引汉济渭输配水干线工程总体布局方案研究

孙铁蕾，杨 莉，王 洁，王文成

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程是陕西省境内一项跨流域调水工程，工程从陕南汉江流域调水至关中渭河流域，向关中渭河沿岸的重要城市、县城、工业园区供水，缓解关中地区严重缺水问题，替代超采的地下水、逐步退还挤占的农业与生态用水，改善渭河流域的生态环境状况，促进区域经济社会可持续发展。一期工程在调水区汉江干流和支流子午河上分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽，通过穿越秦岭山脉的输水隧洞调水至关中周至县境内的黄池沟，2025水平年多年平均调水量为10亿m3，2030水平年为15亿m3。

引汉济渭输配水工程是引汉济渭工程的重要组成部分，工程从关中配水节点黄池沟起，输水干线西到杨凌，东到华州区，北到富平，南到鄠邑，输配水区域范围东西长约163km，南北宽约84km，总面积约1.4万km2。工程由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线及相应的输水支线组成。

2 前期工作过程

2015年9月，陕西省发展和改革委员会、水利厅联合印发了《引汉济渭输配水干线工程总体规划》，在此基础上，陕西省水利电力勘测设计研究院依据《长江流域规划》《黄河流域规划》《陕西省渭河流域综合治理规划》《西咸新区总体规划》和一期引汉济渭调水工程可行性研究、初步设计报告相关成果，陕西省水利电力勘测设计研究院编制完成了引汉济渭二期工程可行性研究报告，2017年7月24—26日，水利部水规总院组织专家对可研报告进行了审查；2018年1月14—15日，水利部水规总院对审查修改后的《陕西省引汉济渭二期工程可行性研究报告》进行了复核。

3 受水对象位置分布

本工程受水对象共21个，以渭河为界，各受水对象分布于渭河南、北两岸。

重点城市西安、渭南，中小城市(区)周至、鄠邑、长安、临潼、华州区和西咸新区的沣西、沣东新城等9个受水对象分布在渭河以南的阶地或秦岭北麓，各受水对象基本呈东西向分布。

重点城市咸阳、杨凌，中小城市(区)武功、兴平、高陵、三原、阎良、富平，西咸新区秦汉、空港、泾河新城，以及西安渭北工业园区(高陵、临潼、阎良组团)12个受水对象分布于渭河以北的阶地或黄土台塬区，各受水对象基本沿东北向分布。

4 各受水对象水厂位置规划

结合工程总体布局方案和受水对象位置，经征求意见，引汉济渭二期工程共规划水厂20座，其中南干线7座(鄠邑念庄、西安西南郊、西安子午、西安灞河、临潼高沟、渭南兰王、华州杏林)，北干线13座(周至四府、杨凌四水厂、武功刘家、兴平坡头、咸阳引石过渭、西咸新区二水厂、泾河新城北关、三原西郊、高陵组团康桥马、临潼组团马家庄、高陵区上院、阎良东任、富平南苑)。

5 输配水干线分水口布置

5.1 分水口设置原则

①在满足各受水对象用水的条件下，尽量减少分水口数量，以避免输水干线流量的频繁变化。②位置应服从输水干线的总体布置。③结合各受水城市总体规划确定分水口数量，各中小城市原则上只设1个分水口，西咸新区、工业园区及重点城市依据相关规划可就近串联、合并设置分水口。④分水口设置应兼顾和结合支线布置和水厂位置，力求支线最短、水头损失最小，最大限度实现向各受水对象重力供水。⑤承担多个受水对象的分水口，可根据支线布设情况再设支线分水口。⑥分水口位置应便于工程运行管理。

5.2 分水口设置规划

南干线沿线共承担鄠邑、西安、沣西新城、沣东新城、长安区、临潼、渭南和华县8个供水对象的输水任务，根据各受水点高程及有关地市相关规划，布置了7个分水口。北干线沿线共承担周至、武功、杨凌、兴平、咸阳、秦汉新城、空港新城、泾河新城、三原、高陵、阎良、富平、渭北工业园13个受水对象的输水任务，共规划了11个分水口。干线分水口统计详见表1。

6 输水干线工程布局方案

6.1 输水干线工程平面布局方案

可研阶段结合现场踏勘以及南北干线输水线路走向征求意见情况，在合理避让重要文物、新城和工业园区核心规划区的前提下，规划了一处过渭和二处过渭方案。

6.1.1一处过渭方案

在秦岭输水隧洞出口黄池沟布置配水枢纽配水，分别向渭河以南、渭河以北两大供水片区供水，该方案以渭河为界，设渭河南、北两大输水干线系统，渭河以北输水干线采用1处过渭河方案，过渭河点选在周至县辛家寨镇康家号村北，此方案共布置黄池沟配水枢纽1座，南干线和北干线2条输水干线，输水干线工程总体布局一处过渭方案示意见图1。

表1 南干线分水口统计

6.1.2二处过渭方案

二处过渭方案拟在秦岭输水隧洞出口黄池沟布置配水枢纽配水，分别向渭河以南、渭河以北两大供水片区供水，按照渭河以北、咸阳以西为一个供水系统，渭河以北咸阳以东和渭河以南为另一个供水系统的思路布设输水线路，此方案输水线路需要穿越渭河2次，共布置输配水枢纽1座，输水南干线1条，西分干、渭北东分干2条。输水干线工程总体布局二处过渭方案示意见图2。

6.1.3输水干线平面布局方案选择

经综合分析得出：一处过渭方案渭河南、北输水干线水量分配基本合适，南北两大独立输水干线系统覆盖面大，为渭北地区经济社会发展预留了一定的空间，输水干线过渭点偏离了西安(咸阳)文化体育功能区、西咸新区、咸阳城区等人口稠密区，同时避开了众多文物保护区，影响、制约因素较小，管理运行灵活、供水安全性高、投资省，且考虑了对已成供水工程的利用。二处过渭方案输水干线距离上述热点地区较近，沿线需经过众多文物保护区，影响、制约因素较多，南干线始端流量增加到70.0m3/s，东分干线约38km的双根压力管道直径达4.0m，投资和工期不可控，管理运行不方便，实施难度极大，因此本阶段仍推荐输水干线总体布局方案采用一处过渭方案。

图1 一处过渭方案示意

图2 二处过渭方案示意

6.2 输水干线工程纵向布局方案

6.2.1主要控制节点要求水位

在满足重力供水地形条件下，结合引汉济渭输配水工程及输水线路布设的情况，依据确定的工程平面布局方案和各受水点规划水厂及分水口位置，重点考虑支线预留6～10m净水厂处理水头及支线水头损失来确定各主要控制节点要求最低水位高程，结果见表2。

表2 主要控制节点要求最低水位高程 单位：m

6.2.2南干线工程纵向布置方案

可研阶段南干线工程纵向布置拟定了自流和局部加压两个输水方案进行综合比较。

6.2.2.1 自流方案

依据南干线平面走向、地形地质和各分水口要求水位条件，拟定黄池沟至子午分水口段、子午分水口至灞河分水口段、灞河分水口至渭南分水口段采用无压流(穿越河道时采用压力流)方式输水，渭南分水口至华州分水口采用无压流与压力流结合方式输水，其中，渭南分水口至南马进水池段采用无压流方式输水，南马进水池至华州分水口段采用压力流输水。具体布置如下：

自流方案南干线全长170.2km，主要由输水隧洞、箱涵、倒虹、渡槽、压力管道组成，经过对无压流隧洞不同纵比降、压力流倒虹不同管径综合分析比较后，共布置隧洞9座长132.12km、倒虹6座长14.46km、箱涵4处长2.68km、压力管道1段长20.95km。

6.2.2.2 局部加压方案

考虑到自流方案的隧洞、箱涵纵比降为1/2500～1/3000，长度占线路总长的79%，投资额较大，且输水线路沿线穿越了滈河、潏河、浐河、灞河、沋河等较大河流，具备在合适位置设置加压泵站，降低倒虹出口设计水位，增加水头差，增大无压流隧洞、箱涵纵比降，缩小倒虹管径，降低工程造价的条件，因此提出了局部加压输水方案。

局部加压方案线路全长170.2km，按照满足隧洞过流能力要求的最陡比降、倒虹管径相对最小的原则，在灞河东岸设置泵站，经过对隧洞不同纵比降、倒虹不同管径综合分析比较后，布置隧洞9座长132.25km、倒虹6座长13.03km、箱涵4处长2.68km、加压泵站1座(泵站下水面454.38m，黄池沟至灞河段水头差由44.12m增加到60m、压力管道2段长22.25km。灞河分水口至华州分水口段工程布置与自流方案相同。

6.2.2.3 方案比较

两方案工程布置基本相当，最大的区别为：自流方案无压流隧洞、箱涵比降1/2500、1/3000，倒虹管径大；自流方案管理人员少，相对管理方便、费用低；主体工程投资38.75亿元。

局部加压方案通过降低灞河倒虹出口设计水位、增加水头，使隧洞纵比降变陡为1/2500、1/2000和1/1500，潏河、浐河、灞河倒虹管径由2根DN2600mm缩小至DN2200mm，缺点是需要修建加压泵站1座(扬程15.88m)，年提抽水量3.0亿m3，年运行费用1841万元，管理费用高。泵站需要增加永久占地43亩，移民拆迁和赔偿费用高，协调工作量大，施工干扰因素多。局部加压方案主体工程投资37.05亿元，考虑泵站50年运行费用后，局部加压方案总投资为47.07亿元，比自流方案增加8.32亿元。

综合分析，自流方案、局部加压方案均能实现工程目标，在技术上均不存在重大制约因素，从工程运行管理、移民占地、施工条件、工程投资和节能降耗等方面综合考虑，南干线纵向布置推荐自流方案。

6.2.3北干线工程纵向布置方案

北干线始端黄池沟配水枢纽设计水位514.88m，黄池沟至杨武分水口段其南北走向和沿线地形高程较低(过渭河处最低高程406.0m)的地形条件决定了宜采用压力流输水；板桥至泾河段地形高程具备无压流和压力流结合输水条件；泾河至阎良分水口段地形高程较低(泾河河底高程382.5m)的地形条件决定了该段宜采用压力流输水；阎良分水口至富平水口段受逐渐升高的地形条件限制，只能采用加压方式输水。

在满足北干线沿线各分水口用水要求后，纵向布置方案拟订了自流方案、集中加压方案和分散加压方案3个方案进行综合分析比较。

6.2.3.1 自流方案

该方案除杨凌、富平须设置泵站加压供水外，其余各受水对象均为重力自流供水。以红荆泵站进水池下水面428m为起点从下游向上游逐段推求干线设计水压线标高，则张阁村进水池的要求水位不低于485m，再由张阁村向上游按照无压流输水方式推求干线设计水位，则板桥出水池的要求水位不低于498m。自流方案北干线全长130.86km，主要由输水隧洞、箱涵、压力管道(包括倒虹)组成，共布置隧洞2座长33.3km、箱涵2处长3.35km、压力管道长94.21km。

6.2.3.2 集中加压方案

考虑自流方案北线黄池沟至板桥出水池压力流段具有管径大、管压大、投资占比高的特点，为达到降低该段工程造价、增大水头、缩小压力管道管径的目的，规划在板桥出水池前设置加压泵站，重力输水至478.0m高程后再加压至498.0m至板桥出水池，其后布局同自流方案。

集中加压方案北干线全长130.86km，主要由输水隧洞、箱涵、压力管道(包括倒虹)组成，共布置隧洞2座，长33.3km、箱涵2处，长3.35km、压力管道长94.21km，板桥泵站1座(泵站下水面478.0m，黄池沟至板桥段水头差由16.88m增加到36.88m)。

6.2.3.3 局部分散加压方案

该方案黄池沟至板桥出水池压力流段布置同自流方案，始端设计水位514.38m，末端板桥出水池设计水位498m。板桥出水池至张阁村进水池明流段，通过加大该段隧洞(箱涵)纵坡来降低工程造价，对该段沿线个别供水对象无法满足重力自流供水的，考虑支线加压供水。张阁村进水池至富平分水口压力流段干支线流速按3m/s控制，由富平分水口反推至张阁村进水池水位为480m，由此确定板桥出水池至张阁村进水池明流段纵比降为1/2100。依据板桥出水池至张阁村进水池段纵比降1/2100推算，该段的西咸新区秦汉、空港新城分水口水位不能满足重力自流供水需要，需加压供水，净扬程8m。张阁村进水池至富平分水口压力流段干支线流速按3m/s控制，其间水头损失较大，根据推算，该段的三原分水口及阎良分水口水位不能满足重力自流供水需要，需加压供水，净扬程分别为8m、16m。

6.2.3.4 方案比较

三方案工程布置基本相当，最大的区别为：

自流方案仅富平、杨凌需要加压，其余均能实现重力自流供水，缺点是黄池沟至板桥段压力管道管径达3.4m，管理人员少，但相对管理方便、费用低，主体工程投资59.54亿元。考虑泵站50年运行费用后，主体工程投资65.89亿元。

集中加压方案通过增大黄池沟至板桥泵站段水头，使得该段管径由DN3400降为DN2800～3000mm，缺点是需要增加1座泵站，净提水扬程20m，增加年提抽水量4.64亿m3，年运行费用3184万元，管理费用高，集中加压方案泵站需要增加永久占地50亩，移民拆迁和赔偿费用高，协调工作量大，施工干扰因素多。集中加压方案主体工程投资50.78亿元，考虑泵站50年运行费用后，主体工程投资73.49亿元。

分散加压方案虽然照顾了北干线大部分分水口，满足重力输水要求，但需要增加泵站3座，净提水扬程9.26～105m，增加年提抽水量1.09亿m3，年运行费用672万元。增加永久占地36亩，移民拆迁和赔偿费用高，协调工作量大，施工干扰因素多。分散加压方案主体工程57.14亿元，考虑泵站50年运行费用后，主体工程投资67.86亿元。

综上所述，自流方案、集中加压、分散加压方案均能实现工程目标，在技术上均不存在重大制约因素。集中加压方案投资最高，虽然通过将黄池沟至板桥段流速提高减小管径，降低了该段的管材造价，但泵站装机功率10000kW，年运行费较大，不予推荐。分散加压方案虽然加大了板桥出水池到张阁村进水池段无压流段的比降，降低了该段的造价，但全线增设了3座泵站，不便于管理维护。自流方案工程投资最省，运行费较低，便于管理，且上下两段压力流段管道低流速，可在一定程度上降低水锤压力。因此，从工程运行管理、移民占地、施工条件、工程投资和节能降耗等方面综合考虑，北干线工程纵向布置推荐采用自流方案。

7 结语

引汉济渭输配水工程是引汉济渭工程的重要组成部分，具有受水对象多、输水线路长、地形地质条件复杂、涉及陕西省关中地区经济社会因素多的特点，为此，先后完成了《引汉济渭受水区水量配置规划》《陕西省引汉济渭调水工程规划》《引汉济渭输配水干线工程总体规划》，可行性研究设计阶段设计人员在相关规划基础上，按照科学规划、合理布局，严格贯彻执行国家、地方法律、法规，保护环境，节约能源，节约用地的原则对输配水干线工程布局方案进行了深入的分析研究，为引汉济渭输配水工程可行性研究设计奠定了坚实的基础。