 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 486-491 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.16078 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Hydrologic Calculation and Economic Benefit Analysis of Water Transfer from Xushui River to Heihe River* Qian Zhang, Bing Shen#, Shuhong Mo Northwest Key Laboratory of Water Resource and Environment Ecology, Ministry of Education, Xi’an University of Technology, Xi’an Email: #shenbing@xaut.edu.cn Received: Aug. 14th, 2012; revised: Aug. 29th, 2012; accepted: Sep. 7th, 2012 Abstract: Xi’an is a water shortage city. The Shaanxi Water Resources Bureau put forward a plan on water transfer from the Yangtze River basin to guarantee economic development of the Guanzhong region. Water transfer from the Xushui River to the Heihe River is one of them. It is an inter-basin project and has been ba- sically completed. But the water resources evaluation is added after 2010. Several deficiencies should be corrected according to the related standards. In addition, whether the operation scheme is feasible should take into account for the south-to-north water transfer project in order to exhibit the economic benefits. The cal- culations show that the water been obtained is 46,610,000 m3 and is not much different from design value which is 42,480,000 m3. This project should be reserved to reduce or suspend water calls in the key period after water transfer from Han River to Wei River, but transferable water should be under control. Keywords: Inter-Basin Project; Water Transfer; Hydrologic Calculation; Water Resources; Operation Scheme 引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析* 张 倩，沈 冰#，莫淑红 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 Email: #shenbing@xaut.edu.cn 收稿日期：2012 年8月14 日；修回日期：2012 年8月29日；录用日期：2012年9月7日 摘 要：西安是一个资源性缺水城市。陕西省水利厅提出了从长江流域调水来保证关中地区经济发展 的方案，引湑济黑调水工程即是其中之一。引湑济黑工程是一个跨流域调水工程，现已基本建成，但 其水资源论证为 2010 年后补作。该论证报告有若干不足之处，应按照相关规范重新计算其调水量； 且需分析研究陕西省南水北调工程建成后，该工程的运行方案，以更好地发挥其经济效益。经计算， 该工程的可引水量为 4661 万m3，与实际工程设计年引水量 4248 万m3结果相差不大。从经济环境效 益及需水量等各方面考虑，引湑济黑工程在引汉济渭建成后应继续保留，但需控制其调水量，在取水 区下游用水关键时期减少或暂停调水。 关键词：跨流域调水；引湑济黑工程；水文计算复核；可调水量；运行方案 1. 引言 水资源的时空分布不均以及随着社会发展和经 济增长而不断增加的需水量，使得水资源缺乏成为当 今世界各国面临的一项重大问题。调水工程是人类开 发、利用水资源的重要手段，是将水从某一流域向其 它流域或区域输送，从而实现水资源合理调配和开发 利用的工程措施。随着用水问题的凸显，各国政府对 *基金项目：国家自然科学基金重点项目(50939004)。 #通讯作者。 作者简介：张倩(1990-)，女，内蒙古人，在读硕士，从事干旱半干 旱水文水资源研究。 Copyright © 2012 Hanspub 486  张倩，等：引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析 第1卷 · 第6期 水利建设越来越重视，调水工程的发展也日益迅速。 西安市引湑济黑调水工程是西安市从2006 年11 月开 始实施的陕西省第二个南水北调建设项目，是将位于 秦岭南麓西安市周至县境内湑水河的地表水，通过隧 洞穿越秦岭调至秦岭北麓黑河水系，从而作为西安市 的应急水源和渭河在特枯情况下的生态补水。现该工 程已基本建成，但其水资源论证报告为 2010 年后补 作。该论证报告有若干不足之处，应按照有关规范补 充论证，并重新确定工程的调水量；且需分析研究陕 西省南水北调工程建成后，该工程应如何运行，以发 挥其经济效益。 本文首先运用地区水文手册，查得湑水河流域吊 沟口处的年平均径流深R，用公式 P = 1000 RF(F为 控制流域面积)计算流域引水断面多年平均径流量。根 据水文手册，在多年平均年径流深变差系数 Cv 等值 线图和 Cs/Cv 分区图上，按比例内插法求得所选流域 形心处的Cv = 0.51和Cs/Cv = 2.5，据此计算出引水 断面不同频率的年径流量，以多年平均径流量的一定 百分比作为河道内生态环境用水量，进而计算引湑济 黑工程年平均可引水量。然后利用工程调水量及金盆 水库的径流资料确定引湑济黑工程运行后黑河金盆 水库的来水量，查有关资料可得黑河水库城市生活及 灌溉需水量，根据以上数据计算水库的兴利库容，将 其与水库实际兴利库容进行比较，复核水库的供水能 力[1]。最后分析调水工程对调水区的生态环境影响， 并分析其经济效益，根据这些分析结果讨论陕西省南 水北调工程建成运行后引湑济黑工程的运行方案。 2. 引湑济黑工程可调水量计算 2.1. 引湑济黑调水工程概况 引湑济黑调水工程位于周至县厚畛子镇秦岭山 中，是陕西省开工建设的第二条南水北调工程。工程 通过全长 6252 m的输水隧洞穿越秦岭山脉，将秦岭 南麓长江流域汉江水系湑水河水送人黑河上游支沟， 进入黑河流域，经金盆水库调蓄后供西安市供水，实 现由长江流域到黄河流域的跨领域调水，以缓解西安 市的水资源短缺问题。引湑济黑调水工程总投资 1.76 亿元，主要建设由引水枢纽、引水隧洞、洞后电站、 管理设施、交通工程五部分组成。引水枢纽位于周至 县老县城湑水河吊沟口下游100 m处，最大坝高 11.75 m，坝长 28 m，引水隧洞全长6252 m，断面 2.9 × 3.1 m，设计最大引水流量15 m3/s，洞后电站装机 2 × 320 kw。上坝道路由都督门至引水枢纽，全长 1908 m， 采用砼路面，宽3.5 m。 2.2. 引湑济黑工程可调水量计算 可调水量是反映跨流域调水后水资源优化配置 的综合指标，既要对调出区的生态环境不会造成无法 弥补的影响，又要满足调入区的利用需求，是比较复 杂的资源优化配置问题。目前国际上的常用标准是： 调水总量不得超过调出河流总水量的 20%，河 流 本 身 的开发利用率不得超过其总水量40%。本文所说的可 调水量，即指湑水河的河川径流量，在扣除当地用水 和河道内环境用水后可能提供的水量。因为工程引水 口附近流域人口稀少，无水利建设和工业生产，人类 活动对流域径流影响几乎可以不予考虑，所以此处的 可调水量分析不用考虑当地用水。 2.2.1. 引水断面年径流量计算 因引湑济黑工程取水区流域属无资料地区小流 域，无分区经验公式可用来估算多年平均年径流量， 故本文以流域形心处的多年平均年径流深 R代表该流 域的多年平均年径流深，用公式W = 1000 RF 来计算 多年平均年径流量W。据汉中地区实用水文手册，在 多年平均年径流深等值线图上，按比例内插法求得 R = 410 mm，经计算，W = 0.5161 亿m3。在多年平均年 径流深变差系数 Cv 等值线图和 Cs/Cv 分区图上，按 比例内插法求得所选流域形心处的 Cv = 0.51和Cs/Cv = 2.5，并以此代表相应流域的Cv 值和 Cs/Cv 值，查 皮尔逊Ⅲ型频率曲线表得相应模比系数 Kp 值，按公 式Rp = KpR 计算设计流域各种频率的设计年径流深， 然后用公式Wp = 1000 RpF 转换为某频率的设计年径 流量。据此计算出引水断面P = 20%，50%，75%和 95%四种频率的年径流量如表 1所示。 2.2.2. 河道生态环境用水量计算 河道生态环境用水量即为保持下游河道生态环 境健康所必须预留的下泄水量。对于引湑济黑工程， 由前面的计算结果可知，该工程调水口处多年平均年 径流量约为湑水河年平均径流总量的 4.5%，因此即使 将断面以上水量全部引走，对其下游工农业发展需 Copyright © 2012 Hanspub 487  张倩，等：引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第6期 488 Table 1. An nual runoff of section water diversion 表1. 引水断面的年径流量 年径流量(亿m3) 面积 (km2) 多年平均 P = 20% P = 50% P = 75% P = 95% 125.88 0.5161 0.7019 0.4645 0.3251 0.2013 水量的影响也不会很大。且引水口下游河流水系发 育，两岸仍有很多支流汇入，沿河径流量增加很快。 因此，在考虑可调水量，只需保证引水口以下河流生 态系统的生物多样性和改善环境质量，即工程可调水 量主要取决于取水口下游河道最小生态环境的用水 量。 因引湑济黑工程的调水口处流域无长期观察的 水文站，缺乏长期实测水文资料，并且没有满足参证 条件的参证流域，所以经过分析论证，可以多年平均 径流量的10%作为河道内生态环境用水量。故可计算 得河道生态环境用水量为 516.1万m3。 2.2.3. 引湑济黑工程的可调水量 由上节分析可知，在计算可调水量时，只需扣除 河道下游生态环境用水量即可，据此算得的年平均可 引水量为4661 万m3，与实际工程设计年引水量 4248 万m3结果相差不大。根据引湑济黑工程的建设规模 可知，该工程设计年引水量为 4248 万m3，占湑水河 取水口处多年平均径流量 5161万m3的83%，除 去 少 部分水流下泄到下游河道外，湑水河引水工程取水口 处的大部分流量都属于调水范畴[2]。 3. 黑河金盆水库供水能力复核 3.1. 水库基本资料复核 3.1.1. 水库基本参数 工程供水系统为黑河金盆水库枢纽工程。金盆水 利枢纽工程坝址位于黑峪口，控制面积 1481 km2，坝 址处多年平均径流量6.24 亿m3，是一座以城市供水 为主，兼顾灌溉、结合防洪及发电等功能的综合利用 大(二)型水利水电工程，水库枢纽由大坝、导流泄洪 洞、溢流洞、引水洞和坝后电站组成。水库坝体为粘 土心墙砾石坝，坝高 130 m。总库容2.0 亿m3，有效 库容 1.77 亿m3。 3.1.2. 库区径流概况 黑河流域的径流主要由降雨形成，其径流变化特 点与降雨一致，主要表现为年际变化大，年内分配不 均，据黑峪口水文站实测资料统计，最大年径流量 12.2 亿m3(1981 年)，最小年径流量 1.31 亿m3(1995 年)， 最大值和最小值分别为多年平均值的 1.95 倍和 0.21 倍。年内丰水期7~10 月径流量约占年径流量的 62%， 枯水期 11~3 月径流量仅占年径流量的 12.4%。 3.1.3. 水库特征参数 1) 水库库水位与面积库容关系见表 2。 2) 死水位：死水位520.0 m。 3) 汛期限制水位：Z汛限 = 591.0 m，V汛限 = 1.7465 亿m3，时间为每年 7月1日起到 9月30 日。 4) 正常高水位：Z正常 = 594.0 m，V正常 = 1.874 亿m3，V调节 = 1.774亿m3。 3.2. 水库需水量复核 3.2.1. 灌溉需水量 根据黑河水库已知资料可知，年灌溉供水量为 1.23 亿m3，其供水量各月分配情况如表 3所示[3]。 3.2.2. 城市需水量 黑河金盆水库的城市年供水总量为3.05 亿m3， 供水保证率为95%，其供水量各月分配情况如表4所 。 示 Table 2. Water level-area-the capacity of reservoir 表2. 水库水位与面积库容关系 水位(m) 490 500 510 520 530 540 550 560 面积(km2) 0 32 57 90 118 153 196 240 库容(万m3) 0 150 400 1000 2050 3400 5150 7300 水位(m) 570 580 590 600 610 620 630 640 面积(km2) 285 349 428 498 574 651 730 806 库容(万m3) 9990 13,150 17,000 21,650 27,000 33,000 40,100 47,640  张倩，等：引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析 第1卷 · 第6期 Table 3. Monthly distribution of irrigation water supply of reservoir 表3. 水库灌溉供水量各月分配情况 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 水量(亿m3) 0.00 0.00 0.08 0.12 0.02 0.29 0.23 0.22 0.13 0.00 0.09 0.04 比例( %) 0 0 6.6 9.8 1.8 23.6 18.7 17.9 10.9 0 7.1 3.6 Table 4. Monthly distribution of urban water supply 表4. 城市供水各月分配情况 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 水量(亿m3) 0.22 0.23 0.24 0.24 0.26 0.29 0.30 0.29 0.26 0.24 0.23 0.22 比例( %) 7.4 7.7 7.9 8 8.5 9.5 10 9.5 8.5 7.9 7.7 7.4 3.3. 水库来水量复核 3.3.1. 水库来水量年内分配计算 调水工程的水量特征值已在第三章取水量计算 中算出。根据《西安市实用水文手册》查得调水前该 流域年平均径流量及不同频率年径流量值，在此基础 上综合调水量的相应频率值，即可算出引湑济黑调水 工程运行后黑河流域水库的不同频率年径流量。根据 水库供水保证率 95%，取频率为 95%的年径流量值 3.1193 亿m3。根据水文手册计算黑河水库径流年内分 配见表 5。 3.3.2. 水库损失水量复核 蒸发损失 水库库面蒸发损失 = 库区多年平均 水面蒸发量 – (降雨量 – 径流量)，库区多年平均水面 蒸发量 E可由地区水文手册查得其蒸发皿测量值，在 乘以相应的折算系数求得，根据水文计算成果，该值 为775 mm；根据水文手册，黑峪口以上流域多年平 均降雨深P = 811 mm；黑峪口以上流域多年平均径流 深R = 421 mm；则库面蒸发损失 E库 = 775 – (811 – 421) = 385 mm。根据水文手册查得库面蒸发的各月分 配比，即可求得水库的各月蒸发深。 渗漏损失 对于一般水库，如缺乏实测资料时， 可采用经验数据按各月蓄水量百分数进行粗略估算。 按中等水文地质条件考虑，取经验数据为 1%，即每 月渗漏损失为该月水库平均库容的1%。 3.4. 水库供水复核计算 供水复核计算是在对已建水库查清基本参数，算 清来水量、需水量的基础上，通过水量平衡计算，查 明水库调节径流能力的计算过程。本论文水库供水复 核计算，主要是对水库兴利库容进行复核计算，即重 新确定水库的兴利库容，将其与水库实际兴利库容进 行比较复核。 水库调节时，起调水位为黑河金盆水库的汛限水 位591 m。每年汛期即 7月1日至9月30 日期间，水 库水位应保持在汛限水位 591.0 m(相应库容为 1.7465 亿m3)以下，其余时段以正常高水位 594.0 m(相应库 容为 1.874亿m3)作为调节水位上限，以死水位520.0 m(相应库容为 0.100亿m3)作调节水位下限[4]。 根据以上计算数据，估算黑河水库兴利库容的计 算过程见表 6。由表可知，推算到供水期结束时，水 库缺水 0.45亿m3，水库蒸发、渗漏损失的水量较多， 不应忽视。同时表明，仅依靠黑河金盆水库无法满足 西安市供水要求，还需来自石头河及石砭峪水库的补 给水量，几处水源共同调节，才能满足西安市的供水 要求。 4. 引汉济渭工程建成后引湑济黑工程 取舍的讨论 4.1. 引汉济渭工程概况 引汉济渭工程地跨黄河、长江两大流域，穿越秦 岭屏障，主要由黄金峡水利枢纽、秦岭输水隧洞和三 河口水利枢纽等三大部分组成。工程规划在汉江干流 黄金峡和支流子午河分别修建水源工程黄金峡和三 河口水利枢纽蓄水工程，经总长98.3 km的秦岭隧洞 送至关中。工程供水范围为西安、宝鸡、咸阳、渭南 等沿渭大中城市，主要解决城市生活、工业生产用水。 工程总调水规模 15 亿m3，其中从汉江支流子午河自 流调水 5亿m3，从汉江干流黄金峡水库引水 10 亿m3； Copyright © 2012 Hanspub 489  张倩，等：引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析 第1卷 · 第6期 Table 5. Annual runoff distribution of Hei river reservoir 表5. 黑河水库年径流量年内分配表 各月分配(万m3) 年径流量(万m3) 频率 (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 31,193 95 655 615 1354 3219 2829 1837 8840 3712 4994 1610 861 667 Table 6. Calculation of reservoir benefit capacity considering water loss. Unit: million m3 表6. 计入损失时的兴利库容计算表。单位：亿 m3 月份 来水量 用水量 损失水量 来水(+) 用水(–) ∑来–用 库容 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 9 0.4994 0.39 0.14786 0.03846 1.7740 1.8740 10 0.1610 0.24 0.10940 0.18840 1.5856 1.6856 11 0.0861 0.32 0.06822 0.30212 1.2835 1.3835 12 0.0667 0.27 0.04954 0.25284 1.0306 1.1306 1 0.0655 0.23 0.04545 0.20095 0.8207 0.9207 2 0.0615 0.23 0.05241 0.22091 0.5998 0.6998 3 0.1354 0.32 0.07464 0.25924 0.3405 0.4405 4 0.3219 0.36 0.09654 0.13464 0.2059 0.3059 5 0.2829 0.28 0.10655 0.10365 0.1023 0.2023 6 0.1837 0.58 0.14219 0.53849 –0.436 –0.336 7 0.8840 0.54 0.13727 0.20663 –0.230 –0.130 8 0.3712 0.51 0.18337 0.32217 –0.552 –0.452 全年 3.1193 4.28 1.21344 工程设计最大输水流量 70 m3/s，水库总库容 9.39 亿 m3，泵站总装机功率 15.65万kW，电站总装机容量 18 万kW，建设总工期 99个月，静态投资 168 亿元。 4.2. 引湑济黑工程对调水区的环境影响 引湑济黑调水工程的多年平均调水量 4248 万 m3，占湑水河多年平均水量10.30 亿m3的3.8%，在 引水口下游 1.2 km 处又有支流汇入，因此对下游流量 的影响甚小。建设区人烟稀少，工程简单，对枢纽上 游水质和生态不会造成不良影响。引水区下游的企业 很少，不会产生较大环境污染。工程引水后造成的下 游多年平均径流总量的减少，会导致下游污染浓度相 对增加，但由于进入河流的污染物总量很少，引水后 下游河流水质的变化不明显。在调水后，经过计算工 程建设区的污水排放浓度，主要监测指标表明该地区 的水质在污染物浓度方面完全达标，保证了当地群众 的生活用水质量。并且，由于调水工程的建设，取水 口以上区域作为西安市的城市水源地，必将加强对该 区域的保护措施，从而对下游水环境改善将起到积极 作用。综上所述，引湑济黑调水工程对调水区的水环 境影响较小。由于工程的引水量比例小，故工程对下 游供水量的影响甚小，对下游的灌溉、发电、旅游景 区等项目用水量影响也甚小。对于下游防洪，由于引 湑济黑工程是在保证下游生态基流和避开农灌用水 关键时期引水，相当一部分为洪水流量，因此，会对 减轻流域下游的防洪压力起到有利作用。 工程对下游生态环境的影响主要是对下游植被 及自然保护区的影响。湑水河流域上游植被类型多属 亚热带向温带过渡的落叶阔叶林带和针阔混交林带， 流域内植被良好，境内森林覆盖率高达60% ，植物种 类也较丰富。该工程在引水枢纽以上对植被的种类及 覆盖率均无明显影响，枢纽以下至河口段，对植被数 量也无明显影响。距湑水河流域最近的自然保护区为 太白山自然保护区，因为工程引水枢纽距该自然保护 区外缘距离较远，所以不致对太白山自然保护区造成 不良危害；其次是位于湑水河上游太白县黄柏乡和二 郎坝境内的太白湑水河流域珍稀水生动物省级自然 保护区，由计算分析可知，调水工程调水后引起的流 Copyright © 2012 Hanspub 490  张倩，等：引湑济黑工程水文计算复核与经济效益分析 第1卷 · 第6期 量变化不大，能够满足珍稀水生动物的生存需要[5]， 即不会对保护区产生明显不良影响。 4.3. 引湑济黑工程的简要经济效益分析 跨流域调水经济效益，主要表现在农业灌溉、工 业和城市用水、发电、航运、防洪和旅游等方面。引 湑济黑调水工程总投资 1.76 亿元，设计年调水能力 4248 万m3。工程于2007 年1月全面开工建设，2010 年10 月主体工程全面竣工。到 2020 年引汉济渭工程 完工运行，引湑济黑调水工程共运行了 10 年。从经 济效益方面分析，引湑济黑工程建成后，每年可为黑 河水库补水 4248 万m3，作为城市生活及工业用水， 据分析其工业供水效益为 2250万元，发电效益为22.7 万元。在运行期 10 年内，该工程预计可收到的总的 经济效益为 2.3 亿元，且工程建筑物结构简单坚固， 在未来的几十年不会出现问题，并可继续获得供水、 发电等方面的经济收入，若就此废弃该工程，则在经 济上不合理。 4.4. 关于引湑济黑工程取舍的建议 按现行的实际供水能力和可取水量，2015年全市 缺口 4.32 亿m3，其中市区缺口 2.70 亿m3；2020 年 全市缺口7.93 亿m3，市区缺口 4.45 亿m3。引汉济渭 工程建成后，计划分配给西安市6.7 亿m3/a的水量(随 着引汉济渭取水总规模的调整，这个指标可能还要大 幅压缩)，这样仍将有1.23 亿m3缺口(引自《西安市 水务局关于建设“引湑济黑”调水工程有关情况的说 明》)，从而影响西安市的生产、生活[6]。故在引汉济 渭工程建成后，西安仍将处于缺水状态，因此不应废 弃引湑济黑工程，而可酌情况减少该工程调水量。 5. 结语 本文参照水文手册，重新确定了引湑济黑工程的 可调水量，并对工程运行后黑河水库的供水能力进行 了复核，最后分析工程对生态环境的影响以及工程的 经济效益，得出如下结论：1) 在引汉济渭工程建成后， 引湑济黑工程应继续保留，但需按实际情况调水。2) 应在取水区下游用水关键时期(如插秧期)减少或停止 引水，以保障下游生产用水及河流水环境的健康。 参考文献 (References) [1] 詹道江, 徐向阳, 陈元芳. 工程水文学[M]. 北京: 中国水利 水电出版社, 2010, 1: 110-177. 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