某流域并聯水庫正常蓄水位確定方法

吳 萌

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

中國西北地區水資源緊缺，同一流域往往需要在其支流建設水庫來承擔其支流全部、干流部分的城鄉生活、工業生產、農業灌溉等多項供水任務，由于干支流供水范圍、供水保證率不同，當流域支流修建多座水庫形成并聯，共同承擔全流域供水任務時，并聯水庫規模的確定往往具有一定的復雜性[1-3]。本文采用長系列徑流調節計算VB數學模型，對AKS流域并聯水庫正常蓄水位確定方法研究，為流域并聯水庫正產蓄水位的確定提供借鑒。

1 研究區域概況

AKS河[4-6]是新疆天山南坡第一大河，是塔里木河重要源流之一，主要由KMLK河與TSG河兩大支流匯流而成，西大橋水文站斷面多年平均年徑流量84.78億m3。根據AKS河流域控制性工程布局，AKS河兩大支流中，在KMLK河上建設DSX水利樞紐，在TSG河上建設AK水利樞紐，通過2座水庫聯合調度，共同滿足AKS河流域綜合利用要求。支流KMLK河全長293 km，協合拉水文站以上集水面積12 816 km2，多年平均年徑流量48.82億m3，該河上控制性水庫DSX水利樞紐[7-9]正在開工建設；支流TSG河全長457 km，沙里桂蘭克水文站以上集水面積19 166 km2，多年平均年徑流量29.09億m3，該河上擬建控制性工程AK水利樞紐。AKS河控制性工程位置見圖1。

圖1 AKS河控制性工程位置示意圖

2 研究方法

2.1 長系列徑流調節計算VB程序

長系列徑流調節計算VB程序為一種通用的數學模型，該模型可用于模擬分析承擔發電、灌溉、生態等一種或多種任務綜合利用水庫的運行情況。該程序以天然徑流、灌溉用水、生態用水過程作為輸入，水庫損失、電站保證出力作為程序迭代循環計算過程的控制性指標，水庫發電量、出庫水量、灌溉水量、生態水量等作為輸出。該計算數學模型已多次應用于新疆大中型水利樞紐工程設計，并獲得水利部水利水電規劃設計總院、 水利部黃河水利委員會等多家審查機構認可。長系列徑流調節計算VB程序計算流程見圖2。

圖2 長系列徑流調節計算VB程序計算流程圖

2.2 流域綜合利用要求

AKS河流域綜合利用要求有下泄塔里木河干流生態水量[10-11]、流域內灌溉供水[12-14]、防洪[15-16]和發電等綜合利用。

(1) 塔里木河干流需AKS河下泄水量要求

AKS河多年平均來水條件下，在阿拉爾斷面下泄水量34.2億m3，考慮到4—5月是荒漠河岸林返青期，該時段按照阿拉爾斷面天然來水50%保證率下泄水量。兩座山區水庫共同承擔流域生態供水任務。

(2) 灌溉供水要求

AKS河流域灌區包括阿合奇灌區、TSG河灌區、KMLK河灌區、老大河灌區、塔里木灌區，設計水平年2030年總灌溉面積45.37萬hm2(680.66萬畝，總需水量50.17億m3，其中地表水年需水量46.09億m3。根據灌區水資源利用節點關系(見圖3)，由下至上從塔里木攔河閘推求至西大橋斷面，地表水年需水量31.15億m3。其中DSX水庫單獨控制KMLK河灌區；AK水庫單獨控制阿合奇灌區、TSG河灌區；兩庫共同控制老大河灌區、塔里木灌區(面積30.6萬hm2(459萬畝)，占總面積67%)。

圖3 AKS河流域灌區水資源利用節點示意圖

(3) 防洪要求

AKS河干流主要防洪保護對象為阿克蘇市，防洪標準50年一遇，防洪控制斷面為西大橋水文站斷面，2座山區水庫共同承擔流域防洪任務。

(4) 發電要求

南疆四地州電力系統對于有調峰能力的水電電源點需求較為迫切。

3 正常蓄水位選擇

3.1 按調節庫容分攤初步比較兩座水庫正常蓄水位

DSX和AK水庫分別位于AKS河支流KMLK河和TSG河上，確定兩庫正常蓄水位首先要分析滿足流域綜合利用要求所需調節庫容，其次結合水庫地形地質條件尋求2座水庫正常蓄水位上限要求，最后根據2座水庫庫容條件，進行庫容分攤，尋求投資最省、效益最優的兩庫正常蓄水位組合方案。

從2座水庫建設條件來看，DSX水庫受國界線控制條件制約，正常蓄水位上限不宜超過1 700.00 m；AK水庫受左岸古河槽地形條件制約，正常蓄水位上限不宜超過2 470.00 m。根據AKS河流域灌溉及供水要求，在保證向塔里木河干流生態供水目標的前提下，流域所需山區水庫灌溉調節庫容10.9億m3。從兩庫調節能力來看，按照淤積50 a考慮，DSX水庫受國境線限制，最大調節庫容7.1億m3，奧庫受地形條件限制，最大調節庫容6.7億m3，兩座水庫均無法單獨滿足流域灌溉調節要求，因此流域灌溉調節任務需由兩庫共同分攤。根據2座水庫庫容條件，首先考慮2種極端情況進行分攤，即奧庫按最大承擔、剩余由DSX水庫承擔，DSX水庫按最大承擔、剩余由奧庫承擔，然后內插中間方案，據此擬定6組方案開展水庫正常蓄水位比選工作，通過長系列徑流調節計算VB程序進行模擬計算，得到2座水庫灌溉調節庫容分攤動能經濟指標比較表1。

考慮到不同分攤方案均可兼顧發電，各方案計入發電指標按整體效益進行經濟比較。從整體趨勢看，DSX水庫分攤庫容越大，相應AK水庫分攤庫容越小，兩庫整體經濟指標越優，即適當抬高DSX水庫發電水頭可獲取較為優越的發電效益。因此，從兩庫庫容分攤分析，DSX水庫正常蓄水位1 700.00 m，調節庫容7.10億m3；相應AK水庫正常蓄水位2 457.50 m，調節庫容3.80億m3，經濟指標最優。

3.2 DSX水庫正常蓄水位比選

(1) 方案擬定

通過DSX與AK水庫灌溉庫容分攤計算，DSX水利樞紐工程承擔的灌溉調節庫容越大，經濟指標越好，推薦DSX水庫正常蓄水位1 700.00 m方案。在單獨比較DSX水庫正常蓄水位時，結合工程自身特點及工程任務，在兩庫分攤推薦最優正常蓄水位1 700.00 m基礎上，擬定了1 698.00、1 699.00、1 700.00和1 701.00 m 4個正常蓄水位方案，通過長系列徑流調節計算VB程序進行模擬計算，得到DSX水庫不同正常蓄水位方案動能經濟指標比較表2。

表2 DSX水庫不同正常蓄水位方案動能經濟指標比較表

(2) 正常蓄水位選擇

各正常蓄水位方案，隨著水位抬高，調節庫容增大，在滿足流域分攤給本工程的灌溉調節庫容要求后，剩余的庫容作為發電專用庫容，可用于增加電站容量效益。

(3) 正常蓄水位比選結果

1) 通過與AK水利樞紐聯合調度，各正常蓄水位方案均能滿足AKS河向塔里木河干流阿拉爾斷面多年平均下泄水量34.2億m3，4、5月下泄生態水量保證率不低于50%的要求。

2) 從滿足流域農業灌溉供水要求分析，DSX水庫所需灌溉調節庫容7.10億m3；正常蓄水位1 698.00～1 700.00 m，泥沙淤積50 a剩余調節庫容為6.92～7.33億m3，正常蓄水位1 700.00 m和1 701.00 m方案能夠滿足灌溉調節庫容要求。

3) 從動能指標分析，隨著正常蓄水位的抬高，電站發電水頭有所增大，動能指標呈增長趨勢，正常蓄水位1 701.00 m方案動能指標最大。

4) 從水庫淹沒及移民安置分析，DSX水庫工程點處于無人區，庫區淹沒不涉及耕地、居民點及專項設施等，淹沒對象主要為荒漠草場。各方案均不存在影響工程建設的制約因素。

5) 從地形地質條件分析，各方案均無制約因素。

6)從經濟指標來看，采用差額內部收益率進行比較，正常蓄水位1 701.00 m方案經濟指標最優。

7) 從國界線邊防管控要求分析，DSX水庫回水按照多年平均流量下距國界線 1 km 為控制條件，正常蓄水位1 700.00 m方案滿足要求。

綜合上述分析，通過技術經濟綜合比較，以邊防管控要求作為控制條件，推薦水庫正常蓄水位為1 700.00 m，正常蓄水位相應庫容11.48億m3(淤積 50 a剩余庫容7.6億m3)；調節庫容10.22億m3(淤積 50 a剩余調節庫容7.19億m3)。

3.3 AK水庫正常蓄水位選擇

(1) 方案擬定

通過DSX與AK水庫灌溉庫容分攤計算，AK水庫承擔的灌溉調節庫容越小，整體經濟指標較優，因此，以滿足流域灌溉調節分攤庫容3.80億m3，相應水庫水位2 457.50 m為正常蓄水位比選下限方案。結合水庫地形地質條件，受左岸古河槽地形條件制約，水庫水位2 470.00 m為上限方案，按2.5 m水位間隔擬定了6組正常蓄水位方案，通過長系列徑流調節計算VB程序進行模擬計算，得到AK水庫不同正常蓄水位方案動能經濟指標比較表3。

表3 AK水庫不同正常蓄水位方案動能經濟指標比較表

(2) 正常蓄水位選擇

各正常蓄水位方案，隨著正常蓄水位的抬高，調節庫容隨之增大，在滿足本流域灌溉調節庫容后，剩余的庫容作為發電專用庫容，可用于增加本電站的容量效益和補償下游梯級水電站的電力電量。

(3) 正常蓄水位比選結果

1) 通過與DSX水利樞紐聯合調度，各正常蓄水位方案均能滿足AKS河向塔里木河干流阿拉爾斷面多年平均下泄水量34.2億m3，4、5月下泄生態水量保證率不低于50%的要求。

2) 從滿足流域農業灌溉供水要求分析，所需灌溉調節庫容3.80億m3；正常蓄水位2 457.50～2 470.00 m，泥沙淤積50 a剩余調節庫容為3.80～6.47億m3，均能同等程度滿足下游灌溉供水所需調節庫容要求。

3) 從動能指標分析，隨著正常蓄水位的抬高，發電水頭增大，多年平均年發電量和下游梯級電站補償電量隨之增加，正常蓄水位2 470.00 m，電量最大，但正常蓄水位高于2 465.00 m方案后，電量增幅減小；從對下游梯級電站補償出力及電量分析，隨著正常蓄水位的抬高，補償電力電量隨之增大，正常蓄水位2 470.00 m方案補償電力電量最大。

4) 從水庫淹沒及移民安置分析，正常蓄水位越高，水庫淹沒投資越大，重要的淹沒實物指標主要沿河岸呈帶狀分布在低水位階地上。因此，隨各比選方案蓄水位提高淹沒實物數量遞增較緩，各正常蓄水位方案之間投資增幅為3%～4%。因此，從水庫淹沒及移民安置分析，正常蓄水位越低越好，正常蓄水位2 457.50 m方案較優。

5) 從地形地質條件分析，各方案均無制約因素。

6) 從各方案經濟指標來看，采用差額內部收益率進行比較，正常蓄水位2 465.00 m方案經濟指標最優。

綜合上述分析，通過技術經濟綜合比較，推薦AK水庫正常蓄水位為2 465.00 m，正常蓄水位相應庫容7.17億m3(淤積 50 a剩余庫容5.70億m3)；調節庫容6.77億m3(淤積 50 a剩余調節庫容5.38億m3)。

4 結 論

(1) 流域2座并聯水庫共同承擔下游生態、灌溉、防洪等綜合利用任務時，正常蓄水位的比較應先根據流域所需調節庫容要求，結合2座水庫庫容條件，進行水庫調節庫容分攤比較，初步確定2座水庫投資最省、效益最優調節庫容分攤方案。AKS河流域所需灌溉調節庫容10.9億m3，通過庫容分攤比較，DSX水庫承擔灌溉調節庫容7.1億m3，奧庫承擔灌溉調節庫容3.8億m3，為最優方案。

(2) 按水庫調節庫容分攤比較，確定的2座水庫各自需承擔的調節庫容和相應的水庫水位，為水庫開展正常蓄水位比較的基本方案。在此基礎上，結合每座水庫的地形地質條件、庫容特性、水庫淹沒及移民安置等條件，對水庫開展技術經濟綜合比較，最終推薦適宜每個工程的最優水位方案。經綜合比較，DSX水庫正常蓄水位1 700.00 m，調節庫容10.22億m3(泥沙淤積 50 a剩余調節庫容7.19億m3)；AK水庫正常蓄水位2 465.00 m，調節庫容6.77億m3(泥沙淤積 50 a剩余調節庫容5.38億m3)，2座水庫總調節庫容16.99億m3(泥沙淤積 50 a剩余調節庫容12.57億m3)為最優方案。

(3) AKS河流域DSX和AK水利樞紐工程建成后，通過聯合調度，可保證AKS河多年平均下泄塔里木河34.2億m3水量，以及4、5月按照阿拉爾斷面天然來水50%保證率下泄生態水量的要求，與下游4座平原水庫聯合調度，可解決AKS河流域灌區灌溉缺水的問題，使灌區灌溉保證率達到75%；與堤防聯合運用，可使TSG河和KMLK河兩岸的村莊和農田防洪標準由5年一遇提高到10年一遇，可使阿克蘇市防洪標準由30年一遇提高到50年一遇；并利用水庫下泄水量進行發電，向南疆四地州電網輸送22.04億kWh的電量。