鹤岗市水库群优化调度运用构想

张志林，吴明官

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 城市供水水源地概况

鹤岗市现有城市供水水源工程，主要有五号水库，设计供水能力3.5万m3/d，现状实际供水能力4.0万m3/d，净水厂实际供水能力8.6万m3/d；细鳞河水库，设计供水能力6.5万m3/d，现状实际供水能力7.0万m3/d；小鹤立河水库，原设计供水能力2.0万m3/d，增容扩建后现状实际供水能力5万m3/d；还有煤矿疏干水等其它水源。

1.1 细鳞河水库

细鳞河水库在鹤岗市区北30km，位于梧桐河支流细鳞河上，为鹤岗矿务局所建，该水库通过30km输水管线，经北山配水池净化后为鹤岗矿区及兴山区、东山区、向阳区部分地区及兴安区部分地区工业生产和居民生活供水。

水库坝址以上集水面积564km2，多年平均年径流量151×106m3。总库容3200×104m3，调节库容2129×104m3，设计年供水能力2373×104m3，现状年供水量为2445×104m3。建设时间1984年，拦河坝顶长度325m，溢流坝长度103m。

1.2 小鹤立河水库

小鹤立河水库是全省第一座将除险加固与扩建相结合进行的水库。该水库增容扩建工程于2008年7月开工，2012年7月竣工，是鹤岗市第二水源地，并且集养殖、观光度假功能于一体。

小鹤立河水库位于黑龙江省鹤岗市蔬园乡西侧3km处，松花江二级支流鹤立河的支流小鹤立河中上游，该水库坝址以上集水面积183km2，占小鹤立河流域面积的63%，多年平均年径流量52×106m3。

过去，小鹤立河水库是一座以防洪、城市供水为主，兼顾养殖等综合利用的小(1)型水库，日供水能力约2.5×104m3。该水库1958年由鹤岗市矿务局兴建，1962年投入使用，原由鹤岗市矿务局管理，现在归鹤岗市水务局管理。

2007年12月，小鹤立河水库增容扩建工程可研在水库现状基础上进行，工程完工后，向鹤岗新华煤化工有限公司年产60万t合成氨、100万t尿素项目供水，水库设计洪水标准为50a一遇，校核洪水标准为1000a一遇。现有土坝长1110m，工程总投资18753.98万元。

增容扩建后，小鹤立河水库工程任务是以防洪、工业供水为主，兼顾水产养殖、旅游等综合利用。通过三条输水管线供水，具体供水目标主要是向阳区和兴安区,水库坝址以上集水面积183km2，水库原总库容1150×104m3，调节库容530×104m3，设计年供水能力为548×104m3；现状水库总库容为5789×104m3，设计年供水能力为1532×104m3，现状年供水量为1673×104m3，供水年保证率为P=95%；可将下游小鹤立河沿岸防洪标准，由10a一遇提高到20a一遇；水库多年养殖水面485hm2，年可产鱼18.2×104kg。

1.3 五号水库

五号水库位于鹤立河上游，水库坝址以上集水面积为175km2，多年平均年径流量4375×104m3。总库容3060×104m3，调节库容1960×104m3，设计年供水能力1278×104m3，现状年供水量1318×104m3。水库为城市工业生产、居民生活供水，兼顾为下游农田灌溉补水；城市供水通过15km输水管线，经南山配水池净化后向工农区、兴安区供水。

鹤岗市五号水库是一座以城市防洪、供水为主，结合灌溉及水产养殖等综合利用的中型水库。座落于鹤伊黄金旅游通道鹤岗段路边的五号水库，以自然生态资源为主，辅以人文资源；景区依山傍水，山秀水清，宽阔水域，田园风光；湖面开阔，水质较好；同时还可以观赏到自然红松林。

五号水库始建于1977年，1980年土坝合拢并开始蓄水，1985年建成投入运行。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞三部分组成，坝顶长度1090m，最大坝高约43m。水库建成后，每年可向城市供水1500万m3，灌溉农田1333hm2，保护乡镇4个，人口5万人，保护农田面积1.04万hm2、铁路及高等级公路2条。

1.4 关门嘴子水库

2020年4月1日，在全国疫情防控取得重大阶段性成效，各地加快复工复产恢复正常生产生活秩序的关键时刻，国家172项重大水利工程、省“百大项目”之一的鹤岗市关门嘴子水库工程在鹤北林业局向阳林场举行了简朴而隆重的开工仪式，正式拉开建设序幕。

关门嘴子水库位于鹤岗市区东北部的鹤北林业局境内，是松花江流域梧桐河干流上的第一座控制性枢纽工程，是以城镇供水为主，结合农业灌溉，兼顾防洪、发电等综合利用的大(2)型水库，总库容4.03亿m3，工程估算总投资33.51亿元。建设有效工期为36个月。

关门嘴子水库坝址位于梧桐河上游，距鹤岗市区北30km处，地理坐标东经130°23′，北纬47°34′，坝址以上流域面积1846km2，多年平均年径流量562×106m3，是梧桐河干流上的首座控制性工程。

图1

梧桐河位于黑龙江省东北部，是松花江一级支流，发源于小兴安岭南麓，由西北向东南汇入松花江，流域地理坐标为E129°35′-130°48′，N47°13′-48°05′之间，东临嘟噜河，南濒松花江，西与阿凌达河分水岭为界，北与伊春、嘉荫县毗邻。流域内有鹤岗市、萝北县、鹤北镇、汤原县、鹤北林业局、宝泉岭农管局等6个市、县、局的部分地区，流域面积4516km2，其中山区面积3636km2，占80.5%；平原区面积880km2，占19.5%。

汇入梧桐河较大支流自上而下有细鳞河、石头河、鹤立河等，均从右侧汇入。

迄今为止，在细鳞河、石头河、鹤立河上，分别建有细鳞河水库、五号水库、小鹤立河水库、新一水库、平原水库、伏尔基河水库等。

关门嘴子水库是以城镇供水、农业灌溉为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽。本项目建设内容包括关门嘴子水库和鹤岗市输水工程。

鹤岗市城市供水最后采用三库联合调度运用方案，即以细鳞河水库、小鹤立河水库为中间调节池，联合三库进行供水。小鹤立河水库原设计城镇供水量1532×104m3/a，除城镇供水外，为下游新华灌区补水，在不影响新华灌区灌溉用水的基础上，加大水库弃水利用量为城镇供水，不足部分由细鳞河水库补充，细鳞河水库也先利用区间径流供水，不足部分由关门嘴子水库供给。

通过比选，直供方案远期需关门嘴子水库供水量9047×104m3(含损失)，且供水管道长，占地投资大，管道规模和水库规模均较大；补偿方案(三库联合)由于利用了细鳞河水库和小鹤立河水库部分区间水，与水库设计供水能力相比，小鹤立河水库利用区间水增加供水量1288×104m3，细鳞河水库利用区间水增加供水量3260×104m3，关门嘴子水库出库水量为4409×104m3，降低了水库规模和枢纽投资，且同样能满足鹤岗市区的近、远期需水要求。

1.5 拟建工程

规划拟建的水源工程有细鳞河上游金顶山水库和细鳞河支流上的筒子沟水库。

金顶山水库坝址以上控制面积174km2，多年平均年径流量5220万m3，单库设计供水能力4.5万m3/d，多年平均出库水量2160万m3(其中：含生态基流总量522万m3)，正常蓄水位210m，相应库容7474万m3；死水位186m，死库容230万m3；调节库容7244万m3，库容系数1.39，毛调节系数0.51。

筒子沟水库坝址以上控制面积188km2，多年平均年径流量5640万m3，单库设计供水能力4.5万m3/d，多年平均出库水量2200万m3(其中：含生态基流总量564万m3)，正常蓄水位199m，相应库容7288万m3；死水位176m，死库容274万m3；调节库容7014万m3，库容系数1.24，毛调节系数0.49。

2 鹤岗市水源工程建设方案

2.1 近期

鹤岗市城市居民生活和煤电化基地供水，根据鹤岗市城市总体布局和水资源分布情况，采用南(松花江)北(关门嘴子水库)双向供水策略。

1)东水西调工程：该工程为关门嘴子水库水调入细鳞河水库的方案，简称：东水西调工程。具体为采用补偿调节的方式(先取五号水库水和细鳞河水库水，不足部分由关门嘴子水库补水)，在细鳞河水库坝下取水后，通过加压泵站和输水管道越过细鳞河分水岭，直接给鹤岗矿务局供水的同时，再通过加压泵站后，放入小鹤立河支流，并自流方式汇入已建的小鹤立河水库，最终通过取水塔和输水管道，自流供给鹤岗市北部区域的城市供水。

特注：按鹤岗市远期城市生活供水量，确定相应的东水西调工程规模。

2)南水北调工程：该工程为松花江水调入已建的老龙岗水库的方案，简称：南水北调工程。鹤岗市煤电化基地很多企业均分布在鹤岗市南部新华镇附近，而且距离松花江干流较近，约18km左右。

因此，鹤岗市南部区域的煤电化基地工业用水取自老龙岗水库，而且通过输水管道和加压泵站，连接松花江取水泵站和各用水户。

2.2 远期

鹤岗市城市供水格局，在近期工程的基础上，进行适当的补充和调整。

1)东水西调工程：根据鹤岗市主城区的分布特点、已有城市供水系统和水质情况，远期东水西调工程，在近期工程规模不变的前提下，主要承担城市居民生活供水任务，而近期临时承担的煤电化基地部分工业供水任务，由北水南调工程来完成。

2)北水南调工程：该工程为规划拟建的金顶山水库水通过约5km输水洞自流调入小鹤立河水库方案，简称：北水南调工程。为了尽量降低每年泵站的抽水费用，先取小鹤立河水库水，不足部分全力由金顶山水库供水，再不足部分由筒子沟水库、细鳞河水库补水，剩余的不足部分由关门嘴子水库补水解决。

3)南水北调工程：近期该方案的供水水源为松花江水，近期全年的工业供水量全部由松花江水提供。

为了减少每年的抽水费用，到远期时可改善近期的调度运行方式，即采用多水源供水方式联合供水。具体操作如下：

每年5-10月份畅流期(6个月)，全力由金顶山水库和小鹤立河水库水(丰水期尽量不弃水)，通过小鹤立河、鹤立河干流天然河道和老龙岗水库引水干渠，自流供给老龙岗水库后，仍通过原供水工程，分别供给各用水户。

冬季(6个月)仍利用松花江水，通过老龙岗水库和原供水工程，分别供给各用水户。这样就可以达到节约能源的目的。

2.3 鹤岗市城市供水体系

关门嘴子水库修建后，通过拟建的东水西调输水管道工程，连接已建的细鳞河水库和小鹤立河水库；通过拟建的北水南调工程(金顶山水库、输水洞)和已有的输水明渠、天然河道，连接已建的老龙岗水库；通过拟建的南水北调输水管道工程，连接松花江和老龙岗水库。将构建水库群联合调度运用、多水源(水库水、区间径流、中水和松花江水)优化配置、南(松花江水)北(关门嘴子水库水)双向供水的河湖连通水网体系。

总而言之，概括起来就是通过东水西调、北水南调和南水北调工程，连接多水源和水库群，将构建河湖连通的南北双向供水体系。

2.4 可供水量

鹤岗市区现有水源为小鹤立河水库、五号水库、细鳞河水库，地下水源地及污水处理后再利用与煤矿疏干水。受煤矿疏干水的影响，地下水没有扩大开采的余地，按现有水源供水能力，不计深层地下水供水量，市区地下水可供水量为可开采量，根据水利部松辽委员会2004年完成的《松辽流域地下水资源量调查评价成果》和龙江水院2008年完成的《黑龙江省水资源及开发利用调查评价》，鹤岗市区地下水可开采量为830×104m3；小鹤立河水库设计年供水能力1532×104m3,五号水库设计供水能力1278×104m3，细鳞河水库设计供水能力2373×104m3，煤矿疏干水和污水处理后再生水供水量4336×104m3。

2.5 供需平衡

根据关门嘴子水库初设预测的需水量和可供水量成果，对鹤岗市规划区进行供需平衡结果，在不增加新水源情况下鹤岗市区缺水比较严重：2025年缺水7589×104m3，2030年缺水1135×104m3，如鹤岗市经济社会发展和煤电化基地建设按计划进行，即使在实施松花江引水工程后，近、远期鹤岗市仍缺水严重，近期2025年缺水5226×104m3，远期2030年缺水8475×104m3。缺水率分别为20.7%和32.2%；宝泉岭管理局2025年缺水227×104m3，2030年缺水301×104m3，缺水率分别为33.5%和43.8%；鹤北镇、鹤北林业局及宝泉岭农场在各水平年基本能满足需水要求。

因此，需要修建其它水源工程，才能满足未来用水需求，否则会严重制约鹤岗市国民经济发展。考虑输水损失3%，鹤岗市设计水平年(远期)需增加供水量9047×104m3。

3 水库群优化调度运用

鹤岗市城市供水水源工程，由上述的现有水源工程、增容扩建后水源工程、在建工程和拟建水源工程组成，即由五号水库(已建)、细鳞河水库(已建)、小鹤立河水库(增容扩建)、关门嘴子水库(正在建设)、金顶山水库(拟建)和筒子沟水库(拟建)，共6座水库组成水库群。

上述的水库群中，现有水源工程五号水库和细鳞河水库，可以按现状供水能力尽量多供水，剩余的四座水库，其中：近期有小鹤立河水库和关门嘴子水库，远期有金顶山水库和筒子沟水库。

近期以小鹤立河水库为供水出口，需要4库优化调度运用，远期仍以小鹤立河水库为供水出口，需要6库优化调度运用。下面具体介绍五号水库、细鳞河水库、小鹤立河水库、关门嘴子水库、金顶山水库和筒子沟水库等多库优化调度运用构想，仅供同行们今后编制水库调度运用规程中参考。

3.1 五号水库

五号水库位于鹤立河上游，水库坝址以上集水面积为175km2，多年平均年径流量4375×104m3。总库容3060×104m3，调节库容1960×104m3，库容系数0.45，属于多年调节水库，设计年供水能力1278×104m3，现状年供水量1318×104m3，平均日供水量3.6万m3/d。水库为城市工业生产、居民生活供水，兼顾为下游农田灌溉补水；城市供水通过15km输水管线，经南山配水池净化后向工农区、兴安区供水。

正常情况下，五号水库先完成农田灌溉任务的前提下，尽量按设计供水能力全力为鹤岗市区(工农区、兴安区)供水。当遭遇特枯年时，五号水库向农田灌溉削减供水的前提下，尽量按设计供水能力的80%给鹤岗市区(工农区、兴安区)供水后，不足部分由小鹤立河水库补水。

3.2 细鳞河水库

细鳞河水库位于细鳞河下游，水库坝址以上集水面积564km2，多年平均年径流量151×106m3。总库容3200×104m3，调节库容2129×104m3，库容系数0.14，属于不完全年调节水库，设计年供水能力2373×104m3，现状年供水量为2445×104m3，平均日供水量6.7万m3/d。该水库通过30km输水管线，经北山配水池净化后为鹤岗矿区及兴山区、东山区、向阳区部分地区及兴安区部分地区工业生产和居民生活供水。

该水库坝址以上来水量较大，库容相对较小，而且无闸控制，故近期在小鹤立河水库优化调度运用的前提下，不足部分尽量多利用细鳞河水库水，为了降低抽水费用，尽可能不用或少利用关门嘴子水库水。远期充分发挥细鳞河上游的金顶山水库和筒子沟水库调蓄作用，尽量减少细鳞河水库弃水的前提下，尽可能少用关门嘴子水库水，因此，细鳞河水库主要涉及到四库(金顶山水库、筒子沟水库、细鳞河水库、小鹤立河水库)优化调度运用问题。

3.3 小鹤立河水库

小鹤立河水库位于鹤立河的左侧支流小鹤立河中上游，水库坝址以上集水面积183km2，多年平均年径流量52×106m3。增容扩建后，水库总库容为5236×104m3，调节库容4800×104m3，库容系数0.92，属于多年调节水库，设计年供水能力为1532×104m3，现状年供水量为1673×104m3，平均日供水量4.6万m3/d，供水年保证率为P=95%。通过三条输水管线供水给向阳区和兴安区。

从上述的水库供水范围来看，近期五号水库、细鳞河水库和小鹤立河水库均可以供水给鹤岗市兴安区，因此，重点研究三库(五号水库、细鳞河水库、小鹤立河水库)优化调度问题。远期金顶山水库和筒子沟水库建成后，为了尽量降低抽水泵站的年运行费用，首先充分利用金顶山水库自流供水能力的基础上，重点研究六库(五号水库、细鳞河水库、小鹤立河水库、老龙岗水库、金顶山水库和筒子沟水库)优化调度问题。

小鹤立河水库优化调度运用方法，详见黑龙江水利科技2011年第3期上，吴明官等发表的《引调水蓄水工程优化调度运用》论文[1]和黑龙江水利科技2016年第7期上，吴明官等发表的《蓄水工程引调水限制线简便计算方法》论文[2]即可。

3.4 关门嘴子水库

鹤岗市城市供水水源工程，现状有已建的五号水库、细鳞河水库、增容扩建后的小鹤立河水库；近期有正在建设中的关门嘴子水库，远期有拟建的金顶山水库和筒子沟水库等。

1)现状兴利调度：现状小鹤立河水库、细鳞河水库、五号水库均只单独承担城镇供水任务，现状水库兴利调度运用采用“一线二区”调度制，只设一条城镇供水调度线。当库水位落在调度线以上时(I区)，水库正常供水，当库水位落到调度线以下时(II区)，城镇供水按需水的80%供水，当库水位低于死水位时，水库启动应急供水预案。

2)三库联合调度运用：当关门嘴子水库建成后，小鹤立河水库、细鳞河水库、关门嘴子水库，采用联合调度运用方式，给鹤岗市城区生活和工业供水，三库联合调度运用原则如下：

小鹤立河水库现状主要为工业供水，在三库联合调度运用中仍只为工业供水，在完成工业供水任务(“一线二区”)的同时，所有工业缺水均由小鹤立河水库承担，增加部分供水无保证率要求，小鹤立河水库缺水部分由细鳞河水库补给。

细鳞河水库除保证本身供水任务外，承担小鹤立河水库供水后的所有工业缺水及城镇生活用水，在确保本身供水任务的前提下，尽可能多供水，缺水部分由关门嘴子水库补给。

关门嘴子水库兴利调度主要考虑城镇供水和农田灌溉供水，电站结合灌溉用水、生态环境用水及弃水发电，发电量较小，故水库兴利调度运用不专设发电调度线。

由于城镇供水和农田灌溉供水保证率不同，故设不同的供水调配线。采用“两线三区”调度制，城镇供水与农业灌溉各设一条调度线。农业灌溉调度线以上为正常供水区(I区)，当库水位在此区上下浮动时各部门按需水正常供水；农业灌溉调度线以下至城镇供水调度线之间为农业缩减供水区(II区)，当库水位落到此区间时，城镇供水按需水正常供水，农业灌溉削减供水，农业破坏期供水系数取0.6；城市供水调度线以下为工业缩减供水区(Ⅲ)，当库水位落到此区间时，农业灌溉停止供水，工业破坏期供水系数取0.8[3]。

3)水库群优化调度运用：鹤岗市城市供水水库群优化调度运用中，为了尽量降低抽水泵站的年运行费用，区域水资源时空配置的先后顺序为鹤立河上游的五号水库(已建)、小鹤立河中上游的小鹤立河水库(已建)、细鳞河上游的金顶山水库(拟建)、筒子沟下游的筒子沟水库(拟建)、细鳞河下游的细鳞河水库(已建)和梧桐河上游的关门嘴子水库(在建)。

上述的水库群中，优化调度运用的重点排序为小鹤立河中上游的小鹤立河水库(已建)、细鳞河下游的细鳞河水库(已建)、梧桐河上游的关门嘴子水库(在建)、细鳞河上游的金顶山水库(拟建)、筒子沟下游的筒子沟水库(拟建)、五号水库(已建)。

水库群优化调度运用的目标函数分析如下：每座水库在完成各自所承担的工程任务前提下，鹤岗市总体供水量保持不变的情况下，总弃水量越少越优(与水资源利用率越高越好等价)，供水保证率越高越好。另外，每座水库在完成各自所承担的工程任务前提下，鹤岗市城市供水保证率确定的情况下，城市总供水量越多越优(与总弃水量越少越优等价)。

3.5 老龙岗水库

老龙岗水库位于汤原县东部鹤立镇境内，松花江北岸，是一座以灌溉为主的引水式平原性小型水库(已建)。总库容190×104m3，调节库容53×104m3，防洪库容93×104m3，死库容42×104m3。发展灌溉面积266.67hm2，改善灌溉面积400hm2，淹没耕地面积100hm2(P=20%)。现状水库土坝长度约2.7km，库面面积约2.69km2。

远期金顶山水库建成后，老龙岗水库作为鹤岗市煤电化基地(南区，新华镇附近)工业供水蓄水池，将与五号水库、小鹤立河水库、金顶山水库和松花江抽水泵站，进行优化调度运用。具体方式为畅流期在完成已建工程任务的基础上，先利用鹤立河来水量给南区工业供水，不足部分由五号水库、小鹤立河水库、金顶山水库，先后利用天然河道和灌溉渠道自流补水；冬季枯水期仍由松花江抽水泵站供水，这样就可以节省一半左右抽水泵站的年运行费用。

3.6 拟建水库

1)总供水量与输水时间：金顶山水库单库的平均供水能力4.5万m3/d，全年供水量1642.5万m3；筒子沟水库和金顶山水库两库的平均供水能力9万m3/d，全年供水量3285万m3。

因此，金顶山水库单库全年供水量1642.5万m3，按金顶山水库与小鹤立河水库输水洞最小输水能力14.6万m3/d估算，输水时间需要约112.5d；按最大输水能力73万m3/d估算，输水时间需要约22.5d；按平均输水能力52.6万m3/d估算，输水时间需要约31.2d。

2)金顶山水库供水调度运用：每年9月初开始，根据小鹤立河水库水位变化情况，集中时间按金顶山水库输水能力全力为小鹤立河水库补水，一直补水至达到小鹤立河水库正常蓄水位170.09m为止，冬季封冻期不供水。

每年5月初开始至汛前，金顶山水库向小鹤立河水库补水时，尽量避免汛期7月、8月份来水较大而弃水。因此，5月初开始，根据小鹤立河水库水位实际变化情况，进行循序渐进地补水，具体的操作方法如下：

当小鹤立河水库水位高于死水位155m，低于保证水位(1)160m时，集中时间按金顶山水库输水能力全力补水；

当小鹤立河水库水位高于保证水位(1)160m，低于保证水位(2)165m时，集中时间按金顶山水库平均输水能力或最小输水能力补水；

当小鹤立河水库水位高于保证水位(2)165m时， 为了迎接汛期来水，金顶山水库停止补水。

3)筒子沟水库供水调度运用：由于金顶山水库正常蓄水位210m、死水位186m，高于筒子沟水库正常蓄水位199m、死水位176m。所以，筒子沟水库的水先自流放入细鳞河水库后，通过细鳞河加压泵站和输水管道再送入小鹤立河水库。

为了节省抽水费用，首先把金顶山水库水自流调入小鹤立河水库后，不足部分由筒子沟水库补水至细鳞河水库，再由细鳞河水库提水调入小鹤立河水库。

4 结 语

为了便于掌握水库群优化调度运用要点和确保鹤岗市城市供水安全，最大限度地发挥控制性工程的作用，优化配置水资源和高效利用水资源，最终达到经济、社会和生态环境等综合效益的总体目标，把综上所述的鹤岗市城市供水多水源水库群优化调度运用构想简单归纳如下：

近期在已建水库(五号水库、小鹤立河水库、细鳞河水库)和在建水库(关门嘴子水库)的基础上，完成现有和近期工程任务的前提下，通过多水源(梧桐河、细鳞河、小鹤立河、鹤立河)、水库群优化调度运用方式，尽量减少抽水泵站的年运行费用，增加经济效益。将建立四河四库城市供水体系，简称：44城市供水体系。

远期在已建水库(五号水库、小鹤立河水库、细鳞河水库、老龙岗水库)、在建水库(关门嘴子水库)和规划拟建水库(金顶山水库、筒子沟水库)的基础上，完成现有和远期工程任务的前提下，将建立一纵(梧桐河)、三横(细鳞河、鹤立河、松花江)或一江(松花江)、三河(梧桐河、细鳞河、鹤立河)多水源七库城市供水体系。总之，一纵三横七库城市供水体系或一江三河七库城市供水体系，简称：137城市供水体系。