重庆市铜车坝水库枢纽引水隧洞规模合理性分析

王海元 罗琳

摘要：铜车坝水库工程是补齐重庆市潼南区南部复兴河流域水利建设短板的民生工程，可在满足水库下游供水灌溉要求的同时弥补主库自身来水量的不足，在工程设计中通过设置引水隧洞引水以增加主库调蓄水量。通过切割洪水过程和径流过程两种方案分析，并结合比较了隧洞布置的经济性与技术性，参考重庆市其他同类型工程的引水率确定了引水隧洞设计引水流量。结果表明：通过引水较好地解决了铜车坝水库主库自身来水量不足的问题，采用切割洪水过程的引水方案合理。

关键词：引水隧洞;设计引水流量;切割洪水过程;切割径流过程;铜车坝水库工程;重庆市

中图法分类号：TV67 文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.010

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0052 - 05

0 引 言

在水庫工程设计中，受地形地质、移民淹没等多种因素限制，选定的坝址常常面临来水量不足、不能满足受水区供水灌溉要求的问题，而通过设置引水隧洞（或渠道）从邻近河流引水增加坝址来水量是解决这一问题的较好途径。与此同时，合理确定引水规模也成为水库工程设计必须要解决的问题。经调查，在重庆市的实际工程应用中多采用切割洪水过程或切割径流过程的方法，结合技术经济比较确定引水隧洞（或渠道）的设计引水流量，如酉阳板溪水库主要采用切割洪水过程确定隧洞设计引水流量，涪陵双江水库主要采用切割月径流过程确定隧洞设计引水流量，万州青龙水库主要采用切割日径流过程确定隧洞设计引水流量等。本文分析对象铜车坝水库亦属于此类典型工程，因此主要采用切割洪水过程和切割日径流过程两种方法对其引水规模进行分析。

1 铜车坝水库工程概况

重庆市潼南区降雨年内、年际分配极不均匀，南部片区复兴河流域由于地形地貌复杂，水利基础设施薄弱，资源性与工程性缺水并存，枯水期复兴河沿岸各乡镇生产生活用水严重不足。现有水资源保障体系与区域社会经济发展不相适应，导致水资源供需矛盾日益加剧，亟需兴建一个可靠稳定的水源工程，为潼南区推动成渝地区双城经济圈建设以及“一区两群”协调发展提供可靠的水资源保障。

铜车坝水库作为重庆市拟建的重点水源工程之一，可为复兴河流域内的卧佛镇、小渡镇和塘坝镇提供可靠的水源安全保障。该水库位于复兴河流域上游区域，地处重庆市潼南区卧佛镇境内，是一座以场镇供水、农业灌溉为主，兼顾农村人畜饮水提档升级等综合利用的中型水利工程，总库容1 137万m3，工程建成后，可解决4.72万人口供水以及复兴河沿岸1 426.7 hm2（2.14万亩）耕地的灌溉用水问题。水库枢纽工程主要由大坝和引水工程组成[1]，其中，引水工程由引水坝和引水隧洞组成。铜车坝坝址位于重庆市潼南区卧佛镇下游复兴河支流回龙溪河口村双河口处，坝址以上集雨面积为19.5 km2，多年平均径流量663万m3;引水坝坝址位于卧佛镇复兴河上游玉蕉村锣锣坝处，坝址以上集雨面积为36.73 km2，多年平均径流量1 262万m3;引水隧洞由进水塔段、无压隧洞段、箱涵段和出口明渠段组成，总长1.66 km。铜车坝水库枢纽总体布局见图1。

2 引水原因分析

铜车坝水库供水区主要覆盖潼南区卧佛、小渡两个场镇以及复兴河中下游沿河两岸的耕地，因此选择在流域上游新建水库工程实现自流供水是较为理想的水源方案。但复兴河流域上游主要为深丘地貌，沿复兴河干流两岸多为河谷平坝或槽坝阶地，多个村落依河而立，人口、耕地分布较为集中;同时，G246国道沿复兴河左岸由南向北穿境而过，若选择在复兴河干流建库统一解决供水区缺水问题，将导致水库规模较大，淹没范围较广，还涉及淹没G246国道，需协调的部门多、难度大、周期长，带来的投资相应较大。考虑到复兴河右岸有一较大支流回龙溪也具备建库条件，为降低移民投资及避免淹没G246国道，根据“高水高供、低水低供”的原则，考虑在回龙溪上新建中型水库解决小渡场镇及下游灌区的用水，而卧佛场镇及中游部分灌溉面积的用水则通过在复兴河干流新建一座低坝解决。

从供水区的需水情况来看，需水主要集中在下游的小渡场镇及大部分灌区，占比高达86%，仅依靠回龙溪自身来水显然无法满足这部分供区需水。由于复兴河干流来水丰富，在满足河道生态用水及卧佛场镇、中游灌溉面积供水的情况下尚有多余水量（或弃水量），而回龙溪和复兴河距离较近，因此考虑通过新建一处引水隧洞，将多余水量引入主库进行囤蓄，以此解决主库自身来水量不足的问题。但是主库具体能“借”多少水量，一方面取决于复兴河干流弃水量的多少，另一方面也受引水隧洞过流能力的制约，需综合分析确定。如何合理确定引水隧洞的规模是铜车坝水库工程设计的重、难点问题。

3 引水调度运行方式

考虑到引水坝来水的丰枯差异，为了在洪水期尽可能利用引水坝库容调蓄洪水，保证大坝引水量，结合引水隧洞进口布置，采取有闸控制的引水调度运行方式，具体如下。

（1）在枯水期，闸门一般处于关闭状态，当引水坝水位低于260.7 m时（引水坝满足下游河道生态用水和供水的兴利调节水位），引水坝对自身进行充蓄，其上游来水优先保障下游生态用水和供水灌溉要求;当引水坝水位超过260.7 m，多余水量通过闸墩边墙260.7 m处预留的旁通管引入至主库，再向复兴河下游小渡场镇和灌区供水。

（2）在汛期，结合水库洪水预报，提前开启引水隧洞进口闸门以预留调节库容调蓄洪水，汛末关闭闸门以优先保障引水坝蓄水，满足其下游生态用水和供水灌溉要求[2]。

4 引水隧洞规模确定

引水坝弃水多发生在汛期，洪水所占比例较大，由于洪水发生时间短，洪峰流量大，故主库引水量并非是无限制的[3]。为合理分析主库引水量，本次计算通过切割洪水过程和切割日径流过程两种方案，对比分析后确定引水隧洞设计引水流量，在此基础上再计算主库引水量。

4.1 切割洪水过程方案

4.1.1 月径流量与引水率关系

由于引水坝工程坝址处缺乏实测洪水资料，为此收集了工程邻近大足气象站历年的逐时暴雨过程，通过降雨排频选择了P=5%，25%，50%，75%和95%这5个典型年的历次逐时暴雨过程，并采用瞬时单位线法推求得到引水坝5个典型年共10场洪水过程。

根据引水坝坝址处典型年的洪水过程，拟定5个不同的隧洞引水流量（分别为3，4，5，6，7 m3/s）对其进行切割，洪水过程线引水流量以上部分即为弃水量。经切割后得到5个典型年各场洪水弃水量，用当月来水量扣除月弃水量即为可引水量，各月可引水量除以当月来水量即为该引水流量下的月引水率，具体计算公式如下：

y = （W来-W弃） / W来×100%

式中：y 为不同引水流量下的月引水率，%;W来为典型年洪水发生月份的径流量，万m3;W弃为典型年洪水发生月份切割后的弃水量，万m3。

按以上方法对典型年的洪水过程进行切割，得到5个不同隧洞引水流量下的典型年各月引水率。由于各月径流量与洪水发生的频次和量级有关，一般情况下，洪水发生频次越多、峰值越大，径流也越大，故建立不同引水流量下月径流量与引水率之间的关系。经拟合，发现两者呈二次抛物线关系（图2～6），即在固定引水流量下，引水率伴随月径流量的增多而增大，之后随着月径流量不断增多，弃水也随之增加，引水率反而又减小。不同引水流量下月径流量与引水率之间的关系式如下。

引水流量为3 m3/s：

y = -0.000 4x2+0.259 7x +22.936

引水流量为4 m3/s：

y = -0.000 4x2+0.247 8x +26.512

引水流量为5 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.236 5x +29.882

引水流量为6 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.225 8x +33.051

引水流量为7 m3/s：

y = -0.000 3x2+0.215 4x +36.088

式中：y 为典型年洪水发生月份各月引水率，%;x 为典型年洪水发生月份各月径流量，万m3。

从图2～6可以看出，当月径流量接近时，引水率也可能差别很大，主要原因是受洪水过程影响。为进一步分析洪水过程对引水率的影响，本文选择了3组数值较为接近的月径流组合，通过分析相应月份洪水发生的频次、洪水历时及最大洪峰流量可知（表1）：当月径流量接近时，洪水发生的频次越高，总历时越长，洪峰流量量级越小，此时洪水过程趋向于矮胖型，切割的洪量较小，引水率更大，反之洪水过程趋向于尖瘦型，可切割的洪量较大，引水率更小。此外，当出现月径流量较小的枯水月份时，其径流量可能由某一场洪水贡献，导致其引水率相对一般月份反而更小。

4.1.2 引水流量与多年平均引水率关系

由于引水坝调节库容较小，其调蓄能力对天然洪水过程线的峰型洪量影响较小，故直接将引水坝天然月径流量-引水率关系推广至引水坝整个长系列4～10月的弃水过程，即可计算得到引水隧洞在不同引水流量下的汛期逐月引水率及引水量。枯水期11月至次年3月，由于引水坝在径流调节计算时已优先考虑了下游生态用水，弃水量较少，故为了保障下游用水要求，直接按照“弃多少引多少”的原则，计算长系列枯水期逐月引水量。

按以上方法即可计算得到不同引水流量下引水隧洞的多年平均可引用水量及引水率，计算成果见表2，并对引水流量和多年平均引水率的关系进行拟合，见图7。

4.1.3 引水隧洞设计引水流量确定

从表2和图7可以看出，当引水流量逐步增大时，引水率也相应增加。当引水流量小于5 m3/s时，引水隧洞可引水量增加明显，而当引水流量大于5 m3/s时，可引水量增加幅度有限。结合水工专业布置，引水隧洞采用无压隧洞方案，进口设闸门控制，当引水流量进一步增大时，引水隧洞进口底板高程随之降低，断面尺寸也随之增大，相应的工程投资和单方引水量投资也随之增加，在引水量增加不大的情况下明显不经济。引水隧洞规模的技术性和经济性比较成果详见表3。

综上所述，按照切割洪水过程方案，引水隧洞设计引水流量取5 m3/s，相应的隧洞多年平均可引水量为632万m3，相应引水率为62.4%。

4.2 切割径流过程方案

本方案选取引水坝坝址P=5%，25%，50%，75%，95%这5个典型年的逐日径流过程，首先在考虑下泄河道生态流量的前提下，根据引水坝下游供水、灌溉需求进行径流调节，得到引水坝的逐日弃水过程，再采用不同的隧洞引水流量对其进行切割。经切割后得到各典型年在不同引水流量下的引水量，并求得平均引水率（5个典型年平均可引用水量/5个典型年平均來水量），计算结果见表4。

根据表4可以看出，当引水流量达到1.5 m3/s时，引水率为83.8%;而当引水流量达到5.0 m3/s时，引水率已高达到99.1%，几乎可以将引水坝弃水量全部引入至铜车坝水库主库。

4.3 成果合理性分析

通过分析两种引水计算方案，在相同引水流量情况下，采用切割洪水过程方案的引水率相对较小，考虑到切割径流过程采用的日均流量是日内瞬时流量均化后的成果，在一定程度上弱化了瞬时流量的大小对隧洞过流能力的影响，出于保守角度考虑，推荐采用切割洪水过程计算的引水方案，确定引水隧洞设计引水流量为5.0 m3/s，长系列引水率为62.4%，多年平均引水量为632万m3。

将本次计算的引水率与邻近其他引水工程进行对比，各引水工程引水率普遍在60%～80%。重庆市其他水库工程引水率统计见表5，从表中可以看出：除个别水库外，一般来说，采用先供水再引水调度方式的引水率低于直接引水的引水率，采用切割洪水过程方法计算得到的引水率低于采用切割径流过程方法计算得到的引水率，故认为本次选用5.0 m3/s 引水流量对应的引水率62.4%相对合理。

5 結 论

本文以重庆市潼南区铜车坝水库工程为分析对象，论证了其引水隧洞规模确定的合理性。结果如下。

（1）通过引水较好地解决了铜车坝水库主库自身来水量不足的问题，前提是根据拟定的引水调度运行方式，优先解决引水坝坝址下游“三生”用水，再通过引水隧洞将多余水量（即引水坝的弃水量）引入主库进行囤蓄。

（2）采用切割洪水过程方案充分考虑了汛期瞬时洪水流量的大小对隧洞过流能力的影响，更加符合山地丘陵区引调水工程的一般引水规律，成果更为合理，分析过程中所采用的方法和思路可为类似水库引水工程的规模论证提供借鉴。

参考文献：

[1] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 重庆市潼南区铜车坝水库工程可行性研究报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2018.

[2] 黄会勇，张娜，万蕙，等.  引江补汉工程引江规模初步分析[J].  人民长江，2018，49（18）：15-19.

[3] 李长春. 甘肃引洮供水二期工程流量规模计算方法研究[J]. 人民黄河，2017，39（2）：90-93.

（编辑：江 文）

Rationality analysis of water diversion tunnel scale of

Tongcheba reservoir project in Chongqing City

WANG Haiyuan， LUO Lin

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： Tongcheba reservoir project is a livelihood project to improve the water conservancy construction in the Fuxing River Basin in the south of Tongnan District， Chongqing City. In order to meet the requirements of water supply and irrigation in the downstream area of the reservoir and make up for the shortage of water from the main reservoir， a water diversion project was built to divert water to increase the storage water of the main reservoir. Through the analysis of flood process and runoff process separation schemes， combining with the comparison of tunnel layout from aspects of technology and economics， and referring to the diversion rate of other similar projects in Chongqing City， the design diversion flow of water diversion project was determined. The results show that the problem of insufficient water of the main reservoir of Tongcheba reservoir can be solved by water diversion project， and the flood process separation scheme of water diversion is reasonable.

Key words： water diversion tunnel; design diversion flow; flood process separation; runoff process separation; Tongcheba reservoir project;Chongqing City