榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程可調(diào)水量分析

沈岳飛

(榆林市水務(wù)集團(tuán)，陜西 榆林 719000)

1 工程概況

榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程屬于《榆林市黃河?xùn)|線引水工程規(guī)劃》中馬鎮(zhèn)引水線路的近期實(shí)施工程，即馬鎮(zhèn)引水的前期工程；設(shè)計(jì)引水規(guī)模2.9億m3/a，年引水指標(biāo)2.2億m3/a，工程線路全長(zhǎng)約125.53 km(干線101.93 km，支線23.6 km)。本工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是工業(yè)供水，受水對(duì)象為神木縣窟野河河谷區(qū)(檸條塔工業(yè)園區(qū)、燕家塔工業(yè)園區(qū)和何家塔工業(yè)園區(qū))、錦界工業(yè)園、清水溝工業(yè)園、榆陽(yáng)區(qū)榆溪河以東工業(yè)園(金雞灘循環(huán)經(jīng)濟(jì)區(qū)、麻黃梁工業(yè)集中區(qū))共4個(gè)片區(qū)(7個(gè)工業(yè)園)。本次輸水線路引水末端有2處，分別為石峁水庫(kù)和清水溝工業(yè)園蓄水池。

本工程現(xiàn)狀水平年確定為2016年，設(shè)計(jì)水平年為2025年，主要解決工業(yè)園區(qū)缺水問(wèn)題，工程區(qū)處于水資源相對(duì)缺乏地區(qū)，設(shè)計(jì)保證率采用95%[1]。

2 流域水資源需求形勢(shì)分析

對(duì)榆林各行業(yè)用水情況進(jìn)行分析表明，農(nóng)業(yè)為第一用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量(包括農(nóng)田灌溉和林牧漁畜)占總用水量的67.7%；其次為工業(yè)用水量，占總用水量的20.2%；居民生活用水(包括城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活)占9.4%，城鎮(zhèn)公共用水量占1.6%，生態(tài)環(huán)境用水量占1%。從用水結(jié)構(gòu)方面分析，農(nóng)業(yè)用水比重最大，說(shuō)明用水量集中在效益不高的農(nóng)業(yè)上，用水比例不協(xié)調(diào)也反映出榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待調(diào)整。榆林市現(xiàn)狀可供水資源量基本已達(dá)到開(kāi)發(fā)利用的極限，僅靠當(dāng)?shù)厮Y源，難以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的用水需求。根據(jù)榆林市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展預(yù)測(cè)，在強(qiáng)制節(jié)水條件下，2020年需水12.64億m3，缺水4.13億m3，缺水率32.7%；2025年需水14.41億m3，缺水5.90億m3，缺水率41.0%；2030年需水18.62億m3，缺水10.11億m3，缺水率高達(dá)54%。2025年，府谷到橫山一帶總需水量約10.8億m3，區(qū)內(nèi)可供水總量約7.04億m3，缺水量約3.8億m3。缺水原因主要是由于區(qū)內(nèi)特別是府谷、神木和榆陽(yáng)規(guī)劃布局的工業(yè)項(xiàng)目近期要實(shí)施，用水非常迫切。本次引黃規(guī)模是在充分考慮利用當(dāng)?shù)氐乇砜捎盟俊⒃偕暗V井水的前提下核算神木及榆陽(yáng)片區(qū)近期的工業(yè)需水量，目前，本工程已取得水利部黃河水利委員會(huì)的取水許可審批準(zhǔn)予行政許可決定書(shū)《黃許可決[2018]84號(hào)》，決定書(shū)同意本工程以黃河干流地表水作為取水水源，年取黃河水量為2.2億m3。

3 可調(diào)水量分析

本工程采用黃河取水泵站提水后通過(guò)隧洞、渡槽自流進(jìn)入擬建的黃石溝水庫(kù)進(jìn)行沉沙、調(diào)蓄，然后由黃石溝水庫(kù)引出輸水線路至支線終端清水溝工業(yè)園蓄水池和干線終端石峁水庫(kù)，再由終端向各工業(yè)園區(qū)供水的運(yùn)行調(diào)度方式，即當(dāng)黃河來(lái)水含沙量大于20 kg/m3或來(lái)水流量小于生態(tài)流量150 m3/s時(shí)，黃河取水泵站不提水，利用黃石溝水庫(kù)的蓄水向各工業(yè)園區(qū)供水。當(dāng)黃石溝水庫(kù)庫(kù)內(nèi)水位低于正常蓄水位，同時(shí)黃河可引水量較多時(shí)，按照黃河取水泵站設(shè)計(jì)能力取水，在滿足各用水戶用水的同時(shí)充蓄黃石溝水庫(kù)。

通過(guò)對(duì)黃石溝水庫(kù)上下游來(lái)水、耗水及需水量的分析，以月為單位進(jìn)行2016年～2020年黃石溝水庫(kù)水資源承載力以內(nèi)調(diào)水工程可調(diào)水量的系列計(jì)算，最終得出可調(diào)水量，具體過(guò)程見(jiàn)圖1。

3.1 邊界條件

考慮滿足黃石溝水庫(kù)下游河道生態(tài)環(huán)境的用水需求，應(yīng)優(yōu)先考慮河道外工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活和農(nóng)業(yè)灌溉等方面的用水需求，故提出以下可調(diào)水量邊界條件：在保證流域河道外生產(chǎn)生活用水的基礎(chǔ)上調(diào)水；在控制斷面流量不足生態(tài)基流的時(shí)段應(yīng)減少河道調(diào)水或不予調(diào)水，而在控制斷面流量大于生態(tài)基流的時(shí)段允許調(diào)水，并且保證調(diào)水后各控制斷面流量完全符合生態(tài)基流要求；為達(dá)到黃石溝水庫(kù)水量分配方案中主要控制斷面下泄流量最小值的要求[2]，黃河干流黃石溝水庫(kù)斷面最小流量應(yīng)控制在9.5 m3/s。

圖1 黃石溝水庫(kù)可調(diào)水量計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2 不同調(diào)水方案下長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算

3.2.1 黃石溝水庫(kù)斷面最大可調(diào)水量

對(duì)黃石溝水庫(kù)取水?dāng)嗝孢M(jìn)行水資源供需分析，扣除上游耗水、下游預(yù)留水量和生態(tài)基流后，以2050年進(jìn)行典型年?duì)顩r下最大可調(diào)水量理論值的計(jì)算，結(jié)果表明，多年平均情況下，黃河取水量為2.2億m3，其中黃河取水泵站直接向供水區(qū)供水量1.85億m3，通過(guò)黃石溝水庫(kù)調(diào)蓄向供水區(qū)供水量0.35億m3。

庫(kù)前線路流量：黃河取水樞紐～黃石溝水庫(kù)線路設(shè)計(jì)流量按照黃河取水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模取值，即設(shè)計(jì)流量規(guī)模為27 m3/s。

庫(kù)后線路流量：黃石溝庫(kù)后計(jì)算取水流量為10.91 m3/s，沿線向各片區(qū)進(jìn)行分支。其中，神木支線口分水流量1.30 m3/s，錦界工業(yè)園支線口分水流量1.06 m3/s，清水溝支線口分水流量7.37 m3/s，錦界、清水溝分水干線口后～石峁水庫(kù)流量1.18 m3/s。

本工程黃河樞紐～黃石溝水庫(kù)段分段流量見(jiàn)表1。

表1 黃河樞紐～黃石溝水庫(kù)段分段流量表

3.2.2 調(diào)水方案比選

根據(jù)用水需求及水資源配置情況，黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程設(shè)計(jì)流量為27.0 m3/s，按照汛期多調(diào)，枯水期少調(diào)的原則進(jìn)行水資源調(diào)度，為確?？菟趦?nèi)下游水量，制定兩種調(diào)度方案：一是枯水期12月～次年3月不調(diào)水；二是枯水期11月～次年4月不調(diào)水。

在不同調(diào)水方案下隨著調(diào)蓄水時(shí)段的變化，可調(diào)節(jié)水量和調(diào)蓄庫(kù)容也不同，黃石溝水庫(kù)斷面在上述兩個(gè)調(diào)水方案下，所需調(diào)節(jié)庫(kù)容分別為0.4046億m3和0.5638億m3，按照區(qū)域水資源需求態(tài)勢(shì)，調(diào)水量分別為0.24億m3和0.33億m3，見(jiàn)表2。

分析表明，枯水期11月～次年4月不調(diào)水的方案下調(diào)水量無(wú)法達(dá)到調(diào)蓄水要求，且對(duì)庫(kù)容要求較大，而枯水期12月～次年3月不調(diào)水的方案較優(yōu)，能滿足區(qū)域調(diào)水需求。

表2 不同調(diào)水方案下調(diào)水量 單位：億m3

4 調(diào)水方案風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 供水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)流域河道內(nèi)外水資源需求形勢(shì)及工程區(qū)可調(diào)水量計(jì)算結(jié)果，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[3]，對(duì)榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程供水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的公式如下：

R=p(d>e)=p(χi∈F)

(1)

a=1-R

(2)

式中：R為供水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；a為供水系統(tǒng)可靠性指數(shù)；p為缺水概率；d為供水系統(tǒng)調(diào)水量總量；e為調(diào)水系統(tǒng)承載能力；χi為表示供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變量；F為供水系統(tǒng)缺水狀態(tài)，F(xiàn)∈|d>e|。

(3)

式中：β為供水系統(tǒng)整體損失程度；k為區(qū)域缺水總次數(shù)；pi為第i次缺水的概率；ui為第i次缺水的損失程度(即損失率)。當(dāng)所得出的β值越小，表明供水系統(tǒng)正常運(yùn)行下的缺水率越低，所對(duì)應(yīng)的水量損失率也越小。

假定黃石溝水庫(kù)可調(diào)水量為wd，該水庫(kù)第i年實(shí)際可調(diào)水量不足wd時(shí)發(fā)生的缺水量為wei，其取值等于wd與當(dāng)年實(shí)際可調(diào)水量之差，同時(shí)假定在不同缺水量下所發(fā)生的缺水事件為同頻率，則式(3)可寫(xiě)成：

(4)

供水系統(tǒng)恢復(fù)性測(cè)度主要進(jìn)行供水系統(tǒng)從非正常供水狀態(tài)向正常供水狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性大小的測(cè)度，其測(cè)度主要通過(guò)條件概率表示：

(5)

式中：γ為供水系統(tǒng)恢復(fù)性測(cè)度；S為正常供水狀態(tài)，且S∈|d

4.2 調(diào)水方案風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)式(1)～式(5)進(jìn)行2016年～2020年供水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)系列模擬運(yùn)算，所推薦的調(diào)水方案(枯水期12月～次年3月不調(diào)水)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表1對(duì)枯水期12月～次年3月不調(diào)水調(diào)水方案風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果可以看出，該方案調(diào)水布局損失性測(cè)度相對(duì)較小，各調(diào)水支線調(diào)水可靠性指數(shù)均在0.90以上，最高為0.950，但是各線疊加后風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)增大為0.167，增幅較大，且可靠性指數(shù)降至0.835，充分說(shuō)明，榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程實(shí)際可調(diào)水量比各支線、干線可調(diào)水量相加得到總可調(diào)水量理論值要小，主要原因在于各支線、干線年徑流量風(fēng)枯變動(dòng)并不完全同步，為防范這種風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)待工程實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)各支線、干線間的聯(lián)合調(diào)度。

表3 推薦的調(diào)水方案風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文對(duì)榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程可調(diào)水量分析結(jié)果表明，本引水工程水量調(diào)蓄應(yīng)遵循豐水期多調(diào)、枯水期少調(diào)的原則，根據(jù)工程可行性報(bào)告所確定的最大引水量規(guī)模，推薦枯水期12月～次年3月不調(diào)水的方案。按照所擬定的調(diào)水原則，經(jīng)過(guò)2016年～2020系列分析和調(diào)節(jié)計(jì)算，年均調(diào)水量為0.33億m3，在95%的設(shè)計(jì)保證率下可以滿足用水區(qū)域用水對(duì)象的用水需求。通過(guò)對(duì)所推薦調(diào)水方案風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算表明，各支線、干線年徑流量風(fēng)枯變動(dòng)并不完全同步，所以引水工程實(shí)際可調(diào)水量比各支線、干線可調(diào)水量相加得到總可調(diào)水量理論值要小，為保證供水量，必須加強(qiáng)各支線、干線間的聯(lián)合調(diào)度。