注入式水库兴利库容调节计算方法探讨----以平凉市崆峒区北杨涧水库为例

金彦兆，卢书超

(甘肃省水利科学研究院 兰州 730000)

平凉市崆峒区北杨涧水库列入全国抗旱应急备用水源工程规划，设计采用注入式年调节水库，分为1号、2号库区。注入式水库兴利库容调节计算不同于一般河床式水库，其水库来水过程同时受控于天然来水过程和引水管道的引水过程，计算过程的最大不同之处在于河床式水库弃水发生在水库蓄满之后，而注入式水库在河道来水流量超过引水管道引水能力之时以及水库蓄满之后均发生弃水，事实上，这两部分弃水均未进入水库，而是通过引水枢纽泄冲闸直接下泄河道。因此，在确定水库调度运行规则的基础上，按照“以需定供”的原则确定引水管道的引水能力，是进行注入式水库兴利库容调节计算的最基本条件。

1 水库工程基本情况

平凉市崆峒区北杨涧水库位于泾河北岸一级支流北杨涧河。北杨涧河发源于崆峒区寨河乡高寨村，属典型的黄土高原丘陵沟壑第二副区，水土流失极为严重。为尽量避免泥沙淤积对北杨涧水库安全运行带来的一系列问题，最大限度合理利用有限水资源，提高供水保证率，规划北杨涧水库采用注入式年调节水库，其水库工程系统主要由引水枢纽、沉沙池、引水管道和水库工程等组成。

北杨涧水库取水枢纽以上控制流域面积237 km2。引水枢纽位于北杨涧河口上游3.0 km处，由进水闸、泄冲闸和溢流坝组成。沉沙池位于引水枢纽下游30 m处的右岸台地上，有效容积7 375 m3。引水管道自沉沙池开始跨过主河道后，沿河道左岸阶地布置，总长3.493 km。水库工程包括1号、2号2座注入式水库，布置在入河口以下的泾河左岸滩涂地上。

2 水库引水枢纽断面可引用水量计算

2.1 引水枢纽断面径流量

北杨涧河流域内无水文测站，但在相邻流域大路河上设有窑峰头水文站，控制流域面积219 km2。北杨涧河与大路河同属泾河一级支流，分析认为具有相近的气象因素及下垫面条件。因此，利用窑峰头水文站水文资料，采用邻近流域水文比拟法，计算得到北杨涧水库引水枢纽断面多年平均径流量为813.89万m3。

2.2 不同频率径流年内分配

如前所述，北杨涧河与大路河具有相近的气象因素及下垫面条件，采用大路河窑峰头水文站作为参证站计算确定水库引水枢纽断面年内径流分配过程。经对窑峰头水文站系列资料进行频率分析，选用窑峰头站典型年年内径流逐月分配比例，计算确定北杨涧水库引水枢纽断面不同频率年内逐月径流分配过程。具体计算结果见表2。

2.3 引水枢纽断面以上用水量及下泄生态流量

根据有关规定，北方河流生态基流原则上不小于多年平均流量的10%，枯水时段不小于同期流量均值的20%。考虑本工程区域特点，非汛期11-翌年4月下泄生态用水量按同期平均径流量的20%确定，5-10月按同期平均径流量的10%确定。具体计算结果见表3。

表1 北杨涧水库引水枢纽断面不同频率径流计算成果表

表2 北杨涧水库引水枢纽断面径流年内分配过程计算结果表 万m3

表3 北杨涧水库引水枢纽断面下泄生态流量计算结果表 万m3

另外，水库引水枢纽断面以上仅分布有零星村落，人口稀少，生活用水量相对较小，除此之外，无灌溉及厂矿企业用水，具体分析时农村人口生活用水量忽略不计。

2.4 引水枢纽断面可引用水量

在前述50%、75%、90%和95%频率径流量基础上，扣除断面上游用水量、生态下泄流量的剩余水量，即为水库引水枢纽断面可引用水量。经计算，50%、75%、90%和95%频率下引水枢纽断面可引用水量分别为663.41、469.19、342.71和286.33万m3。

3 规划水库供水对象及供水过程

3.1 农村生活用水

水库工程规划年供水人口16 877人，农村生活用水定额按60 L/(人·d)计算，设计供水保证率95%。其中大小牲畜用水依靠原有供水系统解决，不计入本水库工程供水范围内。农村生活用水过程计算结果见表4。

3.2 农业灌溉用水

本水库工程规划对区域内492 hm2耕地实施高效节水灌溉，综合毛灌溉定额4 525.33 m3/hm2。其中温室蔬菜占12%，采用滴灌系统灌溉，设计灌溉保证率90%；大田小麦、玉米、胡麻、蔬菜、经济林等占88%，采用管道输水系统灌溉，设计灌溉保证率75%。依据规划确定的各种作物灌溉制度分时段进行灌溉需水计算。农村灌溉用水过程计算结果见表4。

3.3 其他用水及管网漏失量

农村建筑及其他用水按农村生活用水的10%估算，管网漏失按农村生活与农村建筑用水的10%估算，水厂自用水量按平均日供水量的5%计算。具体计算结果见表4。

3.4 水库蒸发损失

水库蒸发损失为水库建成后的水库水面蒸发损失，其值等于水面蒸发强度乘以该月水库水面的平均面积。北杨涧水库水面蒸发强度见表5。

表4 北杨涧水库规划用水对象用水量计算结果表 万m3

表5 北杨涧水库水面蒸发强度分析结果表 万m3

3.5 水库渗漏损失

规划北杨涧水库为注入式水库，坝址地质条件良好，无永久渗漏通道，且规划对库底、坝体均进行防渗处理，渗漏损失相对较小。参考类似工程经验，确定北杨涧水库渗漏损失按水库月平均蓄水量的0.1%计算。

4 引水流量确定

注入式水库引水流量按照“以需定供”的原则确定，即引水量等于规划工程总供水量与水库蒸发、渗漏损失之和。其引水流量应按式(1)计算确定：

W引=W引1+W引2

(1)

其中：

(2)

W引2=10Q·tiQi≥Q

(3)

式中：W引为设计引水量，系非农业用水、农业灌溉用水以及水库蒸发渗漏损失之和，万m3；W引1为典型年月平均可引水流量小于引水流量时的总引水量，万m3；W引2为典型年月平均可引水流量大于引水流量时的总引水量，万m3；Qi为典型年第i月可引水流量，m3/s；Q为引水管道设计引水流量，m3/s；ti为第i月设计引水时间，s。

5 水库特征曲线确定

水库特征曲线包括水库面积曲线和水库容积曲线。本水库设计采用注入式水库，建设在北杨涧河入河口下游的泾河左岸滩涂地上，包括1号、2号两个库区。水库采用半挖半填形式，经人工修整后总体呈梯形结构。为在库容调节计算时方便计算水面蒸发量，绘制水库面积----容积曲线。经回归分析，1号、2号两个库区的水库面积----容积曲线均可近似地用数学方程(4)表示：

S=4.8+0.051V

(4)

式中：S为水库水面面积，万m2；V为相应水面下的水库蓄水量，万m3。

6 兴利库容调节计算

6.1 水库任务及供水保证率

规划水库主要承担农村生活用水和农业灌溉供水任务，其供水保证率分3种情形，其中农村生活供水保证率95%，农业滴灌工程灌溉保证率90%，农业管道灌溉工程灌溉保证率75%。因此，应分3种情形，分别进行水库兴利库容的调节计算。

6.2 调度运行规则

(1)坚持“以供定需”的原则，最大引水量按水库供水对象的需水要求计算确定。

(2)规划1号、2号水库均为年调节水库，并按最合理水文年进行调节计算。

(3)根据水库蓄水情况，清淤检修期安排在每年的6、7、8月轮流进行。

(4)调节计算时，非检修期按1号、2号水库同时均匀蓄水计算。

6.3 水量保障供给规则

在75%来水频率情况下，所有供水对象应全部满足供水；90%来水频率情况下，应首先保证农村生活和滴灌工程供水，其余可供水量用于管道灌溉工程；95%来水频率情况下，除满足农村生活用水外，其余可供水量依次供给滴灌、管灌工程。

6.4 调节计算

6.4.1一次调节计算

1)在75%来水频率下，月最大引水量29.21万m3时(折合最大月平均引水流量0.11 m3/s)，所有用水都能得到满足，水库兴利库容52.99万m3，1座水库即可满足调蓄要求，年总供水量275.09万m3，其中非农业46.97万m3，滴灌18.99万m3，管灌203.56万m3，蒸发5.19万m3，渗漏0.27万m3。

(2)在90%来水频率下，月最大引水量43.95万m3时(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，所有用水都能得到满足，水库兴利库容93.19万m3，年总供水量280.66万m3，其中非农业46.97万m3，滴灌18.99万m3，管灌203.56万m3，蒸发10.46万m3，渗漏0.58万m3。

(3)在95%来水频率下，月最大引水量117.33万m3时(折合最大月平均引水流量0.45m3/s)，所有用水都能得到满足，但水库兴利库容138.40万m3，年总供水量283.24万m3，其中非农业46.97万m3，滴灌18.99万m3，管灌203.56万m3，蒸发12.36万m3，渗漏1.26万m3。

由此可见，在引水流量、水库库容都没有限制的前提下，75%、90%、95%频率年的来水均可满足规划供水要求，但在95%来水频率下，所需引水流量、水库库容均较大，不符合经济利用的原则。因此，在此来水频率下，必须限制低保证率供水，以便减小引水流量和水库库容，降低投资。

6.4.2二次调节计算

95%来水频率情况下，限制低保证率管灌工程供水，按满足65%供水要求考虑，月最大引水量43.95万m3时(折合最大月平均引水流量0.17 m3/s)，可按计划供水，水库兴利库容88.53万m3，年总供水量209.85万m3，其中非农业46.97万m3，滴灌18.99万m3，管灌132.66万m3，蒸发10.57万m3，渗漏0.68万m3。

北杨涧水库兴利库容调节计算结果见表6～表9。

表6 北杨涧水库兴利库容调节计算表(一次调节计算，P=75%) 万m3

表7 北杨涧水库兴利库容调节计算表(一次调节计算，P=90%) 万m3

表8 北杨涧水库兴利库容调节计算表(一次调节计算，P=95%) 万m3

表9 北杨涧水库兴利库容调节计算表(二次调节计算，P=95%) 万m3

6.5 兴利库容确定

在前述一次调节计算75% 、90%来水频率以及二次调节计算95%来水频率计算结果中，按照“保守挑大法”原则，确定北杨涧水库兴利库容为93.19万m3。此时，在75%、90%来水频率情况下，可保证所有规划供水对象的用水需求，在95%来水频率情况下，除保证非生产用水、高标准设施农业温室滴灌用水外，只能保证管灌工程65%的用水需求。

7 结 语

兴利库容是水库工程总体规模的重要组成部分。探讨注入式水库工程兴利库容调节计算方法，科学合理地确定兴利库容，不仅是确定水库工程规模的重要依据，而且对进一步完善水库工程规划设计理论与方法具有重要参考作用和借鉴意义。

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[1] 李常斌. 平凉市崆峒区北杨涧水库工程水资源论证报告书[R]. 兰州：兰州大学，2015.

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