榆林黃河東線馬鎮引水工程可調水量分析

沈岳飛

(榆林市水務集團，陜西 榆林 719000)

1 工程概況

榆林黃河東線馬鎮引水工程屬于《榆林市黃河東線引水工程規劃》中馬鎮引水線路的近期實施工程，即馬鎮引水的前期工程；設計引水規模2.9億m3/a，年引水指標2.2億m3/a，工程線路全長約125.53 km(干線101.93 km，支線23.6 km)。本工程的開發任務是工業供水，受水對象為神木縣窟野河河谷區(檸條塔工業園區、燕家塔工業園區和何家塔工業園區)、錦界工業園、清水溝工業園、榆陽區榆溪河以東工業園(金雞灘循環經濟區、麻黃梁工業集中區)共4個片區(7個工業園)。本次輸水線路引水末端有2處，分別為石峁水庫和清水溝工業園蓄水池。

本工程現狀水平年確定為2016年，設計水平年為2025年，主要解決工業園區缺水問題，工程區處于水資源相對缺乏地區，設計保證率采用95%[1]。

2 流域水資源需求形勢分析

對榆林各行業用水情況進行分析表明，農業為第一用水大戶，農業用水量(包括農田灌溉和林牧漁畜)占總用水量的67.7%；其次為工業用水量，占總用水量的20.2%；居民生活用水(包括城鎮生活和農村生活)占9.4%，城鎮公共用水量占1.6%，生態環境用水量占1%。從用水結構方面分析，農業用水比重最大，說明用水量集中在效益不高的農業上，用水比例不協調也反映出榆林市產業結構有待調整。榆林市現狀可供水資源量基本已達到開發利用的極限，僅靠當地水資源，難以適應經濟社會快速發展的用水需求。根據榆林市經濟社會發展預測，在強制節水條件下，2020年需水12.64億m3，缺水4.13億m3，缺水率32.7%；2025年需水14.41億m3，缺水5.90億m3，缺水率41.0%；2030年需水18.62億m3，缺水10.11億m3，缺水率高達54%。2025年，府谷到橫山一帶總需水量約10.8億m3，區內可供水總量約7.04億m3，缺水量約3.8億m3。缺水原因主要是由于區內特別是府谷、神木和榆陽規劃布局的工業項目近期要實施，用水非常迫切。本次引黃規模是在充分考慮利用當地地表可用水量、再生水及礦井水的前提下核算神木及榆陽片區近期的工業需水量，目前，本工程已取得水利部黃河水利委員會的取水許可審批準予行政許可決定書《黃許可決[2018]84號》，決定書同意本工程以黃河干流地表水作為取水水源，年取黃河水量為2.2億m3。

3 可調水量分析

本工程采用黃河取水泵站提水后通過隧洞、渡槽自流進入擬建的黃石溝水庫進行沉沙、調蓄，然后由黃石溝水庫引出輸水線路至支線終端清水溝工業園蓄水池和干線終端石峁水庫，再由終端向各工業園區供水的運行調度方式，即當黃河來水含沙量大于20 kg/m3或來水流量小于生態流量150 m3/s時，黃河取水泵站不提水，利用黃石溝水庫的蓄水向各工業園區供水。當黃石溝水庫庫內水位低于正常蓄水位，同時黃河可引水量較多時，按照黃河取水泵站設計能力取水，在滿足各用水戶用水的同時充蓄黃石溝水庫。

通過對黃石溝水庫上下游來水、耗水及需水量的分析，以月為單位進行2016年～2020年黃石溝水庫水資源承載力以內調水工程可調水量的系列計算，最終得出可調水量，具體過程見圖1。

3.1 邊界條件

考慮滿足黃石溝水庫下游河道生態環境的用水需求，應優先考慮河道外工農業生產、日常生活和農業灌溉等方面的用水需求，故提出以下可調水量邊界條件：在保證流域河道外生產生活用水的基礎上調水；在控制斷面流量不足生態基流的時段應減少河道調水或不予調水，而在控制斷面流量大于生態基流的時段允許調水，并且保證調水后各控制斷面流量完全符合生態基流要求；為達到黃石溝水庫水量分配方案中主要控制斷面下泄流量最小值的要求[2]，黃河干流黃石溝水庫斷面最小流量應控制在9.5 m3/s。

圖1 黃石溝水庫可調水量計算簡圖

3.2 不同調水方案下長系列調節計算

3.2.1 黃石溝水庫斷面最大可調水量

對黃石溝水庫取水斷面進行水資源供需分析，扣除上游耗水、下游預留水量和生態基流后，以2050年進行典型年狀況下最大可調水量理論值的計算，結果表明，多年平均情況下，黃河取水量為2.2億m3，其中黃河取水泵站直接向供水區供水量1.85億m3，通過黃石溝水庫調蓄向供水區供水量0.35億m3。

庫前線路流量：黃河取水樞紐～黃石溝水庫線路設計流量按照黃河取水泵站設計規模取值，即設計流量規模為27 m3/s。

庫后線路流量：黃石溝庫后計算取水流量為10.91 m3/s，沿線向各片區進行分支。其中，神木支線口分水流量1.30 m3/s，錦界工業園支線口分水流量1.06 m3/s，清水溝支線口分水流量7.37 m3/s，錦界、清水溝分水干線口后～石峁水庫流量1.18 m3/s。

本工程黃河樞紐～黃石溝水庫段分段流量見表1。

表1 黃河樞紐～黃石溝水庫段分段流量表

3.2.2 調水方案比選

根據用水需求及水資源配置情況，黃河東線馬鎮引水工程設計流量為27.0 m3/s，按照汛期多調，枯水期少調的原則進行水資源調度，為確保枯水期內下游水量，制定兩種調度方案：一是枯水期12月～次年3月不調水；二是枯水期11月～次年4月不調水。

在不同調水方案下隨著調蓄水時段的變化，可調節水量和調蓄庫容也不同，黃石溝水庫斷面在上述兩個調水方案下，所需調節庫容分別為0.4046億m3和0.5638億m3，按照區域水資源需求態勢，調水量分別為0.24億m3和0.33億m3，見表2。

分析表明，枯水期11月～次年4月不調水的方案下調水量無法達到調蓄水要求，且對庫容要求較大，而枯水期12月～次年3月不調水的方案較優，能滿足區域調水需求。

表2 不同調水方案下調水量 單位：億m3

4 調水方案風險分析

4.1 供水系統風險

根據流域河道內外水資源需求形勢及工程區可調水量計算結果，結合相關文獻[3]，對榆林黃河東線馬鎮引水工程供水系統風險分析的公式如下：

R=p(d>e)=p(χi∈F)

(1)

a=1-R

(2)

式中：R為供水系統風險指數；a為供水系統可靠性指數；p為缺水概率；d為供水系統調水量總量；e為調水系統承載能力；χi為表示供水系統運行狀態的變量；F為供水系統缺水狀態，F∈|d>e|。

(3)

式中：β為供水系統整體損失程度；k為區域缺水總次數；pi為第i次缺水的概率；ui為第i次缺水的損失程度(即損失率)。當所得出的β值越小，表明供水系統正常運行下的缺水率越低，所對應的水量損失率也越小。

假定黃石溝水庫可調水量為wd，該水庫第i年實際可調水量不足wd時發生的缺水量為wei，其取值等于wd與當年實際可調水量之差，同時假定在不同缺水量下所發生的缺水事件為同頻率，則式(3)可寫成：

(4)

供水系統恢復性測度主要進行供水系統從非正常供水狀態向正常供水狀態轉移的可能性大小的測度，其測度主要通過條件概率表示：

(5)

式中：γ為供水系統恢復性測度；S為正常供水狀態，且S∈|d

4.2 調水方案風險

根據式(1)～式(5)進行2016年～2020年供水系統風險的長系列模擬運算，所推薦的調水方案(枯水期12月～次年3月不調水)風險指標計算結果見表3。

根據表1對枯水期12月～次年3月不調水調水方案風險指標的計算結果可以看出，該方案調水布局損失性測度相對較小，各調水支線調水可靠性指數均在0.90以上，最高為0.950，但是各線疊加后風險指數增大為0.167，增幅較大，且可靠性指數降至0.835，充分說明，榆林黃河東線馬鎮引水工程實際可調水量比各支線、干線可調水量相加得到總可調水量理論值要小，主要原因在于各支線、干線年徑流量風枯變動并不完全同步，為防范這種風險，應待工程實施過程中加強各支線、干線間的聯合調度。

表3 推薦的調水方案風險指標計算結果

5 結論

本文對榆林黃河東線馬鎮引水工程可調水量分析結果表明，本引水工程水量調蓄應遵循豐水期多調、枯水期少調的原則，根據工程可行性報告所確定的最大引水量規模，推薦枯水期12月～次年3月不調水的方案。按照所擬定的調水原則，經過2016年～2020系列分析和調節計算，年均調水量為0.33億m3，在95%的設計保證率下可以滿足用水區域用水對象的用水需求。通過對所推薦調水方案風險指標的計算表明，各支線、干線年徑流量風枯變動并不完全同步，所以引水工程實際可調水量比各支線、干線可調水量相加得到總可調水量理論值要小，為保證供水量，必須加強各支線、干線間的聯合調度。