佳縣烏鎮(zhèn)供水工程黃河取水可行性分析

賀曉玲

（佳縣水利水電工程隊(duì)，陜西 榆林 719200）

1 概況

佳縣位于陜西省東北部黃河中游西岸，烏鎮(zhèn)距佳縣15 km，人口3.1萬人。項(xiàng)目區(qū)屬于屬大陸性干旱半干旱氣候。冬長夏短，四季分明，雨量不足，氣候干燥，日照時(shí)間長，光熱資源豐富。年均降水380 mm，平均氣溫10℃，無霜期159天。主要自然災(zāi)害有旱澇、低溫、霜凍、雷擊等。烏鎮(zhèn)人口眾多，居住相對集中，人畜飲水主要靠從溝底所建泵站從溝道中取滲水，抽至高位水池，利用管網(wǎng)送入村民家中。經(jīng)多年運(yùn)行，原泵站及低位水池?fù)p毀，使得當(dāng)?shù)厝罕姵运щy?，F(xiàn)有的人飲工程已不能滿足現(xiàn)在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，特別是水質(zhì)和水量標(biāo)準(zhǔn)低下，已成為制約當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娞岣呱钏胶唾|(zhì)量的瓶頸因素。根據(jù)烏鎮(zhèn)水源情況，規(guī)劃在黃河取水，以切實(shí)解決當(dāng)?shù)厝罕婏嬎畣栴}。

2 需水預(yù)測及水源確定

項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年為2017年，設(shè)計(jì)水平年為2027年，設(shè)計(jì)供水規(guī)模為10 m3/d，供水工程設(shè)計(jì)年限為10年，規(guī)劃供水人口為整個(gè)烏鎮(zhèn)以及牲畜用水?，F(xiàn)對未來烏鎮(zhèn)發(fā)展用水需求進(jìn)行預(yù)測分析。

2.1 需水量預(yù)測

根據(jù)中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（SL687-2014），最高日居民生活用水定額為40～60（L/人·d），最高日居民生活用水定額為 50（L/人·d），人口的自然增長率按6‰計(jì)。根據(jù)“陜西省村鎮(zhèn)供水工程初步設(shè)計(jì)要點(diǎn)”，聯(lián)村集中供水，有學(xué)校的村莊可按居民生活用水量的5%～10%計(jì)列。項(xiàng)目區(qū)沒有公共建筑物，無需考慮公共建筑用水量。根據(jù)規(guī)范要求:“消防用水量應(yīng)按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16）和《村鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GBJ23的有關(guān)規(guī)定確定。允許短時(shí)間中斷供水的村鎮(zhèn)，當(dāng)上述用水量之和高于消防用水量時(shí)，確定供水規(guī)模時(shí)可不單列消防用水量”。因此，不單列消防用水量。

根據(jù)前述規(guī)范，管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見水量之和，宜按上述用水量之和的10%～25%取值。項(xiàng)目區(qū)管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見水量之和=上述用水量之和×15%=0.95 m3/d。各供水對象均采用全日供水，每日供水時(shí)間為24小時(shí)。根據(jù)以上計(jì)算，供水規(guī)模W＜200 m3/d。根據(jù)規(guī)范，全日供水時(shí)變化系數(shù)Kh=2.5～3.0，取Kh=2.5。日變化系數(shù)可在1.3～1.6范圍內(nèi)取值，取值為1.5。工程供水規(guī)模為最高日供水能力，應(yīng)為居民生活用水量、公共建筑用水量、村鎮(zhèn)企業(yè)和專業(yè)戶飼養(yǎng)畜禽用水量、消防用水量、管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見用水量之和。經(jīng)計(jì)算，居民生活用水量5.20 m3/d，畜禽飼養(yǎng)用水量1.16 m3d，管網(wǎng)漏失和未預(yù)見水量0.95 m3/d，人均綜合用水量96.12 L/人·d，變化系數(shù)為2.5。則最高日最高時(shí)需水量為0.76 m3/h，年需水量118.4×104m3。

2.2 水源選擇

項(xiàng)目區(qū)沒有可飲用地表水資源，地下水水質(zhì)及水量也不能滿足居民飲用，故需從新確定水源。從長遠(yuǎn)解決村子飲用水情況，計(jì)劃取用黃河水進(jìn)行飲用。水源位于黃河中游上段，上游有府谷水文站，下游有吳堡水文站。黃河中游地區(qū)除河曲、保德、府谷附近河谷較寬之外，其余絕大部分河段河寬僅200 m～400 m。黃河右岸一部分支流上游為蓋沙區(qū)，左岸一部分為石質(zhì)山區(qū)，其余大部分屬于黃土丘陵及黃土丘陵溝壑區(qū)。黃河中游地區(qū)61%面積為黃土高原，溝壑縱橫，支流眾多，河道比降陡，植被較差，土質(zhì)疏松，水土流失極為嚴(yán)重，大量泥沙進(jìn)入黃河，使黃河成為世界上含沙量最多的河流，年輸沙模數(shù)一般在 10000 t/km2～20000 t/km2。

通過水質(zhì)化驗(yàn)和附近已成水源資料，黃河干流大部分河段天水水質(zhì)良好，pH值一般在7.5～8.2之間，呈弱堿性，佳縣段黃河屬于Ⅱ類水體。流域內(nèi)河川徑流的礦化度、總硬度分布由東南向西北呈遞增趨勢，大部分地區(qū)為礦化度300～500 mg/L、總硬度3～6 mg當(dāng)量/L的適度水。通過簡單的飲用處理，各項(xiàng)指標(biāo)可滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，所以確定用黃河水作為烏鎮(zhèn)飲用水源。為了確?？茖W(xué)引水，需對黃河取水口的徑流量進(jìn)行分析。

3 取水河段可取水量

黃河徑流受大氣環(huán)流和季風(fēng)的影響，導(dǎo)致年際變化較大且年內(nèi)分配不均。根據(jù)黃河吳堡站資料統(tǒng)計(jì)，最大年徑流量發(fā)生在1967年為505億m3，最小年徑流量發(fā)生在1997年為111億m3，7月～10月徑流量分別占年徑流量的59.6%，11月～6月徑流量占全年的40.4%。黃河中游區(qū)域部分支流的7月～10月徑流量占全年的80%～90%，每年的3月～6月徑流量所占比重很小，有些支流基本處于斷流狀態(tài)。

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)站年徑流分析

以吳堡站與府谷站作為取水口斷面的設(shè)計(jì)依據(jù)站。

（1）吳堡站年徑流分析

根據(jù)吳堡站1954～2012年共59年的年徑流系列資料，繪制年徑流量差積曲線圖進(jìn)行代表性分析，見圖1。從圖中可以看出，吳堡站的差積曲線變化呈現(xiàn)出單一饅頭式的過程，這說明吳堡站的年徑流的豐、平、枯段交替出現(xiàn)，且年際豐枯變化持續(xù)時(shí)間較長，變幅較大，因此具有較好的代表性。

圖1 吳堡站年徑流量差積曲線

根據(jù)吳堡站1954～2012年共59年的年徑流資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算。用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，然后通過目估適線法進(jìn)行調(diào)整，按連續(xù)系列矩法估計(jì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。求出吳堡站多年平均徑流量為234.76億m3，變差系數(shù)Cv=0.39，偏態(tài)系數(shù)Cs=3Cv。

（2）府谷站年徑流頻率分析

根據(jù)府谷站1954～2012年年徑流量系列，繪制年徑流量差積曲線，見圖2。從圖中可以看出，府谷站的差積曲線表現(xiàn)出單峰式的過程，說明洪峰流量系列年際變化持續(xù)時(shí)間較長，變幅較大，豐、平、枯系列交替出現(xiàn)，表明了府谷站年徑流量系列具有較好的代表性。

圖2 府谷站年徑流量差積曲線

根據(jù)府谷站1954～2012年的實(shí)測年徑流量系列，對府谷站進(jìn)行頻率計(jì)算。用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，然后通過目估適線法進(jìn)行調(diào)整，統(tǒng)計(jì)參數(shù)按連續(xù)系列矩法估計(jì)，求出府谷站平均徑流量為218.32億m3，變差系數(shù)Cv=0.38，偏態(tài)系數(shù)Cs=3Cv。

3.2 取水口斷面的年徑流量

取水口斷面不同來水年份的年徑流量可根據(jù)吳堡站與府谷站的面積插值法，和吳堡站的單站面積比擬法兩種方法計(jì)算，結(jié)果見表1。從表中可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相近，但根據(jù)吳堡站單站面積比擬法計(jì)算的結(jié)果略微偏大，本次從對工程不利的角度出發(fā)，選擇吳堡站與府谷站的面積插值法的計(jì)算結(jié)果作為取水口斷面的年徑流量。即P=50%、P=75%和P=95%條件下，取水口年徑流量分別為208億m3、161億m3和116億m3，則河段年均可引水量為161.66億m3

表1 取水口斷面設(shè)計(jì)年徑流量成果表 單位：億m3

3.3 年徑流的月分配

選取1970年、1992年和2001年作為50%、75%、95%設(shè)計(jì)代表年的典型年，由年內(nèi)各月的徑流量數(shù)據(jù)按面積插值法求得50%、75%、95%設(shè)計(jì)年的年徑流年內(nèi)月分配過程，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 黃河萬鎮(zhèn)取水口年徑流量月分配過程 單位：億m3

3.4 枯水期徑流水位分析

以吳堡站為設(shè)計(jì)依據(jù)站，采用年最小枯水流量選樣，根據(jù)吳堡站1976年～2012年枯水流量系列進(jìn)行頻率分析，將數(shù)據(jù)系列按由小到大排序后，采用皮爾遜Ⅲ型曲線適線，均值、變差系數(shù)Cv用矩法估計(jì)進(jìn)行初估，參數(shù)Cs=3Cv；用目估適線法調(diào)整確定。最終確定吳堡站枯水流量均值73.32 m3/s，Cv=0.45。取水口斷面的設(shè)計(jì)枯水流量按照吳堡站面積比擬法確定，面積指數(shù)取2/3，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)枯水流量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

根據(jù)吳堡站實(shí)測大斷面，繪制水位流量關(guān)系曲線，根據(jù)不同設(shè)計(jì)頻率下的洪水和枯水流量求出相應(yīng)的水位，按比降內(nèi)插計(jì)算得到取水口斷面的相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位。計(jì)算結(jié)果：校核洪水頻率P=0.5%和設(shè)計(jì)洪水頻率P=5%條件下，相應(yīng)水位分別為736.81 m和734.72 m；枯水保證率取P=5%，枯水位為723.63 m；取水口斷面最小生態(tài)流量為80 m3/s，相應(yīng)水位為723.91 m。

綜合以上分析可知，烏鎮(zhèn)供水工程黃河取水口斷面生態(tài)基流為80 m3/s，年均可引水量為161.66億 m3，大于年需水量118.4×104m3，從水量上來說工程引水量是有保證的。

4 取水口引水沙限分析

烏鎮(zhèn)黃河取水口斷面位于府谷水文站與吳堡水文站之間，取水口上游14 km處為含沙量極大的窟野河，取水口至府谷區(qū)間面積為19613 km2，至吳堡站區(qū)間面積為9862 km2，若取水口斷面含沙量采用插值法計(jì)算，結(jié)果可能偏小。因此從工程安全角度出發(fā)，本次取水口斷面含沙量直接采用吳堡站含沙量。從取水口斷面1974～2012年各年實(shí)測含沙量數(shù)據(jù)分析得出，取水口斷面多年平均含沙量11.46 kg/m3，年最大含沙量631 kg/m3，發(fā)生在1976年，歷年年最小含沙量0.044 kg/m3，發(fā)生在2012年。繪制年平均、年最大、年最小含沙量隨年份變化圖，可以發(fā)現(xiàn)，取水口斷面歷年平均、最大、最小含沙量系列均隨年份增加呈現(xiàn)減小的趨勢，其中年最大含沙量系列減小幅度最快，年平均含沙量系列減小幅度次之，年最小含沙量系列減小幅度最慢。根據(jù)沉沙池和水泵要求，擬定黃河取水口斷面引水沙限為30 kg。

5 結(jié)語

佳縣水資源短缺，烏鎮(zhèn)群眾吃水困難，無保障。立足當(dāng)前考慮長遠(yuǎn)，規(guī)劃從黃河佳縣段取水解決烏鎮(zhèn)用水問題。以上游府谷水文站、下游吳堡水文站監(jiān)測資料為依據(jù)，通過對水量、水質(zhì)和引水沙限的分析探討，提出烏鎮(zhèn)供水工程黃河取水口斷面生態(tài)基流為80 m3/s，當(dāng)引水沙限為30 kg/m3時(shí)，取水口河段的來水量小于80 m3/s不進(jìn)行引水。年均可引水量為161.66億m3，大于年需水量118.4×104m3，在佳縣黃河段進(jìn)行取水解決烏鎮(zhèn)供水問題方案完全可行，這將為解決烏鎮(zhèn)3萬多群眾的用水問題提供了科學(xué)依據(jù)。