榆林市马镇黄河引水设计径流计算分析

席雅娟，霍 磊

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 基本情况

1.1 工程基本情况

马镇黄河引水工程是榆林市规划东线黄河引水的骨干工程，解决2030年以前榆林市重点城镇及工业园区的用水需求，是破解水资源瓶颈制约，保障榆林能源化工基地可持续发展的根本措施，马镇引水工程从榆林东部黄河干流府谷到神木之间的马镇断面取水，年取水量约7亿m3，线路长175.5 km，从东向西偏南布置，末端到王圪堵水库。先后向神木窟野河区、榆神煤化学工业区、榆阳区、榆横煤化学工业区及横山区共五大区供水。

取水河段位于黄河中游，水资源短缺，供需矛盾突出，近年来沿黄地区人类活动加剧，用水需求与日俱增，导致水文情势复杂多变，径流有减少趋势。断面设计径流的分析计算是工程规划设计的基础，关系到工程的安全可靠性。

本工程取水口位于府谷水文站下游46 km处，由于府谷水文站～取水口断面区间的河流为季节性河流，来水主要集中在汛期，在非汛期经常处于断流状态，因此从供水安全角度考虑，采用府谷水文站断面的设计径流作为取水口断面的设计径流。

2.1 流域基本情况

黄河发源于青海省巴颜喀拉山北麓，自西向东，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东等九省（区），在山东省垦利县注入渤海，全长5463.6 km，控制流域面积752443 km2。内蒙古托克托县河口镇以上为黄河上游：干流河道长3472km，流域面积42.8万km2；河口镇至河南郑州桃花峪为黄河中游：干流河道长1206 km，流域面积34.4万km2；桃花峪以下为黄河下游：干流河道长786 km，流域面积2.3万km2。本工程取水河段位于黄河中游，地处黄土高原区，气候干旱，降水量较少，植被较差，土质松散，水土流失严重，是黄河泥沙来源区之一。

本工程取水设计径流拟采用府谷站断面分析成果，府谷站以上黄河干流已建成大、中型水利枢纽工程有龙羊峡、李家峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡、三盛公、万家寨及龙口、天桥等水利枢纽等，水库工程调蓄是影响下游断面设计径流分析的重要因素之一。

黄河流域有关径流分析成果所选择的主要水文站约30处，先后提出过不同阶段的相关成果。本次选择其中位于中上游的兰州、下河口、河口镇、龙门共4处主要水文站，据此对府谷站断面径流进行分析。见表1。径流分析采用的主要水文站基本情况表。

府谷水文站位于黄河干流天桥电站以下，断面以上流域面积40.4万km2，位于上述的河口镇站与龙门站之间。

表1 径流分析采用的主要水文站基本情况表

2 实测径流

在以往的规划中，黄河流域设计径流成果采用的是1919～1975年系列成果，2008年完成的《黄河流域水资源综合规划》将系列调整为1956～2000年，最新的黄河流域水文水资源相关成果系列已延长至2010年。

根据不同年代实测径流统计资料，流域径流量呈减少趋势。根据典型断面1956～2000年、2001～2010年实测径流统计比较情况，可以看出，各断面径流都有不同幅度减少，上游减少幅度较小，在10%到20%左右；中游减少较多，河口镇到龙门断面均达到30%以上。见表2。主要水文站断面2001～2010年实测径流量与1956～2000年比较表。

府谷站 1956～2000年系列实测径流 230.2亿 m3，2001～2010年系列实测径流155.7亿m3，减少32.3%。

表2 主要水文站断面2001～2010年实测径流量与1956～2000年比较表 单位：亿m3

3 天然径流

实测径流量主要受到两方面影响，不能真实反映流域径流状况。一是受地表用水损耗及大中型水库调蓄影响较大；二是受水利水保工程、地下水开采、煤炭开采等下垫面条件变化影响大，径流分析需要考虑以上两方面因素相应进行径流还原计算与天然径流量一致性处理，得到相同下垫面条件的流域天然径流量，为工程设计提供科学、合理的依据。《黄河流域水资源综合规划》提出了流域典型断面的还原计算及一致性处理相关成果，根据该成果进行本工程取水口断面天然径流分析。

3.1 径流还原计算

河川径流量还原计算，基于水量平衡的原理，断面天然径流量等于实测径流量加上还原水量，采用《水资源评价导则》（SL/T238-1999）规定的方法计算，即：

式中，W天然为水文站实测加还原径流量；W实测为水文站实测径流量；W还原指还原水量；W用水还原指用水还原水量，包括农灌耗水量、工业耗水量、城镇生活耗水量以及跨流域引入（为正）或引出（为负）水量；W分洪为河道分洪决口水量，分出为正，分入为负；W库蓄为大中型水库蓄水变量，增加为正，减少为负。

可以看出，河川径流量还原计算，主要考虑了人类利用河川径流数量及水利工程蓄水情况，不包括水利工程及自然或人工湖泊蒸发渗漏损失、水土保持用水、地下水开采影响河川径流数量等影响因素。见表3。主要水文站型断面实测加还原后径流（1956～2010年）成果。

表3 主要水文站断面实测与还原后径流成果（1956～2010）

3.2 天然径流一致性处理

实测加还原系列没有对流域面上的水利水保工程影响、地下水开采、煤炭开采等下垫面变化进行一致性处理，因此需要在实测加还原系列基础上进行一致性修订。采用降水径流相关法、上下游断面径流相关法和成因分析法等分析下垫面变化对各河段径流影响，黄河流域相关水资源规划成果推荐近期Ⅰ下垫面（1980～2010年）条件作为天然径流一致性处理的下垫面条件，根据各河段主要影响因素分别处理，其中，黄河上游，影响河川径流的主要因素主要是水利工程建设、地下水过度开采以及新增水面的蒸发损失量等。黄河中游，影响河川径流的主要因素主要是水利水保工程建设、煤炭开采、地下水过度开采以及新增水面的蒸发损失量等。见表4。主要水文站断面天然径流（1956～2010年）特征值统计表。

表4 主要水文站断面天然径流（1956～2010年）特征值统计表

3.3 府谷站断面天然径流量及月分配

府谷水文站位于河口镇、龙门之间，控制流域面积40.4万km2，按照河口镇、龙门断面天然径流量成果进行内插，得到府谷水文站天然径流量为319.8亿m3，其中汛期7～10月径流量187.8亿m3，非汛期径流量132亿m3。径流月分配见表5。府谷 站（1956～2010年）多年平均天然径流月分配过程。

表5 府谷站（1956～2010年）多年平均天然径流月分配过程 单位：亿m3

4 设计径流

马镇黄河引水工程设计水平年为2030年，断面设计径流的分析需考虑断面上游相应水平年用水需求以及断面上游大中型水库的调节作用。采用上中游典型断面1956～2010年天然径流量系列，扣除黄河水量配置方案在各河段配置的水量，对上游龙羊峡、刘家峡和万家寨等各梯级水库按照设计运用方式进行调节计算，分析确定取水断面设计径流。

4.1 设计水平年府谷站断面以上用水

1987年 9月，国务院办公厅以“国办发【1987】61号”（“87分水方案”）对黄河可供水量进行分配，依据的黄河径流系列为1919～1975年天然径流系列，黄河流域多年平均天然河川径流量580亿m3，黄河河道外配置水量370亿m3，入海水量210亿m3。

本次采用的1956～2010年系列，黄河多年平均天然径流量为482.4亿m3，考虑到黄河天然水量减少因素，遵循丰增枯减的原则，对设计水平年（2030年）河道外配置水量同比例缩减后为482.4/580*370＝307.75亿m3，对各河段配置水量同样按比例缩减。见表6。设计水平年黄河各河段配置水量及过程表。正常年份河口镇以上耗水量114.56亿m3，龙门以上耗水量136.54 亿 m3。

表6 设计水平年（2030年）黄河各河段配置水量及过程表 单位：亿m3

4.2 河口镇以上梯级水库调节计算

①调节计算原则

河口镇以上已建龙羊峡、李家峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、小峡、大峡、青铜峡等梯级水电站。龙羊峡水库入库径流采用贵德站天然径流扣除坝址以上工农业用水，刘家峡水库入库采用龙羊峡水库出库＋贵德与小川区间天然入流并扣除区间工农业用水。其它梯级统一按此计算方法。

龙～青段梯级电站是西北电网的骨干调峰电站，与黄河上游其它水电站联合运用，为西北电网提供电力、电量和调峰容量；龙羊峡、刘家峡、黑山峡（待建）是黄河上游水量调控子体系，承担着黄河上游河段的防洪、防凌和工农业供水等任务，刘家峡水库和龙羊峡水库进行联合补偿调节运用，满足黄河上游河段的综合利用要求。联合补偿调节的基本原则是：宁蒙河段供水时先由刘家峡水库放水，刘家峡水量不足时由龙羊峡水库补充；梯级出力达不到保证出力要求时，先由龙羊峡水库放水，仍然不足时由刘家峡水库放水补充。

②宁蒙河段防凌控泄流量

本次进行古贤水库入库径流分析计算时，上游宁蒙河段防凌主要由刘家峡和龙羊峡水库共同承担，以2003年～2013年凌汛期实际的刘家峡水库下泄流量均值作为现状情况下凌汛期防凌流量过程，见表7。刘家峡水库凌汛期控泄流量过程。

表7 刘家峡水库凌汛期控泄流量过程 单位：m3/s

③河口镇断面最小流量

根据《黄河流域综合规划》，河口镇断面非汛期生态需水量77亿m3，最小流量250 m3/s。本次进行黄河上游梯级电站联合补偿调节计算时，河口镇断面最小下泄流量按照250 m3/s考虑，同时保证在非汛期下泄水量不小于77亿m3。

④供水保证率和发电保证率

根据《黄河水量调度管理办法》，“各省（区、市）年度用水量实行按比例丰增枯减的调度原则，即根据年度黄河来水量，依据1987年国务院批准的可供水量各省（区、市）所占比重进行分配，枯水年同比例压缩。”

上游农业用水保证率为75%，超过75%年份按要求需相应打折，为简化处理，超过75%来水年份农业用水统一按照80%进行打折处理。工业和生活供水保证率为95%以上，按全额满足考虑。发电保证率为90%。

⑤上游梯级保证出力时段选取

根据贵德站天然径流频率，在1956年7月～2010年6月54年系列中，河口镇以上河段梯级电站的保证出力的计算时段选取1993年7月～2003年6月。

4.3 河口镇～工程取水口区间梯级调节计算

河口镇～府谷站断面区间梯级电站主要包括万家寨、龙口、天桥等电站，区间梯级电站不考虑联合补偿调节，按照各自设计运用方式运用。河口镇～府谷站断面区间已建梯级中调节能力较强的只有万家寨水库，其它按照日调节电站考虑。

万家寨水库工程开发任务主要是供水结合发电调峰，兼有防洪、防凌作用，万家寨水库调节库容4.45亿m3，按照设计运用方式运用。

4.4 设计水平年府谷站断面设计径流

1）现状下垫面设计径流

采用近期（1980～2010年）下垫面条件天然径流（1956～2010），扣除设计水平年各河段相应配置用水量，根据前述径流调节计算基本条件及计算方法，进行黄河上游梯级联合补偿调节计算和中游梯级径流调节计算，根据分析计算结果，府谷站断面设计径流198.0亿m3。其中7到10月94.5亿m3，11月到6月103.5亿m3见表8。设计水平年府谷站断面设计径流成果。

表8 设计水平年府谷站断面设计径流成果（1956～2010）单位：亿m3

2）未来下垫面条件设计径流

由于气候变化和人类活动对下垫面的影响，黄河流域水资源情势发生了变化，黄河中游变化尤其显著，水资源数量明显减少，以上计算成果采用的1956～2010天然径流系列，是以近期下垫面（1980年～2010年）为条件，随着未来流域水土保持工程建设等将影响产汇流关系，天然径流量进一步减少。根据《黄河流域水资源综合规划》，按1980-2000年下垫面考虑，2030年由于下垫面变化黄河天然径流量将减少20亿m3。本次1956～2010天然径流系列已经考虑了近期下垫面影响（1980年～2010年），因此，本次考虑2030年水平黄河天然水量减少约10亿m3，府谷以上天然来水考虑减少约5.3亿m3，则府谷断面设计水平年2030年设计径流量为192.7亿m3，其中汛期7～10月径流量92.6亿m3，非汛期11月～6月径流量100.1亿m3。对府谷断面设计水平年逐年水量进行排频，得到不同频率来水年份各年水量及年内分配过程。见表9。府谷断面设计水平年多年平均及不同频率径流年内分配过程。

表9 府谷断面设计水平年多年平均及不同频率径流年内分配过程 单位：亿m3

3）工程断面设计径流

综合以上分析计算，府谷站断面按近期下垫面（1980～2010年）条件计算，设计径流量198.0亿m3；按未来下垫面条件计算，设计径流量192.7亿m3。马镇引水工程设计水平年为2030年，采用府谷站断面分析按未来下垫面分析成果，工程断面设计径流量192.7亿m3。

5 结论

马镇引水取水口位于府谷水文站下游，区间无较大支流汇入，从供水安全角度考虑，断面径流采用府谷站分析成果。府谷站断面多年平均实测径流量230.2亿m3，还原计算后府谷站多年平均天然径流量（1956到2010年）319.8亿m3。

工程设计水平年为2030年，考虑流域径流呈减少趋势，按照“87分水”方案及丰增枯减的分水原则，调整流域总配水量及各河段设计水平年分配水量，通过对上游大中型梯级水库进行调节计算，分析确定设计水平年2030年府谷站断面多年平均径流量（1956～2010年系列）192.7亿m3，也就是工程断面设计径流为192.7亿m3，其中汛期7～10月径流量92.6亿m3，非汛期11月～6月径流量100.1亿m3；90%保证率来水143.4亿m3，断面径流可以满足工程年取水量约7亿m3的要求。

采用水文系列1956～2010年为黄河水文水资源规划设计的最新成果，反应了流域水文情势的最新变化，分析的2030年断面设计径流量192.7亿m3，充分考虑了上游河段用水及梯级水库调蓄影响，并考虑了未来水保工程建设影响产汇流关系，由于下垫面条件的变化，河段径流量进一步减少的可能，并分析扣除了该部分水量，马镇引水工程年取水量约7亿m3，仅占断面设计径流的3.6%，水源是可靠的。

从总的变化趋势看，2000年以后黄河流域径流量呈减少趋势，中游减少幅度较大，人类活动对下垫面影响加剧是主要原因之一，在规划设计中，应结合不同河段具体情况，不同工程等别性质等要求，综合分析，使水文计算成果更趋科学合理。