某流域并联水库正常蓄水位确定方法

吴 萌

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000)

0 前 言

中国西北地区水资源紧缺，同一流域往往需要在其支流建设水库来承担其支流全部、干流部分的城乡生活、工业生产、农业灌溉等多项供水任务，由于干支流供水范围、供水保证率不同，当流域支流修建多座水库形成并联，共同承担全流域供水任务时，并联水库规模的确定往往具有一定的复杂性[1-3]。本文采用长系列径流调节计算VB数学模型，对AKS流域并联水库正常蓄水位确定方法研究，为流域并联水库正产蓄水位的确定提供借鉴。

1 研究区域概况

AKS河[4-6]是新疆天山南坡第一大河，是塔里木河重要源流之一，主要由KMLK河与TSG河两大支流汇流而成，西大桥水文站断面多年平均年径流量84.78亿m3。根据AKS河流域控制性工程布局，AKS河两大支流中，在KMLK河上建设DSX水利枢纽，在TSG河上建设AK水利枢纽，通过2座水库联合调度，共同满足AKS河流域综合利用要求。支流KMLK河全长293 km，协合拉水文站以上集水面积12 816 km2，多年平均年径流量48.82亿m3，该河上控制性水库DSX水利枢纽[7-9]正在开工建设；支流TSG河全长457 km，沙里桂兰克水文站以上集水面积19 166 km2，多年平均年径流量29.09亿m3，该河上拟建控制性工程AK水利枢纽。AKS河控制性工程位置见图1。

图1 AKS河控制性工程位置示意图

2 研究方法

2.1 长系列径流调节计算VB程序

长系列径流调节计算VB程序为一种通用的数学模型，该模型可用于模拟分析承担发电、灌溉、生态等一种或多种任务综合利用水库的运行情况。该程序以天然径流、灌溉用水、生态用水过程作为输入，水库损失、电站保证出力作为程序迭代循环计算过程的控制性指标，水库发电量、出库水量、灌溉水量、生态水量等作为输出。该计算数学模型已多次应用于新疆大中型水利枢纽工程设计，并获得水利部水利水电规划设计总院、 水利部黄河水利委员会等多家审查机构认可。长系列径流调节计算VB程序计算流程见图2。

图2 长系列径流调节计算VB程序计算流程图

2.2 流域综合利用要求

AKS河流域综合利用要求有下泄塔里木河干流生态水量[10-11]、流域内灌溉供水[12-14]、防洪[15-16]和发电等综合利用。

(1) 塔里木河干流需AKS河下泄水量要求

AKS河多年平均来水条件下，在阿拉尔断面下泄水量34.2亿m3，考虑到4—5月是荒漠河岸林返青期，该时段按照阿拉尔断面天然来水50%保证率下泄水量。两座山区水库共同承担流域生态供水任务。

(2) 灌溉供水要求

AKS河流域灌区包括阿合奇灌区、TSG河灌区、KMLK河灌区、老大河灌区、塔里木灌区，设计水平年2030年总灌溉面积45.37万hm2(680.66万亩，总需水量50.17亿m3，其中地表水年需水量46.09亿m3。根据灌区水资源利用节点关系(见图3)，由下至上从塔里木拦河闸推求至西大桥断面，地表水年需水量31.15亿m3。其中DSX水库单独控制KMLK河灌区；AK水库单独控制阿合奇灌区、TSG河灌区；两库共同控制老大河灌区、塔里木灌区(面积30.6万hm2(459万亩)，占总面积67%)。

图3 AKS河流域灌区水资源利用节点示意图

(3) 防洪要求

AKS河干流主要防洪保护对象为阿克苏市，防洪标准50年一遇，防洪控制断面为西大桥水文站断面，2座山区水库共同承担流域防洪任务。

(4) 发电要求

南疆四地州电力系统对于有调峰能力的水电电源点需求较为迫切。

3 正常蓄水位选择

3.1 按调节库容分摊初步比较两座水库正常蓄水位

DSX和AK水库分别位于AKS河支流KMLK河和TSG河上，确定两库正常蓄水位首先要分析满足流域综合利用要求所需调节库容，其次结合水库地形地质条件寻求2座水库正常蓄水位上限要求，最后根据2座水库库容条件，进行库容分摊，寻求投资最省、效益最优的两库正常蓄水位组合方案。

从2座水库建设条件来看，DSX水库受国界线控制条件制约，正常蓄水位上限不宜超过1 700.00 m；AK水库受左岸古河槽地形条件制约，正常蓄水位上限不宜超过2 470.00 m。根据AKS河流域灌溉及供水要求，在保证向塔里木河干流生态供水目标的前提下，流域所需山区水库灌溉调节库容10.9亿m3。从两库调节能力来看，按照淤积50 a考虑，DSX水库受国境线限制，最大调节库容7.1亿m3，奥库受地形条件限制，最大调节库容6.7亿m3，两座水库均无法单独满足流域灌溉调节要求，因此流域灌溉调节任务需由两库共同分摊。根据2座水库库容条件，首先考虑2种极端情况进行分摊，即奥库按最大承担、剩余由DSX水库承担，DSX水库按最大承担、剩余由奥库承担，然后内插中间方案，据此拟定6组方案开展水库正常蓄水位比选工作，通过长系列径流调节计算VB程序进行模拟计算，得到2座水库灌溉调节库容分摊动能经济指标比较表1。

考虑到不同分摊方案均可兼顾发电，各方案计入发电指标按整体效益进行经济比较。从整体趋势看，DSX水库分摊库容越大，相应AK水库分摊库容越小，两库整体经济指标越优，即适当抬高DSX水库发电水头可获取较为优越的发电效益。因此，从两库库容分摊分析，DSX水库正常蓄水位1 700.00 m，调节库容7.10亿m3；相应AK水库正常蓄水位2 457.50 m，调节库容3.80亿m3，经济指标最优。

3.2 DSX水库正常蓄水位比选

(1) 方案拟定

通过DSX与AK水库灌溉库容分摊计算，DSX水利枢纽工程承担的灌溉调节库容越大，经济指标越好，推荐DSX水库正常蓄水位1 700.00 m方案。在单独比较DSX水库正常蓄水位时，结合工程自身特点及工程任务，在两库分摊推荐最优正常蓄水位1 700.00 m基础上，拟定了1 698.00、1 699.00、1 700.00和1 701.00 m 4个正常蓄水位方案，通过长系列径流调节计算VB程序进行模拟计算，得到DSX水库不同正常蓄水位方案动能经济指标比较表2。

表2 DSX水库不同正常蓄水位方案动能经济指标比较表

(2) 正常蓄水位选择

各正常蓄水位方案，随着水位抬高，调节库容增大，在满足流域分摊给本工程的灌溉调节库容要求后，剩余的库容作为发电专用库容，可用于增加电站容量效益。

(3) 正常蓄水位比选结果

1) 通过与AK水利枢纽联合调度，各正常蓄水位方案均能满足AKS河向塔里木河干流阿拉尔断面多年平均下泄水量34.2亿m3，4、5月下泄生态水量保证率不低于50%的要求。

2) 从满足流域农业灌溉供水要求分析，DSX水库所需灌溉调节库容7.10亿m3；正常蓄水位1 698.00～1 700.00 m，泥沙淤积50 a剩余调节库容为6.92～7.33亿m3，正常蓄水位1 700.00 m和1 701.00 m方案能够满足灌溉调节库容要求。

3) 从动能指标分析，随着正常蓄水位的抬高，电站发电水头有所增大，动能指标呈增长趋势，正常蓄水位1 701.00 m方案动能指标最大。

4) 从水库淹没及移民安置分析，DSX水库工程点处于无人区，库区淹没不涉及耕地、居民点及专项设施等，淹没对象主要为荒漠草场。各方案均不存在影响工程建设的制约因素。

5) 从地形地质条件分析，各方案均无制约因素。

6)从经济指标来看，采用差额内部收益率进行比较，正常蓄水位1 701.00 m方案经济指标最优。

7) 从国界线边防管控要求分析，DSX水库回水按照多年平均流量下距国界线 1 km 为控制条件，正常蓄水位1 700.00 m方案满足要求。

综合上述分析，通过技术经济综合比较，以边防管控要求作为控制条件，推荐水库正常蓄水位为1 700.00 m，正常蓄水位相应库容11.48亿m3(淤积 50 a剩余库容7.6亿m3)；调节库容10.22亿m3(淤积 50 a剩余调节库容7.19亿m3)。

3.3 AK水库正常蓄水位选择

(1) 方案拟定

通过DSX与AK水库灌溉库容分摊计算，AK水库承担的灌溉调节库容越小，整体经济指标较优，因此，以满足流域灌溉调节分摊库容3.80亿m3，相应水库水位2 457.50 m为正常蓄水位比选下限方案。结合水库地形地质条件，受左岸古河槽地形条件制约，水库水位2 470.00 m为上限方案，按2.5 m水位间隔拟定了6组正常蓄水位方案，通过长系列径流调节计算VB程序进行模拟计算，得到AK水库不同正常蓄水位方案动能经济指标比较表3。

表3 AK水库不同正常蓄水位方案动能经济指标比较表

(2) 正常蓄水位选择

各正常蓄水位方案，随着正常蓄水位的抬高，调节库容随之增大，在满足本流域灌溉调节库容后，剩余的库容作为发电专用库容，可用于增加本电站的容量效益和补偿下游梯级水电站的电力电量。

(3) 正常蓄水位比选结果

1) 通过与DSX水利枢纽联合调度，各正常蓄水位方案均能满足AKS河向塔里木河干流阿拉尔断面多年平均下泄水量34.2亿m3，4、5月下泄生态水量保证率不低于50%的要求。

2) 从满足流域农业灌溉供水要求分析，所需灌溉调节库容3.80亿m3；正常蓄水位2 457.50～2 470.00 m，泥沙淤积50 a剩余调节库容为3.80～6.47亿m3，均能同等程度满足下游灌溉供水所需调节库容要求。

3) 从动能指标分析，随着正常蓄水位的抬高，发电水头增大，多年平均年发电量和下游梯级电站补偿电量随之增加，正常蓄水位2 470.00 m，电量最大，但正常蓄水位高于2 465.00 m方案后，电量增幅减小；从对下游梯级电站补偿出力及电量分析，随着正常蓄水位的抬高，补偿电力电量随之增大，正常蓄水位2 470.00 m方案补偿电力电量最大。

4) 从水库淹没及移民安置分析，正常蓄水位越高，水库淹没投资越大，重要的淹没实物指标主要沿河岸呈带状分布在低水位阶地上。因此，随各比选方案蓄水位提高淹没实物数量递增较缓，各正常蓄水位方案之间投资增幅为3%～4%。因此，从水库淹没及移民安置分析，正常蓄水位越低越好，正常蓄水位2 457.50 m方案较优。

5) 从地形地质条件分析，各方案均无制约因素。

6) 从各方案经济指标来看，采用差额内部收益率进行比较，正常蓄水位2 465.00 m方案经济指标最优。

综合上述分析，通过技术经济综合比较，推荐AK水库正常蓄水位为2 465.00 m，正常蓄水位相应库容7.17亿m3(淤积 50 a剩余库容5.70亿m3)；调节库容6.77亿m3(淤积 50 a剩余调节库容5.38亿m3)。

4 结 论

(1) 流域2座并联水库共同承担下游生态、灌溉、防洪等综合利用任务时，正常蓄水位的比较应先根据流域所需调节库容要求，结合2座水库库容条件，进行水库调节库容分摊比较，初步确定2座水库投资最省、效益最优调节库容分摊方案。AKS河流域所需灌溉调节库容10.9亿m3，通过库容分摊比较，DSX水库承担灌溉调节库容7.1亿m3，奥库承担灌溉调节库容3.8亿m3，为最优方案。

(2) 按水库调节库容分摊比较，确定的2座水库各自需承担的调节库容和相应的水库水位，为水库开展正常蓄水位比较的基本方案。在此基础上，结合每座水库的地形地质条件、库容特性、水库淹没及移民安置等条件，对水库开展技术经济综合比较，最终推荐适宜每个工程的最优水位方案。经综合比较，DSX水库正常蓄水位1 700.00 m，调节库容10.22亿m3(泥沙淤积 50 a剩余调节库容7.19亿m3)；AK水库正常蓄水位2 465.00 m，调节库容6.77亿m3(泥沙淤积 50 a剩余调节库容5.38亿m3)，2座水库总调节库容16.99亿m3(泥沙淤积 50 a剩余调节库容12.57亿m3)为最优方案。

(3) AKS河流域DSX和AK水利枢纽工程建成后，通过联合调度，可保证AKS河多年平均下泄塔里木河34.2亿m3水量，以及4、5月按照阿拉尔断面天然来水50%保证率下泄生态水量的要求，与下游4座平原水库联合调度，可解决AKS河流域灌区灌溉缺水的问题，使灌区灌溉保证率达到75%；与堤防联合运用，可使TSG河和KMLK河两岸的村庄和农田防洪标准由5年一遇提高到10年一遇，可使阿克苏市防洪标准由30年一遇提高到50年一遇；并利用水库下泄水量进行发电，向南疆四地州电网输送22.04亿kWh的电量。