3.3　水头优化分配和工程投资比较

影响穿黄工程工程量大小的因素很多，如纵坡、渠线位置、地形地质条件、流量大小、断面形状与尺寸、渠道边坡系数、宽深比以及糙率等。

对于渠道，在输水线路、流量、地质条件、渠道衬砌型式和施工方法已经确定的情况下，渠道工程量(或投资)则取决于渠道纵坡和宽深比。对于每一个可能的纵坡，都能建立子模型寻找出一个最优的宽深比。

输水建筑物的费用与给定的水头有关，根据建筑物流量、长度、型式、地形地质条件等因素选定水头损失。在上述因素已确定的情况下，其工程量(或投资)大小是分配给它的水头损失的函数。对于每一个水头损失，可以建立子模型计算水深、孔口尺寸和孔数，并从中筛选出最优断面尺寸。从而，输水工程水头优化是按系统最优原理，求解输水工程量最小或投资最省时的建筑物最优水头分配和最优断面尺寸、最优纵坡分布与最优渠道断面(宽深比)、水面衔接以及进出口建筑物底部高程。这就是输水建筑物水力设计的任务。

3.3.1　进、出口水位对水头分配和工程投资影响

3.3.1.1　进口水位的确定

东平湖位于山东省东平县境内，是黄河下游分蓄洪水水库。其任务是接纳大汶河来水、分滞黄河洪水，二级湖堤将整个湖区分为新湖区和老湖区。东平湖作为黄河下游分蓄洪水的水库，对确保黄河山东艾山以下河段的防洪安全具有重要意义。

由于大汶河来水，老湖区常年有水，据1968—1999年共32年资料统计，东平湖老湖区多年平均水位39.14m，非汛期39.01m。小浪底水库建成运用后，老湖设计防洪运用水位为44.80m，新湖的设计防洪运用水位为43.80m。

南水北调东线工程利用东平湖老湖区作为调蓄水库调节东线水量，以提高黄河以北和山东半岛地区用水的保证率。1984年1月水利部黄河水利委员会(以下简称黄委)以黄工字(84)1号文，同意南水北调东线利用东平湖调蓄，但前提条件是不影响黄河的防洪运用。蓄水位必须满足黄河调度运用要求，非汛期蓄水位为40.30m，6月底湖水位必须严格控制在39.30m以下(当时汛限水位为39.30m)。

考虑到黄河河道的淤积抬高，陈山口和清河门泄洪闸泄流不畅等因素，黄委黄汛〔2002〕5号《关于东平湖运用指标及管理调度权限等问题的批复》规定，老湖区汛限水位7—9月为40.8m，10月可以抬高至41.3m。

因此，穿黄工程从东平湖引水，其进口水位即为东平湖引水水位。

根据《南水北调东线工程规划》(2001年修订)，东线第一期工程利用东平湖蓄水的特性指标为:汛期蓄水位39.30m，非汛期蓄水位40.30m。北调控制水位为:7—8月39.30m，9月上旬至11月上旬39.30～39.50m，11月中旬至3月底39.50～40.30m，4月上旬至6月底39.30～40.10m。

3.3.1.2　穿黄工程出口水位的确定

穿黄工程的出口水位不仅影响穿黄工程的布置和投资，而且影响鲁北干渠工程的布置和投资。

根据南水北调东线工程规划，第二期工程在第一期工程的基础上扩挖小运河，向河北省、天津市供水。输水线路为在临清现穿卫立交枢纽附近扩建穿卫倒虹吸工程，扩大临清渠输水规模，经清凉江、清江渠、惠江渠等输水渠道，在吴桥县城北入南运河，经沧州自流到天津九宣闸，最后进入天津北大港水库。由北大港水库开始，逐级推求各输水渠道的水面线，至穿卫立交枢纽进口水位要求不低于31.2m。为保证向河北、天津输水以及具备应急供水的条件，穿卫立交枢纽进口水位不低于31.2m，本阶段临清邱屯闸上水位为31.39m。

(1)比较方案。以穿黄进口水位(东平湖水位)39.3m，临清邱屯闸上水位31.39m为控制条件，进行方案比较:

方案一:穿黄出口水位35.21m。

方案二:穿黄出口水位35.61m。

方案三:穿黄出口水位36.01m。

在以上三个方案中，方案二与方案一的穿黄出口水位相差40cm，方案三与方案二也相差40cm。穿黄出口不同水位方案比较见表3-1。

(2)方案比较分析。

1)工程投资。从表3-1可以看出，穿黄出口水位为方案三时，穿黄工程和小运河工程总投资最小，比方案二投资减少1810.6万元;穿黄出口水位为方案一时，穿黄工程和小运河工程投资最大，比方案二投资增加2224.96万元。从投资角度分析，方案三的投资较经济。

2)工程地质条件。穿黄工程的工程地质条件，均满足三个比较方案的布置要求。小运河为全线扩挖河段，沿线地形较低，沿线的河道水位一般接近或局部略高于地面，徒骇河—马颊河河段长31.5km，为天然洼地，三个方案的输水水位分别高于地面1.5～2.3m。根据输水河道的输水水位一般低于地面1～2m的要求，方案一比方案二和方案三略好，这样有利于河道输水安全，减少河道输水对两侧的不利影响。

3)工程运行管理。三个比较方案，对黄河工程的运行管理没有明显的差别。

由于小运河沿线的地形较低，特别是在徒骇河—马颊河河段长31.5km范围内，三个方案的输水水位分别高于地面1.5～2.3m左右。方案三的输水水位最高，相对于其他两个方案，输水安全的风险最大。

(3)方案比较结论。经三个方案的技术、经济综合比较分析，穿黄工程的出口水位从35.21m抬高到36.01m，减少穿黄段可利用水头0.8m，穿黄工程的投资仅仅增加投资675万元，对穿黄工程的投资影响不大。穿黄工程的出口水位从35.21m抬高到36.01m，即小运河段增加可利用水头0.8m，小运河工程的投资减少4710万元;但由于徒骇河—马颊河河段长31.5km范围内，输水水位高出地面1.5～2.3m，在减少工程投资的同时，工程运行的潜在安全风险加大了。经综合考虑穿黄工程和小运河工程的整体工程布置、工程投资、运行条件、生态环境影响等因素，穿黄工程与鲁北输水线路的衔接水位推荐采用方案二，即穿黄河出口水位为35.61m。

3.3.2　分期输水流量规模对工程投资影响

东线工程从长江下游干流取水，基本沿京杭运河提水北送，主要向黄淮平原东部和山东半岛供水。《南水北调东线工程规划》(2001年修订)本着“先通后畅、逐步扩大规模、分期实施”的原则，将东线工程分为三期建设。东线第一期工程的供水范围大体分为黄河以南、山东半岛和黄河以北三片。穿黄工程建成后，可实现东线第一期工程调水过黄河的目标。过黄河三期输水流量分别为50m3/s、100m3/s、200m3/s。

根据穿黄工程工程规模、工程总体布置、建筑物结构形式及施工特点，将一、二期结合100m3/s流量规模和一期50m3/s流量规模进行了比较。同时，对在50m3/s流量基础上扩建到100m3/s流量规模的方案，也进行了同等深度比较。

对于一、二期工程穿黄隧洞直径均为9.3m，所不同的是两头衔接建筑物。

如果一期工程按100m3/s流量规模进行建设，穿黄隧洞出口侧需建四孔出湖闸(5.0m×5.5m)、南干渠(底宽20m)、一孔埋管进口检修闸(7.2m×7.2m)、一条直径为7.2m的埋管;隧洞出口侧建两孔引黄渠埋涵及两孔出口闸(5.0m×5.0m)。

如果一期工程按50m3/s流量规模进行建设，穿黄隧洞进口侧需建两孔出湖闸(5.0m×5.5m)、南干渠(底宽11m)、一孔埋管进口检修闸(5.2m×5.2m)、一条直径为5.2m的埋管，隧洞出口侧建一孔穿引黄渠埋涵及一孔出口闸(5.0m×5.0m);二期工程再增加两孔出湖闸、一孔埋管进口检修闸。一条直径为5.2m的埋管、一孔埋涵及一孔出口闸并扩宽南干渠。

经计算，穿黄工程一期工程按输水流量50m3/s工程规模的投资为51111万元;在输水流量50m3/s工程规模基础上扩建到100m3/s时，分两期建设的工程投资85056万元;按输水流量100m3/s工程规模的投资为60890万元。进行经济比较，输水流量100m3/s与50m3/s相比，投资增加9779万元;在50m3/s规模基础上扩建到100m3/s，投资增加24166万元，二者相比，一期工程按100m3/s规模建设较经济。同时，工程分期施工将增加对东平湖与黄河大堤防洪、黄河滩地汛期行洪以及位山引黄渠供水的不利影响，也充分考虑了穿黄工程本身的复杂性和工期的连续性，二期工程和一期工程大体连续施工更是合理等因素。而且，按输水流量100m3/s规模建设的方案体现了“先通后畅、分期实施”的原则。经综合分析比较，采用“穿黄工程规模一期按100m3/s流量建设”的设计方案。

穿黄工程100m3/s、50m3/s及增加50m3/s的主要工程量及投资对比见表3-2。

3.3.3　穿黄隧洞尺寸对水头分配和工程投资影响

穿黄隧洞位于黄河两岸解山与位山之间。解山、位山呈孤丘出露，顶高程分别为43.00m和52.00m，隧洞于河底两山之间隐伏山脊穿过，山脊顶高程14.00m，宽100余m，隧洞在黄河底基岩山脊以下埋深40～60m处。

穿黄工程进口水位为39.30m，出口水位为35.61m，按此上、下游水位，对一期和二期合并建设方案的穿黄隧洞进行了大洞方案和小洞方案的比较。

大洞方案:自东平湖深湖区引水，在东平湖玉斑堤建四孔(宽×高)5.0m×5.5m的出湖闸，闸后按底宽20.0m的南干渠，南干渠后接一孔(宽×高)7.2m×7.2m的埋管进口检修闸，闸后在黄河行洪滩地建一条直径为7.2m的埋管，通过渐变段接直径9.3m的隧洞穿过黄河主槽，隧洞出口经过连接段接两孔(宽×高)5.0m×5.0m的穿引黄渠埋涵，埋涵后接两孔(宽×高)5.0m×5.0m的出口闸。

小洞方案:与大洞方案的工程布置基本相同，仅滩地埋管和穿黄隧洞直径为7.5m，相应埋管进口检修闸孔口为(宽×高)7.5m×7.5m。

3.3.3.1　投资比较

在穿黄工程中，滩地埋管和穿黄隧洞是消耗水头的主要建筑物，且投资比例最大的建筑物是滩地埋管。因此，仅对大洞方案、小洞方案中的滩地埋管和穿黄隧洞一起进行水头分配及投资比较。

各大洞和小洞方案分段水头计算结果见表3-3。

大洞方案和小洞方案的工程量及投资计算结果见表3-4。

从表3-4可以看出，大洞方案投资为23037万元，小洞方案投资为23352万元，大洞方案比小洞方案投资节省315万元，投资差别不大，约占总投资的1.37%。

3.3.3.2　水流条件比较

大洞方案须由直径7.2m的埋管与直径9.3m的隧洞连接，在水流及结构方面不及小洞方案顺畅。

由于位山段黄河底下隐伏的马鞍形山梁宽100余m，一期隧洞从山梁中间穿过，三期工程可根据建设需要打通第二条隧洞。综合考虑各种因素，穿黄隧洞规模采用小洞方案(隧洞及埋管直径均为7.5m)。