串并混联水库群规模论证研究

庹世华，陈永娟

(甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃 张掖 734000)

金昌市位于甘肃省河西走廊中部的戈壁滩上，市内矿产资源丰富，是一个以采、冶、炼镍钴族等有色金属为主的资源型工业城市，现己形成有色冶金、化工、建材、能源四大支柱产业体系，被誉为“中国的镍都”。市内主要河流为东大河、西大河和金川河，各河上分别建有皇城水库、西大河水库和金川峡水库，皇城水库主要为永昌县东河灌区提供水源，同时向金川峡水库和肃南县调水；西大河水库主要为永昌县西河灌区提供水源，同时承担向金川峡水库、山丹马场以及四坝灌区的调水任务；金川峡水库是金昌市金川区生活及工农业生产的主要水源。

金昌市工业地位尤为突出，近些年需水量逐渐增加，根据《石羊河流域重点治理规划》2020水平年重点治理措施“结合渠道电站建设，完成东大河、西大河向金川峡水库专用输水渠的改造，从东大河向金川峡水库输水1.28亿m3，西大河向金川峡水库输水0.40亿m3，实现金昌市范围内永昌县和金川区水资源配置目标。”目前由于金川峡水库调节能力有限，水库库区周边群众居住密集，且水库上游3km处为省级重点文物保护区—圣容寺，不具备实施大坝加高的条件，无法实现增容扩建，致使流域配水指标未能充分利用，供水矛盾日益突出。因此拟在金川峡水库下游4.0km处的金川河上修建韩家峡水库，与金川峡水库、皇城水库、西大河水库形成串、并混联的水库群，四库联合调度运行，充分高效利用配水指标，保障金昌市金川区用水需求，提高城市供水保证率，缓解水资源供需矛盾。四库位置如图1所示。

图1 四库位置示意图

1 径流

东大河、西大河均为石羊河支流，径流具有年内分配不均匀，年际变化小等特点。东大河发源于祁连山脉东段冷龙岭北麓，流域地势由西南向东北倾斜，流域上游分为东西两岔，至皇城乡大湖滩附近汇合后称为东大河，在皇城镇附近汇入皇城水库。西大河发源于祁连山脉中段金瑶岭北麓，上游主要由五条支流组成，是西大河的主要产流区，各支流于三个洞掌一带汇合后流入西大河水库。通过对东大河、西大河1955—2018年64年实测径流系列频率分析计算，采用P-Ⅲ型曲线适线，求得东大河多年平均径流量为2.91亿m3；西大河多年平均径流量为1.58亿m3。东大河、西大河年径流设计成果见表1。

表1 东大河、西大河径流成果计算表

金川河发源于永昌县城以西红庙墩、南泉一带，主要由西大河地表水沿途渗入地下潜流至下游以泉水形式露头后再汇聚各泉而成，此后由西向东流，至北海子右纳东大河二坝渠水量后折转向北流至金川峡水库。2003年引硫济金工程建成后，从青海省门源县境内的硫磺沟引水经西大河水库、西金输水渠入金川峡水库。根据金川河泉水资料统计，多年平均泉水量为5455万m3，P=50%的泉水量为5383万m3，P=85%的泉水量为4337万m3，P=95%的泉水量为3793万m3。

2 水资源配置

2.1 需水量

韩家峡水库供水对象与金川峡水库一致，为金昌市金川区城乡生活需水、工业需水、农田灌溉需水和生态需水。按照区域现状社会经济指标、经济发展规划和相关行业需水定额指标预测设计水平年金川区需水总量为16090万m3，其中城乡生活需水量2914万m3，工业需水量7595万m3，农业需水量4246万m3，生态需水量1335万m3。需水过程见表2。

2.2 水资源配置

水资源配置优先解决城乡生活用水、工业用水，适度增加生态用水和发展高效农业用水。区域地下水允许开采量0.87亿m3，地下水主要用于灌区高效节水面积和八一农场灌溉用水，开采量不得超过允许开采量，控制灌溉面积18.17万亩；地表水主要用于金昌市城乡生活用水、工业用水、生态用水及农田灌溉用水，配置地表水供水15103万m3；中水主要配置金川区城镇生态用水，配置中水987万m3。地表水配水过程见表3。

表3 金川区地表水配水过程表 单位：万m3

3 径流调节

3.1 调节原则

(1)韩家峡水库来水过程受东大河皇城水库、西大河西大河水库和金川河金川峡水库来、用水影响，水库规模确定需皇城水库、西大河水库、金川峡水库四库联合调节。

(2)充分发挥金昌市皇城水库、西大河水库、金川峡水库现有调蓄功能，满足下游生活及工农业生产用水需求。

(3)皇城水库、西大河水库各用水对象供水保证率不同，当来水量不能满足全部用水需求时，优先满足保证率高的生活工业用水，农业、生态用水遭到一定程度的破坏，破坏深度20%。

(4)径流调节中，韩家峡水库坝址来水在满足下游生态基流的前提下，优先解金川区城乡生活用水和工业用水，其次用于生态和农田灌溉，并考虑水库投资效益，使得单位投资的供水效益最大化。

3.2 计算条件

(1)金川峡水库、皇城水库、西大河水库以当前兴利库容为基础条件，并充分考虑水库汛限水位的影响。金川峡水库始建成于1959年，总库容6500万m3，兴利库容为5500万m3。经2001年对水库库容进行实测，水库平均每年淤积17万m3，推算2020年水库兴利库容5020万m3。皇城水库始建于1974年， 1985年建成蓄水，水库总库容8000万m3，兴利库容6400万m3，死库容800万m3；西大河水库建于1968年10月，1974年建成蓄水，水库总库容6800万m3，兴利库容5430万m3，死库容300万m3。

(2)依据《石羊河流域重点治理规划》水资源配置方案，东大河皇城水库每年向金川峡水库调水12800万m3，输水效率85.5%，调至金川峡水库水量10944万m3；西大河水库每年向金川峡水库足额调水4000万m3，输水效率70%，调至金川峡水库水量2800万m3。

(3)东大河皇城水库大流量调水避开灌溉高峰期，调水时间尽量安排在非灌溉期，减少调水与农业灌溉争水矛盾，灌溉间歇小流量调水；西大河调水流量较小，冬季输水易结冰，尽量安排在灌溉间歇调水。

(4)韩家峡水库、皇城水库、西大河水库、金川峡水库蒸发损失由永昌县气象站实测资料求得，水库各月渗漏损失量根据区域水文地质条件按水库平均蓄水容积的0.5%估算。

(5)河道内生态环境需水量。根据SL/Z322—2011《水利水电建设项目水资源论证导则》6.2.3条“对于河道生态需水量的确定，原则上按多年平均流量的10%～20%确定”。本次设计以多年平均流量的10%作为河道的最小生态环境需水量。金川河自产径流多年平均流量为1.73m3/s，生态基流量为546万m3。

3.3 计算方法

韩家峡水库和金川峡水库供水范围、供水对象一致，且两库之间无其他径流汇入，以金川峡水库坝址所需兴利库容减去金川峡水库设计水平年的兴利库容即为韩家峡水库的兴利库容。

金川峡水库坝址来水由西大河调水、东大河调水以及区间泉水三部分组成，由于20世纪70—80年代调水资料缺失，不具备长系列调节的条件，文章径流调节计算采用设计代表年法。根据不同供水对象的保证率，分别选取选取保证率为50%、85%和95%的来水作径流调节计算。径流调节计算时，先将东大河、西大河50%、85%和95%来水过程与用水过程进行径流调节计算，在各自水库的调节能力范围内按照调水时间向金川峡水库调水，得到东大河、西大河向金川峡水库调水过程。该调水过程与金川河泉水过程组合成金川峡水库坝址来水过程。以金川峡水库坝址来水过程和金川区用水过程进行径流调节计算，得到的兴利库容减去金川峡水库设计水平年的兴利库容即为韩家峡水库的兴利库容，如图2所示。

图2 韩家峡水库调节计算流程图

3.4 径流调节

3.4.1西大河水库调入金川峡水库水量

西大河入库水量为西大河自产水量和引硫济金工程引入水量二者之和，水库供水任务主要包括向金川峡水库、马场、四坝灌区调水以及向西河灌区的生产生活和农业灌溉供水。西大河水库通过西金干渠向金川峡水库输水，采用非灌溉期输水，年调出水量4000万m3。首先根据西金干渠的输水时段，初步确定西大河水库向金川峡水库历年的调水过程和调水量；然后，将试算出的调水过程与西河灌区的需水过程同时输入兴利计算程序，再次进行多用水户不同保证率的兴利调节计算，得到符合保证率要求的调出水量过程。西大河水库向金川峡调水过程见表4。

表4 西大河水库向金川峡调水过程 单位：万m3

3.4.2皇城水库向金川峡水库调水量

皇城水库供水对象主要包括金昌市东河灌区、金川峡水库调水以及张掖市肃南县部分用水。皇城水库向金川峡水库输水是通过东大河峡谷口，经东大河渠首和东河总干渠、二坝输水干渠完成，输水效率为0.855。皇城水库向金川峡水库的调水时间沿用现行的调水时间，一方面避开农业用水的高峰期，减少与农业争水的矛盾；另一方面皇城水库的冬季来水量相对较大且比较稳定，调水时间确定为：11- 4月基本以固定流量调水，5、6月基本不调水或者少调水，剩余水量7—10月调水，年调出水量12800万m3。皇城水库向金川峡调水过程见表5。

表5 皇城水库向金川峡调水过程 单位：万m3

3.4.3区间泉水量计算

由于金川峡水库实测入库流量已非天然过程，其入库水量受二坝渠调水量、引硫济金调水量及西大河灌区用水量影响。

本文以2000—2018年金川河自产水资源作为设计水平年的金川河(泉水)径流量，并对之前的径流资料进行还原处理，扣除上游水库下泄水量、调水量等对径流系列的影响。金川河多年平均自产水量为5455万m3，多年平均入库流量为1.73m3/s。

3.4.4径流调节计算

设计水平年金川区总需水量16090万m3，配置中水987万m3，需配置地表水15103万m3。设计水平年金川峡水库坝址P=50%保证率来水量为22142万m3，扣除生态基流546万m3后可调节水资源量为21597万m3。经逐月来、用水调节计算，韩家峡(金川峡)所需兴利库容为3415万m3，尚未达到金川峡水库兴利库容，韩家峡水库兴利库容为0；P=85%保证率来水量为18243万m3，扣除生态基流后可调节水资源量为17697万m3。经调节计算，韩家峡(金川峡)所需兴利库容为5541万m3，扣除金川峡水库兴利库容5020万m3，韩家峡水库兴利库容为521万m3；P=95%来水量为17765万m3，扣除生态基流后可调节水资源量为17220万m3，经调节计算，韩家峡(金川峡)所需兴利库容为5730万m3，扣除金川峡水库兴利库容后韩家峡水库兴利库容为710万m3。经过径流调节计算，P=50%、P=85%和P=95%保证率下，韩家峡水库的兴利库容分别为0、52、710万m3。韩家峡水库(金川峡坝址)径流调节示意图如图3所示。

图3 韩家峡水库(金川峡坝址)径流调节示意图

3.4.5水库正常蓄水位及规模确定

从坝址及库区地形地质情况、供水效益、库区淹没、经济指标、施工难度等各方面进行分析考虑，选取1822.76、1825.70、1826.70m三个方案进行正常蓄水位比选，见表6。

表6 韩家峡水库正常蓄水位比选表

经比较，三种方案在工程建设难度上、淹没影响角度无太大差别，地质条件也均达到要求，从经济因素分析，正常蓄水位1825.70m方案在经济指标上为最优方案。因此，从受水区供水保证程度、工程投资，淹没影响范围等方面比较，确定韩家峡水库正常蓄水位为1825.70m，相应库容为850万m3，兴利库容为710万m3。

4 结论

(1)经不同保证率韩家峡水库、金川峡水库、皇城水库和西大河水库联合调节计算，最终确定金川峡水库坝址兴利库容为5730万m3，扣除金川峡水库设计水平年的兴利库容5020万m3得到韩家峡水库兴利库容为710万m3。

(2)混联各水库供水对象不同，保证率不同，要综合考虑上下游用水关系，供水保证率高用水户的优先满足，供水保证率低用水户的可按一定比例缩减供水。

(3)串并混联水库下游来水量受上游各水库来、用水的影响，规模确定时需上、下游水库联合调节，在充分发挥上游各水库的效益的前提下，确定合理的水库规模。

(4)水库规模论证需综合考虑水文、地质、供水及投资等各方面因素，进行多方案比选，选取合理的规模，使得单位投资供水效益最大化。