榆林黄河东线马镇引水工程可调水量分析

沈岳飞

(榆林市水务集团，陕西 榆林 719000)

1 工程概况

榆林黄河东线马镇引水工程属于《榆林市黄河东线引水工程规划》中马镇引水线路的近期实施工程，即马镇引水的前期工程；设计引水规模2.9亿m3/a，年引水指标2.2亿m3/a，工程线路全长约125.53 km(干线101.93 km，支线23.6 km)。本工程的开发任务是工业供水，受水对象为神木县窟野河河谷区(柠条塔工业园区、燕家塔工业园区和何家塔工业园区)、锦界工业园、清水沟工业园、榆阳区榆溪河以东工业园(金鸡滩循环经济区、麻黄梁工业集中区)共4个片区(7个工业园)。本次输水线路引水末端有2处，分别为石峁水库和清水沟工业园蓄水池。

本工程现状水平年确定为2016年，设计水平年为2025年，主要解决工业园区缺水问题，工程区处于水资源相对缺乏地区，设计保证率采用95%[1]。

2 流域水资源需求形势分析

对榆林各行业用水情况进行分析表明，农业为第一用水大户，农业用水量(包括农田灌溉和林牧渔畜)占总用水量的67.7%；其次为工业用水量，占总用水量的20.2%；居民生活用水(包括城镇生活和农村生活)占9.4%，城镇公共用水量占1.6%，生态环境用水量占1%。从用水结构方面分析，农业用水比重最大，说明用水量集中在效益不高的农业上，用水比例不协调也反映出榆林市产业结构有待调整。榆林市现状可供水资源量基本已达到开发利用的极限，仅靠当地水资源，难以适应经济社会快速发展的用水需求。根据榆林市经济社会发展预测，在强制节水条件下，2020年需水12.64亿m3，缺水4.13亿m3，缺水率32.7%；2025年需水14.41亿m3，缺水5.90亿m3，缺水率41.0%；2030年需水18.62亿m3，缺水10.11亿m3，缺水率高达54%。2025年，府谷到横山一带总需水量约10.8亿m3，区内可供水总量约7.04亿m3，缺水量约3.8亿m3。缺水原因主要是由于区内特别是府谷、神木和榆阳规划布局的工业项目近期要实施，用水非常迫切。本次引黄规模是在充分考虑利用当地地表可用水量、再生水及矿井水的前提下核算神木及榆阳片区近期的工业需水量，目前，本工程已取得水利部黄河水利委员会的取水许可审批准予行政许可决定书《黄许可决[2018]84号》，决定书同意本工程以黄河干流地表水作为取水水源，年取黄河水量为2.2亿m3。

3 可调水量分析

本工程采用黄河取水泵站提水后通过隧洞、渡槽自流进入拟建的黄石沟水库进行沉沙、调蓄，然后由黄石沟水库引出输水线路至支线终端清水沟工业园蓄水池和干线终端石峁水库，再由终端向各工业园区供水的运行调度方式，即当黄河来水含沙量大于20 kg/m3或来水流量小于生态流量150 m3/s时，黄河取水泵站不提水，利用黄石沟水库的蓄水向各工业园区供水。当黄石沟水库库内水位低于正常蓄水位，同时黄河可引水量较多时，按照黄河取水泵站设计能力取水，在满足各用水户用水的同时充蓄黄石沟水库。

通过对黄石沟水库上下游来水、耗水及需水量的分析，以月为单位进行2016年～2020年黄石沟水库水资源承载力以内调水工程可调水量的系列计算，最终得出可调水量，具体过程见图1。

3.1 边界条件

考虑满足黄石沟水库下游河道生态环境的用水需求，应优先考虑河道外工农业生产、日常生活和农业灌溉等方面的用水需求，故提出以下可调水量边界条件：在保证流域河道外生产生活用水的基础上调水；在控制断面流量不足生态基流的时段应减少河道调水或不予调水，而在控制断面流量大于生态基流的时段允许调水，并且保证调水后各控制断面流量完全符合生态基流要求；为达到黄石沟水库水量分配方案中主要控制断面下泄流量最小值的要求[2]，黄河干流黄石沟水库断面最小流量应控制在9.5 m3/s。

图1 黄石沟水库可调水量计算简图

3.2 不同调水方案下长系列调节计算

3.2.1 黄石沟水库断面最大可调水量

对黄石沟水库取水断面进行水资源供需分析，扣除上游耗水、下游预留水量和生态基流后，以2050年进行典型年状况下最大可调水量理论值的计算，结果表明，多年平均情况下，黄河取水量为2.2亿m3，其中黄河取水泵站直接向供水区供水量1.85亿m3，通过黄石沟水库调蓄向供水区供水量0.35亿m3。

库前线路流量：黄河取水枢纽～黄石沟水库线路设计流量按照黄河取水泵站设计规模取值，即设计流量规模为27 m3/s。

库后线路流量：黄石沟库后计算取水流量为10.91 m3/s，沿线向各片区进行分支。其中，神木支线口分水流量1.30 m3/s，锦界工业园支线口分水流量1.06 m3/s，清水沟支线口分水流量7.37 m3/s，锦界、清水沟分水干线口后～石峁水库流量1.18 m3/s。

本工程黄河枢纽～黄石沟水库段分段流量见表1。

表1 黄河枢纽～黄石沟水库段分段流量表

3.2.2 调水方案比选

根据用水需求及水资源配置情况，黄河东线马镇引水工程设计流量为27.0 m3/s，按照汛期多调，枯水期少调的原则进行水资源调度，为确保枯水期内下游水量，制定两种调度方案：一是枯水期12月～次年3月不调水；二是枯水期11月～次年4月不调水。

在不同调水方案下随着调蓄水时段的变化，可调节水量和调蓄库容也不同，黄石沟水库断面在上述两个调水方案下，所需调节库容分别为0.4046亿m3和0.5638亿m3，按照区域水资源需求态势，调水量分别为0.24亿m3和0.33亿m3，见表2。

分析表明，枯水期11月～次年4月不调水的方案下调水量无法达到调蓄水要求，且对库容要求较大，而枯水期12月～次年3月不调水的方案较优，能满足区域调水需求。

表2 不同调水方案下调水量 单位：亿m3

4 调水方案风险分析

4.1 供水系统风险

根据流域河道内外水资源需求形势及工程区可调水量计算结果，结合相关文献[3]，对榆林黄河东线马镇引水工程供水系统风险分析的公式如下：

R=p(d>e)=p(χi∈F)

(1)

a=1-R

(2)

式中：R为供水系统风险指数；a为供水系统可靠性指数；p为缺水概率；d为供水系统调水量总量；e为调水系统承载能力；χi为表示供水系统运行状态的变量；F为供水系统缺水状态，F∈|d>e|。

(3)

式中：β为供水系统整体损失程度；k为区域缺水总次数；pi为第i次缺水的概率；ui为第i次缺水的损失程度(即损失率)。当所得出的β值越小，表明供水系统正常运行下的缺水率越低，所对应的水量损失率也越小。

假定黄石沟水库可调水量为wd，该水库第i年实际可调水量不足wd时发生的缺水量为wei，其取值等于wd与当年实际可调水量之差，同时假定在不同缺水量下所发生的缺水事件为同频率，则式(3)可写成：

(4)

供水系统恢复性测度主要进行供水系统从非正常供水状态向正常供水状态转移的可能性大小的测度，其测度主要通过条件概率表示：

(5)

式中：γ为供水系统恢复性测度；S为正常供水状态，且S∈|d

4.2 调水方案风险

根据式(1)～式(5)进行2016年～2020年供水系统风险的长系列模拟运算，所推荐的调水方案(枯水期12月～次年3月不调水)风险指标计算结果见表3。

根据表1对枯水期12月～次年3月不调水调水方案风险指标的计算结果可以看出，该方案调水布局损失性测度相对较小，各调水支线调水可靠性指数均在0.90以上，最高为0.950，但是各线叠加后风险指数增大为0.167，增幅较大，且可靠性指数降至0.835，充分说明，榆林黄河东线马镇引水工程实际可调水量比各支线、干线可调水量相加得到总可调水量理论值要小，主要原因在于各支线、干线年径流量风枯变动并不完全同步，为防范这种风险，应待工程实施过程中加强各支线、干线间的联合调度。

表3 推荐的调水方案风险指标计算结果

5 结论

本文对榆林黄河东线马镇引水工程可调水量分析结果表明，本引水工程水量调蓄应遵循丰水期多调、枯水期少调的原则，根据工程可行性报告所确定的最大引水量规模，推荐枯水期12月～次年3月不调水的方案。按照所拟定的调水原则，经过2016年～2020系列分析和调节计算，年均调水量为0.33亿m3，在95%的设计保证率下可以满足用水区域用水对象的用水需求。通过对所推荐调水方案风险指标的计算表明，各支线、干线年径流量风枯变动并不完全同步，所以引水工程实际可调水量比各支线、干线可调水量相加得到总可调水量理论值要小，为保证供水量，必须加强各支线、干线间的联合调度。