S工程水量平衡分析

武全智

(酒泉市水利水電勘測設(shè)計院有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050)

1 供水范圍、水平年及供水保證率

1.1 供水范圍

S工程設(shè)計供水范圍主要為D河灌區(qū)D河以西、D河以東鐵路以北1.725萬hm2農(nóng)業(yè)灌溉。

1.2 設(shè)計水平年及供水設(shè)計保證率

工程設(shè)計基準(zhǔn)年為2020年，設(shè)計水平年為2030年。根據(jù)GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定“噴灌、微灌灌溉方式下，灌溉設(shè)計保證率85%～95%”[1]。受水區(qū)屬極度干旱地區(qū)，結(jié)合實際水情，綜合分析確定D河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率為85%。

2 需水預(yù)測

擬建S工程斷面位于D河水庫下游總干渠K10+022和K11+084處，從D河灌區(qū)總干渠引水，因此本次需水預(yù)測地表水受水區(qū)設(shè)計水平年按D河水庫取水口斷面為計算斷面；機井開采地下水取水口斷面以井口為計算斷面，供水能力分析時，地下水和中水均采用折算到D河水庫斷面的水量。

2.1 受水區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃

2.1.1 人口發(fā)展預(yù)測

通過對H市2018—2020年國民經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒整理分析，預(yù)測2030年H市行政管轄的人口總數(shù)為19.13萬人，2030年H市人口城鎮(zhèn)化率為85%。

2.1.2 工業(yè)發(fā)展預(yù)測

根據(jù)《H市城市總體規(guī)劃(2013—2030)》，預(yù)測2030年第二產(chǎn)業(yè)增加值的比例按照30%計算，工業(yè)增加值為147.92億元。

2.1.3 旅游業(yè)發(fā)展預(yù)測

根據(jù)《H市城市總體規(guī)劃(2013—2030)》，確定本次設(shè)計采用全年旅游接待人次為1150萬人，全年平均旅游當(dāng)量人口為3.19萬人。

2.1.4 大、小牲畜發(fā)展預(yù)測

結(jié)合《H市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，經(jīng)計算，確定設(shè)計水平年2030年供水區(qū)大牲畜數(shù)量增加至1.3萬頭，小牲畜62.37萬只。

2.1.5 城市生態(tài)發(fā)展預(yù)測

根據(jù)《H市城市總體規(guī)劃(2013—2030)》，至2030年，H市公園綠地面積達(dá)到264hm2，廣場道路面積達(dá)到383hm2，年內(nèi)用水天數(shù)為240d。

2.2 灌溉面積發(fā)展規(guī)劃

2.2.1 灌溉面積

基準(zhǔn)年受水區(qū)有效灌溉面積2.421萬hm2，人工生態(tài)林灌溉面積0.316萬hm2。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計水平年嚴(yán)格控制農(nóng)田有效灌溉面積2.421萬hm2不再增加，人工生態(tài)林面積根據(jù)《H市水資源合理利用與生態(tài)保護綜合規(guī)劃(2011—2020年)》，2030年達(dá)到0.336萬hm2。

2.2.2 節(jié)水灌溉模式

受水區(qū)現(xiàn)狀2.421萬hm2的灌溉面積，在H市生態(tài)規(guī)劃實施后滴灌面積0.577萬hm2，管灌面積0.667萬hm2，渠灌面積1.177萬hm2，48.62%的灌溉區(qū)域為傳統(tǒng)的大水漫灌，0.336萬hm2人工生態(tài)林為渠灌方式。

根據(jù)目前農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和灌區(qū)適宜的田間節(jié)灌模式，設(shè)計水平年0.266萬hm2仍然采用傳統(tǒng)渠灌方式；對于灌區(qū)內(nèi)分散農(nóng)戶種植的耕地0.431萬hm2，采用管灌方式灌溉；種植大戶經(jīng)營的耕地均采用滴灌灌溉，到2030年發(fā)展滴灌面積1.725萬hm2。

2.3 非農(nóng)業(yè)用水定額

基于現(xiàn)狀年用水水平分析，城鎮(zhèn)居民日均用水量100L/人，農(nóng)村居民日均用水量46L/人，大牲畜日均用水量55L/頭、小牲畜9L/只，第二產(chǎn)業(yè)(包括建筑業(yè))23.6m3/萬元增加值，旅游業(yè)日均用水量為260L/床，城市生態(tài)面積日均用水量2.0L·m-2。

參考相關(guān)規(guī)范取值范圍，見表1，考慮到人均生活水平提高，城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口用水定額進一步提高，預(yù)測至2030年城鎮(zhèn)人口綜合生活用水定額120L/人/d，農(nóng)村生活用水水平達(dá)到G省平均水平農(nóng)村人口生活用水定額為60L/人/d，大牲畜用水定額為60L/人/d，小牲畜用水定額為10L/人/d。

表1 城鄉(xiāng)生活、三產(chǎn)、城市生態(tài)用水定額規(guī)范取值參考表[2-4]

工業(yè)用水定額以《H市2030年水資源管理控制指標(biāo)》中工業(yè)萬元增加值用水量60m3/萬元為控制，同時考慮到工業(yè)用水重復(fù)利用率的大幅提高和節(jié)水工藝的改進，至2030年工業(yè)萬元增加值用水量由現(xiàn)狀的23.6m3/萬元降低至15m3/萬元。旅游業(yè)考慮到基礎(chǔ)設(shè)施和接待容量的顯著提升，由現(xiàn)狀的260L/床/d增至290L/床/d。城市廣場道路澆灑和綠地灌溉單位用地用水量仍為2.0L·m-2·d-1。各行業(yè)用水定額預(yù)測值均介于規(guī)范取值范圍之內(nèi)。

2.4 灌溉制度及灌溉定額

2.4.1 灌區(qū)規(guī)模及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整

灌區(qū)規(guī)模及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整見表2。

表2 灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整表

2.4.2 現(xiàn)狀灌溉制度

灌區(qū)現(xiàn)狀渠灌和管灌灌溉制度見表3。

表3 灌區(qū)現(xiàn)狀渠灌和管灌灌溉制度表

根據(jù)現(xiàn)狀作物比例及灌溉定額確定綜合凈灌溉定額為6300m3·hm-2，林地凈灌溉定額為4500m3·hm-2。

2.4.3 設(shè)計灌溉制度

根據(jù)《G肅省行業(yè)用水定額(2019版)》及《行業(yè)用水定額第1部分農(nóng)業(yè)用水定額(DB 62/T 2987.1-2019)》《J市行業(yè)用水定額(2020)》等規(guī)范，結(jié)合地方實際，設(shè)計D河灌區(qū)設(shè)計水平年2030年灌溉制度，渠灌和管灌的灌溉制度繼續(xù)采用現(xiàn)狀灌溉制度，大田滴灌灌溉制度詳見表4。

表4 2030年灌區(qū)設(shè)計灌溉制度表

灌溉制度調(diào)整后，作物綜合凈灌溉定額由現(xiàn)狀的6300m3·hm-2調(diào)整為5160m3·hm-2，林地凈灌溉定額不做調(diào)整，仍為4500m3·hm-2。

2.5 用水效率

不同灌溉方式渠道、管道水利用系數(shù)見表5，設(shè)計水平年灌溉水利用系數(shù)見表6。

表5 不同灌溉方式渠道/管道水利用系數(shù)表

表6 設(shè)計水平年灌溉水利用系數(shù)表

生活、工業(yè)等行業(yè)輸配水管網(wǎng)漏損率由12%降低為8%。

3 水資源供需平衡分析

以地表為界面，以D河水庫取水口斷面為邊界[5]在給定的設(shè)計水平年內(nèi)，進行水量供需平衡分析。

3.1 需水量

2030年D河灌區(qū)骨干工程末端需水量為25578萬m3，詳見表7。

表7 D河灌區(qū)(D河水庫斷面)需水量預(yù)測成果表

3.2 可供水量

2020年，H市蓄、引水工程及機井工程供水總量為2.75億m3，其中地表水2.07億m3，地下水0.68億m3。扣除N灌區(qū)引水工程供水0.262億m3，D灌區(qū)可供水總量為2.488億m3，現(xiàn)狀調(diào)蓄工程可供地表水為1.8466億m3，地下水0.64億m3。

現(xiàn)狀年中水利用率為20%，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，在“十四五”期間，H市新建多條中水回用管道使得中水回用率調(diào)高到49.6%，城市生活用水863萬m3，排水量占用水量的60%，因此2030年，城市污水處理廠可供中水量0.0257億m3。

3.3 水資源供需平衡分析

D灌區(qū)設(shè)計水平年需水量25578萬m3，其中農(nóng)田及林草灌溉需水量為18662萬m3，生活及工業(yè)需水量為3978萬m3，人工生態(tài)需水2938m3。

經(jīng)對設(shè)計水平年水量供需平衡分析，D河灌區(qū)設(shè)計水平年總供水25123萬m3，缺水454萬m3，見表8。

表8 設(shè)計水平年水量供需平衡分析表

從以上供水水量平衡分析結(jié)果可以看出，設(shè)計水平年，灌區(qū)全年毛供水量不能滿足灌區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的需水量，其主要原因為地表水現(xiàn)狀的D河水庫調(diào)蓄能力不足，供水能力有限，因此僅通過對灌區(qū)采取節(jié)水工程措施很難達(dá)到減緩地下水量的目標(biāo)，需要增加地表調(diào)蓄設(shè)施來提高地表水的利用程度，從而置換地下水的開采，維護生態(tài)綠洲穩(wěn)定。

4 規(guī)劃水平年D河水庫供水能力分析

D河水庫位于G省H市區(qū)西南36km處的D河峽口，是一座以防洪、灌溉、排沙為主兼顧發(fā)電的中型水庫，總庫容4640萬m3，主壩最大壩高56.8m，壩頂高程1432.3m，最低運行水位1405.0m，設(shè)計洪水位1429.22m，2019年對D河水庫除險加固后，校核洪水位由1431.85m調(diào)整到1431.23m，水庫汛期為6月20日—9月10日，其中，主汛期為7月11—8月20日，防洪限制水位1426.0m，初、末汛期分別為6月20日—7月10日、8月21日—9月10日，防洪限制水位為1428m。水庫按百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。

根據(jù)《D河水庫大壩安全鑒定報告書》和《D河水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》，D河水庫總庫容4640萬m3，由于泥沙淤積，現(xiàn)狀剩余總庫容2622萬m3，庫容減少了2000余萬m3。水庫興利庫容由原設(shè)計的3827萬m3減少至現(xiàn)狀的2573萬m3，減少1254萬m3，興利庫容損失了34%。

4.1 水庫年徑流量

D河徑流主要由大氣降水和冰川融雪水補給，徑流年內(nèi)分配不均，其中4—8月占全年徑流量的57.14%，連續(xù)最枯月出現(xiàn)在12月—第2年2月，徑流占全年徑流量的13.51%，其他4個月徑流量占全年徑流量的29.35%。據(jù)多年資料統(tǒng)計，7月水量占年水量的比重最大，其次為4月和8月，1月最小。全年最大流量多發(fā)生在7—8月，最小流量發(fā)生在1月。根據(jù)水文計算成果，P=85%時設(shè)計徑流年內(nèi)分配成果見表9，多年平均徑流年內(nèi)分配表見表10。

表9 P=85% D河水庫斷面設(shè)計徑流年內(nèi)分配成果表

表10 多年平均水庫斷面設(shè)計徑流年內(nèi)分配成果表

4.2 水庫上游消耗水量

根據(jù)近年來D河水資源管理局的補水資料，確定本次受水區(qū)的補水時段，由于冬季補水渠道無法運行，因此在當(dāng)年11月、12月以及第2年1月不予補水，其他月份根據(jù)用水過程予以適當(dāng)補水，總補水量為4000萬m3。

4.3 水庫蒸發(fā)增損量

按照水庫各月(水面蒸發(fā)量-陸地蒸發(fā)量)×各月平均水面面積的公式，計算蒸發(fā)量。根據(jù)H市氣象站1971—2014年共44年資料統(tǒng)計，年降水量僅為43.2mm，年蒸發(fā)量2505.1mm，當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量折算為水庫水面蒸發(fā)量的折算系數(shù)為0.54，計算各月水庫蒸發(fā)增損值。

4.4 水庫滲漏

水庫逐月的滲漏損失量按照經(jīng)驗概算公式：

W年滲=k×F庫

式中，W年滲為水庫年滲漏損失；k為經(jīng)驗取值，取0.5(中等地質(zhì))；F庫為水庫年平均庫面面積。

4.5 起調(diào)庫容的確定

4.5.1 調(diào)洪原則

D河水庫汛期為6月20日—9月10日，其中，主汛期為7月11日—8月20日，限制水位為1426m；初、末汛期分別為6月20日—7月10日、8月21日—9月10日，限制水位為1428m。

當(dāng)洪水達(dá)到或接近設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水或輸水洞泄流能力不足，致使庫水位超過汛限水位時，應(yīng)立即開啟排沙泄洪洞，泄水總流量應(yīng)低于160m3·s-1。逐步使水庫水位盡快降到汛期水位1426m以下。當(dāng)洪水大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水，庫水位達(dá)到或超過1428m時，此時水庫進入警戒狀態(tài)，排沙洞、溢洪道、輸水洞按設(shè)計泄量泄洪，泄水總量應(yīng)低于180m3·s-1，逐步使水庫水位降到汛限水位1426m以下。

當(dāng)庫水位達(dá)到或超過1429.22m時，此時水庫進入緊急狀態(tài)，排沙泄洪洞、溢洪道、輸水洞按最大泄量泄洪，使水庫水位盡快降到汛限水位1426m以下。

4.5.2 起調(diào)庫容確定

根據(jù)D河水庫的調(diào)洪原則，結(jié)合水庫實測的水位-庫容曲線確定水庫防洪限制水位1426m對應(yīng)的庫容為1067萬m3，本次調(diào)節(jié)計算以6月汛期開始調(diào)算，起調(diào)庫容為1067萬m3。

H市D河水庫主要承擔(dān)H市城鄉(xiāng)生活、工業(yè)及D河灌區(qū)農(nóng)田、林草灌溉供水。2030水平年，受《H市水資源合理利用與生態(tài)保護綜合規(guī)劃》和《J市水資源配置方案》的約束，根據(jù)D河水庫調(diào)節(jié)計算，在P=85%的來水條件下，D河水庫可供水量19133萬m3，水庫供水缺口7111萬m3，難以滿足D河灌區(qū)灌溉需水，河道棄水751萬m3。在多年平均條件下，D河水庫可供水量22911萬m3，水庫供水缺口4607萬m3，難以滿足D河灌區(qū)灌溉需水，河道棄水2623萬m3。為保證灌區(qū)各行業(yè)用水，需開采地下水和利用中水回用來補充水源，詳見表11、表12。

表11 2030水平年D河水庫可供水量調(diào)節(jié)計算表(P=85%)

表12 2030水平年D河水庫可供水量調(diào)節(jié)計算表(多年平均)

根據(jù)水庫調(diào)節(jié)計算，P=85%時，D河水庫供水能力19133萬m3，供水缺口7111萬m3，可利用其他水源供水6362萬m3，S工程建設(shè)后可收集棄水751萬m3，滿足水量平衡；多年平均情況下，D河水庫供水能力22911萬m3，供水缺口4607萬m3，可利用其他水源供水3858萬m3，S工程建設(shè)后可收集棄水2623萬m3，滿足水量平衡。