑流分配系列,進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算、復(fù)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(yīng)的水庫規(guī)模。按照采兔溝水庫的運(yùn)行方式,在初選死水位為1066.05 m 的基礎(chǔ)上,本階段采用韓家峁44 年徑流資料,調(diào)節(jié)計(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

3.3.2 初設(shè)結(jié)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(shè)結(jié)果與可研階段不同水文徑流系列方案計(jì)算比較結(jié)果見表3。

表3 初設(shè)結(jié)果與可研結(jié)果的采兔溝水庫滲漏水量作為灌溉水量結(jié)果對比表

初設(shè)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(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析以及初設(shè)階段正常蓄水位1082 m 長系列多年平均初設(shè)階段調(diào)節(jié)結(jié)果的分析,本次計(jì)算結(jié)果與可研結(jié)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(dāng)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(dāng)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(shè)結(jié)果的滲漏水量比可研結(jié)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(dāng)工業(yè)區(qū)供水量及供水保證率的要求。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)比較

為合理確定采兔溝水庫的正常蓄水位,需要進(jìn)行不同供水量的水庫規(guī)模比較,即大保當(dāng)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(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。結(jié)果表明：

（1）大保當(dāng)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(dāng)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(cái)務(wù)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(jì)。采兔溝水庫的最大供水能力為：大保當(dāng)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(jì)效益,是經(jīng)濟(jì)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(fù)核計(jì)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(jié)合工程實(shí)際情況分析,水庫蓄水后導(dǎo)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(jì)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(jì)為1100.2 萬m3。因?yàn)樗斗搅恐饕挥趬吻爸骱拥纼砂?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(xì)顆粒沉積在壩前,大壩設(shè)有導(dǎo)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(yīng)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(jié)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(jié)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(wù)要求。

3.6 調(diào)節(jié)結(jié)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(shí)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(yùn)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(jì)發(fā)展,進(jìn)行水庫調(diào)節(jié)計(jì)算,滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)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(jì)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(fēng)積細(xì)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(dá)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(jìn)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(dá)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(jié)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(yùn)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(jìn)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(jié)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(shí)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(shí)提高了用水量和灌溉保證率。