劉家宏，嚴伏朝，牛存穩(wěn)，徐 鶴，秦 濤，楊 浩

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.陜西省引漢濟渭工程協(xié)調領導小組辦公室，陜西 西安 710032）

淺議引漢濟渭配水工程調蓄研究的關鍵問題

劉家宏1，嚴伏朝2，牛存穩(wěn)1，徐 鶴1，秦 濤2，楊 浩2

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.陜西省引漢濟渭工程協(xié)調領導小組辦公室，陜西 西安 710032）

引漢濟渭工程是解決陜西關中地區(qū)缺水問題的戰(zhàn)略性骨干調水工程。引漢濟渭的水源區(qū)與南水北調中線工程水源區(qū)部分重合，為優(yōu)先保障南水北調中線工程的供水水源，留給引漢濟渭的可調水過程極不均勻，供水和用水需求過程匹配性差。引漢濟渭工程建成后，配水系統(tǒng)的調蓄能力成為工程供水效益能否充分發(fā)揮的關鍵。本文從調蓄節(jié)點選址及工程設計參數、配水管網的流量設計參數、調蓄方案及其運行管理機制和地下水參與調蓄的邊界條件及運用原則四個方面探討了引漢濟渭配水工程調蓄研究的關鍵問題。

引漢濟渭；配水工程；調蓄研究；南水北調；關中平原

引漢濟渭工程是陜西省為解決關中地區(qū)缺水問題而建設的跨流域骨干調水工程［1］，如圖1所示。該工程由“兩庫、兩電、兩泵、一洞兩段和一網”組成。其中“一網”是從寶雞至渭南的關中整體供水管網，即引漢濟渭配水工程。蔣建軍［2］等研究分析了引漢濟渭主體工程的七個關鍵技術問題，對配水工程的調蓄問題沒有深入討論。由于引漢濟渭工程水源區(qū)與受水區(qū)豐枯同步的概率較大，其年際調蓄問題突出［3］。世界各國已完成的重大調水工程中，水資源調運和蓄存是兩大核心組成部分。美國加州的“北水南調”工程設計輸水量為52.2億m3/a，目前實際調水量約為40億m3/a，共設置調蓄水庫29座，總庫容超過80億m3，調蓄水庫在整個工程中占有重要地位。美國加州“北水南調”工程取水水源地有巨大的奧洛維爾（Oroville）水庫（庫容43.7億m3）可供調蓄，配水工程中部有圣路易斯（San Louis）水庫（為旁側水庫，庫容25.2億m3）可供調蓄［4］。相比之下引漢濟渭工程大型調蓄水庫只有兩座，分別為渠首的黃金峽水庫和中部的三河口水庫，庫容分別為2.36億m3和6.8億m3，考慮到防洪要求，其水資源調蓄能力十分有限。南水北調中線工程作為跨流域長距離調水的特大型工程，因沿線沒有調蓄工程，對沿線眾多用水戶的供水調度將非常困難。傅長鋒［5-6］、婁華君［7］等研究了南水北調中線工程的水量調蓄問題及對策，分別提出了通過河北省徐水市瀑河水庫調蓄以及海河平原地下水庫水量置換調蓄方案。本文重點探討引漢濟渭配水工程的調蓄問題。

1 引漢濟渭配水工程調蓄問題

引漢濟渭工程建成后，要充分發(fā)揮工程的供水功能，主要面臨以下5個方面的困難：（1）引漢濟渭的水源區(qū)與南水北調中線工程的水源區(qū)部分重疊，受制于南水北調中線工程，其大部分引水量主要在汛期，而受水區(qū)需水過程的年內分配較為均勻，供求過程線嚴重不匹配（如圖2）；（2）引水線路上的兩個重要調蓄水庫——黃金峽水庫和三河口水庫，正好位于秦嶺南坡的暴雨集中區(qū)，其防洪調度功能和水資源調蓄功能存在一定的沖突；（3）配水線路上的最大調蓄水庫——三河口水庫位于秦嶺南坡，距受水區(qū)終端用戶80～200 km，對用水需求過程變動的反應時間較長，存在遠水解不了近渴的問題；（4）與受水區(qū)臨近的秦嶺北坡缺乏好的建庫條件，隧洞出口黃池溝至關中地區(qū)沿途難以建設大型調蓄工程，使得秦嶺隧洞自流而下的水資源不能得到有效的調節(jié)，流域內各城市用水依然嚴峻；（5）水源區(qū)取水斷面徑流年際變化大，可調水量年際波動劇烈（圖3，統(tǒng)計時段為水文年，即前一年的7月初至當年的6月底），長系列年際調蓄問題十分突出。

圖1 引漢濟渭工程主要配水節(jié)點示意圖

圖2 引漢濟渭工程1955—2007年歷年逐旬可調水量、平均旬調水量與旬需水量對比（單位：萬m3）

根據引漢濟渭工程的實踐需求，調蓄工程應重點解決工程來水與關中供水網之間的銜接、調蓄、耦合，調蓄節(jié)點及調蓄水庫的選址以及具體參數的確定極為重要；另外，對于關中水網而言，調蓄節(jié)點出口與水網之間的耦合參數設計也很重要，需要計算出較小時間尺度上的管網流量的連續(xù)過程。本文主要從調蓄節(jié)點選址及工程參數、配水管網的流量設計參數、調蓄方案及其運行管理機制、地下水參與調蓄的邊界條件及運用原則四個方面探討引漢濟渭配水工程調蓄研究的關鍵問題。

圖3 引漢濟渭工程1955—2008歷年（水文年）可調水量與需水量的對比

2 調蓄節(jié)點選址及工程參數

引漢濟渭配水系統(tǒng)的調蓄節(jié)點的選址是制定調蓄方案、協(xié)調供用水矛盾的重要基礎。與南水北調中線工程相比，引漢濟渭配水工程調蓄節(jié)點的設置要復雜得多，具體理由如下：

引漢濟渭工程調水流量過程的變幅更大，如圖2所示，同是五月中旬，水量豐富時，調水流量接近需水的2倍，水量少時，調水流量為零。而工業(yè)和生活需水過程相對穩(wěn)定，如果沒有強大的調蓄能力，任何一個供水網絡系統(tǒng)都會因缺水而“崩潰”。相比而言，南水北調中線的調水過程優(yōu)先級高，其調水過程比引漢濟渭工程要穩(wěn)定得多。正因為如此，南水北調工程的調蓄節(jié)點一般設置在受水口門一側，即骨干供水網絡的末端。如果引漢濟渭工程的調蓄節(jié)點也照此設置，則其骨干管網的過流能力至少要按照其調水流量過程的外包線設計，差不多是實際需水流量的2倍，而其過流斷面就要大許多，配水管網的投資成本也將成倍增加。因此，引漢濟渭的調蓄節(jié)點需要集中靠前設置，盡量靠近隧洞出水口，這樣配水管網的設計過流能力就可以適當減小，降低工程投資。不幸的是引漢濟渭隧洞出口沒有建設大型調蓄水庫的條件，因此只能在輸水沿線尋找合適的位置布置調蓄節(jié)點。

引漢濟渭工程的終端用水戶在平原區(qū)，調蓄節(jié)點的設置對現有的居民點、產業(yè)結構布局造成一定的影響。因此，調蓄節(jié)點選址需在引漢濟渭供水過程和受水區(qū)用水過程分析的基礎上，通過野外勘探、與當地部門座談，結合地形、環(huán)境和移民補償分析，優(yōu)化提出經濟、合理的方案。管網調蓄節(jié)點之間具有互補性和可替代性，不同點位上的調蓄需求可以集中在某些關鍵點位上統(tǒng)一解決，即在若干個小的調蓄池可由一個關鍵節(jié)點上大的調蓄池所代替。這樣結合國土空間規(guī)劃，可以營造若干既有調蓄功能、又有生態(tài)景觀功能的地表調蓄水庫，一方面促進當地的水生態(tài)文明建設；另一方面也可以避免調蓄點太小、太分散，難以管理，水質無法保障。

調蓄節(jié)點的位置確定后，其工程設計參數，即調蓄容量的優(yōu)化也是一個關鍵問題。調蓄容量選擇太大，征地拆遷多，工程造價高；調蓄容量小，工程造價低了，但其下游的配水管網設計成本又高了。因此需要針對每一個調蓄節(jié)點的工程設計參數進行系統(tǒng)的方案優(yōu)化。調蓄節(jié)點的工程設計參數還涉及到配水工程運行調度、可供水量在年內過程的分配和供水保證率等。在參數遴選過程中要避免設計的節(jié)點規(guī)模過大，造成工程閑置，投資浪費；同時也要避免設計的規(guī)模過小，影響調蓄工程作用的發(fā)揮，造成棄水，影響整個調水工程的效益發(fā)揮。

3 配水管網的流量設計參數

引漢濟渭工程空間跨度較大，管網所經地區(qū)自然地勢等條件有很大的差異，所以需要進行分段設計。而分段的依據則來自引水工程各段的調蓄配置方案，在配水管道壽命期內考慮經濟發(fā)展和人民生活用水水平提高等因素，計算不同調蓄方案下各段管道的過流能力要求。引漢濟渭工程配水管網的流量設計參數包括管段設計流量、過流形式的選取、斷面形狀、坡度、坡降和管徑等關鍵指標。其中，管段的設計流量是關鍵中的關鍵，需要針對長系列的來水過程，考慮調蓄節(jié)點的蓄泄調度方案、用水戶不同規(guī)劃水平年的需水過程等，模擬仿真計算各管段的流量過程，取其流量外包線，再加上一定的安全余量后確定。完成這一工作需要建立輸水隧洞與受水區(qū)管網和耦合系統(tǒng)模型，設置不同情景，并對不同情況下管道的水流過程進行細時間尺度的過程模擬，包括有壓流、無壓流等，還涉及明渠和暗管等不同形式。現有的水動力學模型難以直接應用于引漢濟渭工程配水管網的設計中，需要針對引漢濟渭的特殊情況進行適應性的開發(fā)。目前的工程方案中，引漢濟渭配水工程的供水過程主要受控于三河口水庫的調蓄作用。從三河口水庫至黃池溝的引水通道為無壓隧洞，全程自流輸水；且受水區(qū)節(jié)點眾多、需水要求復雜多變。引漢濟渭工程自身的復雜性和獨特性使其配水管網水動力學模擬沒有可以直接借鑒的工程和模型實例，因此必須針對引漢濟渭配水工程的實際特點，構建相應的輸水隧洞與受水區(qū)管網的耦合系統(tǒng)模型，進而確定配水管網的分段設計參數。

4 調蓄方案及其運行管理機制

引漢濟渭配水工程的調蓄方案直接決定其直接和間接效益。調蓄方案主要指：不同來水和用水情景下調蓄池的蓄泄方案、調蓄池的運用時序和管理機制等。由于水文不確定性客觀存在，引漢濟渭的來水過程必然是隨機波動的；在投資規(guī)模、地形等約束條件下，配水工程的調蓄容量也不可能做到足夠大；因此系統(tǒng)在調蓄能力用盡的情況下不可避免地會出現缺水或棄水現象。在編制調蓄方案時首先要明確3個基本問題，即缺水可以缺在哪些地方、哪些地方是必須保障和棄水要放給哪些景觀生態(tài)系統(tǒng)，需要事先根據用水類型確定不同用水戶的用水保證率，用戶的優(yōu)先級，在系統(tǒng)缺水狀態(tài)下做到有序滿足以保障發(fā)揮最大的效益，減少災難性的事件發(fā)生，同時明確棄水時生態(tài)供水的范圍。除此之外，運行管理機制還需要多方協(xié)調，包括做好對調蓄工程的維護、防滲和水源地保護等。

調蓄方案的具體制定包括以下步驟：首先分析引漢濟渭工程的供水過程和受水區(qū)的用水過程，包括現狀的用水結構和用水水平、供水結構和工程布局、現狀生態(tài)格局等，擬定調蓄方案的邊界條件，設定調蓄情景方案；其次要參照受水區(qū)原有調蓄工程情況以及區(qū)域社會經濟、生態(tài)環(huán)境、產業(yè)結構等規(guī)劃，劃定供水優(yōu)先級和生態(tài)供水范圍；第三，要根據第一步設置的情景方案，結合引漢濟渭配水系統(tǒng)調蓄節(jié)點及其調蓄參數，對情景方案進行模擬，采用專家經驗及博弈機制，推薦引漢濟渭受水區(qū)典型年來水和用水過程下科學合理的調蓄方案集；最后，在調蓄方案集的基礎上，制定引漢濟渭配水工程調蓄節(jié)點的運行管理機制。

5 地下水參與調蓄的邊界條件及運用原則

上述調蓄節(jié)點選址、調蓄工程規(guī)模設計等只能應對常態(tài)情景下的調蓄問題，即解決了平水年的年內過程調蓄問題。在引漢濟渭水源區(qū)發(fā)生特殊干旱、洪澇等極端情景下，地表調蓄能力會明顯不足，即引漢濟渭的年際調蓄問題并沒有解決。引漢濟渭工程的水源區(qū)與南水北調工程的水源區(qū)部分重合，在枯水年份，為保證南水北調中線工程的調水需求，引漢濟渭的可調水量會大打折扣。例如1996年（水文年）這樣的枯水年份，引漢濟渭的實際可引水量不足7億m3，比設計調水規(guī)模15億m3少8億m3。為保障引漢濟渭配水對象的用水安全，需要動用關中地下水進行調節(jié)。引漢濟渭配水工程調蓄研究須在摸清受水區(qū)現狀地表/地下水供水結構的基礎上，提出枯水年份地下水參與調蓄的邊界條件及運用原則。概括來說邊界條件主要包括兩條。第一條邊界是觸發(fā)邊界，即引漢濟渭來水少于多少時，就要啟動地下水參與供水。這條邊界由配水系統(tǒng)中各用水戶的剛性用水量決定，所謂剛性用水量就是能維持系統(tǒng)不崩潰的最低供水量，低于這個水量，供水系統(tǒng)就將發(fā)生破壞，帶來災難性后果。第二條邊界是控制邊界，即地下水參與調蓄的總量上限控制閾值，超過這一閾值，將會對地下水系統(tǒng)的地質結構造成破壞，引起地面沉陷等地質災害?？刂七吔缧枰鶕⑴c調蓄的地下水源地的水文地質特性、補給和排泄關系等情況決定。這兩條邊界確定后，運用原則即可表述如下：（1）當引漢濟渭來水低于觸發(fā)邊界，且調蓄池里的存水用盡的情況下，啟動地下水源參與調蓄；（2）當引漢濟渭來水量增加，高于觸發(fā)邊界時，關閉地下水源；（3）當引漢濟渭來水長期低于觸發(fā)邊界，地下調蓄水源供水量累計超過控制邊界時，為避免地下水超采帶來的不可恢復的地質災害，關閉地下調蓄水源，允許配水系統(tǒng)出現局部甚至全局性破壞。這三條運用原則體現了對地下水源供水采取有限目標、有限供水的思想，寧愿讓地表缺水，也不讓地下因過度供水而造成地質破壞。除了地下水參與調節(jié)外，枯水年份還可以考慮抓汛期尾巴的方案，把水源區(qū)汛期末的水調到嶺北，抽灌到黑河、石砭峪等相關水庫中存放，以備非汛期用水之需。相應地，在豐水年份應考慮將多余的水量回灌到地下，彌補枯水年份地下水參與調節(jié)造成的虧空，實現地下水的采補平衡。

6 結論和建議

引漢濟渭工程設計年調水量15億m3，配水工程調蓄庫容有限，且受南水北調中線工程優(yōu)先調水的影響，調水過程與實際需水過程不匹配，工程棄水和缺水的風險并存。本文初步分析了引漢濟渭配水工程調蓄的幾個關鍵問題，其主要結論如下：（1）調蓄節(jié)點選址要在地形和占地等條件允許的前提下盡量靠近輸水隧洞一側，這樣可以縮減調蓄節(jié)點以下的輸水管線規(guī)模，節(jié)省投資；（2）配水管網流量設計參數的確定需要建立輸水隧洞與受水區(qū)管網和耦合系統(tǒng)模型，針對長系列的來水過程開展細致的情景模擬確定各管段設計流量和斷面面積等；（3）明確了調蓄方案制定的三個基本問題和三個具體步驟；（4）提出了地下水參與調節(jié)的觸發(fā)條件、控制條件及相應的運用原則。初步的分析結果顯示引漢濟渭配水工程的調蓄難度比南水北調中線工程的調蓄難度更大，為了實現各用水戶對用水需求的有序滿足，提升關中地區(qū)的水資源保障程度，建議在引漢濟渭配水工程可行性研究階段開展調蓄專題研究，優(yōu)化調蓄工程的布置方案，同時合理設計地下水應急調蓄工程。

［1］ 楊曉茹，費良軍，張永永，等.引漢濟渭調水工程受水區(qū)水資源優(yōu)化配置研究［J］.水利與建筑工程學報，2012，10（4）：6-10.

［2］ 蔣建軍，劉家宏，嚴伏朝，等 .淺議引漢濟渭幾個關鍵技術問題［J］.南水北調與水利科技，2010，8（5）：133-136.

［3］ 王偉，鐘永華，雷曉輝，等 .引漢濟渭工程水源區(qū)與受水區(qū)豐枯遭遇分析［J］.南水北調與水利科技，2012，10（5）：23-36.

［4］ 王光謙，歐陽琪，張遠東，等.世界調水工程［M］.北京：科學出版社，2009.

［5］ 傅長鋒.南水北調中線在線調蓄工程分析［J］.南水北調與水利科技，2005，3（5）：6-8.

［6］ 傅長鋒，張米軍.南水北調配套調蓄工程技術研究及設計要點［J］.水利水電技術，2005，36（4）：65-67.

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Key Issues on water distribution system of the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River

LIU Jia-hong1，YAN Fu-chao2，NIU Cun-wen1，XU He1，QIN Tao2，YANG Hao2
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Coordination Leading Group Office of Water Transfer Project from Hangjiang River to Weihe River，Xi’an 710032，China）

The water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River is a strategic system on water resources allocation in Shaanxi province.The water source area of the water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River overlap that of the South to North Water Transfer project.To ensure the water supply of the South to North Water Transfer project，the process of water available for the water transfer project from the Hanjiang River to the Weihe River was uneven.So there was poor matching be?tween water transfer processes and water demand processes.When the project went into operation，the stor?age capacity of the water distribution system became the key issue of enhancing water supply benefits.This paper has made a preliminary discussion about the issue of storage capacity of the project，especially in four aspects：the location and engineering parameters of the reservoirs，the design discharge of the water supply pipe network，regulation scheme and its operation rules，utilization of groundwater and water storage.

the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River；water supply pipe network；Di?version and Storage Project；South to North Water Transfer；the Guanzhong Plain

TV212.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.004

1672-3031（2014）03-0244-05

（責任編輯：王成麗）

2014-02-25

國家自然科學基金（51279208，51021066）；陜西省引漢濟渭工程科研專項“引漢濟渭配水工程調蓄基礎研究”

劉家宏（1977-），男，湖北鐘祥人，博士，教授級高級工程師，主要從事水文學及水資源研究。E-mail：liujh@iwhr.com