注入式水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算方法探討
----以平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)北楊澗水庫為例

金彥兆，盧書超

(甘肅省水利科學(xué)研究院 蘭州 730000)

平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)北楊澗水庫列入全國抗旱應(yīng)急備用水源工程規(guī)劃，設(shè)計(jì)采用注入式年調(diào)節(jié)水庫，分為1號(hào)、2號(hào)庫區(qū)。注入式水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算不同于一般河床式水庫，其水庫來水過程同時(shí)受控于天然來水過程和引水管道的引水過程，計(jì)算過程的最大不同之處在于河床式水庫棄水發(fā)生在水庫蓄滿之后，而注入式水庫在河道來水流量超過引水管道引水能力之時(shí)以及水庫蓄滿之后均發(fā)生棄水，事實(shí)上，這兩部分棄水均未進(jìn)入水庫，而是通過引水樞紐泄沖閘直接下泄河道。因此，在確定水庫調(diào)度運(yùn)行規(guī)則的基礎(chǔ)上，按照“以需定供”的原則確定引水管道的引水能力，是進(jìn)行注入式水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算的最基本條件。

1 水庫工程基本情況

平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)北楊澗水庫位于涇河北岸一級(jí)支流北楊澗河。北楊澗河發(fā)源于崆峒區(qū)寨河鄉(xiāng)高寨村，屬典型的黃土高原丘陵溝壑第二副區(qū)，水土流失極為嚴(yán)重。為盡量避免泥沙淤積對北楊澗水庫安全運(yùn)行帶來的一系列問題，最大限度合理利用有限水資源，提高供水保證率，規(guī)劃北楊澗水庫采用注入式年調(diào)節(jié)水庫，其水庫工程系統(tǒng)主要由引水樞紐、沉沙池、引水管道和水庫工程等組成。

北楊澗水庫取水樞紐以上控制流域面積237 km2。引水樞紐位于北楊澗河口上游3.0 km處，由進(jìn)水閘、泄沖閘和溢流壩組成。沉沙池位于引水樞紐下游30 m處的右岸臺(tái)地上，有效容積7 375 m3。引水管道自沉沙池開始跨過主河道后，沿河道左岸階地布置，總長3.493 km。水庫工程包括1號(hào)、2號(hào)2座注入式水庫，布置在入河口以下的涇河左岸灘涂地上。

2 水庫引水樞紐斷面可引用水量計(jì)算

2.1 引水樞紐斷面徑流量

北楊澗河流域內(nèi)無水文測站，但在相鄰流域大路河上設(shè)有窯峰頭水文站，控制流域面積219 km2。北楊澗河與大路河同屬?zèng)芎右患?jí)支流，分析認(rèn)為具有相近的氣象因素及下墊面條件。因此，利用窯峰頭水文站水文資料，采用鄰近流域水文比擬法，計(jì)算得到北楊澗水庫引水樞紐斷面多年平均徑流量為813.89萬m3。

2.2 不同頻率徑流年內(nèi)分配

如前所述，北楊澗河與大路河具有相近的氣象因素及下墊面條件，采用大路河窯峰頭水文站作為參證站計(jì)算確定水庫引水樞紐斷面年內(nèi)徑流分配過程。經(jīng)對窯峰頭水文站系列資料進(jìn)行頻率分析，選用窯峰頭站典型年年內(nèi)徑流逐月分配比例，計(jì)算確定北楊澗水庫引水樞紐斷面不同頻率年內(nèi)逐月徑流分配過程。具體計(jì)算結(jié)果見表2。

2.3 引水樞紐斷面以上用水量及下泄生態(tài)流量

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，北方河流生態(tài)基流原則上不小于多年平均流量的10%，枯水時(shí)段不小于同期流量均值的20%?？紤]本工程區(qū)域特點(diǎn)，非汛期11-翌年4月下泄生態(tài)用水量按同期平均徑流量的20%確定，5-10月按同期平均徑流量的10%確定。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 北楊澗水庫引水樞紐斷面不同頻率徑流計(jì)算成果表

表2 北楊澗水庫引水樞紐斷面徑流年內(nèi)分配過程計(jì)算結(jié)果表 萬m3

表3 北楊澗水庫引水樞紐斷面下泄生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果表 萬m3

另外，水庫引水樞紐斷面以上僅分布有零星村落，人口稀少，生活用水量相對較小，除此之外，無灌溉及廠礦企業(yè)用水，具體分析時(shí)農(nóng)村人口生活用水量忽略不計(jì)。

2.4 引水樞紐斷面可引用水量

在前述50%、75%、90%和95%頻率徑流量基礎(chǔ)上，扣除斷面上游用水量、生態(tài)下泄流量的剩余水量，即為水庫引水樞紐斷面可引用水量。經(jīng)計(jì)算，50%、75%、90%和95%頻率下引水樞紐斷面可引用水量分別為663.41、469.19、342.71和286.33萬m3。

3 規(guī)劃水庫供水對象及供水過程

3.1 農(nóng)村生活用水

水庫工程規(guī)劃年供水人口16 877人，農(nóng)村生活用水定額按60 L/(人·d)計(jì)算，設(shè)計(jì)供水保證率95%。其中大小牲畜用水依靠原有供水系統(tǒng)解決，不計(jì)入本水庫工程供水范圍內(nèi)。農(nóng)村生活用水過程計(jì)算結(jié)果見表4。

3.2 農(nóng)業(yè)灌溉用水

本水庫工程規(guī)劃對區(qū)域內(nèi)492 hm2耕地實(shí)施高效節(jié)水灌溉，綜合毛灌溉定額4 525.33 m3/hm2。其中溫室蔬菜占12%，采用滴灌系統(tǒng)灌溉，設(shè)計(jì)灌溉保證率90%；大田小麥、玉米、胡麻、蔬菜、經(jīng)濟(jì)林等占88%，采用管道輸水系統(tǒng)灌溉，設(shè)計(jì)灌溉保證率75%。依據(jù)規(guī)劃確定的各種作物灌溉制度分時(shí)段進(jìn)行灌溉需水計(jì)算。農(nóng)村灌溉用水過程計(jì)算結(jié)果見表4。

3.3 其他用水及管網(wǎng)漏失量

農(nóng)村建筑及其他用水按農(nóng)村生活用水的10%估算，管網(wǎng)漏失按農(nóng)村生活與農(nóng)村建筑用水的10%估算，水廠自用水量按平均日供水量的5%計(jì)算。具體計(jì)算結(jié)果見表4。

3.4 水庫蒸發(fā)損失

水庫蒸發(fā)損失為水庫建成后的水庫水面蒸發(fā)損失，其值等于水面蒸發(fā)強(qiáng)度乘以該月水庫水面的平均面積。北楊澗水庫水面蒸發(fā)強(qiáng)度見表5。

表4 北楊澗水庫規(guī)劃用水對象用水量計(jì)算結(jié)果表 萬m3

表5 北楊澗水庫水面蒸發(fā)強(qiáng)度分析結(jié)果表 萬m3

3.5 水庫滲漏損失

規(guī)劃北楊澗水庫為注入式水庫，壩址地質(zhì)條件良好，無永久滲漏通道，且規(guī)劃對庫底、壩體均進(jìn)行防滲處理，滲漏損失相對較小。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定北楊澗水庫滲漏損失按水庫月平均蓄水量的0.1%計(jì)算。

4 引水流量確定

注入式水庫引水流量按照“以需定供”的原則確定，即引水量等于規(guī)劃工程總供水量與水庫蒸發(fā)、滲漏損失之和。其引水流量應(yīng)按式(1)計(jì)算確定：

W引=W引1+W引2

(1)

其中：

(2)

W引2=10Q·tiQi≥Q

(3)

式中：W引為設(shè)計(jì)引水量，系非農(nóng)業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及水庫蒸發(fā)滲漏損失之和，萬m3；W引1為典型年月平均可引水流量小于引水流量時(shí)的總引水量，萬m3；W引2為典型年月平均可引水流量大于引水流量時(shí)的總引水量，萬m3；Qi為典型年第i月可引水流量，m3/s；Q為引水管道設(shè)計(jì)引水流量，m3/s；ti為第i月設(shè)計(jì)引水時(shí)間，s。

5 水庫特征曲線確定

水庫特征曲線包括水庫面積曲線和水庫容積曲線。本水庫設(shè)計(jì)采用注入式水庫，建設(shè)在北楊澗河入河口下游的涇河左岸灘涂地上，包括1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)庫區(qū)。水庫采用半挖半填形式，經(jīng)人工修整后總體呈梯形結(jié)構(gòu)。為在庫容調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)方便計(jì)算水面蒸發(fā)量，繪制水庫面積----容積曲線。經(jīng)回歸分析，1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)庫區(qū)的水庫面積----容積曲線均可近似地用數(shù)學(xué)方程(4)表示：

S=4.8+0.051V

(4)

式中：S為水庫水面面積，萬m2；V為相應(yīng)水面下的水庫蓄水量，萬m3。

6 興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算

6.1 水庫任務(wù)及供水保證率

規(guī)劃水庫主要承擔(dān)農(nóng)村生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)，其供水保證率分3種情形，其中農(nóng)村生活供水保證率95%，農(nóng)業(yè)滴灌工程灌溉保證率90%，農(nóng)業(yè)管道灌溉工程灌溉保證率75%。因此，應(yīng)分3種情形，分別進(jìn)行水庫興利庫容的調(diào)節(jié)計(jì)算。

6.2 調(diào)度運(yùn)行規(guī)則

(1)堅(jiān)持“以供定需”的原則，最大引水量按水庫供水對象的需水要求計(jì)算確定。

(2)規(guī)劃1號(hào)、2號(hào)水庫均為年調(diào)節(jié)水庫，并按最合理水文年進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

(3)根據(jù)水庫蓄水情況，清淤檢修期安排在每年的6、7、8月輪流進(jìn)行。

(4)調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，非檢修期按1號(hào)、2號(hào)水庫同時(shí)均勻蓄水計(jì)算。

6.3 水量保障供給規(guī)則

在75%來水頻率情況下，所有供水對象應(yīng)全部滿足供水；90%來水頻率情況下，應(yīng)首先保證農(nóng)村生活和滴灌工程供水，其余可供水量用于管道灌溉工程；95%來水頻率情況下，除滿足農(nóng)村生活用水外，其余可供水量依次供給滴灌、管灌工程。

6.4 調(diào)節(jié)計(jì)算

6.4.1一次調(diào)節(jié)計(jì)算

1)在75%來水頻率下，月最大引水量29.21萬m3時(shí)(折合最大月平均引水流量0.11 m3/s)，所有用水都能得到滿足，水庫興利庫容52.99萬m3，1座水庫即可滿足調(diào)蓄要求，年總供水量275.09萬m3，其中非農(nóng)業(yè)46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發(fā)5.19萬m3，滲漏0.27萬m3。

(2)在90%來水頻率下，月最大引水量43.95萬m3時(shí)(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，所有用水都能得到滿足，水庫興利庫容93.19萬m3，年總供水量280.66萬m3，其中非農(nóng)業(yè)46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發(fā)10.46萬m3，滲漏0.58萬m3。

(3)在95%來水頻率下，月最大引水量117.33萬m3時(shí)(折合最大月平均引水流量0.45m3/s)，所有用水都能得到滿足，但水庫興利庫容138.40萬m3，年總供水量283.24萬m3，其中非農(nóng)業(yè)46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌203.56萬m3，蒸發(fā)12.36萬m3，滲漏1.26萬m3。

由此可見，在引水流量、水庫庫容都沒有限制的前提下，75%、90%、95%頻率年的來水均可滿足規(guī)劃供水要求，但在95%來水頻率下，所需引水流量、水庫庫容均較大，不符合經(jīng)濟(jì)利用的原則。因此，在此來水頻率下，必須限制低保證率供水，以便減小引水流量和水庫庫容，降低投資。

6.4.2二次調(diào)節(jié)計(jì)算

95%來水頻率情況下，限制低保證率管灌工程供水，按滿足65%供水要求考慮，月最大引水量43.95萬m3時(shí)(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，可按計(jì)劃供水，水庫興利庫容88.53萬m3，年總供水量209.85萬m3，其中非農(nóng)業(yè)46.97萬m3，滴灌18.99萬m3，管灌132.66萬m3，蒸發(fā)10.57萬m3，滲漏0.68萬m3。

北楊澗水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果見表6～表9。

表6 北楊澗水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算表(一次調(diào)節(jié)計(jì)算，P=75%) 萬m3

表7 北楊澗水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算表(一次調(diào)節(jié)計(jì)算，P=90%) 萬m3

表8 北楊澗水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算表(一次調(diào)節(jié)計(jì)算，P=95%) 萬m3

表9 北楊澗水庫興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算表(二次調(diào)節(jié)計(jì)算，P=95%) 萬m3

6.5 興利庫容確定

在前述一次調(diào)節(jié)計(jì)算75% 、90%來水頻率以及二次調(diào)節(jié)計(jì)算95%來水頻率計(jì)算結(jié)果中，按照“保守挑大法”原則，確定北楊澗水庫興利庫容為93.19萬m3。此時(shí)，在75%、90%來水頻率情況下，可保證所有規(guī)劃供水對象的用水需求，在95%來水頻率情況下，除保證非生產(chǎn)用水、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室滴灌用水外，只能保證管灌工程65%的用水需求。

7 結(jié) 語

興利庫容是水庫工程總體規(guī)模的重要組成部分。探討注入式水庫工程興利庫容調(diào)節(jié)計(jì)算方法，科學(xué)合理地確定興利庫容，不僅是確定水庫工程規(guī)模的重要依據(jù)，而且對進(jìn)一步完善水庫工程規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與方法具有重要參考作用和借鑒意義。

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