基于影響水庫(kù)正常蓄水位選擇因素的分析

陳天虹，侯 凱

(貴州省畢節(jié)市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

1 工程概況

威寧縣龍姑水庫(kù)位于長(zhǎng)江流域金沙江水系洛澤河上游白巖腳溝河段。工程任務(wù)為集鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜飲水、灌溉、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)供水。工程樞紐主要由水庫(kù)大壩、沖沙兼放空建筑物、取水建筑物等組成。水庫(kù)正常蓄水位2282.00 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容128萬(wàn)m3，校核洪水位2283.91 m，總庫(kù)容149萬(wàn)m3，水庫(kù)規(guī)模為小(1)型。

威寧縣賴子河水庫(kù)位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅等砗由嫌味梁雍佣?。工程任?wù)為威寧火電廠供水、防洪、灌溉及發(fā)電。工程樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、壩頂溢流表孔、左岸泄洪沖沙兼放空底孔、左岸取(引)水建筑物及發(fā)電廠房組成。水庫(kù)正常蓄水位1892.50 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容1150萬(wàn)m3，校核洪水位1894.13 m，總庫(kù)容1352萬(wàn)m3，水庫(kù)規(guī)模為中型[1-4]。

2 正常蓄水位選擇考慮的因素

2.1 壩址上游無(wú)控制性條件，下游無(wú)保護(hù)對(duì)象

以威寧縣龍姑水庫(kù)為例，水庫(kù)壩址多年平均來(lái)水量為301.0萬(wàn)m3，P=95%天然來(lái)水量為177.0萬(wàn)m3，由需水預(yù)測(cè)可知，水庫(kù)效益區(qū)設(shè)計(jì)水平年需水量為158.9萬(wàn)m3，考慮到來(lái)水量遠(yuǎn)大于需水量，水庫(kù)規(guī)模主要是受效益區(qū)的需水量確定，且水庫(kù)上下游沒(méi)有控制性條件，因此水庫(kù)按照“以需定供，供需結(jié)合”原則，正常蓄水位的選擇著重在最大供水量條件下從地質(zhì)地形條件、水庫(kù)淹沒(méi)、樞紐工程投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

(1)壩址地形、地質(zhì)條件。壩址區(qū)兩岸地貌主要為侵蝕切割形成的平緩脊?fàn)钌綆X與渾圓狀緩丘地貌，河谷為寬“V”形谷，兩岸分水嶺高大雄厚，河床平均寬度約為15.0 m，河床相對(duì)平緩，谷底高程在2245.6 m左右，兩岸山頂高程在2360.0～2400.0 m。壩址左岸2275.0 m高程以下山體向河谷外凸，坡角在20°～30°，束窄了該段河谷，2275.0 m高程以上岸坡變緩，坡角在10°～20°，河谷驟然變寬；壩址右岸2270.0 m高程以下坡角在20°～30°，2270.0 m以上岸坡變緩，坡角在10°～20°。主河道匯口以上760.0 m處、850.0 m處有泉點(diǎn)出露，高程分別為2285.0 m、2288.2 m，左岸支流二道水溝2285.3 m處亦有泉點(diǎn)出露，根據(jù)地質(zhì)專業(yè)建議，水庫(kù)最高水位需以不淹沒(méi)泉點(diǎn)為控制，因此正常蓄水位應(yīng)在2285.0 m以下選擇。

(2)供水量。受地形地質(zhì)條件限制，正常蓄水位以不高于2285.0 m進(jìn)行控制，故本階段擬定2280.0 m、2281.0 m、2282.0 m、2283.0 m、2284.0 m共5個(gè)不同正常蓄水位方案進(jìn)行興利比較，供水指標(biāo)比較見表1，圖1。

(a)正常蓄水位與可供水量關(guān)系曲線

表1 不同正常蓄水位供水指標(biāo)比較

由表1和圖1可看出，隨著正常蓄水位的增高，供水量也逐漸增加，但隨著正常蓄水位增加，單方興利庫(kù)容供水量呈現(xiàn)遞減，正常蓄水位2280.0 m時(shí)，單方興利庫(kù)容供水量為1.80 m3，正常蓄水位2282.0 m時(shí)，單方庫(kù)容供水量為1.76 m3；正常蓄水位超過(guò)2282.0 m后，供水量增值開始遞減。因此從供水指標(biāo)來(lái)看，正常蓄水位2282.0 m較優(yōu)。

(3)水庫(kù)淹沒(méi)比較。根據(jù)本階段的工作成果，現(xiàn)將各正常蓄水位方案水庫(kù)淹沒(méi)指標(biāo)列入表2。由表2可見，2280.0～2284.0 m，隨著正常蓄水位的升高，水庫(kù)淹沒(méi)投資逐漸增加，其中在2280.0～2282.0 m時(shí)，水庫(kù)淹沒(méi)投資的增加幅度較小。因此單就移民征地投資而言，2281.0 m、2282.0 m的水位稍優(yōu)。

表2 不同正常蓄水位方案水庫(kù)淹沒(méi)指標(biāo)比較

(4)樞紐工程比較。根據(jù)本階段的工程成果，各個(gè)正常蓄水位方案樞紐工程量及投資成果見表3。

表3 不同正常蓄水位方案樞紐工程量及投資比較

由表3可見，隨著蓄水位增高，樞紐工程量及投資增量均有所增加。正常蓄水位從2282.0～2284.0 m比2280.0～2282.0 m樞紐工程投資的增加幅度要大，原因在于隨著正常蓄水位的抬升超過(guò)2282.0 m時(shí)，兩壩肩已經(jīng)十分平緩，壩軸線長(zhǎng)度增加，樞紐工程的投資增加較為明顯。

(5)綜合指標(biāo)比較。各正常蓄水位方案綜合指標(biāo)成果見表4和圖2。

(a)正常蓄水位與淹沒(méi)投資關(guān)系曲線

表4 各正常蓄水位方案綜合指標(biāo)比較

由表4和圖2可見，隨著正常蓄水位的增加，供水量、總投資也相應(yīng)增加，但供水量增幅變小，投資增幅變大。蓄水位2280.0～2281.0 m時(shí)供水量增加15.78萬(wàn)m3，投資增加421.10萬(wàn)元；2281.0～2282.0 m時(shí)供水量增加16.50萬(wàn)m3，投資增加319.00萬(wàn)元；2282.0 m到2283.0 m時(shí)供水量增加4.12萬(wàn)m3，投資增加734.27萬(wàn)元，2283.0～2284.0 m時(shí)供水量增加3.56萬(wàn)m3，投資增加629.85萬(wàn)元。因此從淹沒(méi)+樞紐投資指標(biāo)來(lái)看，正常蓄水位為2282.0 m最優(yōu)，而且正常蓄水位2282.0 m時(shí)，單方供水量投資最低。

綜上，從水庫(kù)供水利用程度、水庫(kù)淹沒(méi)、樞紐工程投資及綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面進(jìn)行綜合比較后，正常蓄水位2282.0 m方案合適。

2.2 壩址上游有控制性條件，下游有保護(hù)對(duì)象

以威寧縣賴子河水庫(kù)為例，根據(jù)《三岔河干流威寧二塘河流域綜合治理規(guī)劃報(bào)告》，賴子河水庫(kù)為二塘河干流規(guī)劃的唯一一座綜合利用水庫(kù)，因此，本水庫(kù)正常蓄水位的選擇不受上游梯級(jí)水庫(kù)的影響，僅按照各部門對(duì)水庫(kù)灌溉、供水、防洪的要求，又盡可能減少庫(kù)區(qū)淹沒(méi)影響和降低工程投資的基本原則進(jìn)行分析。

(1)壩址地形、地質(zhì)條件。壩址建壩河段河谷深切，為橫向谷，河流由SE向轉(zhuǎn)向NE向。兩岸坡山體地形坡度較陡，上部地形稍緩，為淺切中山地形，左岸山頂高程1960.00 m，右岸地形在1920.00～1930.00 m有一緩坡地帶，壩址右岸1960.00 m以上地形變緩，山頂高程達(dá)1998.00 m，由于本工程所需調(diào)節(jié)庫(kù)容僅591.8萬(wàn)m3，按庫(kù)容曲線，本水庫(kù)1910.00 m高程以下水庫(kù)庫(kù)容達(dá)2000.00萬(wàn)m3以上；壩址區(qū)出露基巖地層主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)玄武巖，在1895.00 m高程以下基巖裸露，兩岸無(wú)劇烈的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工程地質(zhì)條件良好。綜上分析，壩址地形、地質(zhì)條件對(duì)正常蓄水位的選擇無(wú)制約性影響。

(2)灌溉與供水。由威寧火電廠及農(nóng)田灌溉用水預(yù)測(cè)以及供需水平衡分析結(jié)果可知，2030年工程效益區(qū)總?cè)彼繛?644.12萬(wàn)m3，為滿足工程效益區(qū)用水要求，根據(jù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算，需興利庫(kù)容為591.80萬(wàn)m3，據(jù)此以泥沙淤積庫(kù)容為起調(diào)庫(kù)容進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，水庫(kù)正常蓄水位需達(dá)到1892.50 m，其對(duì)應(yīng)回水高程為1894.28 m。

(3)防洪。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)，水庫(kù)壩址以下耕地按5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，集鎮(zhèn)按10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，并結(jié)合2012年中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院完成的《貴州省烏江(威寧縣～六盤水段)治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，結(jié)合下游河道治理工程，為滿足下游集鎮(zhèn)及耕地的防洪要求，需賴子河水庫(kù)控制下泄流量≤50.1 m3/s(P=10%)，以此進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，需防洪庫(kù)容646.00萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位不宜低于1892.50 m。

(4)水庫(kù)淹沒(méi)。根據(jù)實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)1/1000地形圖，賴子河水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍分布的土地均為旱地，居民集中居住地主要有兩處，一處位于庫(kù)區(qū)中部的羅里河支流左岸，多數(shù)住戶居住高程在1895.00～1902.00 m，少部分住戶居住高程在1885.00～1895.00 m。另一處位于庫(kù)尾，為爐山鎮(zhèn)集鎮(zhèn)，該集鎮(zhèn)是一座依山傍水而建的小集鎮(zhèn)，無(wú)橫向發(fā)展空間，鎮(zhèn)政府所在地高程為1903.00 m左右，街道分布高程在1897.90～1920.00 m，最低處為爐山鎮(zhèn)鋸木廠，高程為1893.63 m。為安全起見，以爐山鎮(zhèn)街道最低點(diǎn)鋸木廠高程1893.63 m作為控制，經(jīng)回水計(jì)算，正常蓄水位不宜高于1892.50 m。

綜上所述，水庫(kù)正常蓄水位確定為1892.50 m完全能解決下游灌溉及供水問(wèn)題，也能滿足下游的防洪要求，更不會(huì)影響上游爐山鎮(zhèn)集鎮(zhèn)，因此，正常蓄水位的上限為1892.50 m，為了使水庫(kù)正常蓄水位的選擇更加合理、經(jīng)濟(jì)，本階段在1892.50 m以下分別選擇1890.50 m、1891.50 m、1892.50 m及1892.50 m以上選擇1893.00 m進(jìn)行比選，水庫(kù)各正常蓄水位方案比較成果詳見表5和圖3。

(a)正常蓄水位與可供水量關(guān)系曲線

表5 水庫(kù)各正常蓄水位方案比較成果

由表5、圖3可見，從興利方面來(lái)看，正常蓄水位從1890.50 m增加至1893.00 m，興利庫(kù)容從377.00萬(wàn)m3增加至652.00萬(wàn)m3，增加275.00萬(wàn)m3，年供水量從1128.30萬(wàn)m3的增加到1755.80萬(wàn)m3，增加627.50萬(wàn)m3，即增加1 m3興利庫(kù)容所增加的供水量為2.28萬(wàn)m3。根據(jù)需水預(yù)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)水平年賴子河水庫(kù)效益區(qū)缺水量1644.12萬(wàn)m3。當(dāng)正常蓄水位為1893.00 m時(shí)，供水能力在滿足效益區(qū)用水需求的情況下，仍有一部分富余能力。供水、灌溉功能方面，正常蓄水位不能低于1892.50 m，即可推薦的正常蓄水位為1892.50 m和1893.00 m。

從樞紐建筑物工程量及投資看，四種方案的樞紐建筑物主要工程量、建筑工程投資相差很小，但正常蓄水位從1892.50 m增加到1893.00 m時(shí)，居民點(diǎn)搬遷回水位超過(guò)廬山鎮(zhèn)集鎮(zhèn)居民點(diǎn)集中居住的街道，直遷人口、房屋拆遷面積大幅增加，淹沒(méi)投資相差很大，導(dǎo)致總投資相差很大。正常蓄水位從1890.50 m增加到1892.50 m時(shí)，征地移民投資、總投資分別增加456.62萬(wàn)元、612.82萬(wàn)元。正常蓄水位從1892.50 m增加到1893.00 m時(shí)，征地移民投資、總投資分別增加3694.07萬(wàn)元、4045.50萬(wàn)元。

以單位供水量(供水能力)投資評(píng)價(jià)，正常蓄水位從1890.50 m增加到1892.50 m時(shí)，單位供水量(供水能力)投資從45.71元/m3減小到31.74元/m3，水位越高，單方庫(kù)容投資越小。正常蓄水位從1892.50 m增加到1893.00 m時(shí)，單位供水量(供水能力)投資從31.74元/m3增加到32.03元/m3。正常蓄水位1892.50 m時(shí)，單方水投資最小。

綜上所述，供水需求方面，正常蓄水位1892.50 m、1893.00 m均滿足供水要求。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，正常蓄水位1892.50 m時(shí)，單方水投資最小，正常蓄水位應(yīng)推薦1892.50 m。因此，推薦賴子河水庫(kù)正常蓄水位為1892.50 m。

3 結(jié) 論

水庫(kù)正常蓄水位選擇時(shí)，需要考慮興利、防洪、發(fā)電、地質(zhì)條件、淹沒(méi)投資，以及總投資等因素。本文從兩種情況分析水庫(kù)正常蓄水位選擇所考慮因素，一是當(dāng)水庫(kù)上游無(wú)控制條件，下游無(wú)防洪要求時(shí)，正常蓄水位的選擇著重在最大供水量條件下從地質(zhì)地形條件、淹沒(méi)投資、樞紐工程投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定；二是當(dāng)水庫(kù)上游有控制條件，下游有防洪要求時(shí)，正常蓄水位選擇主要從地質(zhì)、興利、防洪、淹沒(méi)投資，以及樞紐工程投資等方面進(jìn)行分析比較確定。

當(dāng)水庫(kù)上下游無(wú)控制條件時(shí)，在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理?xiàng)l件下，可以最大程度利用水資源；當(dāng)水庫(kù)上下游有控制條件時(shí)，正常蓄水位選擇受到限制，導(dǎo)致水庫(kù)庫(kù)容系數(shù)和水量利用系數(shù)較低。