3.3　水頭優化分配和工程投資比較

影響穿黃工程工程量大小的因素很多，如縱坡、渠線位置、地形地質條件、流量大小、斷面形狀與尺寸、渠道邊坡系數、寬深比以及糙率等。

對于渠道，在輸水線路、流量、地質條件、渠道襯砌型式和施工方法已經確定的情況下，渠道工程量(或投資)則取決于渠道縱坡和寬深比。對于每一個可能的縱坡，都能建立子模型尋找出一個最優的寬深比。

輸水建筑物的費用與給定的水頭有關，根據建筑物流量、長度、型式、地形地質條件等因素選定水頭損失。在上述因素已確定的情況下，其工程量(或投資)大小是分配給它的水頭損失的函數。對于每一個水頭損失，可以建立子模型計算水深、孔口尺寸和孔數，并從中篩選出最優斷面尺寸。從而，輸水工程水頭優化是按系統最優原理，求解輸水工程量最小或投資最省時的建筑物最優水頭分配和最優斷面尺寸、最優縱坡分布與最優渠道斷面(寬深比)、水面銜接以及進出口建筑物底部高程。這就是輸水建筑物水力設計的任務。

3.3.1　進、出口水位對水頭分配和工程投資影響

3.3.1.1　進口水位的確定

東平湖位于山東省東平縣境內，是黃河下游分蓄洪水水庫。其任務是接納大汶河來水、分滯黃河洪水，二級湖堤將整個湖區分為新湖區和老湖區。東平湖作為黃河下游分蓄洪水的水庫，對確保黃河山東艾山以下河段的防洪安全具有重要意義。

由于大汶河來水，老湖區常年有水，據1968—1999年共32年資料統計，東平湖老湖區多年平均水位39.14m，非汛期39.01m。小浪底水庫建成運用后，老湖設計防洪運用水位為44.80m，新湖的設計防洪運用水位為43.80m。

南水北調東線工程利用東平湖老湖區作為調蓄水庫調節東線水量，以提高黃河以北和山東半島地區用水的保證率。1984年1月水利部黃河水利委員會(以下簡稱黃委)以黃工字(84)1號文，同意南水北調東線利用東平湖調蓄，但前提條件是不影響黃河的防洪運用。蓄水位必須滿足黃河調度運用要求，非汛期蓄水位為40.30m，6月底湖水位必須嚴格控制在39.30m以下(當時汛限水位為39.30m)。

考慮到黃河河道的淤積抬高，陳山口和清河門泄洪閘泄流不暢等因素，黃委黃汛〔2002〕5號《關于東平湖運用指標及管理調度權限等問題的批復》規定，老湖區汛限水位7—9月為40.8m，10月可以抬高至41.3m。

因此，穿黃工程從東平湖引水，其進口水位即為東平湖引水水位。

根據《南水北調東線工程規劃》(2001年修訂)，東線第一期工程利用東平湖蓄水的特性指標為:汛期蓄水位39.30m，非汛期蓄水位40.30m。北調控制水位為: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　穿黃工程出口水位的確定

穿黃工程的出口水位不僅影響穿黃工程的布置和投資，而且影響魯北干渠工程的布置和投資。

根據南水北調東線工程規劃，第二期工程在第一期工程的基礎上擴挖小運河，向河北省、天津市供水。輸水線路為在臨清現穿衛立交樞紐附近擴建穿衛倒虹吸工程，擴大臨清渠輸水規模，經清涼江、清江渠、惠江渠等輸水渠道，在吳橋縣城北入南運河，經滄州自流到天津九宣閘，最后進入天津北大港水庫。由北大港水庫開始，逐級推求各輸水渠道的水面線，至穿衛立交樞紐進口水位要求不低于31.2m。為保證向河北、天津輸水以及具備應急供水的條件，穿衛立交樞紐進口水位不低于31.2m，本階段臨清邱屯閘上水位為31.39m。

(1)比較方案。以穿黃進口水位(東平湖水位)39.3m，臨清邱屯閘上水位31.39m為控制條件，進行方案比較:

方案一:穿黃出口水位35.21m。

方案二:穿黃出口水位35.61m。

方案三:穿黃出口水位36.01m。

在以上三個方案中，方案二與方案一的穿黃出口水位相差40cm，方案三與方案二也相差40cm。穿黃出口不同水位方案比較見表3-1。

(2)方案比較分析。

1)工程投資。從表3-1可以看出，穿黃出口水位為方案三時，穿黃工程和小運河工程總投資最小，比方案二投資減少1810.6萬元;穿黃出口水位為方案一時，穿黃工程和小運河工程投資最大，比方案二投資增加2224.96萬元。從投資角度分析，方案三的投資較經濟。

2)工程地質條件。穿黃工程的工程地質條件，均滿足三個比較方案的布置要求。小運河為全線擴挖河段，沿線地形較低，沿線的河道水位一般接近或局部略高于地面，徒駭河—馬頰河河段長31.5km，為天然洼地，三個方案的輸水水位分別高于地面1.5～2.3m。根據輸水河道的輸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，這樣有利于河道輸水安全，減少河道輸水對兩側的不利影響。

3)工程運行管理。三個比較方案，對黃河工程的運行管理沒有明顯的差別。

由于小運河沿線的地形較低，特別是在徒駭河—馬頰河河段長31.5km范圍內，三個方案的輸水水位分別高于地面1.5～2.3m左右。方案三的輸水水位最高，相對于其他兩個方案，輸水安全的風險最大。

(3)方案比較結論。經三個方案的技術、經濟綜合比較分析，穿黃工程的出口水位從35.21m抬高到36.01m，減少穿黃段可利用水頭0.8m，穿黃工程的投資僅僅增加投資675萬元，對穿黃工程的投資影響不大。穿黃工程的出口水位從35.21m抬高到36.01m，即小運河段增加可利用水頭0.8m，小運河工程的投資減少4710萬元;但由于徒駭河—馬頰河河段長31.5km范圍內，輸水水位高出地面1.5～2.3m，在減少工程投資的同時，工程運行的潛在安全風險加大了。經綜合考慮穿黃工程和小運河工程的整體工程布置、工程投資、運行條件、生態環境影響等因素，穿黃工程與魯北輸水線路的銜接水位推薦采用方案二，即穿黃河出口水位為35.61m。

3.3.2　分期輸水流量規模對工程投資影響

東線工程從長江下游干流取水，基本沿京杭運河提水北送，主要向黃淮平原東部和山東半島供水。《南水北調東線工程規劃》(2001年修訂)本著“先通后暢、逐步擴大規模、分期實施”的原則，將東線工程分為三期建設。東線第一期工程的供水范圍大體分為黃河以南、山東半島和黃河以北三片。穿黃工程建成后，可實現東線第一期工程調水過黃河的目標。過黃河三期輸水流量分別為50m3/s、100m3/s、200m3/s。

根據穿黃工程工程規模、工程總體布置、建筑物結構形式及施工特點，將一、二期結合100m3/s流量規模和一期50m3/s流量規模進行了比較。同時，對在50m3/s流量基礎上擴建到100m3/s流量規模的方案，也進行了同等深度比較。

對于一、二期工程穿黃隧洞直徑均為9.3m，所不同的是兩頭銜接建筑物。

如果一期工程按100m3/s流量規模進行建設，穿黃隧洞出口側需建四孔出湖閘(5.0m×5.5m)、南干渠(底寬20m)、一孔埋管進口檢修閘(7.2m×7.2m)、一條直徑為7.2m的埋管;隧洞出口側建兩孔引黃渠埋涵及兩孔出口閘(5.0m×5.0m)。

如果一期工程按50m3/s流量規模進行建設，穿黃隧洞進口側需建兩孔出湖閘(5.0m×5.5m)、南干渠(底寬11m)、一孔埋管進口檢修閘(5.2m×5.2m)、一條直徑為5.2m的埋管，隧洞出口側建一孔穿引黃渠埋涵及一孔出口閘(5.0m×5.0m);二期工程再增加兩孔出湖閘、一孔埋管進口檢修閘。一條直徑為5.2m的埋管、一孔埋涵及一孔出口閘并擴寬南干渠。

經計算，穿黃工程一期工程按輸水流量50m3/s工程規模的投資為51111萬元;在輸水流量50m3/s工程規模基礎上擴建到100m3/s時，分兩期建設的工程投資85056萬元;按輸水流量100m3/s工程規模的投資為60890萬元。進行經濟比較，輸水流量100m3/s與50m3/s相比，投資增加9779萬元;在50m3/s規模基礎上擴建到100m3/s，投資增加24166萬元，二者相比，一期工程按100m3/s規模建設較經濟。同時，工程分期施工將增加對東平湖與黃河大堤防洪、黃河灘地汛期行洪以及位山引黃渠供水的不利影響，也充分考慮了穿黃工程本身的復雜性和工期的連續性，二期工程和一期工程大體連續施工更是合理等因素。而且，按輸水流量100m3/s規模建設的方案體現了“先通后暢、分期實施”的原則。經綜合分析比較，采用“穿黃工程規模一期按100m3/s流量建設”的設計方案。

穿黃工程100m3/s、50m3/s及增加50m3/s的主要工程量及投資對比見表3-2。

3.3.3　穿黃隧洞尺寸對水頭分配和工程投資影響

穿黃隧洞位于黃河兩岸解山與位山之間。解山、位山呈孤丘出露，頂高程分別為43.00m和52.00m，隧洞于河底兩山之間隱伏山脊穿過，山脊頂高程14.00m，寬100余m，隧洞在黃河底基巖山脊以下埋深40～60m處。

穿黃工程進口水位為39.30m，出口水位為35.61m，按此上、下游水位，對一期和二期合并建設方案的穿黃隧洞進行了大洞方案和小洞方案的比較。

大洞方案:自東平湖深湖區引水，在東平湖玉斑堤建四孔(寬×高)5.0m×5.5m的出湖閘，閘后按底寬20.0m的南干渠，南干渠后接一孔(寬×高)7.2m×7.2m的埋管進口檢修閘，閘后在黃河行洪灘地建一條直徑為7.2m的埋管，通過漸變段接直徑9.3m的隧洞穿過黃河主槽，隧洞出口經過連接段接兩孔(寬×高)5.0m×5.0m的穿引黃渠埋涵，埋涵后接兩孔(寬×高)5.0m×5.0m的出口閘。

小洞方案:與大洞方案的工程布置基本相同，僅灘地埋管和穿黃隧洞直徑為7.5m，相應埋管進口檢修閘孔口為(寬×高)7.5m×7.5m。

3.3.3.1　投資比較

在穿黃工程中，灘地埋管和穿黃隧洞是消耗水頭的主要建筑物，且投資比例最大的建筑物是灘地埋管。因此，僅對大洞方案、小洞方案中的灘地埋管和穿黃隧洞一起進行水頭分配及投資比較。

各大洞和小洞方案分段水頭計算結果見表3-3。

大洞方案和小洞方案的工程量及投資計算結果見表3-4。

從表3-4可以看出，大洞方案投資為23037萬元，小洞方案投資為23352萬元，大洞方案比小洞方案投資節省315萬元，投資差別不大，約占總投資的1.37%。

3.3.3.2　水流條件比較

大洞方案須由直徑7.2m的埋管與直徑9.3m的隧洞連接，在水流及結構方面不及小洞方案順暢。

由于位山段黃河底下隱伏的馬鞍形山梁寬100余m，一期隧洞從山梁中間穿過，三期工程可根據建設需要打通第二條隧洞。綜合考慮各種因素，穿黃隧洞規模采用小洞方案(隧洞及埋管直徑均為7.5m)。