石頭河流域水庫聯調系統白云峽水庫規劃研究

馬永勝，霍 磊，王 凱

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

石頭河是渭河南岸一級支流，黃河的二級支流，自南向北，流經太白縣桃川、鸚鴿鄉，于眉縣斜峪關出山后再經15 km河道于眉縣縣城東匯入渭河，全長68.6 km，扇形流域面積778 km2。石頭河水庫是以城市供水為主，結合灌溉、發電、防洪、養殖、生態補水等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。引紅濟石工程建成后，石頭河水庫入庫水量將增加0.92億m3，加上石頭河來水3.64億m3，實際可用水量約為共4.56億m3，經石頭河水庫統一調度，以先生活、后生產的供水原則進行供水。

有關石頭河流域內白云峽水庫的建設，早在1974年陜西省水利電力勘測設計研究院在歷次規劃基礎上完成《陜西省渭河流域綜合治理規劃》，該規劃首次正式提出在石頭河干流上有兩級開發方案。第一級即為上游的白云峽水庫，第二級為下游的石頭河水庫。此外，2017年完成《關中水系規劃》，對于渭河干流生態水量還可從洪水資源化角度考慮解決，通過在兩岸支流上建設生態水庫，汛期蓄存洪水，枯水期泄放河道用以補充河道生態流量，改善渭河生態水不足狀況。該規劃中也明確提出在石頭河流域內建設白云峽水庫工程。

石頭河流域多年平均徑流量3.9億m3，來水主要集中在主汛期7月、8月、9月，三個月來水量約占全年來水總量的七成左右，石頭河水庫壩高庫容小，水庫調蓄能力有限。水庫棄水較大，特別是“引紅濟石”工程投入實施后，年均可向石頭河水庫引水9500萬m3，屆時石頭河水庫的調蓄任務更為艱巨，若不增加新的調蓄工程，勢必會造成大量棄水產生，“引紅濟石”工程所調水量無法有效利用。特別是對于石頭河流域所轄岐眉灌區，其主要農業灌溉供水水源為石頭河水庫，由于近年來該灌區作物結構有很大變化，獼猴桃等果木種植比例大，其灌溉用水過程較傳統農作物變幅較大，加之近些年該流域徑流系列也逐漸偏枯，造成岐眉灌區37萬畝農作物灌溉保證率無法達到75%的設計要求。因此，亟需在石頭河流域建設規模合理的調蓄工程，與石頭河水庫及“引紅濟石”組建有效的聯調系統，通過新建調蓄水庫，補充石頭河水庫調節能力不足，從而使岐眉灌區作物滿足設計保證率要求，用好用活石頭河流域水資源及“引紅濟石”工程調水。

2 規劃設計方案及聯合調度模型

2.1 規劃設計白云峽建庫方案

石頭河干流控制流域面積較大，水量較為豐沛，水資源條件，但由于干流受地形條件約束、河道旁有鸚鴿鎮、桃川鎮等較大鄉鎮涉及移民淹沒問題嚴重，以及受沿河修建的姜眉公路高程較低的制約，無法修建較大的控制性水庫工程；白云峽支流流域水資源量雖較少，但白云峽內溝深人少，具備修建較大的控制性水庫工程的地質地形以及淹沒條件[1]。因此，按照調蓄工程所在位置，本工程規劃設計為支流建庫方案，具體設計方案位置見圖1。

圖1 石頭河流域已建及擬建工程布置示圖

2.2 方案研究需水及聯合調度模型

2.2.1 設計需水量

石頭河水庫及引紅濟石工程的供水對象為城市需水以及農業灌溉需水，白云峽水庫供給石頭河水庫供農業用水后的缺口。因此，白云峽水庫只補充提高岐眉灌區的農業供水量并使得岐眉灌區灌溉保證率從目前約50%提高到75%以上。

（1）城市需水量

設計采用原《引紅濟石工程初步設計》報告中的城市供水對象、城市需水量及其保證率。城市需水量合計為22890萬m3，城市供水保證率要求為93%。其需水過程見表1。

表1 城市需水量匯總成果表 單位：萬m3

（2）農業灌溉需水量

岐眉灌區灌溉面積37萬畝。根據《陜西省行業用水定額》，按照實際調查的各種作物種植比例結構，擬定不同頻率的（豐水年（P=25%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=75%））三種灌溉制度。考慮灌區復種指數以及灌區節水改造實施后的灌區灌溉水利用系數。依據長系列降雨資料，按照不同豐枯水平，對長系列灌溉需水過程進行匹配，灌區豐水年（P=25%）（其中P=0～33.3%以豐水年計）、平水年（P=50%）（其中P=33.3%～66.7%以平水年計）、枯水年(P=75%)（其中P=66.7%～100%以枯水年計），匹配出長系列逐旬灌溉需水過程，并按照不同豐枯水平年的每年需水過程，統計出灌區的多年平均農業灌溉需水量10728 萬 m3。

2.2.2 三水源聯合調度模型設計

對聯合調度系統進行整體設計，以系統分析的方法確定其最優聯合調度方式，使得系統獲得的效益最大化[2]。因此，白云峽水庫工程所涉及的三水源聯合調度模型原則如下：

1）工程涉及石頭河水庫與白云峽水庫以及引紅濟石調水合計三水源，需建立聯合調度模型，進行聯合調節；

2）首先扣除引紅濟石斷面以及石頭河壩址、白云峽壩址斷面生態用水，在此基礎上，先用石頭河水庫及引紅濟石來水分別滿足城市及農業需水要求，有余水充庫；若不滿足，則再用白云峽水庫滿足農業需水要求，當滿足農業需水時，若白云峽水庫有余水亦可依次補蓄白云峽水庫以及石頭河水庫；

3）在調節過程中，應充分發揮石頭河水庫以及引紅濟石已成工程的設計能力，優先利用石頭河水庫與引紅濟石工程的水量，不足部分再根據“以缺定調”原則利用白云峽水庫調蓄，并且盡可能減少石頭河水庫的棄水量。

3 水庫調節計算及運行方式研究

3.1 白云峽水庫運行方式

水庫運行方式確定，結合水庫特性及其所在流域調度系統中所起的作用等[3]。

1）充分發揮石頭河水庫以及引紅濟石已成工程的設計能力，優先其可供水量，其缺口利用白云峽水庫調蓄，減少石頭河水庫的棄水量；

2）先用石頭河水庫及引紅濟石來水滿足城市及農業需水要求，若不滿足，其農業用水缺口再用白云峽水庫滿足需水要求；

3）若上述需水均滿足時，有余水應按照上下游關系，先補蓄白云峽水庫，后補蓄石頭河水庫。

3.2 優化調節邊界條件

1）已成石頭河水庫工程、引紅濟石調水工程，擬建白云峽水庫工程均采用1971年～2012年共41年長系列徑流資料，進行三水源兩庫聯合調節；

2）引紅濟石工程關山斷面預留生態流量為0.38 m3/s，設計流量為13.5 m3/s；

3）石頭河水庫及白云峽水庫按照多年平均徑流量的10%預留生態水；

4）石頭河水庫的正常蓄水位801 m，汛限水位798 m，死水位728 m，調節庫容為1.17億m3；

5）灌溉需水量為10728萬m3，考慮到灌區現有水源設施多年平均灌溉供水量約為4156萬m3，因此灌區多年平均缺水量6572萬m3；引紅濟石從關山調水水量扣除2%損失；

6）調節系統應優先滿足城市需水量，其次滿足農業需水，并可利用多余水量按照從上到下的原則分別補蓄白云峽及石頭河水庫。

3.3 三水源聯合調度流程圖

建立聯調系統的調度流程見圖2，將有利于計算機模塊化高效計算[4]。

圖2 白云峽水庫工程三水源聯合調度流程圖

3.4 調節結果分析

按照上述調節計算原則方法及其邊界條件，以白云峽支流建庫設計，進行不同方案的長系列調節計算，白云峽水庫設計壩后式電站，水庫電站主要是利用生態水、水庫灌溉供水以及部分棄水進行發電。水能計算是結合水庫調節計算結果，按以上幾部分水量的下放過程和水庫消落深度的變幅進行水能計算和裝機規模確定，其長系列調節計算見表2。

表2 白云峽水庫工程方案調節對比分析表 單位：萬m3

白云峽支流建庫方案在基本維持原石頭河水庫生活及農業供水規模情況下，支流建庫方案下的白云峽水庫農業灌溉增供水量為344.8萬m3，農業灌溉保證率同樣從原來54.8%提高到76.2%，所需白云峽水庫支流建庫的調節庫容為2000萬m3。根據機組匹配后的水能計算結果：生態基流、農業供水及部分棄水常遇流量多集中于3.5 m3/s以下，其在高效水頭下的出力基本在2500 kW。

3.5 灌溉效益評價

對白云峽支流建庫方案對農業灌溉的補水作用以及提高灌溉保證率的實際效益分析，見圖3、表3。

圖3 白云峽支流建庫方案長系列農業灌溉補水過程對比圖

表3 白云峽支流建庫方案灌溉補水量頻率統計表

以支流建庫方案進行41年長系列調節結果分析，農灌供水需要發揮白云峽水庫調蓄作用年份為18年占長系列44%。白云峽水庫多年平均增供水量雖只有344萬m3，但從長系列供水過程看，特枯年份如1993年～1994年及1976～1977年白云峽水庫增加農灌供水量分別為3257萬m3、2108萬m3約占該時段聯調系統農灌需水量一半。

白云峽水庫在特枯年份具備補償石頭河水庫農灌缺口的關鍵作用。

4 結論

通過對石頭河流域水庫聯調系統白云峽水庫工程規模及調度運行方式的確定，需綜合考慮流域內水資源需求情況，需水對象需水特點，以及水文、地質、工程布置等特性，進行多方案組合比選，通過建立多水源聯合優化調度模型，律定調度調節各參數，模擬聯合調度系統水庫調度過程，從而最終確定合理可行的聯控聯調系統內各主要工程的規劃及其在系統內的調度作用。從工程具體結果看，白云峽水庫工程在滿足既定岐眉灌區37萬畝灌溉需水量及灌溉保證率75%支流建庫方案在基本維持原石頭河水庫生活及農業供水規模情況下，兩方案新增農灌溉增供水量344.6萬m3，農業灌溉保證率從原來的54.8%提高到76.2%。雖然工程所補充的農業灌溉供水量不大，但進一步通過過程分析，其灌溉補水量多補充為特枯年份的嚴重缺水時段，對于提高系統整體農業灌溉保證程度作用明顯。同時，聯合調度系統的建立對于類似工程具有借鑒意義。