重慶市銅車壩水庫樞紐引水隧洞規模合理性分析

王海元 羅琳

摘要：銅車壩水庫工程是補齊重慶市潼南區南部復興河流域水利建設短板的民生工程，可在滿足水庫下游供水灌溉要求的同時彌補主庫自身來水量的不足，在工程設計中通過設置引水隧洞引水以增加主庫調蓄水量。通過切割洪水過程和徑流過程兩種方案分析，并結合比較了隧洞布置的經濟性與技術性，參考重慶市其他同類型工程的引水率確定了引水隧洞設計引水流量。結果表明：通過引水較好地解決了銅車壩水庫主庫自身來水量不足的問題，采用切割洪水過程的引水方案合理。

關鍵詞：引水隧洞;設計引水流量;切割洪水過程;切割徑流過程;銅車壩水庫工程;重慶市

中圖法分類號：TV67 文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.010

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0052 - 05

0 引 言

在水庫工程設計中，受地形地質、移民淹沒等多種因素限制，選定的壩址常常面臨來水量不足、不能滿足受水區供水灌溉要求的問題，而通過設置引水隧洞（或渠道）從鄰近河流引水增加壩址來水量是解決這一問題的較好途徑。與此同時，合理確定引水規模也成為水庫工程設計必須要解決的問題。經調查，在重慶市的實際工程應用中多采用切割洪水過程或切割徑流過程的方法，結合技術經濟比較確定引水隧洞（或渠道）的設計引水流量，如酉陽板溪水庫主要采用切割洪水過程確定隧洞設計引水流量，涪陵雙江水庫主要采用切割月徑流過程確定隧洞設計引水流量，萬州青龍水庫主要采用切割日徑流過程確定隧洞設計引水流量等。本文分析對象銅車壩水庫亦屬于此類典型工程，因此主要采用切割洪水過程和切割日徑流過程兩種方法對其引水規模進行分析。

1 銅車壩水庫工程概況

重慶市潼南區降雨年內、年際分配極不均勻，南部片區復興河流域由于地形地貌復雜，水利基礎設施薄弱，資源性與工程性缺水并存，枯水期復興河沿岸各鄉鎮生產生活用水嚴重不足。現有水資源保障體系與區域社會經濟發展不相適應，導致水資源供需矛盾日益加劇，亟需興建一個可靠穩定的水源工程，為潼南區推動成渝地區雙城經濟圈建設以及“一區兩群”協調發展提供可靠的水資源保障。

銅車壩水庫作為重慶市擬建的重點水源工程之一，可為復興河流域內的臥佛鎮、小渡鎮和塘壩鎮提供可靠的水源安全保障。該水庫位于復興河流域上游區域，地處重慶市潼南區臥佛鎮境內，是一座以場鎮供水、農業灌溉為主，兼顧農村人畜飲水提檔升級等綜合利用的中型水利工程，總庫容1 137萬m3，工程建成后，可解決4.72萬人口供水以及復興河沿岸1 426.7 hm2（2.14萬畝）耕地的灌溉用水問題。水庫樞紐工程主要由大壩和引水工程組成[1]，其中，引水工程由引水壩和引水隧洞組成。銅車壩壩址位于重慶市潼南區臥佛鎮下游復興河支流回龍溪河口村雙河口處，壩址以上集雨面積為19.5 km2，多年平均徑流量663萬m3;引水壩壩址位于臥佛鎮復興河上游玉蕉村鑼鑼壩處，壩址以上集雨面積為36.73 km2，多年平均徑流量1 262萬m3;引水隧洞由進水塔段、無壓隧洞段、箱涵段和出口明渠段組成，總長1.66 km。銅車壩水庫樞紐總體布局見圖1。

2 引水原因分析

銅車壩水庫供水區主要覆蓋潼南區臥佛、小渡兩個場鎮以及復興河中下游沿河兩岸的耕地，因此選擇在流域上游新建水庫工程實現自流供水是較為理想的水源方案。但復興河流域上游主要為深丘地貌，沿復興河干流兩岸多為河谷平壩或槽壩階地，多個村落依河而立，人口、耕地分布較為集中;同時，G246國道沿復興河左岸由南向北穿境而過，若選擇在復興河干流建庫統一解決供水區缺水問題，將導致水庫規模較大，淹沒范圍較廣，還涉及淹沒G246國道，需協調的部門多、難度大、周期長，帶來的投資相應較大。考慮到復興河右岸有一較大支流回龍溪也具備建庫條件，為降低移民投資及避免淹沒G246國道，根據“高水高供、低水低供”的原則，考慮在回龍溪上新建中型水庫解決小渡場鎮及下游灌區的用水，而臥佛場鎮及中游部分灌溉面積的用水則通過在復興河干流新建一座低壩解決。

從供水區的需水情況來看，需水主要集中在下游的小渡場鎮及大部分灌區，占比高達86%，僅依靠回龍溪自身來水顯然無法滿足這部分供區需水。由于復興河干流來水豐富，在滿足河道生態用水及臥佛場鎮、中游灌溉面積供水的情況下尚有多余水量（或棄水量），而回龍溪和復興河距離較近，因此考慮通過新建一處引水隧洞，將多余水量引入主庫進行囤蓄，以此解決主庫自身來水量不足的問題。但是主庫具體能“借”多少水量，一方面取決于復興河干流棄水量的多少，另一方面也受引水隧洞過流能力的制約，需綜合分析確定。如何合理確定引水隧洞的規模是銅車壩水庫工程設計的重、難點問題。

3 引水調度運行方式

考慮到引水壩來水的豐枯差異，為了在洪水期盡可能利用引水壩庫容調蓄洪水，保證大壩引水量，結合引水隧洞進口布置，采取有閘控制的引水調度運行方式，具體如下。

（1）在枯水期，閘門一般處于關閉狀態，當引水壩水位低于260.7 m時（引水壩滿足下游河道生態用水和供水的興利調節水位），引水壩對自身進行充蓄，其上游來水優先保障下游生態用水和供水灌溉要求;當引水壩水位超過260.7 m，多余水量通過閘墩邊墻260.7 m處預留的旁通管引入至主庫，再向復興河下游小渡場鎮和灌區供水。

（2）在汛期，結合水庫洪水預報，提前開啟引水隧洞進口閘門以預留調節庫容調蓄洪水，汛末關閉閘門以優先保障引水壩蓄水，滿足其下游生態用水和供水灌溉要求[2]。

4 引水隧洞規模確定

引水壩棄水多發生在汛期，洪水所占比例較大，由于洪水發生時間短，洪峰流量大，故主庫引水量并非是無限制的[3]。為合理分析主庫引水量，本次計算通過切割洪水過程和切割日徑流過程兩種方案，對比分析后確定引水隧洞設計引水流量，在此基礎上再計算主庫引水量。

4.1 切割洪水過程方案

4.1.1 月徑流量與引水率關系

由于引水壩工程壩址處缺乏實測洪水資料，為此收集了工程鄰近大足氣象站歷年的逐時暴雨過程，通過降雨排頻選擇了P=5%，25%，50%，75%和95%這5個典型年的歷次逐時暴雨過程，并采用瞬時單位線法推求得到引水壩5個典型年共10場洪水過程。

根據引水壩壩址處典型年的洪水過程，擬定5個不同的隧洞引水流量（分別為3，4，5，6，7 m3/s）對其進行切割，洪水過程線引水流量以上部分即為棄水量。經切割后得到5個典型年各場洪水棄水量，用當月來水量扣除月棄水量即為可引水量，各月可引水量除以當月來水量即為該引水流量下的月引水率，具體計算公式如下：

y = （W來-W棄） / W來×100%

式中：y 為不同引水流量下的月引水率，%;W來為典型年洪水發生月份的徑流量，萬m3;W棄為典型年洪水發生月份切割后的棄水量，萬m3。

按以上方法對典型年的洪水過程進行切割，得到5個不同隧洞引水流量下的典型年各月引水率。由于各月徑流量與洪水發生的頻次和量級有關，一般情況下，洪水發生頻次越多、峰值越大，徑流也越大，故建立不同引水流量下月徑流量與引水率之間的關系。經擬合，發現兩者呈二次拋物線關系（圖2～6），即在固定引水流量下，引水率伴隨月徑流量的增多而增大，之后隨著月徑流量不斷增多，棄水也隨之增加，引水率反而又減小。不同引水流量下月徑流量與引水率之間的關系式如下。

引水流量為3 m3/s：

y = -0.000 4x2+0.259 7x +22.936

引水流量為4 m3/s：

y = -0.000 4x2+0.247 8x +26.512

引水流量為5 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.236 5x +29.882

引水流量為6 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.225 8x +33.051

引水流量為7 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.215 4x +36.088

式中：y 為典型年洪水發生月份各月引水率，%;x 為典型年洪水發生月份各月徑流量，萬m3。

從圖2～6可以看出，當月徑流量接近時，引水率也可能差別很大，主要原因是受洪水過程影響。為進一步分析洪水過程對引水率的影響，本文選擇了3組數值較為接近的月徑流組合，通過分析相應月份洪水發生的頻次、洪水歷時及最大洪峰流量可知（表1）：當月徑流量接近時，洪水發生的頻次越高，總歷時越長，洪峰流量量級越小，此時洪水過程趨向于矮胖型，切割的洪量較小，引水率更大，反之洪水過程趨向于尖瘦型，可切割的洪量較大，引水率更小。此外，當出現月徑流量較小的枯水月份時，其徑流量可能由某一場洪水貢獻，導致其引水率相對一般月份反而更小。

4.1.2 引水流量與多年平均引水率關系

由于引水壩調節庫容較小，其調蓄能力對天然洪水過程線的峰型洪量影響較小，故直接將引水壩天然月徑流量-引水率關系推廣至引水壩整個長系列4～10月的棄水過程，即可計算得到引水隧洞在不同引水流量下的汛期逐月引水率及引水量。枯水期11月至次年3月，由于引水壩在徑流調節計算時已優先考慮了下游生態用水，棄水量較少，故為了保障下游用水要求，直接按照“棄多少引多少”的原則，計算長系列枯水期逐月引水量。

按以上方法即可計算得到不同引水流量下引水隧洞的多年平均可引用水量及引水率，計算成果見表2，并對引水流量和多年平均引水率的關系進行擬合，見圖7。

4.1.3 引水隧洞設計引水流量確定

從表2和圖7可以看出，當引水流量逐步增大時，引水率也相應增加。當引水流量小于5 m3/s時，引水隧洞可引水量增加明顯，而當引水流量大于5 m3/s時，可引水量增加幅度有限。結合水工專業布置，引水隧洞采用無壓隧洞方案，進口設閘門控制，當引水流量進一步增大時，引水隧洞進口底板高程隨之降低，斷面尺寸也隨之增大，相應的工程投資和單方引水量投資也隨之增加，在引水量增加不大的情況下明顯不經濟。引水隧洞規模的技術性和經濟性比較成果詳見表3。

綜上所述，按照切割洪水過程方案，引水隧洞設計引水流量取5 m3/s，相應的隧洞多年平均可引水量為632萬m3，相應引水率為62.4%。

4.2 切割徑流過程方案

本方案選取引水壩壩址P=5%，25%，50%，75%，95%這5個典型年的逐日徑流過程，首先在考慮下泄河道生態流量的前提下，根據引水壩下游供水、灌溉需求進行徑流調節，得到引水壩的逐日棄水過程，再采用不同的隧洞引水流量對其進行切割。經切割后得到各典型年在不同引水流量下的引水量，并求得平均引水率（5個典型年平均可引用水量/5個典型年平均來水量），計算結果見表4。

根據表4可以看出，當引水流量達到1.5 m3/s時，引水率為83.8%;而當引水流量達到5.0 m3/s時，引水率已高達到99.1%，幾乎可以將引水壩棄水量全部引入至銅車壩水庫主庫。

4.3 成果合理性分析

通過分析兩種引水計算方案，在相同引水流量情況下，采用切割洪水過程方案的引水率相對較小，考慮到切割徑流過程采用的日均流量是日內瞬時流量均化后的成果，在一定程度上弱化了瞬時流量的大小對隧洞過流能力的影響，出于保守角度考慮，推薦采用切割洪水過程計算的引水方案，確定引水隧洞設計引水流量為5.0 m3/s，長系列引水率為62.4%，多年平均引水量為632萬m3。

將本次計算的引水率與鄰近其他引水工程進行對比，各引水工程引水率普遍在60%～80%。重慶市其他水庫工程引水率統計見表5，從表中可以看出：除個別水庫外，一般來說，采用先供水再引水調度方式的引水率低于直接引水的引水率，采用切割洪水過程方法計算得到的引水率低于采用切割徑流過程方法計算得到的引水率，故認為本次選用5.0 m3/s 引水流量對應的引水率62.4%相對合理。

5 結 論

本文以重慶市潼南區銅車壩水庫工程為分析對象，論證了其引水隧洞規模確定的合理性。結果如下。

（1）通過引水較好地解決了銅車壩水庫主庫自身來水量不足的問題，前提是根據擬定的引水調度運行方式，優先解決引水壩壩址下游“三生”用水，再通過引水隧洞將多余水量（即引水壩的棄水量）引入主庫進行囤蓄。

（2）采用切割洪水過程方案充分考慮了汛期瞬時洪水流量的大小對隧洞過流能力的影響，更加符合山地丘陵區引調水工程的一般引水規律，成果更為合理，分析過程中所采用的方法和思路可為類似水庫引水工程的規模論證提供借鑒。

參考文獻：

[1] 長江勘測規劃設計研究有限責任公司. 重慶市潼南區銅車壩水庫工程可行性研究報告[R]. 武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2018.

[2] 黃會勇，張娜，萬蕙，等.? 引江補漢工程引江規模初步分析[J].? 人民長江，2018，49（18）：15-19.

[3] 李長春. 甘肅引洮供水二期工程流量規模計算方法研究[J]. 人民黃河，2017，39（2）：90-93.

（編輯：江 文）

Rationality analysis of water diversion tunnel scale of

Tongcheba reservoir project in Chongqing City

WANG Haiyuan， LUO Lin

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： Tongcheba reservoir project is a livelihood project to improve the water conservancy construction in the Fuxing River Basin in the south of Tongnan District， Chongqing City. In order to meet the requirements of water supply and irrigation in the downstream area of the reservoir and make up for the shortage of water from the main reservoir， a water diversion project was built to divert water to increase the storage water of the main reservoir. Through the analysis of flood process and runoff process separation schemes， combining with the comparison of tunnel layout from aspects of technology and economics， and referring to the diversion rate of other similar projects in Chongqing City， the design diversion flow of water diversion project was determined. The results show that the problem of insufficient water of the main reservoir of Tongcheba reservoir can be solved by water diversion project， and the flood process separation scheme of water diversion is reasonable.

Key words： water diversion tunnel; design diversion flow; flood process separation; runoff process separation; Tongcheba reservoir project;Chongqing City