蒲河高含沙水資源開發(fā)利用方法及途徑

李慶國，安催花，成鵬飛，付 健，劉林杰

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，450003，鄭州）

高含沙河流水資源開發(fā)利用一直是水資源研究的重點(diǎn)方向。蒲河多年平均含沙量高達(dá)200 kg/m3，干流上游的巴家咀水庫是甘肅省慶陽市城區(qū)唯一供水水源，由于泥沙淤積，庫損嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅城市供水安全和大壩防洪安全。先前研究是通過調(diào)整水庫運(yùn)用方式和除險加固化解供水和保庫矛盾。本文作者先后承擔(dān)巴家咀水庫除險加固、五臺山調(diào)蓄水庫和小盤河水庫設(shè)計工作，后兩座水庫設(shè)計中采用干流水庫+輔助調(diào)蓄工程 （或水源）的做法，旨在有效解決供水和排沙之間的矛盾。目前，五臺山水庫和小盤河水庫即將建成蓄水運(yùn)用，發(fā)揮效益。

一、流域水沙特性

蒲河是涇河的一級支流，流域面積近7 500 km2，屬典型的黃土高原溝壑區(qū)，黃土裸露，植被較差，水土流失嚴(yán)重。蒲河是水量相對小而含沙量相對大得多泥沙河流。

蒲河毛家河水文站控制流域面積7 189 km2，實(shí)測多年平均徑流量1.97億m3，多年平均沙量3 855萬t，含沙量196 kg/m3；主汛期7—8月平均徑流量0.93億m3，約占全年的一半，平均沙量3 172萬 t，占全年沙量的82%，含沙量為342 kg/m3。實(shí)測瞬時最大含沙量為992 kg/m3（1979年）。進(jìn)入21世紀(jì)，即使水沙明顯減少，但含沙量依然較高。毛家河水文站水沙特征值見表1。

表1 毛家河水文站水沙特征值（水文年）

二、流域水利樞紐建設(shè)概況

蒲河干流（甘肅境內(nèi)）上游已建巴家咀大型水庫，壩址控制流域面積3 478 km2。水庫始建于1958年，由于泥沙淤積嚴(yán)重，曾先后三次進(jìn)行除險加固和增改建泄水建筑物?，F(xiàn)狀水庫總庫容5.11億m3，開發(fā)任務(wù)以防洪保壩、城市供水為主，兼顧灌溉，為慶陽市城區(qū)唯一供水水源。蒲河干流下游正在修建小盤河中型水庫，壩址控制流域面積7 466 km2，上距巴家咀水庫約50 km，水庫總庫容4 700萬m3，開發(fā)任務(wù)是供水，為長慶橋工業(yè)集中區(qū)重要水源工程。

為解決供水和排沙矛盾問題，2008年在左岸支流修建了南小河溝調(diào)蓄水庫，調(diào)節(jié)庫容為50萬m3，在主汛期巴家咀水庫基流沖沙期間向城區(qū)供水。隨著城市的發(fā)展，用水量急劇增加，現(xiàn)狀城區(qū)主汛期7—8月需水量接近200萬m3，南小河溝水庫已不能滿足供水需求，只能壓縮巴家咀水庫排沙時間，造成庫區(qū)持續(xù)淤積。2016年，在右岸東咀溝又動工興建五臺山調(diào)蓄水庫，水庫總庫容950萬m3，興利庫容558萬m3。

表2 巴家咀水庫不同流量級洪水情況統(tǒng)計

三、水庫調(diào)度運(yùn)用實(shí)踐及存在問題

目前流域內(nèi)慶陽市僅有巴家咀水庫還在發(fā)揮供水效益，設(shè)計調(diào)度運(yùn)用方式如下：

①6月20—30日、7月16日—9月15日的平水期控制低壅水調(diào)蓄水量50萬m3進(jìn)行城市供水，運(yùn)用水位控制不超過汛限水位；當(dāng)預(yù)報入庫洪水流量大于50 m3/s時，提前泄空水庫前期蓄水量，空庫迎洪，按死水位1 095 m開閘泄流，進(jìn)行敞泄滯洪排沙運(yùn)用；在入庫流量小于50 m3/s時，水庫恢復(fù)低壅水調(diào)蓄水量50萬m3進(jìn)行城市供水，水庫蓄水運(yùn)用水位控制不超過汛期興利限制水位。7月1—15日進(jìn)行基流沖刷，控制蓄水位不超過1 100 m，進(jìn)行異重流排沙。

②非汛期9月16日—次年6月19日進(jìn)行蓄水運(yùn)用，調(diào)節(jié)徑流用于城市供水和灌溉，水庫蓄水位不超過1 115 m。遇小洪水（流量小于50 m3/s）入庫，控制蓄水位低于1 115 m攔洪運(yùn)用。當(dāng)預(yù)報入庫洪水流量大于50 m3/s時，敞泄排沙。

上述運(yùn)用方式對控制水庫淤積、長期保持水庫有效庫容具有較好的效果，但供水往往得不到保證，實(shí)際運(yùn)用難以操作。根據(jù)統(tǒng)計，巴家咀水庫年均發(fā)生流量50 m3/s以上洪水11.5次，最多發(fā)生23次，平均歷時5.6小時，沙量占多年平均來沙量的78.3%，且84.3%的洪峰發(fā)生在7—8月，年均發(fā)生流量100 m3/s以上洪水也達(dá)8.5次，平均歷時3.6小時，若按照上述運(yùn)用方式，對水庫排沙相對有利，但水庫將頻繁敞泄運(yùn)用，并且由于蒲河泥沙相對較細(xì)、含沙量大，蓄水后一般需要沉淀3～5天才能使用，供水中斷現(xiàn)象將時有發(fā)生。巴家咀水庫不同流量級洪水情況統(tǒng)計見表2。

巴家咀水庫作為慶陽市區(qū)唯一供水水源，供水保證率要求較高，因此，除險加固后實(shí)際運(yùn)用時只在7月1—15日期間敞泄排沙，為保證該時段供水，2008年在壩下左岸支溝修建南小河溝調(diào)蓄水庫供水，其余時間巴家咀水庫均蓄水運(yùn)用，水庫淤積嚴(yán)重，尾部段尤為明顯。若按照目前實(shí)際運(yùn)用方式，巴家咀水庫將會發(fā)生持續(xù)淤積，未來又會出現(xiàn)防洪標(biāo)準(zhǔn)降低問題，甚至出現(xiàn)險情。

四、流域水資源開發(fā)利用總體布局

通過上述分析可以看出，水庫長期保持興利庫容和保證供水之間的矛盾突出，水庫泥沙淤積是制約流域水資源開發(fā)利用的關(guān)鍵因素。理論分析及運(yùn)用實(shí)踐證明，保證一定的敞泄排沙時間是長期保持水庫興利庫容的根本途徑，在水庫排沙期間，需要尋找有效的措施解決供水問題。為此，將蒲河流域分為上下游兩個子體系，體系內(nèi)和體系間聯(lián)合運(yùn)用，可保證流域水資源有效開發(fā)利用。

上游巴家咀水庫是慶陽城區(qū)唯一供水水源，周邊地下水超采嚴(yán)重，但具有建設(shè)調(diào)蓄工程的地形條件，目前已經(jīng)建成南小河溝水庫，正在建設(shè)五臺山水庫，巴家咀+五臺山+南小河溝三水庫可組成地表水供水體系。下游小盤河水庫是長慶橋工業(yè)園區(qū)重要水源，周邊不具備建設(shè)調(diào)蓄工程的地形條件，但地下水相對豐富，規(guī)劃和已建機(jī)井24眼，可作為應(yīng)急備用水源，小盤河水庫+機(jī)井組成地表地下互補(bǔ)供水體系。蒲河流域水資源開發(fā)利用總體布局見圖1。

圖1 蒲河流域水資源開發(fā)利用總體布局示意圖

五、供水體系調(diào)度運(yùn)行方式

蒲河流域上下游兩個子體系干流各有骨干水庫工程一座，主要任務(wù)是興利和長期保持有效庫容，各體系分別有調(diào)蓄工程或補(bǔ)充水源，主要任務(wù)為保證供水安全，同時體系間應(yīng)考慮相互影響，聯(lián)合運(yùn)用。

上游子體系：非主汛期9月—次年6月，巴家咀水庫進(jìn)行蓄水運(yùn)用，調(diào)節(jié)徑流進(jìn)行供水，在滿足供水的前提下相機(jī)向五臺山水庫和南小河溝水庫充水。主汛期7—8月來水含沙量較大，按控制死水位敞泄排沙運(yùn)用，五臺山水庫和南小河溝水庫實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度，聯(lián)合供水運(yùn)用，保證用水需求。計算多年平均供水量4 964萬m3。

下游子體系：小盤河水庫受上游巴家咀水庫運(yùn)用影響，入庫水沙發(fā)生一定的改變，非汛期則以巴家咀至小盤河區(qū)間來沙為主，巴家咀以上來沙基本攔在庫內(nèi)，下泄水流較清，但巴家咀至小盤河區(qū)間控制流域面積仍然較大，區(qū)間沙量也不容忽視。非主汛期9月—次年6月進(jìn)行蓄水運(yùn)用，調(diào)節(jié)徑流進(jìn)行供水。主汛期7—8月降低至死水位敞泄排沙運(yùn)用，利用天然徑流保證供水。當(dāng)預(yù)報入庫洪水流量大于50 m3/s或上游巴家咀水庫排沙運(yùn)用時，相機(jī)進(jìn)行排沙運(yùn)用。為保證供水，在水庫供水能力不足時，利用地下水補(bǔ)充。計算多年平均供水量3 554萬m3，其中地下水186萬m3。

子體系及體系間聯(lián)合調(diào)節(jié)可以避免干流骨干水庫反復(fù)敞泄蓄水和供水中斷發(fā)生。同時，排沙時期來沙量占水庫全年來沙量的近80%，經(jīng)估算，敞泄運(yùn)用能大量有效地排泄泥沙，進(jìn)而控制水庫淤積，長期保持有效庫容。

六、結(jié) 語

蒲河流域水流多年平均含沙量大，長期保持興利庫容和保證供水矛盾突出。從蒲河流域水資源開發(fā)利用和實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)來看，僅靠干流水庫難以解決這一矛盾，必須根據(jù)實(shí)際輔以其他調(diào)蓄工程或開采地下水等可行措施，制定合理的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式才能有效化解。 比如，巴家咀水庫所在區(qū)域地下水嚴(yán)重超采，只能采用增建調(diào)蓄工程措施；下游的小盤河水庫所在區(qū)域不具備建設(shè)調(diào)蓄工程的地形條件，而地下水相對豐富，因此采取輔以地下水的方式。同時，小盤河水庫應(yīng)充分考慮上游巴家咀水庫運(yùn)用的影響，與之聯(lián)合運(yùn)用。當(dāng)然，水庫調(diào)度運(yùn)用要有一定的靈活性，在實(shí)際運(yùn)用過程中應(yīng)加強(qiáng)預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)，以達(dá)到精確控制，密切關(guān)注天氣變化，尤其是非汛期，個別時段來沙量也較大，需及時做好排沙工作，協(xié)調(diào)好水庫排沙與興利的矛盾。