重慶市銅車壩水庫樞紐引水隧洞規(guī)模合理性分析

王海元 羅琳

摘要：銅車壩水庫工程是補(bǔ)齊重慶市潼南區(qū)南部復(fù)興河流域水利建設(shè)短板的民生工程，可在滿足水庫下游供水灌溉要求的同時(shí)彌補(bǔ)主庫自身來水量的不足，在工程設(shè)計(jì)中通過設(shè)置引水隧洞引水以增加主庫調(diào)蓄水量。通過切割洪水過程和徑流過程兩種方案分析，并結(jié)合比較了隧洞布置的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)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(shè)計(jì)引水流量。結(jié)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(guān)鍵詞：引水隧洞;設(shè)計(jì)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(hào)：TV67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）10 - 0052 - 05

0 引 言

在水庫工程設(shè)計(jì)中，受地形地質(zhì)、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(qū)供水灌溉要求的問題，而通過設(shè)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(shí)，合理確定引水規(guī)模也成為水庫工程設(shè)計(jì)必須要解決的問題。經(jīng)調(diào)查，在重慶市的實(shí)際工程應(yīng)用中多采用切割洪水過程或切割徑流過程的方法，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定引水隧洞（或渠道）的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)引水流量等。本文分析對(duì)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(duì)其引水規(guī)模進(jìn)行分析。

1 銅車壩水庫工程概況

重慶市潼南區(qū)降雨年內(nèi)、年際分配極不均勻，南部片區(qū)復(fù)興河流域由于地形地貌復(fù)雜，水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，資源性與工程性缺水并存，枯水期復(fù)興河沿岸各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水嚴(yán)重不足?，F(xiàn)有水資源保障體系與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相適應(yīng)，導(dǎo)致水資源供需矛盾日益加劇，亟需興建一個(gè)可靠穩(wěn)定的水源工程，為潼南區(qū)推動(dòng)成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)以及“一區(qū)兩群”協(xié)調(diào)發(fā)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(diǎn)水源工程之一，可為復(fù)興河流域內(nèi)的臥佛鎮(zhèn)、小渡鎮(zhèn)和塘壩鎮(zhèn)提供可靠的水源安全保障。該水庫位于復(fù)興河流域上游區(qū)域，地處重慶市潼南區(qū)臥佛鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以場鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧農(nóng)村人畜飲水提檔升級(jí)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(fù)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(qū)臥佛鎮(zhèn)下游復(fù)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(zhèn)復(fù)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(jìn)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(qū)主要覆蓋潼南區(qū)臥佛、小渡兩個(gè)場鎮(zhèn)以及復(fù)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(shí)現(xiàn)自流供水是較為理想的水源方案。但復(fù)興河流域上游主要為深丘地貌，沿復(fù)興河干流兩岸多為河谷平壩或槽壩階地，多個(gè)村落依河而立，人口、耕地分布較為集中;同時(shí)，G246國道沿復(fù)興河左岸由南向北穿境而過，若選擇在復(fù)興河干流建庫統(tǒng)一解決供水區(qū)缺水問題，將導(dǎo)致水庫規(guī)模較大，淹沒范圍較廣，還涉及淹沒G246國道，需協(xié)調(diào)的部門多、難度大、周期長，帶來的投資相應(yīng)較大?？紤]到復(fù)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(jù)“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(zhèn)及下游灌區(qū)的用水，而臥佛場鎮(zhèn)及中游部分灌溉面積的用水則通過在復(fù)興河干流新建一座低壩解決。

從供水區(qū)的需水情況來看，需水主要集中在下游的小渡場鎮(zhèn)及大部分灌區(qū)，占比高達(dá)86%，僅依靠回龍溪自身來水顯然無法滿足這部分供區(qū)需水。由于復(fù)興河干流來水豐富，在滿足河道生態(tài)用水及臥佛場鎮(zhèn)、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(fù)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(jìn)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(fù)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(guī)模是銅車壩水庫工程設(shè)計(jì)的重、難點(diǎn)問題。

3 引水調(diào)度運(yùn)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(diào)蓄洪水，保證大壩引水量，結(jié)合引水隧洞進(jìn)口布置，采取有閘控制的引水調(diào)度運(yùn)行方式，具體如下。

（1）在枯水期，閘門一般處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)引水壩水位低于260.7 m時(shí)（引水壩滿足下游河道生態(tài)用水和供水的興利調(diào)節(jié)水位），引水壩對(duì)自身進(jìn)行充蓄，其上游來水優(yōu)先保障下游生態(tài)用水和供水灌溉要求;當(dāng)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(yù)留的旁通管引入至主庫，再向復(fù)興河下游小渡場鎮(zhèn)和灌區(qū)供水。

（2）在汛期，結(jié)合水庫洪水預(yù)報(bào)，提前開啟引水隧洞進(jìn)口閘門以預(yù)留調(diào)節(jié)庫容調(diào)蓄洪水，汛末關(guān)閉閘門以優(yōu)先保障引水壩蓄水，滿足其下游生態(tài)用水和供水灌溉要求[2]。

4 引水隧洞規(guī)模確定

引水壩棄水多發(fā)生在汛期，洪水所占比例較大，由于洪水發(fā)生時(shí)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(jì)算通過切割洪水過程和切割日徑流過程兩種方案，對(duì)比分析后確定引水隧洞設(shè)計(jì)引水流量，在此基礎(chǔ)上再計(jì)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(guān)系

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

根據(jù)引水壩壩址處典型年的洪水過程，擬定5個(gè)不同的隧洞引水流量（分別為3，4，5，6，7 m3/s）對(duì)其進(jìn)行切割，洪水過程線引水流量以上部分即為棄水量。經(jīng)切割后得到5個(gè)典型年各場洪水棄水量，用當(dāng)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(dāng)月來水量即為該引水流量下的月引水率，具體計(jì)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(fā)生月份的徑流量，萬m3;W棄為典型年洪水發(fā)生月份切割后的棄水量，萬m3。

按以上方法對(duì)典型年的洪水過程進(jìn)行切割，得到5個(gè)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(fā)生的頻次和量級(jí)有關(guān)，一般情況下，洪水發(fā)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(guān)系。經(jīng)擬合，發(fā)現(xiàn)兩者呈二次拋物線關(guān)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(guān)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(fā)生月份各月引水率，%;x 為典型年洪水發(fā)生月份各月徑流量，萬m3。

從圖2～6可以看出，當(dāng)月徑流量接近時(shí)，引水率也可能差別很大，主要原因是受洪水過程影響。為進(jìn)一步分析洪水過程對(duì)引水率的影響，本文選擇了3組數(shù)值較為接近的月徑流組合，通過分析相應(yīng)月份洪水發(fā)生的頻次、洪水歷時(shí)及最大洪峰流量可知（表1）：當(dāng)月徑流量接近時(shí)，洪水發(fā)生的頻次越高，總歷時(shí)越長，洪峰流量量級(jí)越小，此時(shí)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(dāng)出現(xiàn)月徑流量較小的枯水月份時(shí)，其徑流量可能由某一場洪水貢獻(xiàn)，導(dǎo)致其引水率相對(duì)一般月份反而更小。

4.1.2 引水流量與多年平均引水率關(guān)系

由于引水壩調(diào)節(jié)庫容較小，其調(diào)蓄能力對(duì)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(guān)系推廣至引水壩整個(gè)長系列4～10月的棄水過程，即可計(jì)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(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)已優(yōu)先考慮了下游生態(tài)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(jì)算長系列枯水期逐月引水量。

按以上方法即可計(jì)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(jì)算成果見表2，并對(duì)引水流量和多年平均引水率的關(guān)系進(jìn)行擬合，見圖7。

4.1.3 引水隧洞設(shè)計(jì)引水流量確定

從表2和圖7可以看出，當(dāng)引水流量逐步增大時(shí)，引水率也相應(yīng)增加。當(dāng)引水流量小于5 m3/s時(shí)，引水隧洞可引水量增加明顯，而當(dāng)引水流量大于5 m3/s時(shí)，可引水量增加幅度有限。結(jié)合水工專業(yè)布置，引水隧洞采用無壓隧洞方案，進(jìn)口設(shè)閘門控制，當(dāng)引水流量進(jìn)一步增大時(shí)，引水隧洞進(jìn)口底板高程隨之降低，斷面尺寸也隨之增大，相應(yīng)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(jīng)濟(jì)。引水隧洞規(guī)模的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)引水流量取5 m3/s，相應(yīng)的隧洞多年平均可引水量為632萬m3，相應(yīng)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(gè)典型年的逐日徑流過程，首先在考慮下泄河道生態(tài)流量的前提下，根據(jù)引水壩下游供水、灌溉需求進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，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(duì)其進(jìn)行切割。經(jīng)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(gè)典型年平均可引用水量/5個(gè)典型年平均來水量），計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4可以看出，當(dāng)引水流量達(dá)到1.5 m3/s時(shí)，引水率為83.8%;而當(dāng)引水流量達(dá)到5.0 m3/s時(shí)，引水率已高達(dá)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(jì)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(duì)較小，考慮到切割徑流過程采用的日均流量是日內(nèi)瞬時(shí)流量均化后的成果，在一定程度上弱化了瞬時(shí)流量的大小對(duì)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(jì)算的引水方案，確定引水隧洞設(shè)計(jì)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(jì)算的引水率與鄰近其他引水工程進(jìn)行對(duì)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(tǒng)計(jì)見表5，從表中可以看出：除個(gè)別水庫外，一般來說，采用先供水再引水調(diào)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(jì)算得到的引水率低于采用切割徑流過程方法計(jì)算得到的引水率，故認(rèn)為本次選用5.0 m3/s 引水流量對(duì)應(yīng)的引水率62.4%相對(duì)合理。

5 結(jié) 論

本文以重慶市潼南區(qū)銅車壩水庫工程為分析對(duì)象，論證了其引水隧洞規(guī)模確定的合理性。結(jié)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(jù)擬定的引水調(diào)度運(yùn)行方式，優(yōu)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(jìn)行囤蓄。

（2）采用切割洪水過程方案充分考慮了汛期瞬時(shí)洪水流量的大小對(duì)隧洞過流能力的影響，更加符合山地丘陵區(qū)引調(diào)水工程的一般引水規(guī)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(guī)模論證提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 黃會(huì)勇，張娜，萬蕙，等.? 引江補(bǔ)漢工程引江規(guī)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(guī)模計(jì)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