引黄北干线供水区调节水库设置必要性分析

引黄北干线供水区调节水库设置必要性分析

1．水系及水库黄北线沿线引用速度为5.6亿3m，近期（2020年）引用速度为2.96亿3m。其中，大同1.7亿3m，占57.6%，怀仁0.38亿3m，占12.9%，山阴0.18亿3m，占6.1%，朔州0.43亿3m。a，14.4%，平鲁0.27亿3m（a）占9%。输水线路全长204.8km，包括44km总干线，160.8km北干线。北干线自下土寨分水闸起，途经平鲁、朔州、山阴、怀仁到大同市赵家小村水库，其中隧洞长44km,PCCP管长116.8km。引黄南、北干线均以万家寨水库为水源地。万家寨水库总库容8.96亿m3，蓄清排浑运用，8、9月水库排沙，引黄停止引水，因此，设计要求在供水区另设调节水库。南干线原计划在7号隧洞出口修建坝高74m、库容1.8亿m3、投资7.7亿元（1993年估算）的好水沟水库，由于投资较高，并考虑太原6.4亿m3/a的供水市场只能逐步形成，后改由汾河水库调节。按当时水沙系列预测，汾河水库淤积年限为2005年。近年实际来沙量明显小于预测，年均输沙量上世纪60年代曾达1700万m3/a,90年代减至400万m3/a,2000—2004年仅为110万m3/a，来水量也明显减少，水库长期低水位运行，为引黄水提供了有效调节。汾河水库总库容7.21亿m3，至2005年已淤积3.72亿m3，尚余3.49亿m3，按现状来水来沙在相当长时段内，还可以继续为引黄水调节。汾河水库高于太原市230余m，顺流而下，完全具备为太原市调节的条件。北干线供水区属桑干河流域，桑干河干流上建成了东榆林水库与册田水库。东榆林水库为中型水库，总库容0.48亿m3，册田水库为大（II）型水库，总库容5.8亿m3，两座水库高程均低于用水户。册田水库距大同市区40.5km，需提水140m（水泵工作扬程180m）才能到达大同市，且桑干河污染严重，水库水质经常处于V类、劣V类，近期不具备作为调节库的条件。大同、朔州盆地地势平坦，已建水库均为低坝半围封型，地质条件差，存在环境隐患，新选坝址也十分困难，因而从1990年引黄北干线可研报告起，就选定大梁水库为调节库。大梁水库位于北干1号隧洞顶部，需扬水140m才能进库。该库远离主要供水区大同市达130km，坝址和库区还存在令人担心的地质问题，北干线调节水库的规模和位置，始终是历次审批的焦点之一。经多次反复研究、方案比较，对设置调节水库必要性、规划思路逐渐清晰，库容确定、水库布局等渐趋合理。2．主要洪水问题万家寨引黄工程为太原、大同、朔州提供城市生活和工业用水，供水保证率95%，要求不间断均衡供水，水质满足地面水III级标准。万家寨水库存在8、9月排沙，冬春排凌与污染问题，且远离供水区，必须进行二次调节。1）避沙。万家寨水库采用蓄清排浑运用方式，每年8、9月为排沙期，运用水位952m～957m，按万家寨水库泥沙数字模型和物理模型试验分析，排沙期运行水位952m，日调节水位不高于957m。低于上述水位引水，含沙量可能高于5kg/m3，造成机组磨损和输水系统淤积。因此，要求在供水区内另建调蓄水库，存蓄8、9月份用水。2）避污。1989年完成的水库工程环境影响评价，黄河万家寨断面水质符合地面水III类标准。但自1998年蓄水以来，水库水质时好时坏，丰水期优于枯水期，高水位优于低水位，坝前优于库区。如2004—2005年，6-12月可达地面水III类，其余各月不满足要求，个别时段为V类与劣V类。超标项目为总氮、氨氮、化学需氧量等。南干线投入运行后，年供水量较小，选择在万家寨水库水质不超标期集中引水存入汾河水库，再由汾河水库引向呼延水厂。北干线无现有水库可资利用，需新建调节水库。3）供水流量与水泵单机流量匹配。引黄水泵单机流量6.45m3/s，日上水55.7万m3/d，南干线运行5年至今，日供水21万m3/d，北干线起步流量可能更小，初期运行，必需利用水库调节，避免弃水。即使在用水量增加以后，水泵流量不匹配的问题仍然存在。调节水库必须有足够库容，才能避免频繁开启水泵。4）输水安全。引黄采用单线输水，北干线从万家寨水库到大同赵家小村水库长达204.8km，采用隧洞、PCCP管输水，沿线通过煤矿采空区、湿陷性黄土地段，存在事故停水的可能性。需在接近供水区位置设事故调节水库保证连续供水。3引黄发展面临的主要问题调节水库规划变化多、反复大，意见难以集中，原因是受诸多不确定因素制约。1）水源条件的不确定性。原设计以万家寨水库冲淤平衡后，每年8、9月份排沙期61d引水为控制条件，确定引黄水的调节库容。由于水沙系列变化，来水来沙大幅度减少，实际冲淤平衡时间可能推后；相应的入库和出库沙量超标天数（≤5kg/m3）难以掌握；引黄取水口与大坝排沙底洞的排泄沙量也有区别；随着水泵涂灌技术的进步，5kg/m3含沙量的引水标准不再是不可逾越的障碍。南干线2002年运行至今，汛期沙量很少，水质达标，满足引水要求。运行中困惑引水的不是泥沙，而是非汛期水质，超过地面水Ⅲ类标准的天数难以预测。无论是泥沙还是水质，都使引黄每年实际可连续引水的天数存在较大的不确定性。2）供水区用水量及其增长过程的不确定性。用水量决定调节水库规模，而规模关系工程布局，用水增长过程又影响水库兴建时机。北干线最初确定年引水规模5.6亿m3全部用于工业与城市生活用水，需调节库库容1.03亿m3，当地找不到与此规模相适应的建库坝址，大梁水库成为唯一选择。以后由于调整用水预测，总用水量减少到4亿m3/a，其中需要调节的工业与城市用水量3亿m3/a，提出近期先利用当地水利设施调节，缓建大梁水库。审查过程中，用水量恢复到5.6亿m3/a，大梁水库再次提上日程，同步兴建。几经反复，至《修改可研》阶段，设计水平年用水量核定为2.96亿m3/a，水库调节库容减少到0.3亿m3。总规模减小，有可能在下游选址建设规模不大的平原型水库，给优化工程布局创建了条件。3）利用当地水库调节的不确定性。黄河与桑干河8、9月同属汛期，均处于洪水、泥沙高峰时段。当地水库规模较小，多采取低汛限水位运行，如用作引黄调节水库，8、9月份蓄水，要求改变运行方式，进行扩建加固，需要逐项落实。4）用水布局的不确定性。以万元产值增加值为依据进行的需水预测，用水未落实到具体用户，用水户位置不确定，带来调节水库布局、现有水库利用、进出水配套工程等难以落实。5）管理体制的不确定性。外调水与当地水结合涉及多部门、多地区、多层次的水量调配，以及多目标、多准则的工程调度问题。目前分部门、分地区管理的体制尚难打破，与当地水资源、水工程结合中的利益问题难以解决。在这一条件下，外调水源先形成能保证自身独立运行的配套系统，是一个必然的过程。6）决策层面的不确定性。北干线用引黄水置换神头泉水，有利无害，势在必行，然而必需有力的连续决策才能由规划设想转为现实，这也影响调节水库的规划布局。4积极利用当地水资源经过反复摸索，在调节水库规划中形成了以下思路：1）分层次逐步推进。由于规划因素复杂，不确定因素较多，调节水库只能分层次推进，逐步到位。先建成与近期调水规模配套的骨干水库，保证基本运行条件。随着用水量增长，集中用水户位置落实，逐一改造利用当地水库参与调节，以弥补万家寨水库连续污染、水质超标等因素引发的调节容量不足问题。远期随着供水区水环境治理达标，研究利用以桑干河东榆林和册田水库作为备用水源，最终形成有主有备的双水源供水系统。2）外调水源与当地水资源结合。引黄8、9月停供期部分开启封闭的地下水井，统一调配现有地面、地下水资源，实施神头泉置换分质供水，以及水量调节库容与事故备用库容相结合等，以控制新建水库规模避免投资集中，库容闲置。3）水库布局考虑用水量分配、输水安全、水泵流量匹配和泥沙处理等综合要求，尽可能做到上下游统筹安排，接近用水户。5调节库容布局设计方案1）先期修建的调节水库要求有避沙、避污、安全输水、水泵流量匹配等综合功能，其规模取决于用水量、排沙期长短和水质超标延续天数，按近期用水量2.96亿m3/a设计。水库污染状况受控于社会经济因素，水质连续超标天数无法预测，调节水库规模以万家寨水库排沙期停引天数为设计依据。万家寨水库原设计采用1919—1979年水沙系列，多年平均入库沙量1.49亿t，水库库容8.96亿m3，库沙比7.8，采取蓄清排浑运用，汛期运行水位952m～957m，当入库流量大于1000m3/s时，水位降至948m冲沙。水库自1998年下闸蓄水以来，入库沙量明显小于预测，1998—2002年，年均来水量136.5亿m3，相当于设计值的71%，年均沙量0.3亿t，相当于设计来沙量的20%。水沙系列的变化，使万家寨水库达到冲淤平衡时间可能推迟到2015年左右。年来沙量减少也使8、9月份出库沙量减小，一般年份，8、9月出库沙量小于5kg/m3天数10d左右，小于8kg/m3天数20d左右，可将8、9月份停止引水天数由61d减少到51d，相应减小调节库容810万m3。水泵含沙量为5kg/m3设计、10kg/m3校核，遇大沙年份，可以短期提高引水含沙量，增加供水天数。在8、9月停供期间，可局部开启封闭的水井，增采地下水，以为应急水源。大同市地下水可采水量21.9万t/d，地下水设备提水能力41.4万t/d，在保证总体采补平衡的前提下，安排在7-10月份少采，8、9月份多采13.8万m3/d，可减少8、9月引黄供水量700万m3/a。供需平衡中计划为恢复地下水位涵养地下水源1300万m3/a，此项可不在8、9月份进行，减少用水140万m3/a。此外，在供水区安排的赵家小村水库与耿庄水库二座事故备用水库，容积均按7d用水量安排。在8、9月停供前事故水库也正好泄空的机遇很小，部分事故备用库容（5天水量）可以共用。经过上述调整，算8、9月份总调节库容控制在3000万m3左右。2）调节水库布局。研究3个方案：方案I：大梁水库单库调节库容2910万m3，（内调节库容2400万m3），同时分别在大同市设赵家小村水库，容积550万m3，朔州市设耿庄水库，容积236万m3，均满足7d事故备用要求。该方案投资最小，三个水库合计投资11.62亿元，大梁水库坝高降至28m，基本避开了不良地质问题。但8、9月份所有调节水量均需扬水140m送进大梁水库，运行费最高，提水费用折现（50年）0.87亿元。大梁水库距大同130km，事故调节全部依靠赵家小村水库，该库位居大同市郊，有多条高压线通过，需要缩小规模，导致事故备用库容不足，输水安全受到影响。针对以上情况，研究了第Ⅱ方案。该方案在下游87km处增设尚希庄水库。库址选择在尚希庄的原因是高程合宜，引黄水可以自流入库，出库水无需加压可送至赵家小村水库，并可同时为供水区下游的大同、怀仁、山阴县调节，总库容1850万m3。大梁水库只为平鲁、朔州调节，总库容1474万m3，坝高22m。由于增加尚希庄水库，三库总投资13.47亿元，较方案Ⅰ增加1.85亿元，而年运行费折现（50年）0.34亿元，减少0.53亿元。尚希庄水库距大同44km，与修改后的赵家小村水库（库容175万m3）联合运用，输水安全状况有很大改善。Ⅱ方案的问题是尚希庄水库是平原围封式水库，占用耕地165.3hm2，其中优良农田151.3hm2，征地难度较大。平原水库也可能对周边环境产生负面影响，水库位于尚希庄村上，带来心理安全压力。针对方案Ⅱ存在的问题，方案Ⅲ缩小了尚希庄水库规模，征地范围只限于林场，不再占用村民耕地，水库库容1090万m3，不足部分由大梁水库作补充调节，大梁水库库容2260万m3，坝高25.5m，水库总投资13.03亿元，较II方案减少0.44亿元。大梁水库曾于1993年开工兴建，已完成大坝基础处理及部分移民迁建，投入1.5亿元。从供水区整体布局上看，上游的平鲁、朔州及山阴部分，只能通过大梁水库调节。无论采用那个方案，大梁水库均需保留。下游增加尚希庄水库，减少能耗、降低成本保证输水安全，使运行调度更加灵活主动。但限于地形条件，尽量少占优良耕地，规模亦不宜过大，不足部分，再由上游的大梁水库补充调节。在实施神头泉置换后，神头电厂用水可通过大梁水库调节，届时下游调节任务相对减小，形成“上大下小”的格局。综合以上因素，采用第Ⅲ方案是适宜的。6水库利用潜力与分析万家寨水库近期泥沙情况比设计预期好，而污染问题却相当突出，连续水质超标期无法控制在51d在内。2005年3—4月、2007年3—4月都连续超标。按“避沙”控制的调节库容不一定能满足“避污”的要求。运行初期用水量不大，矛盾尚不突出，随着用水量增加，问题就会逐步暴露，因此，有必要研究利用当地水库调节问题。1）供水区范围内已建和决定新建的水库共9座，如表1,9座水库可以分为四种情况：(1）可为引黄8、9两月用水提供调节库容：薛家营、太平窑二库。薛家营水库是桑干河灌区的旁引水库，无洪水、泥沙问题，近年空库运行，库容闲置，有1050万m3库容可以利用。缺点是水库高程低，只能就近引用。太平窑二库，位于太平窑水库坝下，如从太平窑水库开挖泄洪渠，引走入库洪水、泥沙，解决二库淤积和污染问题，则可用为引黄旁引库，提供约1000万m3调节库容。(2）本库来水与引黄引水统一调配，减少引黄8、9月份供水量：孤山、文赢湖、东石湖。孤山水库容积小，又高于引黄供水高程，直接用于引黄调节比较困难，但孤山水库与文赢湖水库联合运用，文赢湖有1000万m3库容，如集中用在8、9月份，则可为引黄减少调节库容，文赢湖水库还可为册田水库调节，对解决大同市东城区用水能发挥较大作用。东石湖水库建库条件较差，由企业自建，但其位置在引黄供水区，高程又位于大梁水库控制范围以内，可以与引黄水统一使用。(3）既可提供部分调节库容，又可通过水量统一调配，减少引黄8、9月份调节库容：东榆林、下米庄。东榆林水库在桑干河干流上，位于神头泉下游，年来水2.61亿m3，其中泉水约2亿m3，扣除神头电厂用水后，入库径流量1.74亿m3,95%年份，3.1m3/s的泉水仍可稳定入库。东榆林水库现状是为桑干河灌区提供灌溉水源，按当地灌溉制度，8月中、下旬和9、10月灌区不用水，95%年份，8、9月份余水约1500万m3，可提供给城市和生活用水，9月份以后，用引黄水充库，补足灌区冬春浇用水。一般年份，水库弃水更多，可置换出更多的城市生活和工业用水。东榆林水库已完成除险加固，汛限水位至死水位之间，保留库容1311万m3，这部分库容也可用于引黄8、9月调节，但该库除险加固设计对泥沙分析尚不充分，汛期是否可蓄水运行，需进一步研究论证。下米庄水库是一座中型水库，有清水入库，虽然库容不大，可用水量不多，但位于怀仁县郊，供水条件好，也有利用价值。(4）赵家窑水库库容较大，但高于引黄供水高程150m以上，本库来水不多，对引黄调节作用不大。2）当地水库有一定利用潜力，但还有不少问题有待解决：(1）调整水库开发目标与应用方式。已建成水库均以灌溉用水为目标，兼顾防洪（实际上没有具体防洪任务）由于汛期入库泥沙多，大多采取蓄清排浑或低汛限水位运行，如为引黄调节，8、9月要储蓄一定水量，需调整水库原开发目标与运用方式。(2）用水户要确定。当地可利用的水库多位于引黄输水干线右侧，且低于引黄管线供水高程，可自流入库。但进入水库后，不能再回归干管，只能由用水户就近取用，因此，其开发时机宜在较大集中用户确定之后。(3）污染需得到治理。桑干河流域是一个高污染区，河道、水库水质均不达地面水Ⅲ类，能否作为工业用水需视污染治理进程做具体分析。(4）工程需改造加固。当地水库多属于平原半围封型水库，坝基多为黄土类粉土、粉沙土，抗湿陷、抗渗流、抗震动液化能力差，长期高水位运行对周边环境影响亦不容忽视。已建成的东榆林、下米庄、薛家营、赵家窑等均为病险库、有的已进行除险加固，有的正准备加固。但总的看，加固标准偏低，用于引黄调节还需进一步复查，提高标准，估计还需进一步投入。总之，从长远看，当地水库有必要利用，也有一定利用潜力，但需根据用水量增长，用水户到位情况，逐个利用，当前宜先进行前期工作，逐项摸底落实。7解决集中供暖可靠性问题已成调水工程运行经验说明，依靠单一水源的长距离调水工程，很难避免