佳縣烏鎮供水工程黃河取水可行性分析

賀曉玲

（佳縣水利水電工程隊，陜西 榆林 719200）

1 概況

佳縣位于陜西省東北部黃河中游西岸，烏鎮距佳縣15 km，人口3.1萬人。項目區屬于屬大陸性干旱半干旱氣候。冬長夏短，四季分明，雨量不足，氣候干燥，日照時間長，光熱資源豐富。年均降水380 mm，平均氣溫10℃，無霜期159天。主要自然災害有旱澇、低溫、霜凍、雷擊等。烏鎮人口眾多，居住相對集中，人畜飲水主要靠從溝底所建泵站從溝道中取滲水，抽至高位水池，利用管網送入村民家中。經多年運行，原泵站及低位水池損毀，使得當地群眾吃水困難。現有的人飲工程已不能滿足現在社會、經濟的發展需求，特別是水質和水量標準低下，已成為制約當地人民群眾提高生活水平和質量的瓶頸因素。根據烏鎮水源情況，規劃在黃河取水，以切實解決當地群眾飲水問題。

2 需水預測及水源確定

項目設計基準年為2017年，設計水平年為2027年，設計供水規模為10 m3/d，供水工程設計年限為10年，規劃供水人口為整個烏鎮以及牲畜用水。現對未來烏鎮發展用水需求進行預測分析。

2.1 需水量預測

根據中華人民共和國水利行業標準《村鎮供水工程技術規范》（SL687-2014），最高日居民生活用水定額為40～60（L/人·d），最高日居民生活用水定額為 50（L/人·d），人口的自然增長率按6‰計。根據“陜西省村鎮供水工程初步設計要點”，聯村集中供水，有學校的村莊可按居民生活用水量的5%～10%計列。項目區沒有公共建筑物，無需考慮公共建筑用水量。根據規范要求:“消防用水量應按照《建筑設計防火規范》（GBJ16）和《村鎮建筑設計防火規范》GBJ23的有關規定確定。允許短時間中斷供水的村鎮，當上述用水量之和高于消防用水量時，確定供水規模時可不單列消防用水量”。因此，不單列消防用水量。

根據前述規范，管網漏失水量和未預見水量之和，宜按上述用水量之和的10%～25%取值。項目區管網漏失水量和未預見水量之和=上述用水量之和×15%=0.95 m3/d。各供水對象均采用全日供水，每日供水時間為24小時。根據以上計算，供水規模W＜200 m3/d。根據規范，全日供水時變化系數Kh=2.5～3.0，取Kh=2.5。日變化系數可在1.3～1.6范圍內取值，取值為1.5。工程供水規模為最高日供水能力，應為居民生活用水量、公共建筑用水量、村鎮企業和專業戶飼養畜禽用水量、消防用水量、管網漏失水量和未預見用水量之和。經計算，居民生活用水量5.20 m3/d，畜禽飼養用水量1.16 m3d，管網漏失和未預見水量0.95 m3/d，人均綜合用水量96.12 L/人·d，變化系數為2.5。則最高日最高時需水量為0.76 m3/h，年需水量118.4×104m3。

2.2 水源選擇

項目區沒有可飲用地表水資源，地下水水質及水量也不能滿足居民飲用，故需從新確定水源。從長遠解決村子飲用水情況，計劃取用黃河水進行飲用。水源位于黃河中游上段，上游有府谷水文站，下游有吳堡水文站。黃河中游地區除河曲、保德、府谷附近河谷較寬之外，其余絕大部分河段河寬僅200 m～400 m。黃河右岸一部分支流上游為蓋沙區，左岸一部分為石質山區，其余大部分屬于黃土丘陵及黃土丘陵溝壑區。黃河中游地區61%面積為黃土高原，溝壑縱橫，支流眾多，河道比降陡，植被較差，土質疏松，水土流失極為嚴重，大量泥沙進入黃河，使黃河成為世界上含沙量最多的河流，年輸沙模數一般在 10000 t/km2～20000 t/km2。

通過水質化驗和附近已成水源資料，黃河干流大部分河段天水水質良好，pH值一般在7.5～8.2之間，呈弱堿性，佳縣段黃河屬于Ⅱ類水體。流域內河川徑流的礦化度、總硬度分布由東南向西北呈遞增趨勢，大部分地區為礦化度300～500 mg/L、總硬度3～6 mg當量/L的適度水。通過簡單的飲用處理，各項指標可滿足《生活飲用水衛生標準》，所以確定用黃河水作為烏鎮飲用水源。為了確保科學引水，需對黃河取水口的徑流量進行分析。

3 取水河段可取水量

黃河徑流受大氣環流和季風的影響，導致年際變化較大且年內分配不均。根據黃河吳堡站資料統計，最大年徑流量發生在1967年為505億m3，最小年徑流量發生在1997年為111億m3，7月～10月徑流量分別占年徑流量的59.6%，11月～6月徑流量占全年的40.4%。黃河中游區域部分支流的7月～10月徑流量占全年的80%～90%，每年的3月～6月徑流量所占比重很小，有些支流基本處于斷流狀態。

3.1 設計依據站年徑流分析

以吳堡站與府谷站作為取水口斷面的設計依據站。

（1）吳堡站年徑流分析

根據吳堡站1954～2012年共59年的年徑流系列資料，繪制年徑流量差積曲線圖進行代表性分析，見圖1。從圖中可以看出，吳堡站的差積曲線變化呈現出單一饅頭式的過程，這說明吳堡站的年徑流的豐、平、枯段交替出現，且年際豐枯變化持續時間較長，變幅較大，因此具有較好的代表性。

圖1 吳堡站年徑流量差積曲線

根據吳堡站1954～2012年共59年的年徑流資料進行頻率分析計算。用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線，然后通過目估適線法進行調整，按連續系列矩法估計統計參數。求出吳堡站多年平均徑流量為234.76億m3，變差系數Cv=0.39，偏態系數Cs=3Cv。

（2）府谷站年徑流頻率分析

根據府谷站1954～2012年年徑流量系列，繪制年徑流量差積曲線，見圖2。從圖中可以看出，府谷站的差積曲線表現出單峰式的過程，說明洪峰流量系列年際變化持續時間較長，變幅較大，豐、平、枯系列交替出現，表明了府谷站年徑流量系列具有較好的代表性。

圖2 府谷站年徑流量差積曲線

根據府谷站1954～2012年的實測年徑流量系列，對府谷站進行頻率計算。用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線，然后通過目估適線法進行調整，統計參數按連續系列矩法估計，求出府谷站平均徑流量為218.32億m3，變差系數Cv=0.38，偏態系數Cs=3Cv。

3.2 取水口斷面的年徑流量

取水口斷面不同來水年份的年徑流量可根據吳堡站與府谷站的面積插值法，和吳堡站的單站面積比擬法兩種方法計算，結果見表1。從表中可以看出，兩種方法的計算結果相近，但根據吳堡站單站面積比擬法計算的結果略微偏大，本次從對工程不利的角度出發，選擇吳堡站與府谷站的面積插值法的計算結果作為取水口斷面的年徑流量。即P=50%、P=75%和P=95%條件下，取水口年徑流量分別為208億m3、161億m3和116億m3，則河段年均可引水量為161.66億m3

表1 取水口斷面設計年徑流量成果表 單位：億m3

3.3 年徑流的月分配

選取1970年、1992年和2001年作為50%、75%、95%設計代表年的典型年，由年內各月的徑流量數據按面積插值法求得50%、75%、95%設計年的年徑流年內月分配過程，計算結果見表2。

表2 黃河萬鎮取水口年徑流量月分配過程 單位：億m3

3.4 枯水期徑流水位分析

以吳堡站為設計依據站，采用年最小枯水流量選樣，根據吳堡站1976年～2012年枯水流量系列進行頻率分析，將數據系列按由小到大排序后，采用皮爾遜Ⅲ型曲線適線，均值、變差系數Cv用矩法估計進行初估，參數Cs=3Cv；用目估適線法調整確定。最終確定吳堡站枯水流量均值73.32 m3/s，Cv=0.45。取水口斷面的設計枯水流量按照吳堡站面積比擬法確定，面積指數取2/3，計算結果見表3。

表3 設計枯水流量計算結果 單位：m3/s

根據吳堡站實測大斷面，繪制水位流量關系曲線，根據不同設計頻率下的洪水和枯水流量求出相應的水位，按比降內插計算得到取水口斷面的相應設計洪水位。計算結果：校核洪水頻率P=0.5%和設計洪水頻率P=5%條件下，相應水位分別為736.81 m和734.72 m；枯水保證率取P=5%，枯水位為723.63 m；取水口斷面最小生態流量為80 m3/s，相應水位為723.91 m。

綜合以上分析可知，烏鎮供水工程黃河取水口斷面生態基流為80 m3/s，年均可引水量為161.66億 m3，大于年需水量118.4×104m3，從水量上來說工程引水量是有保證的。

4 取水口引水沙限分析

烏鎮黃河取水口斷面位于府谷水文站與吳堡水文站之間，取水口上游14 km處為含沙量極大的窟野河，取水口至府谷區間面積為19613 km2，至吳堡站區間面積為9862 km2，若取水口斷面含沙量采用插值法計算，結果可能偏小。因此從工程安全角度出發，本次取水口斷面含沙量直接采用吳堡站含沙量。從取水口斷面1974～2012年各年實測含沙量數據分析得出，取水口斷面多年平均含沙量11.46 kg/m3，年最大含沙量631 kg/m3，發生在1976年，歷年年最小含沙量0.044 kg/m3，發生在2012年。繪制年平均、年最大、年最小含沙量隨年份變化圖，可以發現，取水口斷面歷年平均、最大、最小含沙量系列均隨年份增加呈現減小的趨勢，其中年最大含沙量系列減小幅度最快，年平均含沙量系列減小幅度次之，年最小含沙量系列減小幅度最慢。根據沉沙池和水泵要求，擬定黃河取水口斷面引水沙限為30 kg。

5 結語

佳縣水資源短缺，烏鎮群眾吃水困難，無保障。立足當前考慮長遠，規劃從黃河佳縣段取水解決烏鎮用水問題。以上游府谷水文站、下游吳堡水文站監測資料為依據，通過對水量、水質和引水沙限的分析探討，提出烏鎮供水工程黃河取水口斷面生態基流為80 m3/s，當引水沙限為30 kg/m3時，取水口河段的來水量小于80 m3/s不進行引水。年均可引水量為161.66億m3，大于年需水量118.4×104m3，在佳縣黃河段進行取水解決烏鎮供水問題方案完全可行，這將為解決烏鎮3萬多群眾的用水問題提供了科學依據。