引黃河道輸水損失系數(shù)的測驗(yàn)研究

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

上世紀(jì)90年代后期，河北省遭遇連續(xù)干旱，中南部滄州、衡水、邢臺地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，為此給人們帶來了極大的生活困擾，造成了一系列的社會問題，而隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，用水量日益劇增，供需矛盾突出。為緩解該地區(qū)嚴(yán)重缺水狀況，通過國務(wù)院有關(guān)部門批準(zhǔn)，實(shí)施了引黃入冀工程，從山東省黃河干流位山閘取水到河北境內(nèi)。為合理配水調(diào)度和公平、公正的水費(fèi)稽征，輸水路線沿途建立了嚴(yán)密的水文監(jiān)測站網(wǎng)，并在有代表性的主要輸水河段建立了專門研究輸水損失的試驗(yàn)斷面。從1997年到2015年，河北省入境口劉口站共引水量69.008 5億 m3，有效緩解了受水區(qū)水資源緊缺狀況，收到了良好的社會效益和環(huán)境效益。引黃輸水是一項(xiàng)長期決策，研究輸水損失系數(shù)，為輸水損失的計(jì)算建立模型，從而減小損失，使引黃工程更加發(fā)揮效益，取長補(bǔ)短，更加有效的利用引黃水量是本文探討的重要的課題[1]。

1 受水區(qū)概況

1.1 輸水河段概況

引黃入冀工程是引黃專用輸水工程，自黃河下游左岸聊城市境內(nèi)的位山閘，經(jīng)西輸沙渠至西沉沙池，將含沙量很大的黃河水沉沙后進(jìn)入總干渠，接三干渠、小運(yùn)河到臨清市立交穿衛(wèi)樞紐劉口閘進(jìn)入河北省境內(nèi)，進(jìn)臨西縣沿新開渠、東干渠、清臨渠到張二莊閘進(jìn)入清涼江，沿途北上通過衡水市油故樞紐，滄州市八里莊樞紐，分為兩路，一路經(jīng)繪彩于閘入清南連渠進(jìn)南運(yùn)河，另一路繼續(xù)下行至喬官屯閘進(jìn)入南排河。沿途邢臺市可在境內(nèi)一些分水口門引水灌溉或存儲，衡水市在清涼江各分水口門引水入衡水湖及沿途各縣，滄州市從連村節(jié)制閘接水，至八里莊閘分兩路向滄州市各縣和大浪淀水庫供水。引黃工程流經(jīng)河北省14縣(市)，1994年正式投入使用。引黃入冀輸水河段從山東黃河干流位山閘到河北省境內(nèi)總長335.7 km，輸水能力65～80 m3/s[2]。

1.2 自然地理及水文氣象

引黃入冀輸水區(qū)位于河北省中南部平原區(qū)，該區(qū)地勢平坦，地勢自西南向東北緩慢傾斜，土壤以沙壤土為主，并兼帶有粘土。屬于暖溫帶大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冷暖干濕差異較大。區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為500～600 mm，年內(nèi)分配不均，雨量主要集中在6～9月份。

2 單位河長損失率模型

根據(jù)輸水實(shí)際情況，計(jì)算輸水損失需要用輸水河段單位河長損失率來計(jì)算。假定在閉合的輸水河段中，水量衰減均勻，河長平均分為L段，沿程各斷面分別為W0、W1、W2……WL-1、WL，輸水河道公里損失率為q，且q沿程相等，單位河長輸水量成等比級數(shù)遞減，公比為(1-q)，見圖1，即：

圖1引黃河道水量沿途損失示意圖

(1)

W1=W0(1-q)

W2=W0(1-q)2

W3=W0(1-q)3

……

WL=W0(1-q)L

(2)

式中：q為單位河長損失率，WL為下游輸水量，W0為上游輸水量，L為河長。

3 實(shí)驗(yàn)河段單位河長損失率的計(jì)算

3.1 斷面布設(shè)的選擇

引黃輸水損失研究河段控制站油故、三朗均以一類精度水文站的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立。油故站測驗(yàn)斷面在閘下300 m，三朗站在公路橋下200 m，上、下斷面相距29.2 km。油故到三朗河段處，不僅水文地質(zhì)具有一定的代表性，而且區(qū)間河段也沒有分水與匯水的支流，主干流上沒有任何攔水建筑物，控制斷面基本避開大的水流波動和異常紊動影響，因此是引黃水量轉(zhuǎn)化和計(jì)算單位河長損失率的理想河段。

3.2 降水量、蒸發(fā)量的計(jì)算

引黃輸水期間大多數(shù)年份正值冬季，降水量較小且在區(qū)域內(nèi)分布均勻。本研究直接采用實(shí)驗(yàn)河段附近棗強(qiáng)、大營、鄭口雨量觀測站整編成果的同期降水資料，采用三個(gè)站同期降水的平均值計(jì)算。降水補(bǔ)給量采用公式：

(3)

水面蒸發(fā)量直接采用氣候條件與實(shí)驗(yàn)河段相近，且蒸發(fā)觀測操作規(guī)范，觀測數(shù)據(jù)精度較高的下博水文站的E-601水面蒸發(fā)同期觀測資料。蒸發(fā)損失量采用公式：

(4)

3.3 統(tǒng)計(jì)計(jì)算試驗(yàn)上下斷面的輸水量和槽蓄量

統(tǒng)計(jì)油故水文站和三朗水文站實(shí)測的引黃輸水資料，計(jì)算出兩斷面各自輸水量和引黃結(jié)束后斷面之間的蓄存的槽蓄量。輸水結(jié)束后，河槽蓄水量從三朗站上游附近朱往驛節(jié)制閘的水位～槽蓄曲線查出。

3.4 河道輸水損失率計(jì)算

采用1997～2015年上游油故站和下游三朗站的引黃輸水水文監(jiān)測資料計(jì)算單位河長損失率，根據(jù)模型公式，連同降水量、蒸發(fā)量和槽蓄量，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)河段的歷次引黃輸水單位河長損失率。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)河段輸水損失率計(jì)算表 萬m3

由表1可以看出，單位河長損失率與上游輸水量大小有密切關(guān)系，上游輸水量越大，單位河長損失率越小，兩者呈反比關(guān)系。根據(jù)單位河長損失率與上游輸水量建立q～W上關(guān)系曲線，進(jìn)行適線分析，確定關(guān)系曲線圖，見圖2。

通過分析確定相關(guān)公式：

q=35.401W上-0.3526

(5)

上述公式的建立，基本反映了中東部平原河道單位河長損失率與上游斷面輸水量的關(guān)系?？梢钥闯鰡挝缓娱L損失率與上游斷面輸水量成反比關(guān)系，此次分析所用的斷面水文資料精度較高，計(jì)算方法合理，其成果有較好的代表性，為今后的引黃輸水奠定了很好的基礎(chǔ)。

圖2 實(shí)驗(yàn)斷面損失率與上游輸水量關(guān)系圖

3.5 上下斷面輸水量間的線性關(guān)系

為了指導(dǎo)流量測驗(yàn)，加強(qiáng)輸水管理，探求引黃輸水上下游輸水量間的關(guān)系，我們用歷年的水文實(shí)測資料，點(diǎn)繪了各上下斷面間的輸水量關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)有較好的線性相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.9以上。油故～三朗輸水量關(guān)系圖見圖2。

圖3 油故～三朗輸水量關(guān)系圖

由圖3可以看出，上下游輸水量其關(guān)系為斜率a，截距為b的一條直線有了各河段的輸水量間的關(guān)系線，在今后的引黃輸水工作中，下游的輸水量可以參考上游輸水量來驗(yàn)證其輸水量的精度，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)找出原因，加強(qiáng)水文調(diào)查，保證引黃輸水調(diào)度、分水的準(zhǔn)確性。

當(dāng)然單位河長損失率的影響因素不僅僅只是輸水量的大小，輸水河道水面的寬窄、濕周的大小、氣溫、風(fēng)速、河床地質(zhì)、前期河道蓄水狀況、河道水位的高低、河床兩岸地下水埋深等因素都會影響到損失率，所以輸水損失率隨不同的季節(jié)、不同的輸水狀況、不同的引水量級會有所不同[3]。

4 引黃輸水損失率的實(shí)際應(yīng)用

在引黃工程跨流域調(diào)水過程中，由于受水區(qū)域關(guān)系到不同的省市，而且受水區(qū)域取水口較多，要在每個(gè)取水口設(shè)立監(jiān)測斷面成本較高，因此在水量計(jì)量中，只在受水行政區(qū)域內(nèi)進(jìn)出口設(shè)立控制斷面，用其實(shí)測水量計(jì)算各受水區(qū)域的繳費(fèi)水量，將收到事半功倍的效果。

假定在一段輸水河道中，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…、N個(gè)受水區(qū)域，各受水區(qū)域的入出境控制斷面分別為0-0、1-1、2-2、…、n-n，相應(yīng)實(shí)測累計(jì)過水量分別為W0、W1、W2、…Wn。各控制斷面的毛水量分別為M1、M2、M3、…Mn表示，各受水區(qū)域繳費(fèi)水量分別為VⅠ、VⅡ、VⅢ…Vn表示。

根據(jù)河段輸水損失率，可計(jì)算出各斷面折算到總引水口的毛引水量為：

M1=W1/(1-q)L1

M2=W2/(1-q)L2

M3=W3/(1-q)L3

Mi=Wi/(1-q)Li

……

Mn=Wn/(1-q)Ln

當(dāng)各段損失率不同時(shí)，即不同的河段長△L1、△L2、△Li、△Ln相應(yīng)損失率為q1、q2、qi、qn，則第i斷面毛水量計(jì)算公示為

輸水路線站網(wǎng)設(shè)置：入省界控制站為劉口站；邢臺受水區(qū)的入境站為劉口站、出境口為張二莊站；衡水受水區(qū)的入境口站為張二莊站，出境口站為連村站；受水區(qū)末段為滄州區(qū)，入境控制站為連村站。

受水區(qū)邢臺、衡水、滄州的繳費(fèi)水量按下式計(jì)算：

邢臺段繳費(fèi)水量：

V邢=入境劉口站實(shí)測引水量W0-張二莊毛水量M張

衡水段繳費(fèi)水量：

V衡=張二莊毛水量M張-連村毛水量M連

滄州段繳費(fèi)水量

V滄=連村毛水量M連

輸水河段損失率參照損失率的計(jì)算方法參考損失率的原理和實(shí)驗(yàn)河段的計(jì)算成果并結(jié)合上下游實(shí)際情況確定。這種計(jì)算方法，既降低了水文監(jiān)測投入，又節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，減輕了工作量。又可以使水帳算的清楚，水量平衡計(jì)算合理，有利于輸水的管理，使引黃工程合理有效的進(jìn)行[4]。

5 結(jié)語

本文運(yùn)用數(shù)學(xué)等比數(shù)列方法推倒出適合于引黃工程水量計(jì)算的輸水損失率公式，分析試驗(yàn)河段輸水損失率的時(shí)空變化規(guī)律，分析同一地區(qū)不同時(shí)段的數(shù)據(jù)，得出輸水損失與上游來水量有直接關(guān)系，兩者成反比關(guān)系，對今后引黃工程減少損失水量提供了有效的依據(jù)。根據(jù)引黃河道單位河長損失率的原理及計(jì)算結(jié)果，結(jié)合各河段輸水量損失率的大小，分析了受水區(qū)域繳費(fèi)水量的計(jì)算原理，并進(jìn)行了細(xì)致的計(jì)算，這在引黃入冀中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]李秀瑩.引黃水量損失淺議[J].河北水利科技.1999(1)：37-38.

[2]河北省水利廳建管處.河北省水文水資源勘測局.引黃輸水效益分析與水平衡測試研究[R].2000.

[3]河北省水利廳建管處.河北省水文水資源勘測局.引黃輸水河段水文特性及水均衡研究[R].2005.

[4]河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)院.河北省引黃工程規(guī)劃[R].河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)院.2009.