S工程水量平衡分析

武全智

(酒泉市水利水电勘测设计院有限公司兰州分公司，甘肃 兰州 730050)

1 供水范围、水平年及供水保证率

1.1 供水范围

S工程设计供水范围主要为D河灌区D河以西、D河以东铁路以北1.725万hm2农业灌溉。

1.2 设计水平年及供水设计保证率

工程设计基准年为2020年，设计水平年为2030年。根据GB 50288-2018《灌溉与排水工程设计标准》中规定“喷灌、微灌灌溉方式下，灌溉设计保证率85%～95%”[1]。受水区属极度干旱地区，结合实际水情，综合分析确定D河灌区农业灌溉供水保证率为85%。

2 需水预测

拟建S工程断面位于D河水库下游总干渠K10+022和K11+084处，从D河灌区总干渠引水，因此本次需水预测地表水受水区设计水平年按D河水库取水口断面为计算断面；机井开采地下水取水口断面以井口为计算断面，供水能力分析时，地下水和中水均采用折算到D河水库断面的水量。

2.1 受水区社会经济发展规划

2.1.1 人口发展预测

通过对H市2018—2020年国民经济统计年鉴整理分析，预测2030年H市行政管辖的人口总数为19.13万人，2030年H市人口城镇化率为85%。

2.1.2 工业发展预测

根据《H市城市总体规划(2013—2030)》，预测2030年第二产业增加值的比例按照30%计算，工业增加值为147.92亿元。

2.1.3 旅游业发展预测

根据《H市城市总体规划(2013—2030)》，确定本次设计采用全年旅游接待人次为1150万人，全年平均旅游当量人口为3.19万人。

2.1.4 大、小牲畜发展预测

结合《H市国民经济和社会发展十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，经计算，确定设计水平年2030年供水区大牲畜数量增加至1.3万头，小牲畜62.37万只。

2.1.5 城市生态发展预测

根据《H市城市总体规划(2013—2030)》，至2030年，H市公园绿地面积达到264hm2，广场道路面积达到383hm2，年内用水天数为240d。

2.2 灌溉面积发展规划

2.2.1 灌溉面积

基准年受水区有效灌溉面积2.421万hm2，人工生态林灌溉面积0.316万hm2。根据相关规划设计水平年严格控制农田有效灌溉面积2.421万hm2不再增加，人工生态林面积根据《H市水资源合理利用与生态保护综合规划(2011—2020年)》，2030年达到0.336万hm2。

2.2.2 节水灌溉模式

受水区现状2.421万hm2的灌溉面积，在H市生态规划实施后滴灌面积0.577万hm2，管灌面积0.667万hm2，渠灌面积1.177万hm2，48.62%的灌溉区域为传统的大水漫灌，0.336万hm2人工生态林为渠灌方式。

根据目前农业发展方向和灌区适宜的田间节灌模式，设计水平年0.266万hm2仍然采用传统渠灌方式；对于灌区内分散农户种植的耕地0.431万hm2，采用管灌方式灌溉；种植大户经营的耕地均采用滴灌灌溉，到2030年发展滴灌面积1.725万hm2。

2.3 非农业用水定额

基于现状年用水水平分析，城镇居民日均用水量100L/人，农村居民日均用水量46L/人，大牲畜日均用水量55L/头、小牲畜9L/只，第二产业(包括建筑业)23.6m3/万元增加值，旅游业日均用水量为260L/床，城市生态面积日均用水量2.0L·m-2。

参考相关规范取值范围，见表1，考虑到人均生活水平提高，城镇和农村人口用水定额进一步提高，预测至2030年城镇人口综合生活用水定额120L/人/d，农村生活用水水平达到G省平均水平农村人口生活用水定额为60L/人/d，大牲畜用水定额为60L/人/d，小牲畜用水定额为10L/人/d。

表1 城乡生活、三产、城市生态用水定额规范取值参考表[2-4]

工业用水定额以《H市2030年水资源管理控制指标》中工业万元增加值用水量60m3/万元为控制，同时考虑到工业用水重复利用率的大幅提高和节水工艺的改进，至2030年工业万元增加值用水量由现状的23.6m3/万元降低至15m3/万元。旅游业考虑到基础设施和接待容量的显著提升，由现状的260L/床/d增至290L/床/d。城市广场道路浇洒和绿地灌溉单位用地用水量仍为2.0L·m-2·d-1。各行业用水定额预测值均介于规范取值范围之内。

2.4 灌溉制度及灌溉定额

2.4.1 灌区规模及种植结构调整

灌区规模及种植结构调整见表2。

表2 灌区种植结构调整表

2.4.2 现状灌溉制度

灌区现状渠灌和管灌灌溉制度见表3。

表3 灌区现状渠灌和管灌灌溉制度表

根据现状作物比例及灌溉定额确定综合净灌溉定额为6300m3·hm-2，林地净灌溉定额为4500m3·hm-2。

2.4.3 设计灌溉制度

根据《G肃省行业用水定额(2019版)》及《行业用水定额第1部分农业用水定额(DB 62/T 2987.1-2019)》《J市行业用水定额(2020)》等规范，结合地方实际，设计D河灌区设计水平年2030年灌溉制度，渠灌和管灌的灌溉制度继续采用现状灌溉制度，大田滴灌灌溉制度详见表4。

表4 2030年灌区设计灌溉制度表

灌溉制度调整后，作物综合净灌溉定额由现状的6300m3·hm-2调整为5160m3·hm-2，林地净灌溉定额不做调整，仍为4500m3·hm-2。

2.5 用水效率

不同灌溉方式渠道、管道水利用系数见表5，设计水平年灌溉水利用系数见表6。

表5 不同灌溉方式渠道/管道水利用系数表

表6 设计水平年灌溉水利用系数表

生活、工业等行业输配水管网漏损率由12%降低为8%。

3 水资源供需平衡分析

以地表为界面，以D河水库取水口断面为边界[5]在给定的设计水平年内，进行水量供需平衡分析。

3.1 需水量

2030年D河灌区骨干工程末端需水量为25578万m3，详见表7。

表7 D河灌区(D河水库断面)需水量预测成果表

3.2 可供水量

2020年，H市蓄、引水工程及机井工程供水总量为2.75亿m3，其中地表水2.07亿m3，地下水0.68亿m3。扣除N灌区引水工程供水0.262亿m3，D灌区可供水总量为2.488亿m3，现状调蓄工程可供地表水为1.8466亿m3，地下水0.64亿m3。

现状年中水利用率为20%，根据相关规划，在“十四五”期间，H市新建多条中水回用管道使得中水回用率调高到49.6%，城市生活用水863万m3，排水量占用水量的60%，因此2030年，城市污水处理厂可供中水量0.0257亿m3。

3.3 水资源供需平衡分析

D灌区设计水平年需水量25578万m3，其中农田及林草灌溉需水量为18662万m3，生活及工业需水量为3978万m3，人工生态需水2938m3。

经对设计水平年水量供需平衡分析，D河灌区设计水平年总供水25123万m3，缺水454万m3，见表8。

表8 设计水平年水量供需平衡分析表

从以上供水水量平衡分析结果可以看出，设计水平年，灌区全年毛供水量不能满足灌区经济社会发展的需水量，其主要原因为地表水现状的D河水库调蓄能力不足，供水能力有限，因此仅通过对灌区采取节水工程措施很难达到减缓地下水量的目标，需要增加地表调蓄设施来提高地表水的利用程度，从而置换地下水的开采，维护生态绿洲稳定。

4 规划水平年D河水库供水能力分析

D河水库位于G省H市区西南36km处的D河峡口，是一座以防洪、灌溉、排沙为主兼顾发电的中型水库，总库容4640万m3，主坝最大坝高56.8m，坝顶高程1432.3m，最低运行水位1405.0m，设计洪水位1429.22m，2019年对D河水库除险加固后，校核洪水位由1431.85m调整到1431.23m，水库汛期为6月20日—9月10日，其中，主汛期为7月11—8月20日，防洪限制水位1426.0m，初、末汛期分别为6月20日—7月10日、8月21日—9月10日，防洪限制水位为1428m。水库按百年一遇洪水标准设计，2000年一遇洪水标准校核。

根据《D河水库大坝安全鉴定报告书》和《D河水库除险加固工程初步设计报告》，D河水库总库容4640万m3，由于泥沙淤积，现状剩余总库容2622万m3，库容减少了2000余万m3。水库兴利库容由原设计的3827万m3减少至现状的2573万m3，减少1254万m3，兴利库容损失了34%。

4.1 水库年径流量

D河径流主要由大气降水和冰川融雪水补给，径流年内分配不均，其中4—8月占全年径流量的57.14%，连续最枯月出现在12月—第2年2月，径流占全年径流量的13.51%，其他4个月径流量占全年径流量的29.35%。据多年资料统计，7月水量占年水量的比重最大，其次为4月和8月，1月最小。全年最大流量多发生在7—8月，最小流量发生在1月。根据水文计算成果，P=85%时设计径流年内分配成果见表9，多年平均径流年内分配表见表10。

表9 P=85% D河水库断面设计径流年内分配成果表

表10 多年平均水库断面设计径流年内分配成果表

4.2 水库上游消耗水量

根据近年来D河水资源管理局的补水资料，确定本次受水区的补水时段，由于冬季补水渠道无法运行，因此在当年11月、12月以及第2年1月不予补水，其他月份根据用水过程予以适当补水，总补水量为4000万m3。

4.3 水库蒸发增损量

按照水库各月(水面蒸发量-陆地蒸发量)×各月平均水面面积的公式，计算蒸发量。根据H市气象站1971—2014年共44年资料统计，年降水量仅为43.2mm，年蒸发量2505.1mm，当地蒸发量折算为水库水面蒸发量的折算系数为0.54，计算各月水库蒸发增损值。

4.4 水库渗漏

水库逐月的渗漏损失量按照经验概算公式：

W年渗=k×F库

式中，W年渗为水库年渗漏损失；k为经验取值，取0.5(中等地质)；F库为水库年平均库面面积。

4.5 起调库容的确定

4.5.1 调洪原则

D河水库汛期为6月20日—9月10日，其中，主汛期为7月11日—8月20日，限制水位为1426m；初、末汛期分别为6月20日—7月10日、8月21日—9月10日，限制水位为1428m。

当洪水达到或接近设计标准100年一遇洪水或输水洞泄流能力不足，致使库水位超过汛限水位时，应立即开启排沙泄洪洞，泄水总流量应低于160m3·s-1。逐步使水库水位尽快降到汛期水位1426m以下。当洪水大于设计标准100年一遇洪水，库水位达到或超过1428m时，此时水库进入警戒状态，排沙洞、溢洪道、输水洞按设计泄量泄洪，泄水总量应低于180m3·s-1，逐步使水库水位降到汛限水位1426m以下。

当库水位达到或超过1429.22m时，此时水库进入紧急状态，排沙泄洪洞、溢洪道、输水洞按最大泄量泄洪，使水库水位尽快降到汛限水位1426m以下。

4.5.2 起调库容确定

根据D河水库的调洪原则，结合水库实测的水位-库容曲线确定水库防洪限制水位1426m对应的库容为1067万m3，本次调节计算以6月汛期开始调算，起调库容为1067万m3。

H市D河水库主要承担H市城乡生活、工业及D河灌区农田、林草灌溉供水。2030水平年，受《H市水资源合理利用与生态保护综合规划》和《J市水资源配置方案》的约束，根据D河水库调节计算，在P=85%的来水条件下，D河水库可供水量19133万m3，水库供水缺口7111万m3，难以满足D河灌区灌溉需水，河道弃水751万m3。在多年平均条件下，D河水库可供水量22911万m3，水库供水缺口4607万m3，难以满足D河灌区灌溉需水，河道弃水2623万m3。为保证灌区各行业用水，需开采地下水和利用中水回用来补充水源，详见表11、表12。

表11 2030水平年D河水库可供水量调节计算表(P=85%)

表12 2030水平年D河水库可供水量调节计算表(多年平均)

根据水库调节计算，P=85%时，D河水库供水能力19133万m3，供水缺口7111万m3，可利用其他水源供水6362万m3，S工程建设后可收集弃水751万m3，满足水量平衡；多年平均情况下，D河水库供水能力22911万m3，供水缺口4607万m3，可利用其他水源供水3858万m3，S工程建设后可收集弃水2623万m3，满足水量平衡。