新疆头屯河水库综合调度浅析

新疆头屯河水库综合调度浅析

柳廷虎1 ,张亚丽

新疆头屯河流域管理局水利管理中心   新疆昌吉市   831100

摘要

介绍头屯河水库流域概况和综合调度运行方式，分析现有调度方式和实际运行中存在的问题，并提出了一些对策建议；分析头屯河流域来水量和下游需水量，优化调度、科学规范调度；建议水库联合调度，解决水库供水保障能力低的问题；加快流域数字孪生建设，促进流域信息化建设；加强头屯河水库综合调度制度化建设、规范调度环节；优化头屯河流域水资源配置，最大限度发挥水资源的综合效益。

关键词：头屯河水库   工业供水   泄空排沙

1、前言

治国必先治水。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央统筹推进水灾害防治、水资源节约、水生态保护修复、水环境治理，开展一系列根本性、开创性、长远性工作。十六字治水方针是“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”,十六字重要治水思路赋予了新时期治水的新内涵、新要求、新任务。

头屯河水库作为一座老水库，经历了两次除险加固和数次维修养护，安全隐患得到了相应的控制，工程也脱离了险情，但由于各种原因的限制，水库仍存在不同程度的缺陷，使得水库在运行管理、综合调度中存在一系列的隐患。因此，水库的综合调度仍是实际运行管理工作中的一大难题。现结合头屯河水库的实际情况，对水库的综合调度进行研究分析。

2、工程概况

2.1 流域概况

新疆头屯河水库工程位于头屯河出山口处的中低山区，硫磺沟镇境内，距离昌吉市约30km，距离乌鲁木齐市约40km。是一座以防洪、灌溉为主，结合城镇生活供水、工业供水等综合利用的中型水库。

2.2 社会经济情况

头屯河水库地理位置极其重要，库容虽小，却发挥着显著的经济和社会效益。头屯河水库在兴利上一年有两次运用：一是蓄冬闲水和春洪，以解决灌区的春旱；二是蓄讯末水，以解决秋冬灌溉用水不足。

头屯河水库主要满足乌鲁木齐市西郊、昌吉市及兵团第十二师共43万亩土地农业灌溉及工矿企业生活用水，年用水量超过2亿m3。水库通过输水管道及暗渠直接给宝钢集团新疆八一钢铁厂供水（简称八钢），年供水量3100万m3（近三年数据平均）。

2.3 水库特征值

头屯河水库枢纽工程由大坝、放水涵洞、泄水隧洞、溢洪道、工业引水系统及下游分水枢纽等组成。水库原设计库容2030万m3，2012年除险加固设计总库容1866万m3。

2.4 流域降水量

头屯河流域降水。根据制材厂水文站和昌吉气象站降水资料显示进行分析。从多年的平均情况来看连续最大的四个月降水量均发生在5至8月。制材厂站5至8月降水量占全年降水量的64%；昌吉气象站5至8月降水量占全年降水量的44.9%。最小降水量均发生在1月。

2.5 水文泥沙特征

选取近三年水文泥沙特征进行分析。数据来源于头屯河水库上游的进库水文岗，根据近三年实测平均径流量为2.33亿m3，进库悬移质输沙量平均为80.98万t，推移质输沙量约为悬移质输沙量的12%，因此可得近三年平均输沙量为90.70万t，且主要集中在6月至8月。

3、头屯河水库综合调度方式

头屯河水库综合调度在保障防洪安全和工程安全的前提下，协调水库的工业供水、农业灌溉以及生态环境用水，减少弃水量，实现水库综合效益最大化。水库以农业灌溉为主，兼顾城镇生活、工业供水、防洪抗旱综合调度。通过掌握水库所在流域的自然地理、水文气象、水利发展、河道防洪工程及下游保护对象情况，分析河东灌区供水、河西灌区供水、八钢工业供水及红岩水库用水等各部门用水需求，对头屯河水库进行综合调度。

3.1 水库防洪调度

头屯河水库根据新疆维吾尔自治区水利厅批准的防洪调度方案，遵照供水科的指令实行水库防洪调度。在汛期，水库调度运用服从防汛指挥机构的统一指挥。

3.2 水库兴利调度

3.2.1 工业供水

头屯河水库工业供水的主要矛盾体现在洪水期，也就是集中在6月初至8月底。该时期的降水量占全年降水量的一半。供水矛盾：一是降雨发生洪水，水质不能满足工业用水要求；二是该时段下游灌区用水量大导致用水紧张；三是绿化用水增加。

头屯河水库作为八钢唯一供水水源，对八钢的生产、生活有着很大的影响。八钢工业供水对水质有较高的要求，工业供水浊度大于5000g/m3，就需要切换供水方式，确保水质达标。目前头屯河水库共有两套供水方式，分别为库外供水和库内供水。库外供水有龙口引水枢纽直接供水和清水池供水（两台泵站，每台泵出水量0.850m3/s）；库内供水有支洞供水、高水位浮船供水（两台泵站，每台泵出水量0.565m3/s）和坝后瑶池供水（非常规供水）。水库至八钢厂区通过暗渠和八百管线复线供水。支洞供水和龙口引水枢纽直供为主要供水方式，其余三种为辅助供水方式。以上两套系统五种供水方式可交叉组合，亦可单独供水，以此来保证工业供水的水量和水质。

冬天运行以支洞供水为主，夏季汛期为保障供水水量和水质辅助其他供水方式。切换供水方式主要以浊度和水量两个指标变化为判断依据。

一是用水量指标：由于暗渠年久失修，目前最大过水量仅为1.385m3/s，加之下游渠道损坏严重，远远不能达到2.0m3/s的设计标准。八钢夏季白天高峰期瞬时用水量2.168m3/s，介时仅暗渠水量将无法满足八钢用水要求，只能由支洞供水和八百管线复线供水同时进行。

二是浊度指标：八钢工业供水对浊度有一定的要求，浊度控制在不大于5000g/m3。当水库上游山区下雨量累计超过25mm时，水库来水量明显增加，库区会被瞬间搅浑，无法满足供水水质要求，就需要切换供水方式，由库外清水池供水；当库水位低于975m时，供水更加紧张，小的来水过程及库区下雨都有可能影响隧洞支洞供水浊度。如果遇到极端天气，即山区连续下雨超过三天，只能由清水池泵站供水，并且清水池加入沉淀剂持续补水；当下雨超过六天，现有供水系统将不能满足工业供水需要，产生严重影响。

3.2.2 农业供水

2022年度头屯河东西岸灌区农业作物面积29.3万亩，绿化面积4.89万亩，合计灌溉面积34.19万亩，其中东岸灌区农业作物面积12.93万亩，绿化面积1.35万亩，合计14.28万亩，上报预计需水总量：7116万m3；西岸灌区农业作物面积16.37万亩，绿化面积3.54万亩，合计19.91万亩，上报预计需水总量：7268万m3；头屯河灌区合计总需水量：14384万m3。农业灌溉用水主要通过涵洞放水，再由下游的渠首就行分配。目前要求农业供水和下游的对口率在90%以上，就要求水库调度对出库流量有准确的把握。

3.3 水库排沙调度

3.3.1 泥沙危害

水库泥沙淤积严重影响水库的使用寿命、功能和安全。头屯河水库建设之初，运行原则就是“蓄集清水、排除浑水”，以此来减少泥沙的危害，然后在合适的时间通过泄空水库排沙、高渠冲刷排沙、异重流排沙、基流排沙、机械清淤排沙及人工排沙等方式结合，恢复水库库容。

3.3.2排沙措施

头屯河水库排沙调度的运用在1999年至2007年基本完成。2007年至今年间排沙次数很少，机械清淤基本处于停滞状态。1999年下半年，水库采用泄空排沙的方式进行水力冲沙，将水库放空，利用大的来水从涵洞出口进行冲刷。

3.3.3 排沙难点

水力冲沙是山区水库常用的，也是最经济的排沙手段。但头屯河水库排沙时间和农业用水高峰期、工业用水困难期时间上难以协调。若强行进行冲沙，势必浪费大量来水，农业用水必将紧张，不利于农业发展，工业用水水质也无法保障。所以头屯河水库自建成运行以来，为了保障八钢工业用水，需要保障库水位最好保持在975m以上。加之泄空排沙和农业供水需要时间上有矛盾，水库来浑水时不能及时排沙，“蓄集清水、排除浑水”的原则一直被打破，导致水库淤泥严重。

4、头屯河水库综合调度存在的问题

4.1 水库供水保障能力低

头屯河水库设计库容本身就小，加上多年泥沙淤积，现有效库容仅为1866万m3，调蓄水能力不能满足工农业用水需要，造成用水紧张。

工业方面：八钢年用水量逐年增加，从最初的2800万m3增加到4000万m3，随着社会经济的发展和产能的提升，用水量还会增加。现有的输送水设施，无论是八百复线或者是暗渠供水均不能满足其用水量。

农业方面：现东西岸农业节水滴灌面积23.204万亩，节水覆盖率达80%，另外通过改变种植结构，使供水矛盾有了一定的缓解，但仍然无法解决用水紧缺问题，尤其是5月初至7月中旬，供水矛盾仍然特别突出，供水紧张，各灌区用水协调仍十分困难。

排沙方面：水库排沙期间工业供水和农业供水将无法保障。这就需要水库启动辅助供水方式，龙口暗渠直接供水，但是排沙时间多发生在汛期，也就是极易来洪水的时候，长时间水质不达标，将严重超出清水池调蓄能力，无法保障工业用水。水库排沙期间，水库下泄水量大，且泥沙含量超标，下游农田大部分已完成农业高效节水，泥沙无法进入渠田，势必有大量弃水，对水资源本就紧缺的头屯河将是雪上加霜，更加降低水库供水保障能力。

4.2 进、出库测流欠缺精准

水库调度是运用水库调蓄能力，根据入库流量、下游需水量和库水位现存水量为依据，为防洪和兴利服务。头屯河来水特性和现有设备给调度带来很多不便。头屯河水库水位观测有雷达水位观测仪，经校核基本和实际水位误差不超过1%，能满足日常调度要求。但进、出库雷达测流仪数据显示误差较大，只能依靠人工观察和流速仪人工测量。

一是，头屯河白天来水比较稳定，洪水基本后半夜才能到进库水文站，时间较晚，给测流工作带来很大的不便，夜间测流精度不高，不利于标准化科学调度；二是，水库进库水文站揽道房测量设备老化，测流效率低，操作不便，每次测流至少需要3人以上，工作效率极低；三是，出库坝后岗测量新断面由于设计缺陷，出库流量低于20m3/s时无法测量，水流无法漫过流速仪。现有设备不能满足精准要求，进、出库流量的不准确和不及时与现在精准化调度格格不入，无法做到科学管理和科学调度。

4.3 水库信息化建设滞后

头屯河水库信息化建设属于起步早、发展滞后的典型。头屯河是新疆比较早建设信息化的水库，一度引进闸门自动化控制、雨情设施、视频观测、浊度报警及远程控制设备，但由于重建设、轻管理，大部分设施未能发挥其作用，甚至闲置不用，致使水库信息化落后，管理混乱。

水利信息化建设、运行和管理都需要大量的相关人才。单位近几年虽然进行了几次招聘，但大多还是以水利工程和水文水资源专业为主，计算机和信息专业人才相对缺失，不能充分发挥水利信息系统的功能。

管理维护比较薄弱。工程建成了，用了一年或者几年，没有形成稳定的运行维护，致使大量设备无法正常使用，不能充分发挥其作用。系统投入只是开始，运行、维护才是关键。

4.4 水库调度制度不够完善

头屯河水库管理不到位，制度不够完善。水库综合调度的规章制度主要包括报水制度、值班制度、日常资料整编录入和校核、调度通信规范、八钢月报制度和年度水情资料整编制度。但大部分制度仍然停留在几年前，没有把新要求新规定整编更新，仅仅口头相传，权责不清晰。调度设备老化，通信设备不符合要求，传达命令时存在联通不畅的现象。调度交接工作时，只交接工作，没有交接问题，对存在的问题没有总结教训，对先进的做法没有表彰先进，未制定严格的考核办法，制度缺乏奖励和约束机制。

5、头屯河水库综合调度的对策建议

5.1 加强水库供水保障能力

5.1.1 实现水库联合调度

楼庄子、头屯河和红岩三座水库可以实现梯级调度，从而提高头屯河水库的供水保障能力。

楼庄子水库位于头屯河水库上游29km处。总库容7374万m3，水库正常蓄水位库容为6534万m3。主要任务灌溉、防洪和城市工业生活供水。和头屯河水库在同一河道，隶属同一单位，联合调度畅通。

红岩水库，位于头屯河水库下游。红岩水库总库容3600万m3。承担周边农场20万亩耕地的灌溉用水和周边城镇生活用水。红岩水库和头屯河水库之间有引水渠道，可以实现连通供水。

头屯河水库可与楼庄子水库联合调度运行，有效控制和调配头屯河水资源，解决农业用水和工业用水，亦可解决城市生活用水。

5.1.2 新建工业供水调节池

目前的清水池仅为40万m3，当出现天气变化时已经不能保障工业用水要求。在现有清水池上游再修建一个工业供水调节池，容量是现在的三倍，作为现有清水池的前池。这样既能保障周边绿化用水，也能垱泥沙。

5.1.3 复线增加计量设备

工业供水其中一个供水方式为：支洞供水，一部分水进入暗渠，一部分水通过二台蝶阀进入八百管线复线供水，支洞可保证暗渠和八百管线同时满负荷运行。这样既保障水质，又不用开泵浪费资源。增加计量设备后，遇到天气变化时使水库供水更加从容。

5.2 加大水库科技设备投入

应该加大科技设备投入，以此来提高水库调度效率。引进超声波流量计、全自动测流揽道、无人机巡视、闸门远程控制、泵站远程控制等其他先进的技术。头屯河水库进、出库测流揽道因为年久失修，已经不满足测流要求，应该重新修建揽道房，采用先进的测流设备，减少人工观测。开发水库群调度系统，实现水库科学调度，实现流域水资源优化配置。头屯河水库管理范围大，人工巡视很难巡视到位，需要购置快艇水面巡视，改变传统管理模式。

首先，全面更新水库计量设施。精准调度的前提是有准确的数据支撑，如果不能掌握准确的来水量和出库流量，进出库平衡计算将无法完成。现在水库的计量点主要包括：进库站测流、龙口直供水量计量、暗渠自己水位计和出库断面测流，泵站水量根据时间和功率计算。自动化设备的引入能让调度人员实时看到水量变化，及时作出调整。

其次，加快水库自动化进程。水库的供水方式繁琐低效，主要体现在调配水需要大量的人工工作。如龙口直供需要开引水口平板闸，再提引水闸和排沙闸，然后到下游观测水位，均需要人工到现场，而且设备老化，一人无法完成，给调配水带来很大的不便。

最后，开发水库调度系统。通过对历史数据收集整理，通过先进采集和传输技术及时获取水库运行的各种信息，依据相关数学模型和大型数据库进行计算和处理，迅速提供综合调度决策方案。

6、结语

因头屯河水库建设的特殊性，造就了繁琐而低效的调度方式。但一代又一代平凡的水利人为流域的发展做出了不平凡的贡献。通过分析头屯河水库综合调度运行模式，总结调度经验，改进工作方法，来适应新时代的要求。希望通过改进调度方式，完成兴利和防洪任务，充分发挥流域水资源的综合效益，使这座饱经风霜的老水库焕发生机和活力。新的时代有新的任务，新一代水利人将在习近平新时代治水思路指导下砥砺前行。

参考文献

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