串并混聯水庫群規模論證研究

庹世華，陳永娟

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000)

金昌市位于甘肅省河西走廊中部的戈壁灘上，市內礦產資源豐富，是一個以采、冶、煉鎳鈷族等有色金屬為主的資源型工業城市，現己形成有色冶金、化工、建材、能源四大支柱產業體系，被譽為“中國的鎳都”。市內主要河流為東大河、西大河和金川河，各河上分別建有皇城水庫、西大河水庫和金川峽水庫，皇城水庫主要為永昌縣東河灌區提供水源，同時向金川峽水庫和肅南縣調水；西大河水庫主要為永昌縣西河灌區提供水源，同時承擔向金川峽水庫、山丹馬場以及四壩灌區的調水任務；金川峽水庫是金昌市金川區生活及工農業生產的主要水源。

金昌市工業地位尤為突出，近些年需水量逐漸增加，根據《石羊河流域重點治理規劃》2020水平年重點治理措施“結合渠道電站建設，完成東大河、西大河向金川峽水庫專用輸水渠的改造，從東大河向金川峽水庫輸水1.28億m3，西大河向金川峽水庫輸水0.40億m3，實現金昌市范圍內永昌縣和金川區水資源配置目標。”目前由于金川峽水庫調節能力有限，水庫庫區周邊群眾居住密集，且水庫上游3km處為省級重點文物保護區—圣容寺，不具備實施大壩加高的條件，無法實現增容擴建，致使流域配水指標未能充分利用，供水矛盾日益突出。因此擬在金川峽水庫下游4.0km處的金川河上修建韓家峽水庫，與金川峽水庫、皇城水庫、西大河水庫形成串、并混聯的水庫群，四庫聯合調度運行，充分高效利用配水指標，保障金昌市金川區用水需求，提高城市供水保證率，緩解水資源供需矛盾。四庫位置如圖1所示。

圖1 四庫位置示意圖

1 徑流

東大河、西大河均為石羊河支流，徑流具有年內分配不均勻，年際變化小等特點。東大河發源于祁連山脈東段冷龍嶺北麓，流域地勢由西南向東北傾斜，流域上游分為東西兩岔，至皇城鄉大湖灘附近匯合后稱為東大河，在皇城鎮附近匯入皇城水庫。西大河發源于祁連山脈中段金瑤嶺北麓，上游主要由五條支流組成，是西大河的主要產流區，各支流于三個洞掌一帶匯合后流入西大河水庫。通過對東大河、西大河1955—2018年64年實測徑流系列頻率分析計算，采用P-Ⅲ型曲線適線，求得東大河多年平均徑流量為2.91億m3；西大河多年平均徑流量為1.58億m3。東大河、西大河年徑流設計成果見表1。

表1 東大河、西大河徑流成果計算表

金川河發源于永昌縣城以西紅廟墩、南泉一帶，主要由西大河地表水沿途滲入地下潛流至下游以泉水形式露頭后再匯聚各泉而成，此后由西向東流，至北海子右納東大河二壩渠水量后折轉向北流至金川峽水庫。2003年引硫濟金工程建成后，從青海省門源縣境內的硫磺溝引水經西大河水庫、西金輸水渠入金川峽水庫。根據金川河泉水資料統計，多年平均泉水量為5455萬m3，P=50%的泉水量為5383萬m3，P=85%的泉水量為4337萬m3，P=95%的泉水量為3793萬m3。

2 水資源配置

2.1 需水量

韓家峽水庫供水對象與金川峽水庫一致，為金昌市金川區城鄉生活需水、工業需水、農田灌溉需水和生態需水。按照區域現狀社會經濟指標、經濟發展規劃和相關行業需水定額指標預測設計水平年金川區需水總量為16090萬m3，其中城鄉生活需水量2914萬m3，工業需水量7595萬m3，農業需水量4246萬m3，生態需水量1335萬m3。需水過程見表2。

2.2 水資源配置

水資源配置優先解決城鄉生活用水、工業用水，適度增加生態用水和發展高效農業用水。區域地下水允許開采量0.87億m3，地下水主要用于灌區高效節水面積和八一農場灌溉用水，開采量不得超過允許開采量，控制灌溉面積18.17萬畝；地表水主要用于金昌市城鄉生活用水、工業用水、生態用水及農田灌溉用水，配置地表水供水15103萬m3；中水主要配置金川區城鎮生態用水，配置中水987萬m3。地表水配水過程見表3。

表3 金川區地表水配水過程表 單位：萬m3

3 徑流調節

3.1 調節原則

(1)韓家峽水庫來水過程受東大河皇城水庫、西大河西大河水庫和金川河金川峽水庫來、用水影響，水庫規模確定需皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫四庫聯合調節。

(2)充分發揮金昌市皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫現有調蓄功能，滿足下游生活及工農業生產用水需求。

(3)皇城水庫、西大河水庫各用水對象供水保證率不同，當來水量不能滿足全部用水需求時，優先滿足保證率高的生活工業用水，農業、生態用水遭到一定程度的破壞，破壞深度20%。

(4)徑流調節中，韓家峽水庫壩址來水在滿足下游生態基流的前提下，優先解金川區城鄉生活用水和工業用水，其次用于生態和農田灌溉，并考慮水庫投資效益，使得單位投資的供水效益最大化。

3.2 計算條件

(1)金川峽水庫、皇城水庫、西大河水庫以當前興利庫容為基礎條件，并充分考慮水庫汛限水位的影響。金川峽水庫始建成于1959年，總庫容6500萬m3，興利庫容為5500萬m3。經2001年對水庫庫容進行實測，水庫平均每年淤積17萬m3，推算2020年水庫興利庫容5020萬m3。皇城水庫始建于1974年， 1985年建成蓄水，水庫總庫容8000萬m3，興利庫容6400萬m3，死庫容800萬m3；西大河水庫建于1968年10月，1974年建成蓄水，水庫總庫容6800萬m3，興利庫容5430萬m3，死庫容300萬m3。

(2)依據《石羊河流域重點治理規劃》水資源配置方案，東大河皇城水庫每年向金川峽水庫調水12800萬m3，輸水效率85.5%，調至金川峽水庫水量10944萬m3；西大河水庫每年向金川峽水庫足額調水4000萬m3，輸水效率70%，調至金川峽水庫水量2800萬m3。

(3)東大河皇城水庫大流量調水避開灌溉高峰期，調水時間盡量安排在非灌溉期，減少調水與農業灌溉爭水矛盾，灌溉間歇小流量調水；西大河調水流量較小，冬季輸水易結冰，盡量安排在灌溉間歇調水。

(4)韓家峽水庫、皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫蒸發損失由永昌縣氣象站實測資料求得，水庫各月滲漏損失量根據區域水文地質條件按水庫平均蓄水容積的0.5%估算。

(5)河道內生態環境需水量。根據SL/Z322—2011《水利水電建設項目水資源論證導則》6.2.3條“對于河道生態需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定”。本次設計以多年平均流量的10%作為河道的最小生態環境需水量。金川河自產徑流多年平均流量為1.73m3/s，生態基流量為546萬m3。

3.3 計算方法

韓家峽水庫和金川峽水庫供水范圍、供水對象一致，且兩庫之間無其他徑流匯入，以金川峽水庫壩址所需興利庫容減去金川峽水庫設計水平年的興利庫容即為韓家峽水庫的興利庫容。

金川峽水庫壩址來水由西大河調水、東大河調水以及區間泉水三部分組成，由于20世紀70—80年代調水資料缺失，不具備長系列調節的條件，文章徑流調節計算采用設計代表年法。根據不同供水對象的保證率，分別選取選取保證率為50%、85%和95%的來水作徑流調節計算。徑流調節計算時，先將東大河、西大河50%、85%和95%來水過程與用水過程進行徑流調節計算，在各自水庫的調節能力范圍內按照調水時間向金川峽水庫調水，得到東大河、西大河向金川峽水庫調水過程。該調水過程與金川河泉水過程組合成金川峽水庫壩址來水過程。以金川峽水庫壩址來水過程和金川區用水過程進行徑流調節計算，得到的興利庫容減去金川峽水庫設計水平年的興利庫容即為韓家峽水庫的興利庫容，如圖2所示。

圖2 韓家峽水庫調節計算流程圖

3.4 徑流調節

3.4.1西大河水庫調入金川峽水庫水量

西大河入庫水量為西大河自產水量和引硫濟金工程引入水量二者之和，水庫供水任務主要包括向金川峽水庫、馬場、四壩灌區調水以及向西河灌區的生產生活和農業灌溉供水。西大河水庫通過西金干渠向金川峽水庫輸水，采用非灌溉期輸水，年調出水量4000萬m3。首先根據西金干渠的輸水時段，初步確定西大河水庫向金川峽水庫歷年的調水過程和調水量；然后，將試算出的調水過程與西河灌區的需水過程同時輸入興利計算程序，再次進行多用水戶不同保證率的興利調節計算，得到符合保證率要求的調出水量過程。西大河水庫向金川峽調水過程見表4。

表4 西大河水庫向金川峽調水過程 單位：萬m3

3.4.2皇城水庫向金川峽水庫調水量

皇城水庫供水對象主要包括金昌市東河灌區、金川峽水庫調水以及張掖市肅南縣部分用水。皇城水庫向金川峽水庫輸水是通過東大河峽谷口，經東大河渠首和東河總干渠、二壩輸水干渠完成，輸水效率為0.855。皇城水庫向金川峽水庫的調水時間沿用現行的調水時間，一方面避開農業用水的高峰期，減少與農業爭水的矛盾；另一方面皇城水庫的冬季來水量相對較大且比較穩定，調水時間確定為：11- 4月基本以固定流量調水，5、6月基本不調水或者少調水，剩余水量7—10月調水，年調出水量12800萬m3。皇城水庫向金川峽調水過程見表5。

表5 皇城水庫向金川峽調水過程 單位：萬m3

3.4.3區間泉水量計算

由于金川峽水庫實測入庫流量已非天然過程，其入庫水量受二壩渠調水量、引硫濟金調水量及西大河灌區用水量影響。

本文以2000—2018年金川河自產水資源作為設計水平年的金川河(泉水)徑流量，并對之前的徑流資料進行還原處理，扣除上游水庫下泄水量、調水量等對徑流系列的影響。金川河多年平均自產水量為5455萬m3，多年平均入庫流量為1.73m3/s。

3.4.4徑流調節計算

設計水平年金川區總需水量16090萬m3，配置中水987萬m3，需配置地表水15103萬m3。設計水平年金川峽水庫壩址P=50%保證率來水量為22142萬m3，扣除生態基流546萬m3后可調節水資源量為21597萬m3。經逐月來、用水調節計算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為3415萬m3，尚未達到金川峽水庫興利庫容，韓家峽水庫興利庫容為0；P=85%保證率來水量為18243萬m3，扣除生態基流后可調節水資源量為17697萬m3。經調節計算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為5541萬m3，扣除金川峽水庫興利庫容5020萬m3，韓家峽水庫興利庫容為521萬m3；P=95%來水量為17765萬m3，扣除生態基流后可調節水資源量為17220萬m3，經調節計算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為5730萬m3，扣除金川峽水庫興利庫容后韓家峽水庫興利庫容為710萬m3。經過徑流調節計算，P=50%、P=85%和P=95%保證率下，韓家峽水庫的興利庫容分別為0、52、710萬m3。韓家峽水庫(金川峽壩址)徑流調節示意圖如圖3所示。

圖3 韓家峽水庫(金川峽壩址)徑流調節示意圖

3.4.5水庫正常蓄水位及規模確定

從壩址及庫區地形地質情況、供水效益、庫區淹沒、經濟指標、施工難度等各方面進行分析考慮，選取1822.76、1825.70、1826.70m三個方案進行正常蓄水位比選，見表6。

表6 韓家峽水庫正常蓄水位比選表

經比較，三種方案在工程建設難度上、淹沒影響角度無太大差別，地質條件也均達到要求，從經濟因素分析，正常蓄水位1825.70m方案在經濟指標上為最優方案。因此，從受水區供水保證程度、工程投資，淹沒影響范圍等方面比較，確定韓家峽水庫正常蓄水位為1825.70m，相應庫容為850萬m3，興利庫容為710萬m3。

4 結論

(1)經不同保證率韓家峽水庫、金川峽水庫、皇城水庫和西大河水庫聯合調節計算，最終確定金川峽水庫壩址興利庫容為5730萬m3，扣除金川峽水庫設計水平年的興利庫容5020萬m3得到韓家峽水庫興利庫容為710萬m3。

(2)混聯各水庫供水對象不同，保證率不同，要綜合考慮上下游用水關系，供水保證率高用水戶的優先滿足，供水保證率低用水戶的可按一定比例縮減供水。

(3)串并混聯水庫下游來水量受上游各水庫來、用水的影響，規模確定時需上、下游水庫聯合調節，在充分發揮上游各水庫的效益的前提下，確定合理的水庫規模。

(4)水庫規模論證需綜合考慮水文、地質、供水及投資等各方面因素，進行多方案比選，選取合理的規模，使得單位投資供水效益最大化。