提升鵲山水庫供水能力的可行性分析

李國青，付延東，朱曉燕

（濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250014）

2021 年4 月，濟南新舊動能轉換起步區批準設立。為保障區域的發展，規劃建設大橋水廠（在建），供水規模20 萬m3/d，以鵲山水庫為水源。鵲山水庫位于濟南市天橋區黃河北岸北展區最末端，是一座引蓄黃河來水，以城市供水為主的中型水庫[1]。水庫占地面積1 000 余公頃，設計庫容4 600 萬m3，死庫容670 萬m3，最高蓄水位30.4 m，最低運行水位23.7 m，設計日供水能力44 萬m3/d。水庫圍壩全長11.63 km，最大壩高9.6 m。水庫樞紐工程主要由沉沙池、圍壩、1 號、2 號及3 號泵站等組成。鵲山水庫作為濟南市區重要城市飲用水水源地，承擔著近40%的城市供水任務，供水范圍為老城區、東部城區，現狀運行規模已達到設計規模44 萬m3/d，現狀無多余能力為起步區供水。本文旨在現狀水庫規模的基礎上，論證提升水庫供水能力的可行性，為區域供水布局的發展提供思路與建議。

現狀水庫由于水庫圍壩存在滲漏問題，已鑒定為三類壩，為保證水庫運行安全，正在實施鵲山水庫除險加固工程，實施內容為水庫圍壩截滲，恢復水庫運行水位；通過新建1 號泵站，解決現狀1 號泵站在黃河低水位時無法取水問題等，為水庫供水能力提升奠定了良好的工程基礎。

1 提升供水能力可行性分析

1.1 來水量分析

1.1.1 大王廟引黃閘

大王廟引黃閘建于1995 年，位于黃河左岸天橋區大橋鎮大王廟村附近，相應大堤樁號為131+680，設計防洪水位37.61 m，設計閘底高程23.61 m（黃海標高），設計流量15 m3/d，設計灌溉面積2 萬hm2，主要擔負著濟南市城區居民生活用水和大橋鎮、桑梓鎮的農業灌溉用水任務，實際灌溉面積0.39 萬hm2。

1.1.2 可引水天數計算

1）引水控制條件。根據黃河管理部門要求、工程運行安全及工程運行經濟，引水控制條件如下：

a）含沙量控制。為減輕沉沙池清淤負擔，延長使用時間，減輕提水泵機磨損，黃河日均含沙量大于30 kg/m3時不引水[2]。

b）流量控制。《黃河水量調度條例》及水利部水資源〔2007〕469 號文頒布的《黃河水量調度條例實施細則（試行）》規定，濼口水文站預警流量為80 m3/s。因此，為保證一定的入海水量，濼口站流量小于80 m3/s 時不引水；為保證黃河大壩安全，黃河流量大于5 000 m3/s 時不引水。

c）冰凌期控制。12 月末～2 月減少引水天數，可引水天數超過10 d 的月份，減引10 d。

d）參考相似灌區的灌溉制度，確定大王廟灌區的主要灌溉日期。根據濟南市水利志灌區設計流量5～6 m3/s，灌溉期鵲山水庫1 號泵站引水流量為9 m3/s，具體內容見表1。

表1 灌溉期及灌溉流量

2）可引水天數分析。小浪底工程建成后，下游總的徑流量不會明顯變化，但下泄流量趨于均勻，由于小浪底水庫調水調沙作用明顯，加上黃河水資源統一調度管理的加強，使得黃河下游近幾年沒有發生斷流[3]。小浪底水庫調水調沙自2002 年開始，至2004 年為試驗期，2005 年以后黃河調水調沙進入生產運行期。2005 年以來，黃河進入來水科學調度期，隨著小浪底水庫蓄水量的增加，黃河下游枯水期水量保證率越來越高。根據引水控制條件、大王廟灌區灌溉制度，對2002 年以后的可引水天數進行頻率分析，得出各保證率的可引水天數。詳見表2。

表2 大王廟引黃閘可引水天數 d

3）典型年選取。選擇調水調沙后對工程最不利的年份做典型年，根據表2，2003 年可引水天數最少，對工程最不利，故選擇其為典型年。按照典型年的可引水天數，計算出95%保證率的引水過程。

現狀1 號取水泵站在每年5 月進行大修，大修期間不引水。但考慮到除險加固工程中新建1號泵站，原泵站作為備用，因此5 月大修期間可利用原泵站進行引水，水庫調算中按照可引水天數286 d 進行分析。

扣除大王廟灌區灌溉用水，鵲山水庫P=95%的可引水天數為286 d，1 號泵站年可引水量為33 747.84 萬m3。

1.2 水庫調節計算

1）供水用戶。根據《濟南市供排（污）水專項規劃及三年建設規劃》（2019.12），鵲山水庫規劃供水范圍為老城區、東部城區和起步區，供水對象為鵲華水廠、東聯供水、清正水廠和大橋水廠（在建），設計供水保證率95%。

2）徑流調節原理。根據水量平衡原理，調節計算公式為：

式中：ΔW 為水庫蓄變水量，萬m3；W入為入庫水量，萬m3；W供為水庫供水量，萬m3；W蒸為水庫水面蒸發損失量，萬m3；W滲為水庫滲漏量，萬m3。

3）水位—庫容—面積關系。根據《濟南市引黃供水鵲山調蓄水庫工程初步設計報告》鵲山水庫水位—面積—庫容關系見表3，水庫死庫容670 萬m3，死水位22.40 m，設計庫容4 600 m3，設計水位30.40 m。

4）蒸發損失水量。水庫水面蒸發損失量等于水庫水面蒸發損失乘以水庫月平均水面面積，水庫水面蒸發損失等于水庫水面蒸發深減去降雨量。水面蒸發量原始數據采用山東省氣象信息中心（1985—2013 年），采用日大型蒸發量值和日小型蒸發量值結合確定。降雨量采用采用山東省氣象信息中心（1985—2014 年）觀測值。

表3 鵲山水庫水位—面積—庫容關系表

5）水庫滲漏損失水量。滲漏損失包括壩體、壩基、庫底以及穿壩建筑物滲漏等。根據庫區地質條件及采取的工程措施，參考已建同類水庫運行經驗，滲漏損失采用月平均庫容的1%計算。

根據黃河水的來水過程，確定以1 月份為起調月份，從總庫容起調到總庫容結束，不允許出現低于死庫容以及棄水的月份。根據水庫蒸發、滲漏損失以及保證率P=95%的典型年黃河可引水天數等資料，按水量平衡，進行調節計算。

根據水庫興利調節結果可知，鵲山水庫的增容提效為：保證率P=95%的年引黃河水量為30 312.92 萬m3，出庫供水量為29 252.93 萬m3，供水規模80 萬m3/d。

表4 水庫調節計算過程

2 工程布置

2.1 取水工程

取水工程包括大王廟引黃閘和1 號泵站，因黃河調水調沙導致河床下切，水位下降，導致引黃閘引水困難，建議對引黃閘進行改造，降低閘底板高程。

2.2 沉沙及提水工程

隨著水庫供水能力的提升，引水量增加，沉沙量驟增，應對現狀沉沙池進行徹底清淤，運走現狀堆積泥沙，恢復沉沙池沉沙能力；其次建議擴大沉沙池規模，延長沉沙路徑，增加沉沙能力；制訂沉沙池日常清淤制度，增加清淤能力。 沉沙池至2 號泵站輸水箱涵長1 176.5 m，為1 根2.8 m×2.8 m 鋼筋混凝土箱涵，設計輸水能力9.1～12.1 m3/s。2 號泵站為入庫泵站，提水流量9.1～12.1 m3/s，設計裝機總量1 250 kW。根據調節計算表，水庫供水能力提升后，設計入庫流量為12.46～14.35 m3/s，復核沉沙池的調蓄能力，現狀輸水箱涵輸水能力和入庫泵站提水流量能夠滿足增容后的提水要求，因此可維持原輸水工程及入庫泵站提水工程。

2.3 3 號泵站改造提升工程

現狀3 號泵站為出庫泵站，其設計供水量為44 萬m3/d，總裝機容量4 110 kW。據調節計算表，水庫供水能力提升后，出庫水量達80.1 萬m3/d，應改造出庫泵站或東聯供水管線，增加其供水規模。

3 結 語

1）鵲山水庫供水能力提升在技術上是可行的：在不改變水庫庫容的前提下，僅改造取水工程、沉沙及提升工程與出庫供水工程，能夠實現水庫供水能力達到80 萬m3/d。

2）鵲山水庫供水能力提升在經濟上是合理的，相當于節省了36 萬m3/d 供水能力的水源工程，可節約大量資金和土地資源，且施工期短，見效快，具有較大的經濟效益和社會效益。