黑河黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容分析論證

楊麗豐 楊永建 李福生 武見

摘 要：黃藏寺水庫是黑河干流控制性骨干調(diào)蓄工程，水庫為多目標開發(fā)，供水對象涉及下游額濟納綠洲天然生態(tài)、國防科研、中游灌區(qū)灌溉及工業(yè)、生活、發(fā)電用水等，加之黑河中游具有地表水地下水多次轉(zhuǎn)換、重復(fù)利用的特點，邊界條件復(fù)雜，限制因素多，給水庫調(diào)節(jié)庫容論證帶來了較大困難。按照“合理調(diào)配中下游生態(tài)和經(jīng)濟社會用水，提高黑河水資源綜合管理能力，兼顧發(fā)電等綜合利用”的水庫開發(fā)任務(wù)，基于水庫供水范圍內(nèi)黑河中下游地區(qū)不同需水特點和要求，根據(jù)水庫運用方式，利用黑河二元結(jié)構(gòu)水資源配置模型，進行了多方案、長系列徑流調(diào)節(jié)計算。綜合分析推薦黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容采用2.95億m3，能夠滿足實現(xiàn)黑河分水方案和供水、灌溉、發(fā)電的需要，助力黑河水資源綜合管理提檔升級。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)庫容;論證;黃藏寺水庫;黑河

中圖分類號：TV62+2;TV697.1+1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.020

引用格式：楊麗豐，楊永建，李福生，等.黑河黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容分析論證[J].人民黃河，2021，43（12）：105-108，114.

Abstract： Huangzangsi reservoir is a key control regulation and storage project in the main stream of Heihe River. The reservoir is developed with multi-objectives and the water supply objects refer to the natural ecology， national defense scientific research of Ejina Oasis in the lower reaches， irrigation， industrial， domestic and power generation use in the middle reaches of Ejina Oasis. In addition， the middle reaches of Heihe River has the characteristics of repeated conversion and reuse of surface water and groundwater， complex boundary conditions and many limiting factors， which brings great difficulties to the demonstration of reservoir regulation capacity. According to the reservoir development task of “rational allocation of ecological， economic and social water use in the middle and lower reaches of the Heihe River， improving the comprehensive management capacity of water resources of the river， taking into account the comprehensive utilization of power generation and other comprehensive utilization”， based on the different water demand characteristics and requirements of the middle and lower reaches of the Heihe River within the reservoir water supply range， according to the reservoir operation mode， using the Heihe dual structure water resources allocation model， a multi-scheme and long series runoff regulation calculation was carried. According to the comprehensive analysis， it is recommended that the regulating capacity of Huangzangsi Reservoir should be 295 million m3， which can meet the needs of water diversion scheme， water supply， irrigation and power generation of Heihe River and help to upgrade the integrated management of water resources of Heihe River.

Key words： regulating reservoir capacity; demonstration; Huangzangsi Reservoir; Heihe River

1 黃藏寺水庫概況

黃藏寺水庫位于黑河干流上，壩址在黑河?xùn)|西兩岔匯合后的峽谷河段，左岸為肅南縣，右岸為祁連縣，水庫壩址控制流域面積7 648 km2，多年平均天然徑流量12.85億m3。黃藏寺水庫屬大（2）型Ⅱ等工程，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高123 m。水庫正常蓄水位2 628 m，正常死水位2 580 m，極限死水位2 560 m，設(shè)計洪水位2 628 m，校核洪水位2 628.70 m;水庫總庫容4.03億m3，調(diào)節(jié)庫容3.34億m3（淤積前）～2.95億m3（淤積后），死庫容0.61億m3;水庫電站裝機容量為4.9萬kW，多年平均發(fā)電量2.03億kW·h[1-2]。水庫開發(fā)任務(wù)為：合理調(diào)配中下游生態(tài)和經(jīng)濟社會用水，提高黑河水資源綜合管理能力，兼顧發(fā)電等綜合利用。

2 水庫供水范圍及規(guī)模

2.1 水庫供水范圍

根據(jù)黃藏寺水庫的開發(fā)任務(wù)和開發(fā)目標，對黑河中下游進行水資源合理配置、高效利用，保證正義峽斷面下泄水量滿足國務(wù)院批復(fù)的黑河分水方案要求，兼顧下游額濟納綠洲生態(tài)關(guān)鍵期用水需求，同時保證國務(wù)院批復(fù)的《黑河流域近期治理規(guī)劃》確定的中游地區(qū)灌溉面積的用水要求[3]。黑河上游用水較少，因此黃藏寺水庫的供水范圍為：黑河中下游經(jīng)濟社會從黑河干流引水的區(qū)域和下游生態(tài)用水區(qū)域，包括黑河中游灌區(qū)、下游鼎新灌區(qū)、東風(fēng)場區(qū)和額濟納綠洲。

2.2 需水要求

2.2.1 中游灌區(qū)

黃藏寺水庫對黑河中游的供水范圍為以黑河干流為水源的12個灌區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)狀總?cè)丝跒?0.18萬人，城鎮(zhèn)化率37.9%，牲畜150.22萬頭（只），工業(yè)增加值46.12億元，有效灌溉面積12.18萬hm2，其中農(nóng)田面積9.48萬hm2、人工林草面積2.70萬hm2。

根據(jù)預(yù)測，設(shè)計水平年2030年灌區(qū)總?cè)丝跒?8.93萬人，城鎮(zhèn)化率57.6%，牲畜184.42萬頭（只），工業(yè)增加值261.86億元，有效灌溉面積維持12.18萬hm2不變。預(yù)測總需水量為10.89億m3，其中農(nóng)田灌溉需水量為7.92億m3，人工林草灌溉需水量為1.57億m3，工業(yè)需水量為0.88億m3，城鄉(xiāng)生活需水量為0.52億m3（見表1）。

2.2.2 黑河下游

黑河下游主要包括甘肅省金塔縣的鼎新灌區(qū)、東風(fēng)場區(qū)和位于下游綠洲核心區(qū)的內(nèi)蒙古額濟納旗。

（1）國民經(jīng)濟需水。根據(jù)預(yù)測，設(shè)計水平年2030年黑河下游國民經(jīng)濟需水量為2.67億m3，其中城鄉(xiāng)生活需水量0.10億m3，工業(yè)需水量0.27億m3，農(nóng)田及林草灌溉需水量2.30億m3（見表2）。

（2）額濟納綠洲天然生態(tài)需水[4]。利用解譯的遙感衛(wèi)片成果進行生態(tài)分區(qū)，建立植物生長與地下水位埋深關(guān)系模型，采用實測資料對不同植被蒸騰參數(shù)進行確定。在此基礎(chǔ)上，分析計算了黑河下游額濟納綠洲天然植被不同群落、不同地下水位埋深的植物蒸騰和潛水蒸發(fā)量，計算額濟納綠洲天然生態(tài)需水量?，F(xiàn)狀年總需水量為5.47億m3，設(shè)計水平年2030年總需水量為7.46億m3（見表3）?？梢钥闯?，年內(nèi)7月需水量最大，6月次之，1月需水量最小。

《黑河下游綠洲生態(tài)水需求研究報告》（中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，2010年1月）中分析了植物葉片尺度及植物群落尺度的植物耗水過程、地下水位的時空變化特征等，成果表明，額濟納綠洲天然生態(tài)需水的關(guān)鍵期為4月和8月，其中4月需水量0.79億m3，8月需水量1.07億m3。

2.2.3 水庫壩下生態(tài)基流

采用90%來水頻率枯水期平均流量計算法、近10 a最小月平均流量法、典型年最小月徑流法和最小月平均實測徑流量法等多種方法計算，經(jīng)綜合分析，枯水期（10月—次年3月）黃藏寺水庫下游河道最小生態(tài)基流采用9.0 m3/s，兼顧發(fā)電。

3 水庫運用方式

根據(jù)黃藏寺水庫的開發(fā)任務(wù)，通過對水庫集中輸水時機、輸水量和輸水流量等進行分析研究，擬定水庫的運用方式[5]。汛期（7—9月），利用7月中旬、8月中旬中游灌區(qū)灌溉間歇期，實施生態(tài)調(diào)度，水庫相對大流量集中向下游輸水，輸水流量為300～500 m3/s，9月中下旬視年度黑河分水方案完成情況，相機向下游輸水，輸水流量為110 m3/s，其他時段水庫按照設(shè)計的中游灌區(qū)需水要求泄水;10—11月水庫在按照設(shè)計的中游灌區(qū)需水要求泄水的同時開始蓄水運用，蓄水位最高可至水庫正常蓄水位;10月—次年3月，水庫按壩下游生態(tài)要求泄放生態(tài)基流（9 m3/s），兼顧發(fā)電;4—6月，選擇4月上中旬實施生態(tài)調(diào)度，相對較大流量集中向下游輸水，輸水流量為110 m3/s，其余時段水庫按照設(shè)計的中游灌區(qū)需水要求泄水。

4 水庫調(diào)節(jié)庫容論證

4.1 計算模型

計算模型采用黑河二元結(jié)構(gòu)水資源配置模型。該模型包括黑河上游水庫調(diào)度模型、黑河中游地下水均衡模型、地下水數(shù)值計算模型和水資源供需配置模型等[6]。模型總體結(jié)構(gòu)見圖1。

4.2 計算條件

（1）黑河干流水量分配方案[7]。當鶯落峽多年平均來水15.8億m3時，分配正義峽下泄水量9.5億m3，其中分配給鼎新灌區(qū)毛水量0.9億m3，東風(fēng)場區(qū)毛水量0.6億m3。鶯落峽不同保證率來水時正義峽分配水量見表4。

（2）入庫徑流。采用1960年7月—2013年6月53 a徑流系列，該系列黃藏寺壩址斷面多年平均天然徑流量為12.85億m3，扣除壩址以上耗水0.12億m3后，設(shè)計年入庫徑流量為12.73億m3。

（3）其他可利用水資源量。除利用黑河地表水資源量外，黃藏寺供水范圍內(nèi)黑河中游灌區(qū)可利用其他水資源量為4.64億m3，其中地表水資源量為0.25億m3、地下水資源量為4.39億m3;下游可利用其他水資源量2.22億m3，其中額濟納綠洲區(qū)為1.47億m3。

（4）水庫有效庫容曲線。采用數(shù)學(xué)模型進行庫區(qū)泥沙沖淤計算。根據(jù)水庫泥沙淤積分析，采用黃藏寺水庫淤積50 a后有效庫容曲線（見圖2）進行徑流調(diào)節(jié)計算。黃藏寺水庫淤積50 a后，死水位2 580 m以下有效庫容為0.38億m3，正常蓄水位以下有效庫容為3.33億m3。

（5）其他。黃藏寺水電站綜合出力系數(shù)采用8.2，水頭損失采用水頭損失曲線進行計算。

4.3 計算原則

根據(jù)黃藏寺水庫的開發(fā)任務(wù)，按照黑河分水方案，結(jié)合黑河中游灌區(qū)和下游額濟納綠洲天然生態(tài)不同的需水要求及特點，提出如下水庫徑流調(diào)節(jié)計算原則。

（1）優(yōu)先滿足黑河分水方案。在來水無法滿足水庫供水范圍供水對象的需水要求時，來水優(yōu)先滿足黑河分水方案正義峽斷面下泄水量要求，對中游灌區(qū)供水量進行縮減。

（2）地下水利用。保持適度的地下水開采規(guī)模，開采量以基本維持地下水均衡為原則。中游灌區(qū)地下水可開采量為4.39億m3，下游地下水可開采量為0.96億m3，地下水優(yōu)先滿足生活、工業(yè)用水，其次作為高效節(jié)水灌溉水源，多余水量補充農(nóng)業(yè)灌溉地表供水的不足。

（3）調(diào)節(jié)庫容選擇。在滿足黑河分水方案要求的前提下，以中游灌區(qū)缺水量最小為目標，通過迭代計算，選擇水庫調(diào)節(jié)庫容。

（4）在滿足正義峽斷面下泄水量的前提下，兼顧額濟納綠洲天然生態(tài)關(guān)鍵需水期的需水要求。

（5）兼顧發(fā)電，開發(fā)河段水能資源。

4.4 水庫調(diào)節(jié)庫容計算

（1）水庫供水過程。黑河中游存在地表水、地下水多次轉(zhuǎn)換、重復(fù)利用的特點，根據(jù)供水范圍內(nèi)的需水預(yù)測成果，需水過程不能完全等同于需要黃藏寺水庫調(diào)節(jié)的供水過程。如經(jīng)水庫調(diào)節(jié)供出的1 m3水對于灌區(qū)可以發(fā)揮大于1 m3水的供水作用，這是黑河中游有別于其他河流的顯著特點，這一特點的存在給黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容分析論證帶來了特殊的要求。

計算中，以中游灌區(qū)的需水量和需水過程為基礎(chǔ)，在滿足黑河分水方案要求的前提下，以中游灌區(qū)缺水量最小為目標，采用黑河二元結(jié)構(gòu)水資源配置模型進行黃藏寺水庫不同調(diào)度運用方式、不同來水年份的徑流模擬計算，得到各方案的水庫出庫流量過程。i時段黃藏寺水庫出庫流量為

（2）計算結(jié)果。利用1960年7月—2013年6月53 a徑流系列，以旬為計算時段，進行黃藏寺水庫徑流調(diào)節(jié)計算[8]，得出逐年的水庫調(diào)節(jié)庫容。對水庫調(diào)節(jié)庫容按照從小到大的順序排頻，黃藏寺水庫基本調(diào)節(jié)庫容頻率曲線見圖3，設(shè)計保證率50%時黃藏寺水庫需要的基本調(diào)節(jié)庫容為2.95億m3。

4.5 水庫調(diào)節(jié)庫容確定

以水庫基本調(diào)節(jié)庫容2.95億m3為基礎(chǔ)，按照水庫徑流調(diào)節(jié)計算條件和計算原則及擬定的運行方式，利用黑河二元結(jié)構(gòu)水資源配置模型，進行黃藏寺水庫長系列逐旬徑流調(diào)節(jié)計算和中游灌區(qū)水資源供需平衡模擬計算。計算結(jié)果表明，黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容采用2.95億m3，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)，正義峽下泄水量可以實現(xiàn)國務(wù)院批復(fù)的黑河分水方案，同時兼顧了下游額濟納綠洲天然生態(tài)年內(nèi)春季4—6月關(guān)鍵需水期的需水要求，使中游灌區(qū)灌溉供水保證率達到51%，滿足設(shè)計要求。

在2.95億m3調(diào)節(jié)庫容上下，選擇了2.70億、3.20億、3.40億m3等3個調(diào)節(jié)庫容方案作為比選方案，對水庫調(diào)節(jié)庫容進行技術(shù)經(jīng)濟比較（見表5）。通過對各方案正義峽斷面來水量及額濟納綠洲天然生態(tài)需水關(guān)鍵期水量、中游灌區(qū)供水、水庫蓄滿率和發(fā)電指標、工程投資及經(jīng)濟內(nèi)部收益率等技術(shù)經(jīng)濟指標分析比較，水庫調(diào)節(jié)庫容為2.95億m3方案較優(yōu)。

通過綜合分析，確定黃藏寺水庫的調(diào)節(jié)庫容為2.95億m3。

5 結(jié) 語

黃藏寺水庫是黑河干流控制性骨干調(diào)蓄工程，水庫為多目標開發(fā)，供水對象涉及黑河下游額濟納綠洲天然生態(tài)用水和國防科研用水，中游灌區(qū)灌溉、工業(yè)生活用水和水庫電站發(fā)電用水等，加之黑河中游具有地表水和地下水多次轉(zhuǎn)換、重復(fù)利用的特點，邊界條件復(fù)雜，限制因素多，水庫調(diào)節(jié)庫容論證難度大。根據(jù)黃藏寺水庫的開發(fā)任務(wù)，基于水庫供水范圍內(nèi)黑河中游國民經(jīng)濟和下游額濟納綠洲天然生態(tài)不同需水要求及其特點，按照擬定的水庫運用方式，充分考慮黑河中游地表水、地下水多次轉(zhuǎn)化和重復(fù)利用的特點，利用黑河二元結(jié)構(gòu)水資源配置模型，進行了水庫多方案、長系列徑流調(diào)節(jié)計算，并進行技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦黃藏寺水庫調(diào)節(jié)庫容采用2.95億m3，能夠滿足實現(xiàn)國務(wù)院批復(fù)的黑河分水方案和水庫開發(fā)任務(wù)及目標要求。

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【責任編輯 張華巖】