子洲县康家沟水库设计规模论证及运行方式研究

马永胜　王　凯　霍　磊

（陕西省水利电力勘测设计研究院　陕西　西安　710001）



子洲县康家沟水库设计规模论证及运行方式研究

马永胜王凯霍磊

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

摘要子洲县康家沟水库位于子洲县大理河左岸杨家沟入口处，该水库由大理河抽水携砂入库，笔者在引水管道不同抽水设计流量、泵站不同抽水沙限、及水库不同特征水位参数的不同组合边界条件下，建立康家沟水库优化调度模型，进行不同调节方案的计算比选，论证出水库合理的工程规模及其对应的调度运行方式，实现康家沟水库供水效益最优。并对陕北地区类似抽水携砂入库的水库工程有一定借鉴意义。

关键词康家沟水库；抽水携砂；规模论证；运行方式

1　工程概况

子洲县位于陕西省北部、榆林市南端，子洲县降水特点为年际变化大，年内分布不均匀，且多以暴雨形式出现。降水主要在7、8、9三个月，占多年平均降水量的69.8%，且多呈暴雨形式，历时短，强度大，灾害性强。子洲县径流受降水特点的影响，也呈现出年际变化大，年内分配不均，且多以洪水形式出现的特点。大理河属无定河一级支流，发源于陕西省靖边县南部的白于山东侧，自西向东流经陕西省靖边、横山、子洲三县，至绥德县城附近注入无定河，是该县第一大河。康家沟水库大坝位于大理河一级支沟杨家沟上，坝址位于子洲县杨家沟村，坝址上游没有任何建筑控制，杨家沟为大理河左岸的小沟道，流区内沟壑纵横，属黄土丘陵沟壑区。

子洲县康家沟水库是以供水为主，兼有防洪、拦泥任务的综合性水利枢纽工程，水库工程主要任务是通过大理河上的抽水泵站抽取的大理河来水，经输水管道抽水携砂储蓄在康家沟水库中，经过供水管道自流供至子洲县净水厂，为子洲县双湖峪镇、苗家坪镇以及苗家坪工业园区补水。该水库建成后，将是子洲县最大的供水工程，对解决制约子洲县工业园区建设的瓶颈，加快子洲县经济社会发展，提高人民生活水平具有重大意义[1]。

2　方案研究边界条件

2.1大理河可利用径流量

根据大理河抽水断面1964年10月～2013年9月49年长系列逐日水沙过程，大理河抽水断面多年平均天然径流量为1.3亿m3。大理河下游绥德站基本断面以上的用水量统计结果，设计水平年下按照农业年用水量保持不变，非农业年用水量考虑一定增长计算，通过计算绥德站基本断面以上的用水量，采用面积比拟法确定大理河抽水断面上游耗用扣水量。经计算，大理河抽水断面上游多年平均用水量为2871.5 万m3。根据《水资源供需预测分析技术规范》（SL429.2008），北方河流一般采用多年平均年径流量的10%～20%作为河道内最小生态环境需水量，本次采用10%。则大理河抽水断面河道内最小生态环境需水量为1294.5万m3/a，折合流量为0.41m3/s。

根据大理河抽水断面不同沙限比选方案分析，初拟取水断面取水沙限为30kg/m3。扣除断面上游耗用水量并考虑0.41m3/s下泄生态流量，在取水沙限范围内大理河抽水断面的可引水量为4522.6万m3。

2.2泵站设计流量

康家沟水库可调节水量由大理河经泵站抽水携砂入库，因此大理河入库水量受泵站抽水流量限制。

2.3泵站抽水沙限

大理河为多泥沙河流，康家沟水库由泵站抽取大理河径流，不同的水沙系列，对应不同可调节水过程，因此大理河泵站抽水沙限对直接决定引水过程。

2.4设计需水量

根据子洲县双湖峪镇、苗家坪镇二镇国民经济发展水平，依供水区域的社经统计资料，确定设计基准年为2012年，设计水平年为2020年。通过对不同水平年，供需水量测算平衡分析：设计水平年下折算至水源地的缺水量高达691万m3。

2.5其他条件

考虑水库蒸发渗漏损失，以及相关输水损失条件。

3　水库调节计算及运行方式研究

3.1康家沟水库调节计算原则[2]

（1）首先满足大理河抽水断面上游扣水以及下游最小生态流量，在考虑沙限以及取水设计流量下，供给城镇生活、生产用水；

（2）供水对象的供水保证率：城镇生活、工业保证率不低于95%；

（3）调节时段为旬；

（4）调节从1964年10月上旬起、到2013 年9月下旬结束，共49年调节年份，水库从空库起调空库结束，完成整个调节周期。

3.2优化调节模型建立

水资源配置[3]基本原则主要包括：安全性原则；防洪优先原则；公平性原则；宽浅式破坏原则；尊重现有分水协议原则；需水供给优先序原则；各种水源的供水次序规则等。水资源的优化配置原则为水资源可持续利用的高效性、公平性和可持续性，从微观上看，水资源的配置还应遵循高水高用、优水优用的原则。

水资源最优调度的模型一般可分为两大类，第一类为优化模型，该模型能够找出问题的最优解，结果不受人为因素的影响，具有科学性、合理性，但对于复杂的水资源系统。优化模型的描述不可能恰如其分，一定程度上存在建模、求解难度大的问题，而且目前水资源系统问题的研究不再一味地追求“解”的最优性，而逐渐重视方案的满意程度。第二类为模拟模型，该模型是基于系统仿真原理的模拟方法，根据水资源系统可能出现的各种运行工况，建立模型（即调控规则），选择调控参数，然后再计算机上通过大量的模拟试验，从中找出决策者满意的水资源配置方案。这种模型计算简单、不存在维数灾，但计算工作量大，要通过许多次的模拟试验才能获得满意解，适用于求解复杂条件下的水资源调配问题[4]。

通过上述水库调度理论建立康家沟水库调节计算方程及应满足约束条件

（1）水库水量平衡约束

表1　康家沟水库不同正常蓄水位方案调节结果表

图1　康家沟水库调节计算流程图

（2）水库库容约束

Vmin（m，t）一般为死库容，Vmax（m，t）允许的最大库容

（3）水库供给量平衡约束

上述n个节点是水库m的供水对象。

3.3水库特征参数确定

3.3.1不同沙限比选

抽水与沙限原则是：拟合的不同抽水流量与沙限方案应在满足工程任务的要求下，考虑水库抽水的淤积沙量，进行多方案综合比选确定。

根据工程运行方式和调度原则，首先拟定抽水泵站不同的抽水沙限限制选取沙限25kg/m3，30kg/m3和35kg/m3三个方案进行分析比较，沙限25kg/m3方案不能满足水库供水对象工业及城镇生活供水保证率要求；沙限30kg/m3、35kg/m3均能满足水库供水对象工业及城镇生活供水调水量、保证率95%、以及破坏深度的要求。而沙限35kg/m3的工况下，水库的淤积沙量较多，水库有效运用年限必然减小。因此，沙限选择30kg/m3相对较合理。

3.3.2不同抽水设计流量比选

在初拟的30kg/m3沙限的条件下，选取抽水流量0.8m3/s，1m3/s和1.2m3/s三个方案进行分析比较，从满足工程开发任务来看，抽水流量0.8m3/s不能满足水库供水对象工业及城镇生活供水量及保证率要求；抽水流量为1m3/s、1.2m3/s分均能满足水库供水对象工业及城镇生活供水量、保证率要求。在抽水流量1m3/s 与1.2m3/s的工况下，两种方案的多年平均供水量相差不大。而抽水流量1.2m3/s输水管道规模相对偏大投资较多，因此，抽水流量选择1m3/s相对较合理。

3.3.3水库特征水库确定

康家沟水库死水位的确定：综合考虑水库泥沙淤积与供水建筑物的布置要求，由于水库运用30年后，坝前淤积高程为938.82m，考虑工程使用寿命内，均能取到满足保证率要求的供水量，且取水口不产生漩涡，要保证一定的淹没深度。综合分析后确定死水位为940.0m。

按照康家沟水库的运行方式和调节原则，在初选死水位为940m时，进行951m、953m、955m三个正常蓄水位方案比选，其调节结果见表1。

从满足工程开发任务来看，康家沟水库正常蓄水位为951m时，受水对象工业及城镇生活供水保证率为94.7%，不满足工程任务的要求；正常蓄水位953m、955m均能满足受水对象工业及城镇生活供水保证率的要求，而正常蓄水位955m，虽然满足工程任务的要求，但康家沟水库规模稍显偏大，相对而言，蓄水位953m方案规模适中。从工程投资来看，正常蓄水位越高，所需单位引水量投资越大，选择正常蓄水位为953m较合理。

从经济评价角度对满足工程任务要求的Ⅱ、Ⅲ方案进行经济分析，可见，方案Ⅱ对应的经济内部收益率为10.88%，方案Ⅲ对应的经济内部收益率为10.60%，两方案均满足8%的社会折现率，均具有可行性，但方案Ⅱ对应的经济内部收益率较大，正常蓄水位953m对应的方案Ⅱ更为合理。

通过上述技术经济比较，正常蓄水位为953m的方案较优。

3.4调节结果分析

3.4.1水库特征参数

拟合的不同抽水流量与沙限在满足工程任务要求下，抽水泵站在30kg/m3与对应其抽水流量1m3/s时，泵站运行经济合理。考虑水库抽水的淤积沙量综合考虑康家沟水库泥沙淤积与供水建筑物的布置要求，确定死水位为940m。在满足受水对象工业及城镇生活用水情况下，进行多方案调节比选以正常蓄水位953m较优。

3.4.2水库运行方式

考虑生态基流及取水口断面沙限情况下，工程从大理河抽水向受水区供水，若满足受水区需水要求，余水进行充库；若不满足，则水库相机供水。当水源取水口不满足断面生态基流和取水沙限的状况时，利用康家沟水库调蓄进行供水，满足各受水区的供水任务要求。

4　结论

上述，通过对子洲县康家沟水库在引水管道不同抽水设计流量、泵站不同抽水沙限、及水库不同特征水位参数的不同组合边界条件下，建立康家沟水库优化调度模型，进行不同调节方案的计算比选，论证出水库合理的工程规模及其对应的调度运行方式，其过程对陕北地区多泥沙河流修建反调节水库，具有借鉴意义，水库规模论证及调度运行方式确定需综合考虑水文、地质、流域水沙系列特性、及供水要求特点，进行多方案组合比选，通过建立优化调度模型，律定调度调节各参数，模拟水库调度过程，最终在“方案集”中选出“最优解”。由于各水库特性以及模型边界条件的不同，寻求“最优解”的过程也不完全一样，但均应基于技术经济比选寻找各平行方案“拐点”这一原则。陕西水利

参考文献

[1]《陕西省榆林市子洲县康家沟水库可研报告》，陕西省水利电力勘测设计研究院，2015.3.15

[2]调水工程设计导则（SL430.2008）[S] .北京：中国水利水电出版社,2008(12)

[3]黄强畅建霞水资源系统多维临界调控的理论与方法[M].北京：中国水利水电出版社,2007(8)

[4]畅建霞黄强王义民南水北调中线工程水量仿真调度模型研究[J].北京：水力学报, 2002(12)21—25.

（责任编辑：畅妮）

中图分类号：TV697

文献标识码：A