引黃北干線供水區(qū)調(diào)節(jié)水庫設(shè)置必要性分析

引黃北干線供水區(qū)調(diào)節(jié)水庫設(shè)置必要性分析

1．水系及水庫黃北線沿線引用速度為5.6億3m，近期（2020年）引用速度為2.96億3m。其中，大同1.7億3m，占57.6%，懷仁0.38億3m，占12.9%，山陰0.18億3m，占6.1%，朔州0.43億3m。a，14.4%，平魯0.27億3m（a）占9%。輸水線路全長204.8km，包括44km總干線，160.8km北干線。北干線自下土寨分水閘起，途經(jīng)平魯、朔州、山陰、懷仁到大同市趙家小村水庫，其中隧洞長44km,PCCP管長116.8km。引黃南、北干線均以萬家寨水庫為水源地。萬家寨水庫總庫容8.96億m3，蓄清排渾運(yùn)用，8、9月水庫排沙，引黃停止引水，因此，設(shè)計要求在供水區(qū)另設(shè)調(diào)節(jié)水庫。南干線原計劃在7號隧洞出口修建壩高74m、庫容1.8億m3、投資7.7億元（1993年估算）的好水溝水庫，由于投資較高，并考慮太原6.4億m3/a的供水市場只能逐步形成，后改由汾河水庫調(diào)節(jié)。按當(dāng)時水沙系列預(yù)測，汾河水庫淤積年限為2005年。近年實際來沙量明顯小于預(yù)測，年均輸沙量上世紀(jì)60年代曾達(dá)1700萬m3/a,90年代減至400萬m3/a,2000—2004年僅為110萬m3/a，來水量也明顯減少，水庫長期低水位運(yùn)行，為引黃水提供了有效調(diào)節(jié)。汾河水庫總庫容7.21億m3，至2005年已淤積3.72億m3，尚余3.49億m3，按現(xiàn)狀來水來沙在相當(dāng)長時段內(nèi)，還可以繼續(xù)為引黃水調(diào)節(jié)。汾河水庫高于太原市230余m，順流而下，完全具備為太原市調(diào)節(jié)的條件。北干線供水區(qū)屬桑干河流域，桑干河干流上建成了東榆林水庫與冊田水庫。東榆林水庫為中型水庫，總庫容0.48億m3，冊田水庫為大（II）型水庫，總庫容5.8億m3，兩座水庫高程均低于用水戶。冊田水庫距大同市區(qū)40.5km，需提水140m（水泵工作揚(yáng)程180m）才能到達(dá)大同市，且桑干河污染嚴(yán)重，水庫水質(zhì)經(jīng)常處于V類、劣V類，近期不具備作為調(diào)節(jié)庫的條件。大同、朔州盆地地勢平坦，已建水庫均為低壩半圍封型，地質(zhì)條件差，存在環(huán)境隱患，新選壩址也十分困難，因而從1990年引黃北干線可研報告起，就選定大梁水庫為調(diào)節(jié)庫。大梁水庫位于北干1號隧洞頂部，需揚(yáng)水140m才能進(jìn)庫。該庫遠(yuǎn)離主要供水區(qū)大同市達(dá)130km，壩址和庫區(qū)還存在令人擔(dān)心的地質(zhì)問題，北干線調(diào)節(jié)水庫的規(guī)模和位置，始終是歷次審批的焦點(diǎn)之一。經(jīng)多次反復(fù)研究、方案比較，對設(shè)置調(diào)節(jié)水庫必要性、規(guī)劃思路逐漸清晰，庫容確定、水庫布局等漸趨合理。2．主要洪水問題萬家寨引黃工程為太原、大同、朔州提供城市生活和工業(yè)用水，供水保證率95%，要求不間斷均衡供水，水質(zhì)滿足地面水III級標(biāo)準(zhǔn)。萬家寨水庫存在8、9月排沙，冬春排凌與污染問題，且遠(yuǎn)離供水區(qū)，必須進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。1）避沙。萬家寨水庫采用蓄清排渾運(yùn)用方式，每年8、9月為排沙期，運(yùn)用水位952m～957m，按萬家寨水庫泥沙數(shù)字模型和物理模型試驗分析，排沙期運(yùn)行水位952m，日調(diào)節(jié)水位不高于957m。低于上述水位引水，含沙量可能高于5kg/m3，造成機(jī)組磨損和輸水系統(tǒng)淤積。因此，要求在供水區(qū)內(nèi)另建調(diào)蓄水庫，存蓄8、9月份用水。2）避污。1989年完成的水庫工程環(huán)境影響評價，黃河萬家寨斷面水質(zhì)符合地面水III類標(biāo)準(zhǔn)。但自1998年蓄水以來，水庫水質(zhì)時好時壞，豐水期優(yōu)于枯水期，高水位優(yōu)于低水位，壩前優(yōu)于庫區(qū)。如2004—2005年，6-12月可達(dá)地面水III類，其余各月不滿足要求，個別時段為V類與劣V類。超標(biāo)項目為總氮、氨氮、化學(xué)需氧量等。南干線投入運(yùn)行后，年供水量較小，選擇在萬家寨水庫水質(zhì)不超標(biāo)期集中引水存入汾河水庫，再由汾河水庫引向呼延水廠。北干線無現(xiàn)有水庫可資利用，需新建調(diào)節(jié)水庫。3）供水流量與水泵單機(jī)流量匹配。引黃水泵單機(jī)流量6.45m3/s，日上水55.7萬m3/d，南干線運(yùn)行5年至今，日供水21萬m3/d，北干線起步流量可能更小，初期運(yùn)行，必需利用水庫調(diào)節(jié)，避免棄水。即使在用水量增加以后，水泵流量不匹配的問題仍然存在。調(diào)節(jié)水庫必須有足夠庫容，才能避免頻繁開啟水泵。4）輸水安全。引黃采用單線輸水，北干線從萬家寨水庫到大同趙家小村水庫長達(dá)204.8km，采用隧洞、PCCP管輸水，沿線通過煤礦采空區(qū)、濕陷性黃土地段，存在事故停水的可能性。需在接近供水區(qū)位置設(shè)事故調(diào)節(jié)水庫保證連續(xù)供水。3引黃發(fā)展面臨的主要問題調(diào)節(jié)水庫規(guī)劃變化多、反復(fù)大，意見難以集中，原因是受諸多不確定因素制約。1）水源條件的不確定性。原設(shè)計以萬家寨水庫沖淤平衡后，每年8、9月份排沙期61d引水為控制條件，確定引黃水的調(diào)節(jié)庫容。由于水沙系列變化，來水來沙大幅度減少，實際沖淤平衡時間可能推后；相應(yīng)的入庫和出庫沙量超標(biāo)天數(shù)（≤5kg/m3）難以掌握；引黃取水口與大壩排沙底洞的排泄沙量也有區(qū)別；隨著水泵涂灌技術(shù)的進(jìn)步，5kg/m3含沙量的引水標(biāo)準(zhǔn)不再是不可逾越的障礙。南干線2002年運(yùn)行至今，汛期沙量很少，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，滿足引水要求。運(yùn)行中困惑引水的不是泥沙，而是非汛期水質(zhì)，超過地面水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)難以預(yù)測。無論是泥沙還是水質(zhì)，都使引黃每年實際可連續(xù)引水的天數(shù)存在較大的不確定性。2）供水區(qū)用水量及其增長過程的不確定性。用水量決定調(diào)節(jié)水庫規(guī)模，而規(guī)模關(guān)系工程布局，用水增長過程又影響水庫興建時機(jī)。北干線最初確定年引水規(guī)模5.6億m3全部用于工業(yè)與城市生活用水，需調(diào)節(jié)庫庫容1.03億m3，當(dāng)?shù)卣也坏脚c此規(guī)模相適應(yīng)的建庫壩址，大梁水庫成為唯一選擇。以后由于調(diào)整用水預(yù)測，總用水量減少到4億m3/a，其中需要調(diào)節(jié)的工業(yè)與城市用水量3億m3/a，提出近期先利用當(dāng)?shù)厮O(shè)施調(diào)節(jié)，緩建大梁水庫。審查過程中，用水量恢復(fù)到5.6億m3/a，大梁水庫再次提上日程，同步興建。幾經(jīng)反復(fù)，至《修改可研》階段，設(shè)計水平年用水量核定為2.96億m3/a，水庫調(diào)節(jié)庫容減少到0.3億m3?？傄?guī)模減小，有可能在下游選址建設(shè)規(guī)模不大的平原型水庫，給優(yōu)化工程布局創(chuàng)建了條件。3）利用當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)節(jié)的不確定性。黃河與桑干河8、9月同屬汛期，均處于洪水、泥沙高峰時段。當(dāng)?shù)厮畮煲?guī)模較小，多采取低汛限水位運(yùn)行，如用作引黃調(diào)節(jié)水庫，8、9月份蓄水，要求改變運(yùn)行方式，進(jìn)行擴(kuò)建加固，需要逐項落實。4）用水布局的不確定性。以萬元產(chǎn)值增加值為依據(jù)進(jìn)行的需水預(yù)測，用水未落實到具體用戶，用水戶位置不確定，帶來調(diào)節(jié)水庫布局、現(xiàn)有水庫利用、進(jìn)出水配套工程等難以落實。5）管理體制的不確定性。外調(diào)水與當(dāng)?shù)厮Y(jié)合涉及多部門、多地區(qū)、多層次的水量調(diào)配，以及多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的工程調(diào)度問題。目前分部門、分地區(qū)管理的體制尚難打破，與當(dāng)?shù)厮Y源、水工程結(jié)合中的利益問題難以解決。在這一條件下，外調(diào)水源先形成能保證自身獨(dú)立運(yùn)行的配套系統(tǒng)，是一個必然的過程。6）決策層面的不確定性。北干線用引黃水置換神頭泉水，有利無害，勢在必行，然而必需有力的連續(xù)決策才能由規(guī)劃設(shè)想轉(zhuǎn)為現(xiàn)實，這也影響調(diào)節(jié)水庫的規(guī)劃布局。4積極利用當(dāng)?shù)厮Y源經(jīng)過反復(fù)摸索，在調(diào)節(jié)水庫規(guī)劃中形成了以下思路：1）分層次逐步推進(jìn)。由于規(guī)劃因素復(fù)雜，不確定因素較多，調(diào)節(jié)水庫只能分層次推進(jìn)，逐步到位。先建成與近期調(diào)水規(guī)模配套的骨干水庫，保證基本運(yùn)行條件。隨著用水量增長，集中用水戶位置落實，逐一改造利用當(dāng)?shù)厮畮靺⑴c調(diào)節(jié)，以彌補(bǔ)萬家寨水庫連續(xù)污染、水質(zhì)超標(biāo)等因素引發(fā)的調(diào)節(jié)容量不足問題。遠(yuǎn)期隨著供水區(qū)水環(huán)境治理達(dá)標(biāo)，研究利用以桑干河?xùn)|榆林和冊田水庫作為備用水源，最終形成有主有備的雙水源供水系統(tǒng)。2）外調(diào)水源與當(dāng)?shù)厮Y源結(jié)合。引黃8、9月停供期部分開啟封閉的地下水井，統(tǒng)一調(diào)配現(xiàn)有地面、地下水資源，實施神頭泉置換分質(zhì)供水，以及水量調(diào)節(jié)庫容與事故備用庫容相結(jié)合等，以控制新建水庫規(guī)模避免投資集中，庫容閑置。3）水庫布局考慮用水量分配、輸水安全、水泵流量匹配和泥沙處理等綜合要求，盡可能做到上下游統(tǒng)籌安排，接近用水戶。5調(diào)節(jié)庫容布局設(shè)計方案1）先期修建的調(diào)節(jié)水庫要求有避沙、避污、安全輸水、水泵流量匹配等綜合功能，其規(guī)模取決于用水量、排沙期長短和水質(zhì)超標(biāo)延續(xù)天數(shù)，按近期用水量2.96億m3/a設(shè)計。水庫污染狀況受控于社會經(jīng)濟(jì)因素，水質(zhì)連續(xù)超標(biāo)天數(shù)無法預(yù)測，調(diào)節(jié)水庫規(guī)模以萬家寨水庫排沙期停引天數(shù)為設(shè)計依據(jù)。萬家寨水庫原設(shè)計采用1919—1979年水沙系列，多年平均入庫沙量1.49億t，水庫庫容8.96億m3，庫沙比7.8，采取蓄清排渾運(yùn)用，汛期運(yùn)行水位952m～957m，當(dāng)入庫流量大于1000m3/s時，水位降至948m沖沙。水庫自1998年下閘蓄水以來，入庫沙量明顯小于預(yù)測，1998—2002年，年均來水量136.5億m3，相當(dāng)于設(shè)計值的71%，年均沙量0.3億t，相當(dāng)于設(shè)計來沙量的20%。水沙系列的變化，使萬家寨水庫達(dá)到?jīng)_淤平衡時間可能推遲到2015年左右。年來沙量減少也使8、9月份出庫沙量減小，一般年份，8、9月出庫沙量小于5kg/m3天數(shù)10d左右，小于8kg/m3天數(shù)20d左右，可將8、9月份停止引水天數(shù)由61d減少到51d，相應(yīng)減小調(diào)節(jié)庫容810萬m3。水泵含沙量為5kg/m3設(shè)計、10kg/m3校核，遇大沙年份，可以短期提高引水含沙量，增加供水天數(shù)。在8、9月停供期間，可局部開啟封閉的水井，增采地下水，以為應(yīng)急水源。大同市地下水可采水量21.9萬t/d，地下水設(shè)備提水能力41.4萬t/d，在保證總體采補(bǔ)平衡的前提下，安排在7-10月份少采，8、9月份多采13.8萬m3/d，可減少8、9月引黃供水量700萬m3/a。供需平衡中計劃為恢復(fù)地下水位涵養(yǎng)地下水源1300萬m3/a，此項可不在8、9月份進(jìn)行，減少用水140萬m3/a。此外，在供水區(qū)安排的趙家小村水庫與耿莊水庫二座事故備用水庫，容積均按7d用水量安排。在8、9月停供前事故水庫也正好泄空的機(jī)遇很小，部分事故備用庫容（5天水量）可以共用。經(jīng)過上述調(diào)整，算8、9月份總調(diào)節(jié)庫容控制在3000萬m3左右。2）調(diào)節(jié)水庫布局。研究3個方案：方案I：大梁水庫單庫調(diào)節(jié)庫容2910萬m3，（內(nèi)調(diào)節(jié)庫容2400萬m3），同時分別在大同市設(shè)趙家小村水庫，容積550萬m3，朔州市設(shè)耿莊水庫，容積236萬m3，均滿足7d事故備用要求。該方案投資最小，三個水庫合計投資11.62億元，大梁水庫壩高降至28m，基本避開了不良地質(zhì)問題。但8、9月份所有調(diào)節(jié)水量均需揚(yáng)水140m送進(jìn)大梁水庫，運(yùn)行費(fèi)最高，提水費(fèi)用折現(xiàn)（50年）0.87億元。大梁水庫距大同130km，事故調(diào)節(jié)全部依靠趙家小村水庫，該庫位居大同市郊，有多條高壓線通過，需要縮小規(guī)模，導(dǎo)致事故備用庫容不足，輸水安全受到影響。針對以上情況，研究了第Ⅱ方案。該方案在下游87km處增設(shè)尚希莊水庫。庫址選擇在尚希莊的原因是高程合宜，引黃水可以自流入庫，出庫水無需加壓可送至趙家小村水庫，并可同時為供水區(qū)下游的大同、懷仁、山陰縣調(diào)節(jié)，總庫容1850萬m3。大梁水庫只為平魯、朔州調(diào)節(jié)，總庫容1474萬m3，壩高22m。由于增加尚希莊水庫，三庫總投資13.47億元，較方案Ⅰ增加1.85億元，而年運(yùn)行費(fèi)折現(xiàn)（50年）0.34億元，減少0.53億元。尚希莊水庫距大同44km，與修改后的趙家小村水庫（庫容175萬m3）聯(lián)合運(yùn)用，輸水安全狀況有很大改善。Ⅱ方案的問題是尚希莊水庫是平原圍封式水庫，占用耕地165.3hm2，其中優(yōu)良農(nóng)田151.3hm2，征地難度較大。平原水庫也可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，水庫位于尚希莊村上，帶來心理安全壓力。針對方案Ⅱ存在的問題，方案Ⅲ縮小了尚希莊水庫規(guī)模，征地范圍只限于林場，不再占用村民耕地，水庫庫容1090萬m3，不足部分由大梁水庫作補(bǔ)充調(diào)節(jié)，大梁水庫庫容2260萬m3，壩高25.5m，水庫總投資13.03億元，較II方案減少0.44億元。大梁水庫曾于1993年開工興建，已完成大壩基礎(chǔ)處理及部分移民遷建，投入1.5億元。從供水區(qū)整體布局上看，上游的平魯、朔州及山陰部分，只能通過大梁水庫調(diào)節(jié)。無論采用那個方案，大梁水庫均需保留。下游增加尚希莊水庫，減少能耗、降低成本保證輸水安全，使運(yùn)行調(diào)度更加靈活主動。但限于地形條件，盡量少占優(yōu)良耕地，規(guī)模亦不宜過大，不足部分，再由上游的大梁水庫補(bǔ)充調(diào)節(jié)。在實施神頭泉置換后，神頭電廠用水可通過大梁水庫調(diào)節(jié)，屆時下游調(diào)節(jié)任務(wù)相對減小，形成“上大下小”的格局。綜合以上因素，采用第Ⅲ方案是適宜的。6水庫利用潛力與分析萬家寨水庫近期泥沙情況比設(shè)計預(yù)期好，而污染問題卻相當(dāng)突出，連續(xù)水質(zhì)超標(biāo)期無法控制在51d在內(nèi)。2005年3—4月、2007年3—4月都連續(xù)超標(biāo)。按“避沙”控制的調(diào)節(jié)庫容不一定能滿足“避污”的要求。運(yùn)行初期用水量不大，矛盾尚不突出，隨著用水量增加，問題就會逐步暴露，因此，有必要研究利用當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)節(jié)問題。1）供水區(qū)范圍內(nèi)已建和決定新建的水庫共9座，如表1,9座水庫可以分為四種情況：(1）可為引黃8、9兩月用水提供調(diào)節(jié)庫容：薛家營、太平窯二庫。薛家營水庫是桑干河灌區(qū)的旁引水庫，無洪水、泥沙問題，近年空庫運(yùn)行，庫容閑置，有1050萬m3庫容可以利用。缺點(diǎn)是水庫高程低，只能就近引用。太平窯二庫，位于太平窯水庫壩下，如從太平窯水庫開挖泄洪渠，引走入庫洪水、泥沙，解決二庫淤積和污染問題，則可用為引黃旁引庫，提供約1000萬m3調(diào)節(jié)庫容。(2）本庫來水與引黃引水統(tǒng)一調(diào)配，減少引黃8、9月份供水量：孤山、文贏湖、東石湖。孤山水庫容積小，又高于引黃供水高程，直接用于引黃調(diào)節(jié)比較困難，但孤山水庫與文贏湖水庫聯(lián)合運(yùn)用，文贏湖有1000萬m3庫容，如集中用在8、9月份，則可為引黃減少調(diào)節(jié)庫容，文贏湖水庫還可為冊田水庫調(diào)節(jié)，對解決大同市東城區(qū)用水能發(fā)揮較大作用。東石湖水庫建庫條件較差，由企業(yè)自建，但其位置在引黃供水區(qū)，高程又位于大梁水庫控制范圍以內(nèi)，可以與引黃水統(tǒng)一使用。(3）既可提供部分調(diào)節(jié)庫容，又可通過水量統(tǒng)一調(diào)配，減少引黃8、9月份調(diào)節(jié)庫容：東榆林、下米莊。東榆林水庫在桑干河干流上，位于神頭泉下游，年來水2.61億m3，其中泉水約2億m3，扣除神頭電廠用水后，入庫徑流量1.74億m3,95%年份，3.1m3/s的泉水仍可穩(wěn)定入庫。東榆林水庫現(xiàn)狀是為桑干河灌區(qū)提供灌溉水源，按當(dāng)?shù)毓喔戎贫龋?月中、下旬和9、10月灌區(qū)不用水，95%年份，8、9月份余水約1500萬m3，可提供給城市和生活用水，9月份以后，用引黃水充庫，補(bǔ)足灌區(qū)冬春澆用水。一般年份，水庫棄水更多，可置換出更多的城市生活和工業(yè)用水。東榆林水庫已完成除險加固，汛限水位至死水位之間，保留庫容1311萬m3，這部分庫容也可用于引黃8、9月調(diào)節(jié)，但該庫除險加固設(shè)計對泥沙分析尚不充分，汛期是否可蓄水運(yùn)行，需進(jìn)一步研究論證。下米莊水庫是一座中型水庫，有清水入庫，雖然庫容不大，可用水量不多，但位于懷仁縣郊，供水條件好，也有利用價值。(4）趙家窯水庫庫容較大，但高于引黃供水高程150m以上，本庫來水不多，對引黃調(diào)節(jié)作用不大。2）當(dāng)?shù)厮畮煊幸欢ɡ脻摿?，但還有不少問題有待解決：(1）調(diào)整水庫開發(fā)目標(biāo)與應(yīng)用方式。已建成水庫均以灌溉用水為目標(biāo)，兼顧防洪（實際上沒有具體防洪任務(wù)）由于汛期入庫泥沙多，大多采取蓄清排渾或低汛限水位運(yùn)行，如為引黃調(diào)節(jié)，8、9月要儲蓄一定水量，需調(diào)整水庫原開發(fā)目標(biāo)與運(yùn)用方式。(2）用水戶要確定。當(dāng)?shù)乜衫玫乃畮於辔挥谝S輸水干線右側(cè)，且低于引黃管線供水高程，可自流入庫。但進(jìn)入水庫后，不能再回歸干管，只能由用水戶就近取用，因此，其開發(fā)時機(jī)宜在較大集中用戶確定之后。(3）污染需得到治理。桑干河流域是一個高污染區(qū)，河道、水庫水質(zhì)均不達(dá)地面水Ⅲ類，能否作為工業(yè)用水需視污染治理進(jìn)程做具體分析。(4）工程需改造加固。當(dāng)?shù)厮畮於鄬儆谄皆雵庑退畮?，壩基多為黃土類粉土、粉沙土，抗?jié)裣?、抗?jié)B流、抗震動液化能力差，長期高水位運(yùn)行對周邊環(huán)境影響亦不容忽視。已建成的東榆林、下米莊、薛家營、趙家窯等均為病險庫、有的已進(jìn)行除險加固，有的正準(zhǔn)備加固。但總的看，加固標(biāo)準(zhǔn)偏低，用于引黃調(diào)節(jié)還需進(jìn)一步復(fù)查，提高標(biāo)準(zhǔn)，估計還需進(jìn)一步投入。總之，從長遠(yuǎn)看，當(dāng)?shù)厮畮煊斜匾茫灿幸欢ɡ脻摿?，但需根?jù)用水量增長，用水戶到位情況，逐個利用，當(dāng)前宜先進(jìn)行前期工作，逐項摸底落實。7解決集中供暖可靠性問題已成調(diào)水工程運(yùn)行經(jīng)驗說明，依靠單一水源的長距離調(diào)水工程，很難避免