河流引水工程可引水量分析

代 超，尹健梅，屈玉竹

(1.云南省能源投資集團有限公司，云南 昆明 650228；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

推進江河湖庫連通可形成豐枯調(diào)劑、多源互補的水資源利用格局[1-2]，是改善黑臭水體[3]、提高水資源利用效率[4]、構(gòu)筑水安全保障體系[5-6]的有效措施，應(yīng)用于多省市的水資源優(yōu)化配置[7-8]；跨流域引水工程歷史悠久，是解決水資源時空分布不均和供需矛盾的有效措施[9-10]，也是江河湖庫連通的主要形式之一。南水北調(diào)中線工程[11]、牛欄江—滇池補水工程[12]等大型引水工程多采用有庫引水，即在取水口興建調(diào)蓄水庫對引水過程進行調(diào)節(jié)；而對于在河流上無調(diào)節(jié)水庫引水的中小型引水工程，設(shè)計引水流量的合理確定和可引水量的分析計算是其重要設(shè)計內(nèi)容，直接影響水工建筑物規(guī)模[13]和工程投資[14]。在龍鼻子引水工程可引水量的分析中，除常用的常遇洪水分析法、徑流逐日分配法[15-16]外，還根據(jù)山區(qū)河道徑流變化大的特點采用日流量分配和常遇洪水綜合分析法、常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法，綜合分析確定設(shè)計引水流量、引水率和可引水量。

1 工程概況

云南省姚安縣龍鼻子引水工程是洋派水庫河庫連通工程之一，在漁泡江上游支流彌興河龍鼻子河閘設(shè)置取水口，將龍鼻子河閘區(qū)間徑流量通過新建引水工程引入蜻蛉河流域洋派水庫；引水工程全長約10km。龍鼻子引水工程取水口斷面以上總徑流面積為310.43km2，上游有已建紅梅、胡家山2座中型水庫，梨園、排沙河2座小(1)型水庫，迆海子、龍馬箐等11座小(2)型水庫；擬建徐家咀小(1)型水庫1座，扣除上游水庫匯水面積后龍鼻子河閘區(qū)間流域為本工程引水徑流區(qū)，其徑流面積為44.26km2，區(qū)間主河長為17.20km，河道平均比降為3.78‰，如圖1所示。

圖1 龍鼻子及鄰近流域水系圖

2 引水區(qū)徑流計算

由于彌興河上無水文觀測站，采用鄰近地區(qū)龍川江流域紫甸河上的鳳屯水文站作為參證站，鳳屯水文站控制流域面積186 km2，氣候特征與設(shè)計流域相似，但植被條件更好，徑流特性與設(shè)計流域存在一定差別，故將參證站鳳屯水文站1977—2014年實測徑流系列按面積比擬并考慮降雨及徑流系數(shù)修正移至設(shè)計流域[17]，水文比擬公式如式(1)所示：

(1)

式中，Q設(shè)計、Q參證—設(shè)計流域、參證站流域多年平均徑流量，萬m3，鳳屯水文站多年平均年徑流(水文年)為4907.0萬m3；F設(shè)計、F參證—設(shè)計流域、參證站流域徑流面積，km2；P設(shè)計、P參證—設(shè)計流域、參證站流域平均降雨量，mm，分別為870、1002.3mm；α設(shè)計、α參證—設(shè)計流域、參證站流域徑流系數(shù)，通過《云南省水資源調(diào)查評價成果圖集》[9]查算，分別為0.21、0.26。

根據(jù)式(1)進行水文比擬計算，得龍鼻子水閘流域多年平均徑流量為818.6萬m3；通過《省圖集》查得龍鼻子區(qū)間流域年徑流變差系數(shù)Cv=0.48，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv，根據(jù)皮爾遜III型曲線離均系數(shù)值，計算得各設(shè)計頻率的年徑流；并根據(jù)鳳屯水文站1977—2014年月徑流系列進行頻率計算，挑選1985—1986年、1994—1995年、1984—1985年、1980—1981年分別為豐水(P=25%)、平水(P=50%)、枯水(P=75%)、特枯水(P=95%)代表年，按其徑流年內(nèi)分配比值對龍鼻子區(qū)間流域各設(shè)計頻率的年徑流進行分配，結(jié)果見表1。

表1 各設(shè)計頻率下龍鼻子區(qū)間流域徑流月分配 單位：萬m3

3 引水分析

分別采用常遇洪水分析法、徑流逐日分配法、日流量分配和常遇洪水綜合分析法、常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法對龍鼻子引水工程設(shè)計引水流量、引水率進行分析計算。

3.1 常遇洪水法分析法(典型年洪水過程切割法)

在常遇洪水情況下，龍鼻子河閘上游的水庫具有較強的調(diào)蓄能力，下泄的水量較少，引水區(qū)分析范圍只考慮龍鼻子區(qū)間流域(面積44.26km2)，即以龍鼻子區(qū)間流域的常遇洪水進行引洪分析。

根據(jù)引水區(qū)常遇洪水P=50%(2年一遇)、P=33.3%(3年一遇)、P=20%(5年一遇)、P=10%(10年一遇)的洪水過程線，對引水區(qū)引水率進行分析，洪水過程線中各時段洪峰流量如大于擬定的設(shè)計引水流量，大于部分將作為棄水無法引用，各頻率實際引入洪量與對應(yīng)頻率洪量比值即為引水率。擬定設(shè)計引水流量從小到大分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m3/s。

設(shè)計引水流量與引水率關(guān)系成果見表2，P=10%、P=20%洪水頻率下設(shè)計引水流量達4.0m3/s的引水率僅為0.177、0.277，為了多引水所需渠道規(guī)模較大；P=33.3%洪水頻率下，當(dāng)設(shè)計引水流量在1.0～2.5m3/s時，每增加0.5m3/s，引水率的增幅較大，而超過2.5m3/s時，引水率隨設(shè)計引水流量增加的增幅變化不明顯；P=50%洪水頻率下較小渠道規(guī)?？色@得較大引水率，且P=50%頻率洪水發(fā)生幾率較高，引洪保證率較高，因此以P=50%洪水頻率下分析得到的引水率作為采用成果。在P=50%洪水頻率下，當(dāng)設(shè)計引水流量在1.0～2.5m3/s時，每增加0.5m3/s，引水率的增幅均超過12.0%；當(dāng)設(shè)計引水流量超過2.5m3/s后，引水率的增幅有所減小。綜合考慮引水時長、管道及渠道的規(guī)模，使其經(jīng)濟效益最大化，優(yōu)化引水方案，確定引水渠道的設(shè)計流量為2.5m3/s，P=50%洪水頻率下的引水率為0.645。

表2 引水區(qū)設(shè)計引水流量-引水率關(guān)系表

引水設(shè)計流量為2.5m3/s時的引洪分析計算見表3，該方法分析得出的引水率偏小，引水率為0.112～0.645，引水區(qū)產(chǎn)水主要在汛期，P=50%(2年一遇)洪水發(fā)生幾率較高；但發(fā)生洪水的天數(shù)在全年并不多，因此按該方法確定的引水率計算得到的可引水量將偏小。

表3 引水區(qū)常遇洪水引水率分析計算表

3.2 徑流逐日分配法(典型年逐日流量切割法)

以鳳屯水文站為參證站，采用水文比擬法得到龍鼻子引水區(qū)各設(shè)計頻率典型年逐日流量過程，若引水區(qū)日平均流量小于引水渠道設(shè)計流量2.5m3/s，則引水區(qū)水量完全被引入；若引水區(qū)日平均流量大于引水渠道設(shè)計流量2.5m3/s，則引水區(qū)將發(fā)生棄水。引水區(qū)各頻率下月引水量和引水率結(jié)果見表4。P=25%、75%、95%時，引水率均為1.000；P=50%時，引水率為0.916～1.000。

表4 徑流逐日分配法引水分析結(jié)果

該方法只考慮了徑流日分配情況，日徑流分配較為均勻，大多小于引水設(shè)計流量2.5m3/s，所以引水率偏高；而沒有考慮洪水對徑流的影響，洪水過程24小時分配是不均勻的，陡漲陡落，大多呈單峰形式，洪峰流量一般都大于引水渠的流量。因此，如果按徑流逐日分配法計算可引水量，引水量將偏高。

3.3 日流量分配和常遇洪水綜合分析法

將日流量分配和常遇洪水綜合考慮進行引水率分析，引水區(qū)6—10月為汛期，11—5月為枯期，常遇流量在0.25m3/s左右。來水流量大于該常遇流量0.25m3/s，可能有發(fā)生洪水的情況，該部分(流量大于常遇流量0.25m3/s的部分)的引水率按常遇洪水分析法的引水率0.64進行引水，若該引水流量超過2.5m3/s，按2.5m3/s進行引水；來水流量小于該常遇流量0.25m3/s，則考慮按日流量分配所分析得出的引水率1.00進行引水。

龍鼻子引水區(qū)按日流量分配和常遇洪水綜合分析法各月引水量、引水率見表5所示。從表5可以看出，汛期6—10月引水率為0.714～0.998，平均值為0.805，枯期11—5月引水率為1.00，年平均引水率為0.847。

表5 日流量分配和常遇洪水綜合分析法引水分析結(jié)果

3.4 常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法

采用水文比擬法將鳳屯水文站各設(shè)計頻率典型年逐日流量過程移置至龍鼻子引水區(qū)作為設(shè)計流域典型年逐日流量過程進行引水分析時，只考慮了徑流逐日分配情況，日徑流分配較為均勻，而沒有考慮徑流日內(nèi)變化的影響。龍鼻子引水區(qū)洪水過程24小時分配是不均勻的，陡漲陡落，大多呈單峰型式。因此考慮采用P=50%常遇洪水洪峰流量與平均流量的比值放大引水區(qū)各設(shè)計頻率的逐日流量過程，據(jù)此可統(tǒng)計出各月放大后日流量的均值、最大值與最小值，根據(jù)放大后日流量各月中最大均值確定設(shè)計引水流量，若放大后日流量小于日流量放大后各月中最大均值時，則該日水量將全部引入；若放大后日流量大于放大后各月中最大均值，則以放大前日流量作為引入流量，計算引洪量，據(jù)此計算引水率。

龍鼻子引水區(qū)P=50%常遇洪水24h流量均值為3.6m3/s，洪峰流量為6.2m3/s，洪峰流量與平均流量的比值為1.751，以此比值對P=25%、50%、75%、95%不同來水頻率的設(shè)計日徑流過程進行放大后分析引水過程，結(jié)果見表6。7月份的引水流量達到最大值，月平均值為2.32m3/s，取整為2.5m3/s；汛期6—10月的引水率為0.76～1.000，平均值為0.87，其他月份引水率均為1.00。

表6 采用常遇洪水洪峰倍比放大日流量引水率分析法成果

4 引水流量和可引水量的確定

采用4種方法對引水率和引水流量進行分析的結(jié)果和側(cè)重點存在一定差別：設(shè)計引水流量通過常遇洪水分析法初步確定為2.5m3/s，引水率為0.11～0.64并隨著常遇洪水頻率增大而增大，按引常遇洪水考慮，洪水流量大部分時段大于設(shè)計引水流量，造成引水率偏??；采用徑流逐日分配法、設(shè)計引水流量為2.5m3/s時，得到的引水率為0.91～1.00，由于逐日平均流量是一日流量過程扁平化的結(jié)果，絕大部分時段日均流量均小于設(shè)計引水流量，即理論上看絕大部分水量都可以被引走，造成引水率偏大；采用日流量分配和常遇洪水綜合分析法、設(shè)計引水流量2.5m3/s分析，得到的引水率為0.77～1.00，既考慮了日均流量所代表的大部分時段的引水情況(水基本均能被引走)，又考慮了常遇洪水的引水情況(水不可能完全被引走)，計算分析結(jié)果合理，與實際情況最為相符。采用常遇洪水的洪峰流量與平均流量的倍比縮放日流量分析法，得到的設(shè)計引水流量為2.5m3/s，與常遇洪水分析法得到的設(shè)計引水流量一致，進一步證明設(shè)計引水流量為2.5m3/s是合理的；引水率為0.76～1.00，與日流量分配和常遇洪水綜合分析法計算結(jié)果基本一致。綜合4種方法的特點和成果，確定龍鼻子引水工程設(shè)計引水流量為2.5m3/s，汛期6—10月的引水率為0.7，其他月份的引水率為1.0。

上述分析中尚未考慮引水區(qū)下游生態(tài)用水的影響，需考慮取水口以下河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水要求的下泄水量[18]。由于龍鼻子河閘庫容很小、基本無調(diào)蓄能力，且可引水量分析是基于龍鼻子區(qū)間流域而非取水口斷面以上全流域的徑流，因此龍鼻子引水工程以龍鼻子引水區(qū)間流域多年平均流量的10%作為區(qū)間流域生態(tài)流量下泄(上游流域的生態(tài)流量應(yīng)由上游的控制性水庫泄放)，下泄流量為0.026m3/s?？萜?1—豎年5月引水率取為1.00，需考慮扣除生態(tài)用水量，如果月來水量小于當(dāng)月生態(tài)用水量，則該月不引水；如果大于該月生態(tài)用水量，則該月引水量為大于生態(tài)用水量部分的引水。汛期6—10月的引水率取為0.7，該時段來水量較大，有近30%的水量下放到引水區(qū)下游，該時段已經(jīng)充分考慮下游生態(tài)用水的要求，所以不需要額外扣除生態(tài)用水量。

根據(jù)設(shè)計引水流量為2.5m3/s、汛期6—10月的引水率為0.7、枯期11—豎年5月的引水率為1.0，并考慮生態(tài)水量后的龍鼻子引水工程區(qū)間可引水量見表7，多年平均可引水量為587.8萬m3，P=75%可引水量為367.3萬m3。

表7 各設(shè)計頻率下龍鼻子區(qū)間流域可引水量

5 結(jié)語

龍鼻子引水工程的可引水量是按最不利引水條件考慮、采用4種方法對引水率和引水流量進行分析，以合理確定設(shè)計引水流量和工程規(guī)模，可為類似山區(qū)河流引水工程規(guī)劃設(shè)計提供參考。分析中未考慮上游水庫滿足自身供水任務(wù)后的泄水而只考慮區(qū)間流域的徑流，可理解為工程最小可引水量；而工程實際運行中，上游水庫汛期可能產(chǎn)生棄水，實際可引水量會比本次分析的可引水量更大。待工程投運后基于取水口引水量、末端入庫水量觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合受水水庫的天然來水、庫容曲新、供水過程進行調(diào)節(jié)計算，才能準(zhǔn)確計算工程實際引水量和效益，為引水工程的調(diào)度優(yōu)化提供依據(jù)。