庹世華，陳永娟

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

金昌市位于甘肅省河西走廊中部的戈壁灘上，市內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，是一個(gè)以采、冶、煉鎳鈷族等有色金屬為主的資源型工業(yè)城市，現(xiàn)己形成有色冶金、化工、建材、能源四大支柱產(chǎn)業(yè)體系，被譽(yù)為“中國的鎳都”。市內(nèi)主要河流為東大河、西大河和金川河，各河上分別建有皇城水庫、西大河水庫和金川峽水庫，皇城水庫主要為永昌縣東河灌區(qū)提供水源，同時(shí)向金川峽水庫和肅南縣調(diào)水；西大河水庫主要為永昌縣西河灌區(qū)提供水源，同時(shí)承擔(dān)向金川峽水庫、山丹馬場以及四壩灌區(qū)的調(diào)水任務(wù)；金川峽水庫是金昌市金川區(qū)生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源。

金昌市工業(yè)地位尤為突出，近些年需水量逐漸增加，根據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》2020水平年重點(diǎn)治理措施“結(jié)合渠道電站建設(shè)，完成東大河、西大河向金川峽水庫專用輸水渠的改造，從東大河向金川峽水庫輸水1.28億m3，西大河向金川峽水庫輸水0.40億m3，實(shí)現(xiàn)金昌市范圍內(nèi)永昌縣和金川區(qū)水資源配置目標(biāo)?！蹦壳坝捎诮鸫◢{水庫調(diào)節(jié)能力有限，水庫庫區(qū)周邊群眾居住密集，且水庫上游3km處為省級重點(diǎn)文物保護(hù)區(qū)—圣容寺，不具備實(shí)施大壩加高的條件，無法實(shí)現(xiàn)增容擴(kuò)建，致使流域配水指標(biāo)未能充分利用，供水矛盾日益突出。因此擬在金川峽水庫下游4.0km處的金川河上修建韓家峽水庫，與金川峽水庫、皇城水庫、西大河水庫形成串、并混聯(lián)的水庫群，四庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，充分高效利用配水指標(biāo)，保障金昌市金川區(qū)用水需求，提高城市供水保證率，緩解水資源供需矛盾。四庫位置如圖1所示。

圖1 四庫位置示意圖

1 徑流

東大河、西大河均為石羊河支流，徑流具有年內(nèi)分配不均勻，年際變化小等特點(diǎn)。東大河發(fā)源于祁連山脈東段冷龍嶺北麓，流域地勢由西南向東北傾斜，流域上游分為東西兩岔，至皇城鄉(xiāng)大湖灘附近匯合后稱為東大河，在皇城鎮(zhèn)附近匯入皇城水庫。西大河發(fā)源于祁連山脈中段金瑤嶺北麓，上游主要由五條支流組成，是西大河的主要產(chǎn)流區(qū)，各支流于三個(gè)洞掌一帶匯合后流入西大河水庫。通過對東大河、西大河1955—2018年64年實(shí)測徑流系列頻率分析計(jì)算，采用P-Ⅲ型曲線適線，求得東大河多年平均徑流量為2.91億m3；西大河多年平均徑流量為1.58億m3。東大河、西大河年徑流設(shè)計(jì)成果見表1。

表1 東大河、西大河徑流成果計(jì)算表

金川河發(fā)源于永昌縣城以西紅廟墩、南泉一帶，主要由西大河地表水沿途滲入地下潛流至下游以泉水形式露頭后再匯聚各泉而成，此后由西向東流，至北海子右納東大河二壩渠水量后折轉(zhuǎn)向北流至金川峽水庫。2003年引硫濟(jì)金工程建成后，從青海省門源縣境內(nèi)的硫磺溝引水經(jīng)西大河水庫、西金輸水渠入金川峽水庫。根據(jù)金川河泉水資料統(tǒng)計(jì)，多年平均泉水量為5455萬m3，P=50%的泉水量為5383萬m3，P=85%的泉水量為4337萬m3，P=95%的泉水量為3793萬m3。

2 水資源配置

2.1 需水量

韓家峽水庫供水對象與金川峽水庫一致，為金昌市金川區(qū)城鄉(xiāng)生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)田灌溉需水和生態(tài)需水。按照區(qū)域現(xiàn)狀社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)行業(yè)需水定額指標(biāo)預(yù)測設(shè)計(jì)水平年金川區(qū)需水總量為16090萬m3，其中城鄉(xiāng)生活需水量2914萬m3，工業(yè)需水量7595萬m3，農(nóng)業(yè)需水量4246萬m3，生態(tài)需水量1335萬m3。需水過程見表2。

2.2 水資源配置

水資源配置優(yōu)先解決城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水，適度增加生態(tài)用水和發(fā)展高效農(nóng)業(yè)用水。區(qū)域地下水允許開采量0.87億m3，地下水主要用于灌區(qū)高效節(jié)水面積和八一農(nóng)場灌溉用水，開采量不得超過允許開采量，控制灌溉面積18.17萬畝；地表水主要用于金昌市城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)用水、生態(tài)用水及農(nóng)田灌溉用水，配置地表水供水15103萬m3；中水主要配置金川區(qū)城鎮(zhèn)生態(tài)用水，配置中水987萬m3。地表水配水過程見表3。

表3 金川區(qū)地表水配水過程表 單位：萬m3

3 徑流調(diào)節(jié)

3.1 調(diào)節(jié)原則

(1)韓家峽水庫來水過程受東大河皇城水庫、西大河西大河水庫和金川河金川峽水庫來、用水影響，水庫規(guī)模確定需皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫四庫聯(lián)合調(diào)節(jié)。

(2)充分發(fā)揮金昌市皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫現(xiàn)有調(diào)蓄功能，滿足下游生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求。

(3)皇城水庫、西大河水庫各用水對象供水保證率不同，當(dāng)來水量不能滿足全部用水需求時(shí)，優(yōu)先滿足保證率高的生活工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水遭到一定程度的破壞，破壞深度20%。

(4)徑流調(diào)節(jié)中，韓家峽水庫壩址來水在滿足下游生態(tài)基流的前提下，優(yōu)先解金川區(qū)城鄉(xiāng)生活用水和工業(yè)用水，其次用于生態(tài)和農(nóng)田灌溉，并考慮水庫投資效益，使得單位投資的供水效益最大化。

3.2 計(jì)算條件

(1)金川峽水庫、皇城水庫、西大河水庫以當(dāng)前興利庫容為基礎(chǔ)條件，并充分考慮水庫汛限水位的影響。金川峽水庫始建成于1959年，總庫容6500萬m3，興利庫容為5500萬m3。經(jīng)2001年對水庫庫容進(jìn)行實(shí)測，水庫平均每年淤積17萬m3，推算2020年水庫興利庫容5020萬m3。皇城水庫始建于1974年， 1985年建成蓄水，水庫總庫容8000萬m3，興利庫容6400萬m3，死庫容800萬m3；西大河水庫建于1968年10月，1974年建成蓄水，水庫總庫容6800萬m3，興利庫容5430萬m3，死庫容300萬m3。

(2)依據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》水資源配置方案，東大河皇城水庫每年向金川峽水庫調(diào)水12800萬m3，輸水效率85.5%，調(diào)至金川峽水庫水量10944萬m3；西大河水庫每年向金川峽水庫足額調(diào)水4000萬m3，輸水效率70%，調(diào)至金川峽水庫水量2800萬m3。

(3)東大河皇城水庫大流量調(diào)水避開灌溉高峰期，調(diào)水時(shí)間盡量安排在非灌溉期，減少調(diào)水與農(nóng)業(yè)灌溉爭水矛盾，灌溉間歇小流量調(diào)水；西大河調(diào)水流量較小，冬季輸水易結(jié)冰，盡量安排在灌溉間歇調(diào)水。

(4)韓家峽水庫、皇城水庫、西大河水庫、金川峽水庫蒸發(fā)損失由永昌縣氣象站實(shí)測資料求得，水庫各月滲漏損失量根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件按水庫平均蓄水容積的0.5%估算。

(5)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)SL/Z322—2011《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》6.2.3條“對于河道生態(tài)需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定”。本次設(shè)計(jì)以多年平均流量的10%作為河道的最小生態(tài)環(huán)境需水量。金川河自產(chǎn)徑流多年平均流量為1.73m3/s，生態(tài)基流量為546萬m3。

3.3 計(jì)算方法

韓家峽水庫和金川峽水庫供水范圍、供水對象一致，且兩庫之間無其他徑流匯入，以金川峽水庫壩址所需興利庫容減去金川峽水庫設(shè)計(jì)水平年的興利庫容即為韓家峽水庫的興利庫容。

金川峽水庫壩址來水由西大河調(diào)水、東大河調(diào)水以及區(qū)間泉水三部分組成，由于20世紀(jì)70—80年代調(diào)水資料缺失，不具備長系列調(diào)節(jié)的條件，文章徑流調(diào)節(jié)計(jì)算采用設(shè)計(jì)代表年法。根據(jù)不同供水對象的保證率，分別選取選取保證率為50%、85%和95%的來水作徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，先將東大河、西大河50%、85%和95%來水過程與用水過程進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，在各自水庫的調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)按照調(diào)水時(shí)間向金川峽水庫調(diào)水，得到東大河、西大河向金川峽水庫調(diào)水過程。該調(diào)水過程與金川河泉水過程組合成金川峽水庫壩址來水過程。以金川峽水庫壩址來水過程和金川區(qū)用水過程進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，得到的興利庫容減去金川峽水庫設(shè)計(jì)水平年的興利庫容即為韓家峽水庫的興利庫容，如圖2所示。

圖2 韓家峽水庫調(diào)節(jié)計(jì)算流程圖

3.4 徑流調(diào)節(jié)

3.4.1西大河水庫調(diào)入金川峽水庫水量

西大河入庫水量為西大河自產(chǎn)水量和引硫濟(jì)金工程引入水量二者之和，水庫供水任務(wù)主要包括向金川峽水庫、馬場、四壩灌區(qū)調(diào)水以及向西河灌區(qū)的生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)灌溉供水。西大河水庫通過西金干渠向金川峽水庫輸水，采用非灌溉期輸水，年調(diào)出水量4000萬m3。首先根據(jù)西金干渠的輸水時(shí)段，初步確定西大河水庫向金川峽水庫歷年的調(diào)水過程和調(diào)水量；然后，將試算出的調(diào)水過程與西河灌區(qū)的需水過程同時(shí)輸入興利計(jì)算程序，再次進(jìn)行多用水戶不同保證率的興利調(diào)節(jié)計(jì)算，得到符合保證率要求的調(diào)出水量過程。西大河水庫向金川峽調(diào)水過程見表4。

表4 西大河水庫向金川峽調(diào)水過程 單位：萬m3

3.4.2皇城水庫向金川峽水庫調(diào)水量

皇城水庫供水對象主要包括金昌市東河灌區(qū)、金川峽水庫調(diào)水以及張掖市肅南縣部分用水?；食撬畮煜蚪鸫◢{水庫輸水是通過東大河峽谷口，經(jīng)東大河渠首和東河總干渠、二壩輸水干渠完成，輸水效率為0.855?；食撬畮煜蚪鸫◢{水庫的調(diào)水時(shí)間沿用現(xiàn)行的調(diào)水時(shí)間，一方面避開農(nóng)業(yè)用水的高峰期，減少與農(nóng)業(yè)爭水的矛盾；另一方面皇城水庫的冬季來水量相對較大且比較穩(wěn)定，調(diào)水時(shí)間確定為：11- 4月基本以固定流量調(diào)水，5、6月基本不調(diào)水或者少調(diào)水，剩余水量7—10月調(diào)水，年調(diào)出水量12800萬m3?；食撬畮煜蚪鸫◢{調(diào)水過程見表5。

表5 皇城水庫向金川峽調(diào)水過程 單位：萬m3

3.4.3區(qū)間泉水量計(jì)算

由于金川峽水庫實(shí)測入庫流量已非天然過程，其入庫水量受二壩渠調(diào)水量、引硫濟(jì)金調(diào)水量及西大河灌區(qū)用水量影響。

本文以2000—2018年金川河自產(chǎn)水資源作為設(shè)計(jì)水平年的金川河(泉水)徑流量，并對之前的徑流資料進(jìn)行還原處理，扣除上游水庫下泄水量、調(diào)水量等對徑流系列的影響。金川河多年平均自產(chǎn)水量為5455萬m3，多年平均入庫流量為1.73m3/s。

3.4.4徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

設(shè)計(jì)水平年金川區(qū)總需水量16090萬m3，配置中水987萬m3，需配置地表水15103萬m3。設(shè)計(jì)水平年金川峽水庫壩址P=50%保證率來水量為22142萬m3，扣除生態(tài)基流546萬m3后可調(diào)節(jié)水資源量為21597萬m3。經(jīng)逐月來、用水調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為3415萬m3，尚未達(dá)到金川峽水庫興利庫容，韓家峽水庫興利庫容為0；P=85%保證率來水量為18243萬m3，扣除生態(tài)基流后可調(diào)節(jié)水資源量為17697萬m3。經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為5541萬m3，扣除金川峽水庫興利庫容5020萬m3，韓家峽水庫興利庫容為521萬m3；P=95%來水量為17765萬m3，扣除生態(tài)基流后可調(diào)節(jié)水資源量為17220萬m3，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算，韓家峽(金川峽)所需興利庫容為5730萬m3，扣除金川峽水庫興利庫容后韓家峽水庫興利庫容為710萬m3。經(jīng)過徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，P=50%、P=85%和P=95%保證率下，韓家峽水庫的興利庫容分別為0、52、710萬m3。韓家峽水庫(金川峽壩址)徑流調(diào)節(jié)示意圖如圖3所示。

圖3 韓家峽水庫(金川峽壩址)徑流調(diào)節(jié)示意圖

3.4.5水庫正常蓄水位及規(guī)模確定

從壩址及庫區(qū)地形地質(zhì)情況、供水效益、庫區(qū)淹沒、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工難度等各方面進(jìn)行分析考慮，選取1822.76、1825.70、1826.70m三個(gè)方案進(jìn)行正常蓄水位比選，見表6。

表6 韓家峽水庫正常蓄水位比選表

經(jīng)比較，三種方案在工程建設(shè)難度上、淹沒影響角度無太大差別，地質(zhì)條件也均達(dá)到要求，從經(jīng)濟(jì)因素分析，正常蓄水位1825.70m方案在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上為最優(yōu)方案。因此，從受水區(qū)供水保證程度、工程投資，淹沒影響范圍等方面比較，確定韓家峽水庫正常蓄水位為1825.70m，相應(yīng)庫容為850萬m3，興利庫容為710萬m3。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)不同保證率韓家峽水庫、金川峽水庫、皇城水庫和西大河水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)計(jì)算，最終確定金川峽水庫壩址興利庫容為5730萬m3，扣除金川峽水庫設(shè)計(jì)水平年的興利庫容5020萬m3得到韓家峽水庫興利庫容為710萬m3。

(2)混聯(lián)各水庫供水對象不同，保證率不同，要綜合考慮上下游用水關(guān)系，供水保證率高用水戶的優(yōu)先滿足，供水保證率低用水戶的可按一定比例縮減供水。

(3)串并混聯(lián)水庫下游來水量受上游各水庫來、用水的影響，規(guī)模確定時(shí)需上、下游水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，在充分發(fā)揮上游各水庫的效益的前提下，確定合理的水庫規(guī)模。

(4)水庫規(guī)模論證需綜合考慮水文、地質(zhì)、供水及投資等各方面因素，進(jìn)行多方案比選，選取合理的規(guī)模，使得單位投資供水效益最大化。