水庫放水渠道規(guī)模的計算方法探討

岳 旭

(新疆呼圖壁縣水利局，新疆 呼圖壁 831200)

1 概 述

新疆是干旱少雨地區(qū)，絕大多數(shù)河流屬內(nèi)陸河流，徑流量年內(nèi)分配極不均勻，大部分地區(qū)年降水量在200 mm以下，特別干旱地區(qū)年降水僅8 mm[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依靠灌溉，沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)。水利工程是新疆經(jīng)濟社會發(fā)展必不可少的重要基礎(chǔ)工程，在流域的開發(fā)建設(shè)過程中，伴隨著農(nóng)業(yè)的逐步發(fā)展，單純依靠從河道引水已不能滿足生產(chǎn)的需要，必須修建水庫，通過水庫對徑流進行調(diào)節(jié)，才能滿足區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。截至2000年，新疆已建成各類水庫488座，其中大型水庫19座，中型水庫117座，小型水庫352座，總庫容77.17×108m3，現(xiàn)狀供水能力124.59×108m3/a，占地表總供水量的23.22%。由此可見，水庫調(diào)節(jié)對新疆農(nóng)業(yè)灌溉起著非常重要的作用。在水庫和灌區(qū)間起橋梁紐帶作用的水庫放水渠道，作為農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)灌溉的輸水工程，具有非常重要的地位。

2 常規(guī)渠道規(guī)模的計算

常規(guī)渠道規(guī)模的確定方法主要采用設(shè)計灌水率法計算。

2.1 渠道規(guī)模的計算方法

渠道流量是計算渠道正常工作條件下的水力因素，它是確定渠道縱橫斷面和渠系建筑物設(shè)計的主要依據(jù)。設(shè)計流量的確定，關(guān)系到工程造價、灌溉效益和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)。

渠道設(shè)計流量(規(guī)模)，就是灌溉農(nóng)作物的凈流量和渠道損失流量之和。為使渠道通過不同情況下的流量，并經(jīng)常處于最優(yōu)工作狀態(tài)，在設(shè)計渠道時需用以下3種流量作為設(shè)計與校核之用。

1) 正常流量(Q正常)。正常流量(即通常所稱的設(shè)計流量)表示渠道正常工作條件下通過的流量，它是渠道和渠系建筑物設(shè)計的主要依據(jù)。采用下式計算：

式中：Q正常為渠道的正常流量，m3/s；q最大為灌水率，m3/s·104hm2；A為渠道控制范圍內(nèi)的灌溉面積，104hm2；η為渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)。

當利用灌水率來確定渠道的正常流量時，應(yīng)取灌水率圖上持續(xù)時間大于20天的最大灌水率值。如最大灌水率的持續(xù)時間小于20天，則可選用次大的灌水率，但要保證以次大灌水率推出的加大流量大于或等于由最大灌水率值推出的實際最大流量。否則，須以實際最大流量作為加大流量，而除以加大系數(shù)反推正常流量。

2) 最小流量(Q最小)。最小流量是用來檢驗核對下一級渠道的控制條件，以及確定節(jié)制建筑物的位置。它是采用設(shè)計灌水率圖或灌溉用水流量過程線中的最小值來確定。渠道最小流量不應(yīng)低于設(shè)計流量的40%，相應(yīng)的渠道最小水深不宜小于設(shè)計水深的70%[2]。

3) 加大流量(Q加大)。加大流量是確定渠道堤頂高程的依據(jù)。加大流量一般按正常流量增加10%～30%，加大系數(shù)按《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288-2018)中的規(guī)定，根據(jù)正常流量值的范圍選取對應(yīng)的加大系數(shù)。

2.1.1 續(xù)灌渠道

萬畝以上灌區(qū)的干支渠應(yīng)按續(xù)灌方式設(shè)計。續(xù)灌渠道應(yīng)根據(jù)上述方法按設(shè)計流量、加大流量和最小流量進行計算。續(xù)灌渠道的設(shè)計流量可按下式計算：

式中：Qs為續(xù)灌渠道的設(shè)計流量，m3/s；qs為設(shè)計灌水率，m3/s·104hm2；As為該渠道灌溉面積，104hm2；ηs為該續(xù)灌渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)[3]。

2.1.2 輪灌渠道

斗農(nóng)渠應(yīng)按輪灌方式設(shè)計，必要時支渠也可按輪灌方式設(shè)計[3]。

輪灌渠道只按設(shè)計流量進行計算，渠道的設(shè)計流量可按下式計算：

2.2 不同方法所適用的范圍

萬畝以上灌區(qū)的干支渠應(yīng)按續(xù)灌方式設(shè)計。斗農(nóng)渠應(yīng)按輪灌方式設(shè)計，必要時支渠也可按輪灌方式設(shè)計。但設(shè)計中往往不重視以下幾點要求：

2.2.1 續(xù)灌渠道

1) 如果設(shè)計灌水率選用的不是灌水率圖中的最大灌水率，必須要復(fù)核加大流量是否大于或等于由最大灌水率值推出的實際最大流量，若小于由最大灌水率值推出的實際最大流量，須以實際最大流量作為加大流量，而除以加大系數(shù)反推設(shè)計流量。目前，大多數(shù)設(shè)計單位，往往不重視這一點，只是用滿足灌水持續(xù)時間≥20天的灌水率(或者15天的灌水率)推求設(shè)計流量，以此確定渠道的規(guī)模，而不用最大灌水率值推出的實際最大流量去校核。所以最終設(shè)計的渠道流量往往比實際需要的灌溉流量小，無法滿足農(nóng)業(yè)灌溉需要。

2) 正常工作條件下的各級渠道水力要素應(yīng)按設(shè)計流量計算確定，其平均流速應(yīng)滿足渠道不沖不淤的要求。

3) 岸頂超高和渠道高度應(yīng)按加大流量計算，并按加大流量驗算渠道的不沖流速。

4) 渠道的最低控制水位應(yīng)按最小流量計算確定，并按最小流量驗算渠道的不淤流速。這點往往也是設(shè)計單位容易忽視的，所以造成渠道淤積嚴重。

2.2.2 輪灌渠道

對于輪灌渠道因流量已經(jīng)加大，故不再計算加大流量。

2.2.3ηn的取值

當設(shè)計中同時有干支渠時，干渠為續(xù)灌渠道，支渠為輪灌渠道，在計算渠道規(guī)模時，灌溉水利用系數(shù)的取值是有區(qū)別的。干渠的灌溉水利用系數(shù)為干渠至田間的灌溉水利用系數(shù)，而作為輪灌渠道的支渠的灌溉水利用系數(shù)則應(yīng)該為支渠至田間的灌溉水利用系數(shù)，不能統(tǒng)一取一個值。

例如：假設(shè)η干=0.765，η支=0.788，η斗=0.873，η農(nóng)=0.89，η田間=0.85，則

η干灌溉=η干渠系×η田間=0.398

η支灌溉=η支渠系×η田間=0.52

若支渠的灌溉水利用系數(shù)仍采用0.398，無形之中就擴大了支渠的規(guī)模。

3 水庫參與調(diào)節(jié)的渠道規(guī)模的計算

3.1 水庫調(diào)節(jié)的情況介紹

新疆干旱少雨，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依靠灌溉，而新疆絕大多數(shù)河流屬內(nèi)陸河流，徑流量年內(nèi)分配極不均勻，春季占6%～55%，夏季22%～81%，秋季7%～24%，冬季0～14%。連續(xù)最大4個月水量占年水量的43%～90%，春秋缺水矛盾比較突出，無法滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需要，必須通過水庫對徑流進行調(diào)節(jié)，才能滿足區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

截至2000年，全區(qū)建成各類水庫488座，其中大型水庫19座，中型水庫117座，小型水庫352座，總庫容77.17×108m3，現(xiàn)狀供水能力124.59×108m3/a，占地表總供水量的23.22%。絕大多數(shù)水庫為調(diào)節(jié)水庫，引蓄冬閑水及夏季洪水，解決灌區(qū)春旱、秋缺用水矛盾，為農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)灌溉發(fā)揮著非常重要的作用。

3.2 計算方法

3.2.1 灌水率法

渠道的設(shè)計流量可按下式計算：

式中：Qs為渠道的設(shè)計流量，m3/s；qs為設(shè)計灌水率，m3/s·104hm2；As為該渠道灌溉面積，104hm2；ηs為該渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)。

根據(jù)水庫所在灌區(qū)流域的徑流特點和作物的灌溉需要，新疆水庫多為一蓄一放、一蓄兩放或兩蓄兩放的年內(nèi)調(diào)節(jié)水庫，水庫放水渠并不是常年供水，而是根據(jù)水庫的調(diào)節(jié)灌溉時間，間歇放水。因此，水庫放水渠設(shè)計灌水率不能取水庫所在灌區(qū)灌水率圖上持續(xù)時間大于20天的最大灌水率值，應(yīng)該根據(jù)水庫多年的運行方式，選取灌水率圖上與水庫放水時段相對應(yīng)的最大灌水率作為水庫放水渠的設(shè)計灌水率。

3.2.2 水量法

渠道的設(shè)計流量可按下式計算：

式中：Qs為渠道的設(shè)計流量，m3/s；Wi為某放水時段最大放水量，m3；ti為最大放水量對應(yīng)的放水時間，s。

3.3 灌水率法和水量法的區(qū)別與聯(lián)系

3.3.1 區(qū) 別

灌水率法與設(shè)計灌水率、灌溉面積及該渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)有關(guān)，而水量法只與水庫的放水時間和放水量有關(guān)，與設(shè)計灌水率、灌溉面積和灌溉水利用系數(shù)沒有直接的關(guān)系。

3.3.2 聯(lián) 系

從公式表面來看，二者毫無聯(lián)系，但二者卻有著內(nèi)在的聯(lián)系。

水庫的放水量是根據(jù)水庫灌區(qū)的灌溉制度和水庫調(diào)節(jié)的灌溉面積及該渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)決定的。

水庫的放水時間不僅與水庫灌區(qū)的灌溉制度有關(guān)，還有一個很大的影響因素是流域特點。新疆的河流徑流量年內(nèi)分配極不均勻，需水和來水不匹配，需要水庫水進行調(diào)節(jié)灌溉、滿足下游灌區(qū)需要。

4 工程實例——哈拉快力水庫第二放水渠規(guī)模的確定

4.1 玉龍喀什河流域特點

玉龍喀什河多年平均年徑流量為22.3×108m3[3]，徑流年際變化不大，但年內(nèi)變化很大。流域降水集中在汛期6-8月份，徑流量為17.98×108m3，水量占全年徑流量的80.6%；春季3-5月份的徑流量為1.26×108m3，僅占5.7%；秋冬季分別為2.47和0.58×108m3，占年徑流的量的11.1%和2.6%。徑流年內(nèi)分配極不均勻，因此玉河流域灌區(qū)春旱秋缺矛盾突出，必須通過水庫對徑流進行調(diào)節(jié)，才能滿足灌區(qū)需要。

4.2 哈拉快力水庫概況

哈拉快力水庫是新疆洛浦縣境內(nèi)的一座中型水庫，引蓄玉龍喀什河河水，調(diào)節(jié)水庫下游多魯鄉(xiāng)和拜什托格拉克鄉(xiāng)0.753 3×104hm2耕地的灌溉用水。哈拉快力水庫設(shè)計庫容2 300×104m3，死庫容70×104m3，由均質(zhì)土壩、進水閘、兩座放水涵洞組成。每年8月中旬至10月份，次年1月初至2月下旬兩次蓄水(即引蓄冬閑水和汛期末洪水)，3月初開閘放水，6月份配完下游灌區(qū)用水后一直到10月初再開閘放水。哈拉快力水庫多年平均引水量為3 508×104m3，年蓄水量3 500×104m3，年出庫水量2 812×104m3，其中給多魯干渠供水比例33%，拜什托格拉克干渠的供水比例為67%。給多魯干渠供水的放水渠稱為第一放水渠，給拜什托格拉克干渠供水的放水渠稱為第二放水渠。哈拉快力水庫第二放水渠放水過程線見表1[4]。

表1 水庫第二放水渠放水過程線 /104 m3

4.3 拜什托格拉克干渠概況

拜什托格拉克干渠全長36.6 km，控制農(nóng)田灌溉面積0.386 7×104hm2。主要從洛浦縣紅旗干渠引水，每年3-6月份、10-12月份通過哈拉快力水庫第二放水渠放水調(diào)節(jié)灌溉，解決灌區(qū)春旱秋缺矛盾，滿足灌區(qū)用水需要。多年平均地表水年引水量為4 820.72×104m3，其中水庫放水1 884×104m3，從紅旗干渠引水2 936.72×104m3。根據(jù)灌區(qū)的灌溉制度計算出灌區(qū)最大灌水率5.7 m3/s·104hm2，持續(xù)時間大于20天的最大灌水率為5.55 m3/s·104hm2，詳見圖1。據(jù)調(diào)查，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.52[6]。

圖1 拜什托格拉克鄉(xiāng)灌區(qū)灌水率圖

4.4 第二放水渠規(guī)模確定

根據(jù)玉龍喀什河流域的特點，流域降水集中在汛期6-8月份，其中6月份玉河來水量占全年的11.8%，7-8月份來水量占全年的68.8%。另由灌區(qū)作物需水量可知，灌區(qū)6月份需水量最大，而拜什托格拉克干渠從玉龍喀什河渠首途徑洛浦總干渠、洛浦東干渠、紅旗干渠自坦米恰卡爾閘口引水，由于渠道長、河道來水滯后。因此6月上中旬作物需水量大而地表來水量少，需要水庫水進行調(diào)節(jié)灌溉、滿足下游灌區(qū)需要。

4.4.1 灌水率法

由圖1可知，6月上旬最大灌水率4.05 m3/s·104hm2，6月下旬最大灌水率5.55 m3/s·104hm2，根據(jù)水庫多年的運行方式，哈拉快力水庫第二放水渠放水時段集中在6月上中旬，因此應(yīng)選取灌水率圖上與水庫放水時段相對應(yīng)的6月上旬最大灌水率作為水庫放水渠的設(shè)計灌水率。灌區(qū)控制灌溉面積為0.386 7×104hm2，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.52。

采用灌水率法計算公式：

=0.27×5.8/0.52=3.0 m3/s

即放水渠設(shè)計流量為3.0 m3/s。

4.4.2 水量法

由表1哈拉快力水庫第二放水渠放水過程線可知，第二放水渠6月份放水量最大，為435×104m3，放水時間集中在6月上中旬(15天)，解決作物需水量大但由于渠道長、河道來水滯后的矛盾。

采用水量法計算公式：

=435×104/(15×24×3600)=3.4 m3/s

即放水渠設(shè)計流量為3.4 m3/s。

4.4.3 結(jié)果分析

以上兩種方法計算結(jié)果相差不大，經(jīng)分析對比，用灌水率法確定的放水渠規(guī)模往往偏小，用水量法確定的放水渠規(guī)模與渠道現(xiàn)狀基本相符。值得注意的是，針對起調(diào)節(jié)灌溉作用的水庫放水渠，如果用灌水率法計算其規(guī)模，設(shè)計灌水率的選取一定要與水庫放水時段相對應(yīng)，否則將會出現(xiàn)偏差(例如：如果選取6月份最大灌水率0.37 m3/s·104hm2，則放水渠設(shè)計流量為4.13 m3/s)。

5 結(jié) 論

通過以上分析，對于有水庫調(diào)節(jié)的灌區(qū)，根據(jù)水庫供水量及供水時間，可以考慮采用水量法計算渠道規(guī)模，這樣得出的渠道規(guī)模更加符合實際。而對于引水灌溉渠道則主要以灌水率法計算比較準確。如果有水庫部分參與調(diào)節(jié)灌溉，可以利用水量法進行復(fù)核，保證設(shè)計的渠道既能滿足供水要求，又能節(jié)約工程投資，做到工程最優(yōu)設(shè)計。