小流域無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)引水工程引水流量問題探析

何海吉

(西充縣水務(wù)局，四川西充 637200)

1　項(xiàng)目概況

四川省南充市西充縣城是四川有名的“旱城”，水資源短缺嚴(yán)重扼制了西充經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)西充“綠色發(fā)展、美麗西充”，特別是提升城市水體凈化能力和優(yōu)化城市水系，西充縣開展了“引嘉入西”工程(將上游嘉陵江的水引入西充縣)，以現(xiàn)有河床條件為基礎(chǔ)，最大限度實(shí)現(xiàn)河道枯水期保持較為穩(wěn)定的水面寬度和水深，自然河床不淤、不沖；實(shí)現(xiàn)城景相融、人水和諧、改善區(qū)域水生態(tài)的環(huán)境；兼顧縣域沿線用水需要，發(fā)揮引水流量的最大效益；長(zhǎng)遠(yuǎn)解決區(qū)域飲水水源特別是城市飲水水源。

1.1　流域概況

西充縣城河道水系主要包括虹溪河、象溪河和陽(yáng)溪河，主流為虹溪河，發(fā)源于西充縣中嶺鄉(xiāng)劉家溝，依次流經(jīng)西充縣復(fù)安鄉(xiāng)、鳳鳴鎮(zhèn)、西充縣城、蓮池鄉(xiāng)后，進(jìn)入嘉陵區(qū)境內(nèi)，虹溪河干流被大磉磴橋、橡膠壩和轉(zhuǎn)水灣拱壩等3處擋水堰壩分成了三段(圖1)。

圖1　虹溪河流域分布

1.2　水文資料來(lái)源

虹溪河流域無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，附近西河有開封、升鐘和建設(shè)鄉(xiāng)三個(gè)水文站，吉安河有趙家祠水文站，吉安河趙家祠站控制流域面積與本流域面積相對(duì)較為接近。本流域與吉安河均位于嘉陵江右岸，年降雨基本接近，流域地形地勢(shì)及匯流條件相似。趙家祠站各級(jí)水位測(cè)次分布合理，歷年整編資料可用。趙家祠水文站基本資料在升鐘水庫(kù)歷次灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，省水利院作過(guò)多次審查復(fù)核工作，認(rèn)為資料可靠，本次復(fù)核后認(rèn)為該站資料能夠滿足設(shè)計(jì)精度的要求，經(jīng)綜合分析，選擇趙家祠水文站作為設(shè)計(jì)參證站。

1.3　徑流資料來(lái)源

虹溪河的徑流主要由降雨補(bǔ)給，徑流的年內(nèi)年際變化和降雨的變化一致。年徑流量呈豐枯水交替變化。豐枯水年的年徑流相差也較大。徑流在年內(nèi)的分配極不均勻。

利用趙家祠站1959～2010年的流量系列，按年及枯期時(shí)段分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算系列各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，以矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線適線，確定出統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)值，根據(jù)《四川省水文手冊(cè)》[5]多年平均降雨量等值線圖分析，虹溪河與吉安河兩流域多年平均降雨量均為900 mm左右，十分接近，因此不進(jìn)行雨量修正，直接按面積比將趙家祠站徑流成果水文比擬至西充縣城虹溪河，成果見表1。

2　引水流量計(jì)算

引水工程引水時(shí)段為常年引流，以現(xiàn)有河床條件為基礎(chǔ)，最大限度實(shí)現(xiàn)河道枯水期保持較為穩(wěn)定的水面寬度和水深，保證自然河床不淤、不沖。

2.1　控制斷面水位與流量關(guān)系

西充縣城的虹溪河被大磉磴橋、橡膠壩和轉(zhuǎn)水灣拱壩等3處擋水堰壩分成了三段，以上述3處擋水堰壩為控制斷面，分別推算水位流量關(guān)系曲線(圖2～圖4)。

表1　西充縣城虹溪河設(shè)計(jì)徑流成果

圖2　大磉磴橋水位流量關(guān)系曲線

圖3　橡膠壩水位流量關(guān)系曲線

圖4　轉(zhuǎn)水灣拱壩水位流量關(guān)系曲線

由圖2～圖4可以看出河道控制斷面處水位隨流量的增大而逐漸增大，但是增大的趨勢(shì)逐漸減小。三個(gè)斷面處水位流量關(guān)系基本相同，由此可以確定整個(gè)虹溪河河道水位流量大致呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

2.2　河道水力計(jì)算

將西充縣城虹溪河劃分為三個(gè)河段分別進(jìn)行水面線計(jì)算：大磉磴橋以上河段，橡膠壩至大磉磴橋河段，以及轉(zhuǎn)水灣拱壩至橡膠壩河段，采用18個(gè)河道橫斷面，斷面間距20～835 m，斷面位置能夠較好的控制河段，可以較正確反映水位、流速等水力參數(shù)。河道斷面如圖5所示。

圖5　河道斷面

計(jì)算流量選用虹溪河枯期(11～3月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s。各控制斷面的水位根據(jù)前面水位流量關(guān)系查值確定。計(jì)算河段水文邊界條件如表2所示。

表2　河道水文邊界條件

參考水力學(xué)天然河道糙率表，兩岸已建堤河段取值0.028，僅一岸已建堤河段取值0.030，未建堤河段取值0.035。

對(duì)于中小河流，水力要素的計(jì)算是通過(guò)建立一維水流數(shù)學(xué)模型，采用逐段試算法推求各計(jì)算斷面沿程水面線。河床比降較小的河道，從下游向上游逐斷面進(jìn)行水面線的計(jì)算。依據(jù)上述一維數(shù)學(xué)模型，采用HEC-RAS4.0模擬計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算(表3)。

表3　河道水面線計(jì)算結(jié)果表

2.3　引水后河道水力要素對(duì)比

計(jì)算流量為虹溪河枯期(11月～3次年月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s的基礎(chǔ)上疊加補(bǔ)水流量，各控制斷面的水位根據(jù)前面水位流量關(guān)系確定，補(bǔ)水流量分為10個(gè)等級(jí)，從1 m3/s逐漸增加至10 m3/s，將劃分的18個(gè)斷面編號(hào)為1～18。按上述方法進(jìn)行不同補(bǔ)水流量下的河道水面線計(jì)算，然后將水面線計(jì)算成果與引水前進(jìn)行對(duì)比，引水前后河道水位、水面寬、平均流速對(duì)比如圖6～圖8所示。

圖6　河道水位對(duì)比

圖7　河道水面寬度對(duì)比

圖8　河道平均流速對(duì)比

由圖6～圖8可以看出引水前后河道水位、水面寬度以及平均流速都有所增加，且引水流量與河道水位、水面寬度及平均流速增加值呈正相關(guān)關(guān)系。河道水位、水面寬度及流速平均值都在斷面3和斷面10處發(fā)生劇烈變化，這兩處正是擋水堰所在位置，因此引水工程中擋水建筑物對(duì)河道水位、水面寬度及平均流速影響劇烈。河道水面寬度在斷面13處突增至斷面14達(dá)到最大，說(shuō)明寬淺開闊河段水面寬度隨補(bǔ)水流量增大發(fā)生明顯增寬。由圖8可看出河道平均流速在擋水建筑物處發(fā)生明顯變化。

2.4　最佳引水流量分析與確定

本次引水工程主要是滿足城市河道的水生態(tài)用水需求，改善、維持城市水生態(tài)環(huán)境，補(bǔ)水后河道水質(zhì)、水面、水深、流速等水力要素應(yīng)有較明顯的變化。

從不同引水流量的水位變化情況看，轉(zhuǎn)水灣拱壩、橡膠壩及大磉磴三處擋水堰為控制、保持堰上溢流，當(dāng)控制斷面堰上水深不小于0.2 m時(shí)，能夠形成較明顯水流瀑布的城景相融效果。由表3、圖6可以計(jì)算出當(dāng)引水流量增大到6 m3/s，水深不小于0.2 m的斷面18個(gè)，占計(jì)算斷面的100 %，因此引水流量不小于6 m3/s時(shí)即可滿足要求。

從水面寬度變化情況看，大部分河段引水前后的水面寬度變化不大，僅寬淺開闊河段隨引水流量增大而水面寬度變化明顯。

從流速變化情況看，根據(jù)國(guó)內(nèi)外河道生態(tài)流量研究有關(guān)成果，0.2～0.5 m的水深和0.05～0.2 m/s流速的河道，基本能夠維持藻類、無(wú)脊椎動(dòng)物、魚類等水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)，而西充縣城河道無(wú)特殊、珍稀動(dòng)植物，因此構(gòu)建基本的水生態(tài)即可。

通過(guò)不同補(bǔ)水流量情況下河道各計(jì)算斷面的水位、水深、水面寬度、平均流速上述綜合比較分析，從工程建設(shè)的角度考慮，河道補(bǔ)水流量越大，引水工程投資和運(yùn)行費(fèi)用越高。從計(jì)算數(shù)據(jù)看，河道補(bǔ)水流量為5 m3/s時(shí)，轉(zhuǎn)水灣拱壩、橡膠壩、大磉磴擋水堰(壩)的堰上水深分別達(dá)到0.27 m、0.21 m、0.28 m，平均流速分別達(dá)到1.023 m/s、0.821 m/s、0.798 m/s，其它計(jì)算斷面的水深、水面寬度和平均流速也有所增加，象溪河西門橋處河道水深為0.74 m，河道形成不斷的水流后，可維持基本的河道水生態(tài)。因此河道枯水期補(bǔ)水，引水流量可考慮4～6 m3/s，推薦5.0 m3/s。考慮區(qū)域其他用水需求，設(shè)計(jì)輸水能力可選擇加大引水流量6.0 m3/s。

3　結(jié)論

以西充縣“引嘉入西”項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析對(duì)比不同引水流量情況下，引水前后河道水位、水面寬度、平均流速的變化情況，確定最佳引水流量，主要研究結(jié)論如下：

(1)引水前后河道水位、水面寬度以及平均流速都有所增加，且引水流量與河道水位、水面寬度及平均流速增加值呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)引水工程中擋水建筑物對(duì)河道水位、水面寬度及平均流速影響劇烈。

(3)大部分河段引水前后的水面寬度變化不大，僅寬淺開闊河段隨引水流量增大而水面寬度變化明顯。

(4)確定引水流量要從工程投資、運(yùn)行費(fèi)用、對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響等多元角度考慮，針對(duì)不同的用水需求確定最佳引水流量。

研究方法和結(jié)論可為小流域無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)引水工程確定引水流量提供相應(yīng)的借鑒和參照。