浅议引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题

刘家宏，严伏朝，牛存稳，徐 鹤，秦 涛，杨 浩

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室，陕西 西安 710032）

浅议引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题

刘家宏1，严伏朝2，牛存稳1，徐 鹤1，秦 涛2，杨 浩2

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室，陕西 西安 710032）

引汉济渭工程是解决陕西关中地区缺水问题的战略性骨干调水工程。引汉济渭的水源区与南水北调中线工程水源区部分重合，为优先保障南水北调中线工程的供水水源，留给引汉济渭的可调水过程极不均匀，供水和用水需求过程匹配性差。引汉济渭工程建成后，配水系统的调蓄能力成为工程供水效益能否充分发挥的关键。本文从调蓄节点选址及工程设计参数、配水管网的流量设计参数、调蓄方案及其运行管理机制和地下水参与调蓄的边界条件及运用原则四个方面探讨了引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题。

引汉济渭；配水工程；调蓄研究；南水北调；关中平原

引汉济渭工程是陕西省为解决关中地区缺水问题而建设的跨流域骨干调水工程［1］，如图1所示。该工程由“两库、两电、两泵、一洞两段和一网”组成。其中“一网”是从宝鸡至渭南的关中整体供水管网，即引汉济渭配水工程。蒋建军［2］等研究分析了引汉济渭主体工程的七个关键技术问题，对配水工程的调蓄问题没有深入讨论。由于引汉济渭工程水源区与受水区丰枯同步的概率较大，其年际调蓄问题突出［3］。世界各国已完成的重大调水工程中，水资源调运和蓄存是两大核心组成部分。美国加州的“北水南调”工程设计输水量为52.2亿m3/a，目前实际调水量约为40亿m3/a，共设置调蓄水库29座，总库容超过80亿m3，调蓄水库在整个工程中占有重要地位。美国加州“北水南调”工程取水水源地有巨大的奥洛维尔（Oroville）水库（库容43.7亿m3）可供调蓄，配水工程中部有圣路易斯（San Louis）水库（为旁侧水库，库容25.2亿m3）可供调蓄［4］。相比之下引汉济渭工程大型调蓄水库只有两座，分别为渠首的黄金峡水库和中部的三河口水库，库容分别为2.36亿m3和6.8亿m3，考虑到防洪要求，其水资源调蓄能力十分有限。南水北调中线工程作为跨流域长距离调水的特大型工程，因沿线没有调蓄工程，对沿线众多用水户的供水调度将非常困难。傅长锋［5-6］、娄华君［7］等研究了南水北调中线工程的水量调蓄问题及对策，分别提出了通过河北省徐水市瀑河水库调蓄以及海河平原地下水库水量置换调蓄方案。本文重点探讨引汉济渭配水工程的调蓄问题。

1 引汉济渭配水工程调蓄问题

引汉济渭工程建成后，要充分发挥工程的供水功能，主要面临以下5个方面的困难：（1）引汉济渭的水源区与南水北调中线工程的水源区部分重叠，受制于南水北调中线工程，其大部分引水量主要在汛期，而受水区需水过程的年内分配较为均匀，供求过程线严重不匹配（如图2）；（2）引水线路上的两个重要调蓄水库——黄金峡水库和三河口水库，正好位于秦岭南坡的暴雨集中区，其防洪调度功能和水资源调蓄功能存在一定的冲突；（3）配水线路上的最大调蓄水库——三河口水库位于秦岭南坡，距受水区终端用户80～200 km，对用水需求过程变动的反应时间较长，存在远水解不了近渴的问题；（4）与受水区临近的秦岭北坡缺乏好的建库条件，隧洞出口黄池沟至关中地区沿途难以建设大型调蓄工程，使得秦岭隧洞自流而下的水资源不能得到有效的调节，流域内各城市用水依然严峻；（5）水源区取水断面径流年际变化大，可调水量年际波动剧烈（图3，统计时段为水文年，即前一年的7月初至当年的6月底），长系列年际调蓄问题十分突出。

图1 引汉济渭工程主要配水节点示意图

图2 引汉济渭工程1955—2007年历年逐旬可调水量、平均旬调水量与旬需水量对比（单位：万m3）

根据引汉济渭工程的实践需求，调蓄工程应重点解决工程来水与关中供水网之间的衔接、调蓄、耦合，调蓄节点及调蓄水库的选址以及具体参数的确定极为重要；另外，对于关中水网而言，调蓄节点出口与水网之间的耦合参数设计也很重要，需要计算出较小时间尺度上的管网流量的连续过程。本文主要从调蓄节点选址及工程参数、配水管网的流量设计参数、调蓄方案及其运行管理机制、地下水参与调蓄的边界条件及运用原则四个方面探讨引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题。

图3 引汉济渭工程1955—2008历年（水文年）可调水量与需水量的对比

2 调蓄节点选址及工程参数

引汉济渭配水系统的调蓄节点的选址是制定调蓄方案、协调供用水矛盾的重要基础。与南水北调中线工程相比，引汉济渭配水工程调蓄节点的设置要复杂得多，具体理由如下：

引汉济渭工程调水流量过程的变幅更大，如图2所示，同是五月中旬，水量丰富时，调水流量接近需水的2倍，水量少时，调水流量为零。而工业和生活需水过程相对稳定，如果没有强大的调蓄能力，任何一个供水网络系统都会因缺水而“崩溃”。相比而言，南水北调中线的调水过程优先级高，其调水过程比引汉济渭工程要稳定得多。正因为如此，南水北调工程的调蓄节点一般设置在受水口门一侧，即骨干供水网络的末端。如果引汉济渭工程的调蓄节点也照此设置，则其骨干管网的过流能力至少要按照其调水流量过程的外包线设计，差不多是实际需水流量的2倍，而其过流断面就要大许多，配水管网的投资成本也将成倍增加。因此，引汉济渭的调蓄节点需要集中靠前设置，尽量靠近隧洞出水口，这样配水管网的设计过流能力就可以适当减小，降低工程投资。不幸的是引汉济渭隧洞出口没有建设大型调蓄水库的条件，因此只能在输水沿线寻找合适的位置布置调蓄节点。

引汉济渭工程的终端用水户在平原区，调蓄节点的设置对现有的居民点、产业结构布局造成一定的影响。因此，调蓄节点选址需在引汉济渭供水过程和受水区用水过程分析的基础上，通过野外勘探、与当地部门座谈，结合地形、环境和移民补偿分析，优化提出经济、合理的方案。管网调蓄节点之间具有互补性和可替代性，不同点位上的调蓄需求可以集中在某些关键点位上统一解决，即在若干个小的调蓄池可由一个关键节点上大的调蓄池所代替。这样结合国土空间规划，可以营造若干既有调蓄功能、又有生态景观功能的地表调蓄水库，一方面促进当地的水生态文明建设；另一方面也可以避免调蓄点太小、太分散，难以管理，水质无法保障。

调蓄节点的位置确定后，其工程设计参数，即调蓄容量的优化也是一个关键问题。调蓄容量选择太大，征地拆迁多，工程造价高；调蓄容量小，工程造价低了，但其下游的配水管网设计成本又高了。因此需要针对每一个调蓄节点的工程设计参数进行系统的方案优化。调蓄节点的工程设计参数还涉及到配水工程运行调度、可供水量在年内过程的分配和供水保证率等。在参数遴选过程中要避免设计的节点规模过大，造成工程闲置，投资浪费；同时也要避免设计的规模过小，影响调蓄工程作用的发挥，造成弃水，影响整个调水工程的效益发挥。

3 配水管网的流量设计参数

引汉济渭工程空间跨度较大，管网所经地区自然地势等条件有很大的差异，所以需要进行分段设计。而分段的依据则来自引水工程各段的调蓄配置方案，在配水管道寿命期内考虑经济发展和人民生活用水水平提高等因素，计算不同调蓄方案下各段管道的过流能力要求。引汉济渭工程配水管网的流量设计参数包括管段设计流量、过流形式的选取、断面形状、坡度、坡降和管径等关键指标。其中，管段的设计流量是关键中的关键，需要针对长系列的来水过程，考虑调蓄节点的蓄泄调度方案、用水户不同规划水平年的需水过程等，模拟仿真计算各管段的流量过程，取其流量外包线，再加上一定的安全余量后确定。完成这一工作需要建立输水隧洞与受水区管网和耦合系统模型，设置不同情景，并对不同情况下管道的水流过程进行细时间尺度的过程模拟，包括有压流、无压流等，还涉及明渠和暗管等不同形式。现有的水动力学模型难以直接应用于引汉济渭工程配水管网的设计中，需要针对引汉济渭的特殊情况进行适应性的开发。目前的工程方案中，引汉济渭配水工程的供水过程主要受控于三河口水库的调蓄作用。从三河口水库至黄池沟的引水通道为无压隧洞，全程自流输水；且受水区节点众多、需水要求复杂多变。引汉济渭工程自身的复杂性和独特性使其配水管网水动力学模拟没有可以直接借鉴的工程和模型实例，因此必须针对引汉济渭配水工程的实际特点，构建相应的输水隧洞与受水区管网的耦合系统模型，进而确定配水管网的分段设计参数。

4 调蓄方案及其运行管理机制

引汉济渭配水工程的调蓄方案直接决定其直接和间接效益。调蓄方案主要指：不同来水和用水情景下调蓄池的蓄泄方案、调蓄池的运用时序和管理机制等。由于水文不确定性客观存在，引汉济渭的来水过程必然是随机波动的；在投资规模、地形等约束条件下，配水工程的调蓄容量也不可能做到足够大；因此系统在调蓄能力用尽的情况下不可避免地会出现缺水或弃水现象。在编制调蓄方案时首先要明确3个基本问题，即缺水可以缺在哪些地方、哪些地方是必须保障和弃水要放给哪些景观生态系统，需要事先根据用水类型确定不同用水户的用水保证率，用户的优先级，在系统缺水状态下做到有序满足以保障发挥最大的效益，减少灾难性的事件发生，同时明确弃水时生态供水的范围。除此之外，运行管理机制还需要多方协调，包括做好对调蓄工程的维护、防渗和水源地保护等。

调蓄方案的具体制定包括以下步骤：首先分析引汉济渭工程的供水过程和受水区的用水过程，包括现状的用水结构和用水水平、供水结构和工程布局、现状生态格局等，拟定调蓄方案的边界条件，设定调蓄情景方案；其次要参照受水区原有调蓄工程情况以及区域社会经济、生态环境、产业结构等规划，划定供水优先级和生态供水范围；第三，要根据第一步设置的情景方案，结合引汉济渭配水系统调蓄节点及其调蓄参数，对情景方案进行模拟，采用专家经验及博弈机制，推荐引汉济渭受水区典型年来水和用水过程下科学合理的调蓄方案集；最后，在调蓄方案集的基础上，制定引汉济渭配水工程调蓄节点的运行管理机制。

5 地下水参与调蓄的边界条件及运用原则

上述调蓄节点选址、调蓄工程规模设计等只能应对常态情景下的调蓄问题，即解决了平水年的年内过程调蓄问题。在引汉济渭水源区发生特殊干旱、洪涝等极端情景下，地表调蓄能力会明显不足，即引汉济渭的年际调蓄问题并没有解决。引汉济渭工程的水源区与南水北调工程的水源区部分重合，在枯水年份，为保证南水北调中线工程的调水需求，引汉济渭的可调水量会大打折扣。例如1996年（水文年）这样的枯水年份，引汉济渭的实际可引水量不足7亿m3，比设计调水规模15亿m3少8亿m3。为保障引汉济渭配水对象的用水安全，需要动用关中地下水进行调节。引汉济渭配水工程调蓄研究须在摸清受水区现状地表/地下水供水结构的基础上，提出枯水年份地下水参与调蓄的边界条件及运用原则。概括来说边界条件主要包括两条。第一条边界是触发边界，即引汉济渭来水少于多少时，就要启动地下水参与供水。这条边界由配水系统中各用水户的刚性用水量决定，所谓刚性用水量就是能维持系统不崩溃的最低供水量，低于这个水量，供水系统就将发生破坏，带来灾难性后果。第二条边界是控制边界，即地下水参与调蓄的总量上限控制阈值，超过这一阈值，将会对地下水系统的地质结构造成破坏，引起地面沉陷等地质灾害。控制边界需要根据参与调蓄的地下水源地的水文地质特性、补给和排泄关系等情况决定。这两条边界确定后，运用原则即可表述如下：（1）当引汉济渭来水低于触发边界，且调蓄池里的存水用尽的情况下，启动地下水源参与调蓄；（2）当引汉济渭来水量增加，高于触发边界时，关闭地下水源；（3）当引汉济渭来水长期低于触发边界，地下调蓄水源供水量累计超过控制边界时，为避免地下水超采带来的不可恢复的地质灾害，关闭地下调蓄水源，允许配水系统出现局部甚至全局性破坏。这三条运用原则体现了对地下水源供水采取有限目标、有限供水的思想，宁愿让地表缺水，也不让地下因过度供水而造成地质破坏。除了地下水参与调节外，枯水年份还可以考虑抓汛期尾巴的方案，把水源区汛期末的水调到岭北，抽灌到黑河、石砭峪等相关水库中存放，以备非汛期用水之需。相应地，在丰水年份应考虑将多余的水量回灌到地下，弥补枯水年份地下水参与调节造成的亏空，实现地下水的采补平衡。

6 结论和建议

引汉济渭工程设计年调水量15亿m3，配水工程调蓄库容有限，且受南水北调中线工程优先调水的影响，调水过程与实际需水过程不匹配，工程弃水和缺水的风险并存。本文初步分析了引汉济渭配水工程调蓄的几个关键问题，其主要结论如下：（1）调蓄节点选址要在地形和占地等条件允许的前提下尽量靠近输水隧洞一侧，这样可以缩减调蓄节点以下的输水管线规模，节省投资；（2）配水管网流量设计参数的确定需要建立输水隧洞与受水区管网和耦合系统模型，针对长系列的来水过程开展细致的情景模拟确定各管段设计流量和断面面积等；（3）明确了调蓄方案制定的三个基本问题和三个具体步骤；（4）提出了地下水参与调节的触发条件、控制条件及相应的运用原则。初步的分析结果显示引汉济渭配水工程的调蓄难度比南水北调中线工程的调蓄难度更大，为了实现各用水户对用水需求的有序满足，提升关中地区的水资源保障程度，建议在引汉济渭配水工程可行性研究阶段开展调蓄专题研究，优化调蓄工程的布置方案，同时合理设计地下水应急调蓄工程。

［1］ 杨晓茹，费良军，张永永，等.引汉济渭调水工程受水区水资源优化配置研究［J］.水利与建筑工程学报，2012，10（4）：6-10.

［2］ 蒋建军，刘家宏，严伏朝，等 .浅议引汉济渭几个关键技术问题［J］.南水北调与水利科技，2010，8（5）：133-136.

［3］ 王伟，钟永华，雷晓辉，等 .引汉济渭工程水源区与受水区丰枯遭遇分析［J］.南水北调与水利科技，2012，10（5）：23-36.

［4］ 王光谦，欧阳琪，张远东，等.世界调水工程［M］.北京：科学出版社，2009.

［5］ 傅长锋.南水北调中线在线调蓄工程分析［J］.南水北调与水利科技，2005，3（5）：6-8.

［6］ 傅长锋，张米军.南水北调配套调蓄工程技术研究及设计要点［J］.水利水电技术，2005，36（4）：65-67.

［7］ 娄华君，李涛，王宏 .南水北调中线工程的水量调蓄问题及对策［J］.应用基础与工程科学学报，2004，12：167-172.

Key Issues on water distribution system of the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River

LIU Jia-hong1，YAN Fu-chao2，NIU Cun-wen1，XU He1，QIN Tao2，YANG Hao2
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Coordination Leading Group Office of Water Transfer Project from Hangjiang River to Weihe River，Xi’an 710032，China）

The water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River is a strategic system on water resources allocation in Shaanxi province.The water source area of the water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River overlap that of the South to North Water Transfer project.To ensure the water supply of the South to North Water Transfer project，the process of water available for the water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River was uneven.So there was poor matching be⁃tween water transfer processes and water demand processes.When the project went into operation，the stor⁃age capacity of the water distribution system became the key issue of enhancing water supply benefits.This paper has made a preliminary discussion about the issue of storage capacity of the project，especially in four aspects：the location and engineering parameters of the reservoirs，the design discharge of the water supply pipe network，regulation scheme and its operation rules，utilization of groundwater and water storage.

the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River；water supply pipe network；Di⁃version and Storage Project；South to North Water Transfer；the Guanzhong Plain

TV212.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.004

1672-3031（2014）03-0244-05

（责任编辑：王成丽）

2014-02-25

国家自然科学基金（51279208，51021066）；陕西省引汉济渭工程科研专项“引汉济渭配水工程调蓄基础研究”

刘家宏（1977-），男，湖北钟祥人，博士，教授级高级工程师，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：liujh@iwhr.com