引黃灌區(qū)干渠水量調(diào)度對管理節(jié)水成效的影響

姚建福

（運城市夾馬口引黃服務(wù)中心 山西運城 044000）

1 夾馬口灌區(qū)概況

夾馬口灌區(qū)是山西省一座大型電力提黃灌溉工程，隸屬于運城市夾馬口引黃服務(wù)中心，位于秦晉高原臨猗峨嵋?guī)X下涑水河盆地，東經(jīng)110°22′～110°51′，北緯35°00′～35°10′。灌區(qū)主要工程由吳王水源站、夾馬口泵站、小樊泵站、泉杜泵站及干、支渠系和若干管理機構(gòu)組成，目前，設(shè)計灌溉面積為6.06 萬hm2。[2]現(xiàn)有一級干渠一條、二級干渠兩條，總長54.5 km；支、斗、農(nóng)渠2 187 條，總長1 250 km；主要灌溉臨猗縣的東張、七級等7 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)129 個行政村。泉杜二級灌區(qū)，灌溉面積2.71 萬hm2，在一級干渠23.3 km 處取水。

通過工程節(jié)水和管理節(jié)水的雙重措施，工程的總體效益不斷上升，聯(lián)合國糧農(nóng)組織對灌區(qū)快速評估認為：“灌區(qū)整體灌溉效益、灌溉水利用系數(shù)、灌溉水生產(chǎn)率在同類引黃灌區(qū)較高，占居全國及亞太地區(qū)領(lǐng)先地位”。

2 問題的提出

夾馬口灌區(qū)一級干渠承擔著夾馬口灌區(qū)的配水、泉杜灌區(qū)的輸水、泉杜泵站中斷運行水量的調(diào)蓄以及沿線村莊的防洪等任務(wù)，相應(yīng)地功能要滿足：一是平穩(wěn)、高效地輸配水，二是避免發(fā)生安全事故。這兩個條件都必須通過科學地水量調(diào)度才能實現(xiàn)，尤其是由于地形條件限制，無法設(shè)置蓄水池和泄洪口，在發(fā)生意外險情時，只能通過干渠的調(diào)蓄，把水有序地排泄到田間，否則，會引發(fā)災(zāi)難性的后果。

夾馬口干渠站與夾馬口泵站、泉杜泵站、支渠、干斗等在內(nèi)部管理中屬于買賣關(guān)系，即夾馬口泵站生產(chǎn)的“水商品”經(jīng)MGG/KL－CC 插入式電磁流量計計量后批發(fā)給夾馬口干渠站，干渠站經(jīng)MGG/KL－GB 管道電磁流量計躉售給泉杜泵站，經(jīng)巴歇爾量水槽躉售給各支渠，經(jīng)無喉道量水槽躉售給各干斗，以流速儀標定流量躉售給提灌站或移動泵，最終由干斗、提灌站或移動泵、支斗將“水商品”零售給農(nóng)戶。管理局對所轄泵站依據(jù)單方水耗電量指標進行獎罰考核，對干渠、支渠按噸公里損失指標考核，對斗渠水量全額計費。

影響干渠水量調(diào)度的因素十分復(fù)雜，除以上水量交接方式差異易導(dǎo)致人為因素虧損外，泵站受水源泥沙、柴草、系統(tǒng)電壓、機組工況等干擾出水流量波動劇烈，干渠沿線水頭變動、柴草壅堵、節(jié)制閘動作等均會造成水量損失，極端氣候形成的大風、陣雨、冰雹等瞬時災(zāi)害性變化易導(dǎo)致大量棄水和安全事故，最終，各種因素的影響或疊加會降低管理節(jié)水成效，進而顯示為干渠噸公里損失的上升。

干渠水量調(diào)度就是要采取一系列的科學處置措施，將各種因素的干擾減至最小，提升管理節(jié)水成效，降低干渠噸公里損失，提高計費率進而增加財務(wù)收入。

3 灌區(qū)灌溉節(jié)水管理對策

3.1 干渠水量調(diào)度內(nèi)涵、相關(guān)指標及關(guān)系

1）干渠水量調(diào)度內(nèi)涵

干渠水量調(diào)度屬于管理節(jié)水之高效用水的范疇，即在保證灌區(qū)農(nóng)業(yè)年增產(chǎn)值前提下，通過規(guī)范化、科學化、數(shù)字化調(diào)度達到降低泵站提水量的目的，進而提高灌溉水生產(chǎn)率，以零邊際成本大幅提高管理節(jié)水成效。

2）相關(guān)指標

（1）利用率：即干渠渠道水利用系數(shù)，夾馬口灌區(qū)干渠的配水量與夾馬口泵站提水量的比值。

（2）適時利用率：是一種適合干渠管理運行和指標控制的實時利用率，與利用率的區(qū)別是將渠道庫存水量的變化納入計算，對于水量的科學調(diào)度、安全運行、問題解析等進行了量化，具有一定的指導(dǎo)性、指向性和指標性。

（3）計費率：是指夾馬口和泉杜灌區(qū)在斗口配出（銷售）的水量與夾馬口泵站提水量的比值。

（4）噸公里損失：即每方（噸）水每運行一公里所需損失的水量。

（5）相互關(guān)系：利用率＝干渠配水量÷夾馬口泵站提水量＝1÷（1＋噸公里損失×運行公里數(shù)）；計費率＝（干斗售水量＋支斗售水量）÷提水量＝［干斗售水量＋（干渠配水量－干斗售水量）×支渠平均計費率］÷提水量。

3.2 干渠水量調(diào)度方案

1）渠道庫容調(diào)蓄

（1）庫容劃分

有效庫容：為了保證供水而必須占用的和平衡流量誤差而必須存儲的庫容，上限一般控制在設(shè)計水位以下，可以偶爾達到加大流量水位。

安全庫容：為了防止泉杜泵站意外停機或灌溉與防汛疊加而必須儲備的戰(zhàn)略庫容，對應(yīng)于渠道設(shè)計水位以上加大流量和堤頂超高疊加的深度。

調(diào)蓄庫容：介于有效庫容與安全庫容之間的、為了調(diào)蓄水量的庫容，上限對應(yīng)于渠道的設(shè)計水位，上游渠道設(shè)定為3.0 m，下游設(shè)定為1.8 m，可以偶爾突破。庫容劃分詳見圖1。

圖1 庫容的劃分

（2）庫容的利用

有效庫容由三部分組成，自下而上分別為：①被泥沙占據(jù)的淤積庫容，深度h淤積由現(xiàn)場探測。②平衡流量誤差的平衡庫容，深度h平衡是根據(jù)水在渠段運行的最長時間乘以平衡流量（泉杜節(jié)制閘上游選0.5 m3/s，下游取0.2 m3/s）計算的水量折算而來；也可根據(jù)選定流量基于h淤積套用梯形渠流量公式試算得出。③輸配水流量對應(yīng)的輸配水庫容，在實際操作中，《夾馬口干渠配水流量計算表》計算的順序是自渠尾段向上游渠段逐步推算直至渠首段，由于表格容量過大，下邊是截取2018年春澆其中四支節(jié)制閘后h有效值的《配水流量計算表》的一個時段，具體情況見表1：噸公里損失是根據(jù)實際損耗值結(jié)合生產(chǎn)實際的發(fā)展變化趨勢而擬定的，該值若偏小會過度消耗庫存水量，若偏大則會全線水位上漲；需水流量是該渠段擬配水流量；運行公里數(shù)是《噸公里損失計算表》中核定的該渠段距渠首的平均距離；輸配水流量=需水流量×（1+噸公里損失×運行公里數(shù)）＋下游渠段的輸配水流量；輸配水深h輸配是根據(jù)輸配流量基于h淤積+h平衡套用形渠流量公式試算得出的結(jié)果。有效庫容對應(yīng)水的深度h有效=h淤積+h平衡+h輸配。在實際供水時，必須保證水位達到算得的h有效值，否則，必然引發(fā)生過度消庫或供水不足或斷水等一連串的問題。根據(jù)每天核定的用水計劃計算的h有效值，必須經(jīng)過驗算無誤后，才能將數(shù)值通知相應(yīng)的管理段，由配水員根據(jù)節(jié)制閘閘前水位的漲落嚴格把控閘后水位，誤差必須控制在1 cm 內(nèi)；在沒有變更用水計劃前，任何人都無權(quán)變更h有效值，一定要維護數(shù)值的嚴肅性，杜絕水量調(diào)度的隨意性；調(diào)度員可以根據(jù)全線水位的漲落，適度調(diào)整選定的噸公里損失值，只要在可控的幅度內(nèi)，一般隨用水計劃的變更而調(diào)整。

表1 配水流量計算表

2）渠道水頭控制

（1）開機水頭控制

開機機組數(shù)量除保證正常輸配水流量外，還必須根據(jù)平衡庫容大小增減機組，基于淤積庫容的h淤積，計算輸配水流量和平衡庫容流量疊加的開機水頭h開機；對照比較節(jié)制閘閘前h有效與h開機接近時，水頭運行到當前位置即可關(guān)停平衡庫容的機組。

（2）加機水頭控制

泵站加機后，由調(diào)度員通知沿線各段配水員及時調(diào)控支斗渠閘門，杜絕水頭水量損失。在輸水過程中，動用的節(jié)制閘均按閘前水位控制，當水頭運行到末段上游節(jié)制閘位置時，動用的節(jié)制閘同步動作，均按閘后水位配水；當渠段節(jié)制閘閘前水位達到算定的h有效時，即可按計劃執(zhí)行該渠段配水；閘后水位嚴格按照計算的下游渠段的h有效精準把控，誤差必須控制在0.5 cm 以內(nèi)。

（3）減機水頭控制

根據(jù)上報的停水流量和時間，流量上滿足一臺機組，時間上相差4 h 左右，則可協(xié)調(diào)各方集中減機；根據(jù)調(diào)整的配水計劃按照《配水流量計算表》重新計算各節(jié)制閘后的h有效值，隨減機水頭自上而下依次停水、逐步執(zhí)行。停水的流量和時間都比較分散，則只有利用庫容調(diào)蓄，在無調(diào)蓄能力時減機；減機后，無庫存水量可調(diào)配時，計劃報停的流量可提前停水。當預(yù)報或突然有雨，各支斗報停計劃必須經(jīng)調(diào)度核定，在保證各級渠道安全情況下方可有序停機、停水。

（4）機組輪換水頭控制

無論夾馬口泵站還是泉杜泵站輪換機組，都必須先停后開，避免局部水頭突變造成水量損失或水位失衡。

①渠段水頭控制。當渠段水頭異常下降或有效庫容不足時，應(yīng)查驗來水或輸配水水位，減小或間歇調(diào)控該渠段配出水量，遏制水位下降進而平衡渠段水頭，盡量不波及上下游，絕不能通過增加機組處置，相應(yīng)地，調(diào)度要有處置記錄；當全線水位總體下降，必須修正核算噸公里損失指標，進而修改配水計劃，若上游庫存充分，也可動用節(jié)制閘同步動作按新的h有效值維持原配水計劃。當某渠段水頭漲幅過大或速度過快時，或q計（渠段內(nèi)計劃配出的流量值）-q實（渠段內(nèi)實際配出的流量值）＞＝0.1 m3/s 時，應(yīng)及時調(diào)整配水計劃，根據(jù)重新計算的h有效值，上游各節(jié)制閘同時動作，把水調(diào)至四支上游存蓄。當q計（同上）-q實（同上）＜0.1 m3/s 時，不修改配水計劃，除十支下游的節(jié)制至上游外，其余均在所在渠段內(nèi)調(diào)蓄。對于短時間的零星供水或不同管理段間的倒口，要根據(jù)計劃統(tǒng)籌安排、有序銜接，必須嚴格計劃、嚴格調(diào)度指令，確保滿足h有效水位才能實施；具體操作上，譬如接序口在上游的，可根據(jù)與下游停水口的距離適當早開；接序口在下游的，可停開同步進行。

②渠道決口水頭控制。決口發(fā)生時，立即通知夾馬口泵站減機，流量不小于決口泄漏量；決口點上游節(jié)制閘全部動作，分段攔蓄來水，若安全庫容足夠，則正常配水，否則，要通過相關(guān)支渠和干斗泄除多余水量；根據(jù)決口在渠道斷面的位置高低，在不影響搶險的情況下，盡量保證下游供水。

③洪水水頭控制。當洪水與渠道水頭疊加時，必須動用安全庫容攔蓄，能夠通過正常配水消解洪水最好，否則，要立即啟動相關(guān)支渠和干斗泄洪?？諑煊榉止喔绕诤头枪喔绕趦煞N情況，灌溉期要事先調(diào)試好沿線各節(jié)制閘并關(guān)閉嚴密，將洪水分段攔蓄、統(tǒng)籌調(diào)配，若庫容足夠，原則上不考慮泄洪，結(jié)合隨后的灌溉正常配用；否則，要適時啟用支渠泄洪，通過九支、十支、十一支將洪水泄至涑水河，若不能滿足泄洪要求時，還要啟用上游相關(guān)支渠，數(shù)量根據(jù)需要臨時確定。非灌溉期空庫迎洪時要高度關(guān)注、嚴密調(diào)控干渠沿線庫容，優(yōu)先考慮有序經(jīng)下游九支、十支和十一支渠泄洪至涑水河，如果洪水量大到僅靠下游支渠泄洪都不能滿足要求時，則啟動上游沿線各支渠配合泄洪。啟動支渠泄洪方案時，調(diào)度員必須事先通知相關(guān)支渠長做好準備，在確保安全、萬無一失情況下再實施，并做好相關(guān)記錄。

4 管理節(jié)水成效

夾馬口灌區(qū)持續(xù)探索干渠管理節(jié)水措施、深化管理成效，2009年夏澆創(chuàng)立了干渠適時利用率，這個動態(tài)考核指標以數(shù)字化的形式把干渠中靜態(tài)庫容和動態(tài)流量有機的進行了由點（各斗）及線（各段）再到庫（庫容）的相關(guān)數(shù)字整合，動態(tài)的得出了干渠適時利用率，使調(diào)度工作有了動態(tài)的數(shù)字參考，配套以綜合管理措施，運用日臻成熟和完善，以2011年提水量12000 萬m3計、節(jié)水505 萬m3，成效十分顯著；2016年夏澆，結(jié)合生產(chǎn)實際創(chuàng)立了《干渠水量調(diào)度規(guī)程》，并針對灌溉管理中出現(xiàn)的問題不斷完善，將生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的問題全部納入，尤其是結(jié)合2018年夏澆水源泥沙含量居高不下的惡劣工況和泵站干渠凸顯的尖銳矛盾，《干渠水量調(diào)度規(guī)程》在經(jīng)過幾十次修改和補充后定稿，于2019年春澆發(fā)揮了其應(yīng)有的管理節(jié)水成效，干渠噸公里損失下降至0.004 735 m3，利用率提升至91.12%，以年提水量13 000 萬m3計、節(jié)水528 萬m3，在不增加任何成本的情況下創(chuàng)造了豐厚的財務(wù)收益。我們對2008年、2011年、2019年春澆的運行指標進行了對比，詳見表2。

表2 夾馬口干渠2008年、2011年及2019年春澆運行指標對比表

5 結(jié)論

1）夾馬口灌區(qū)《干渠水量調(diào)度規(guī)程》對灌區(qū)管理節(jié)水具有重要的實際意義，可操作性很強，具備普遍推廣的價值。

2）選用自動化計量器具，一定要搞清原理，嚴格按照儀器說明安裝，從進水流態(tài)、安裝位置、環(huán)境要求等各方面盡量滿足，否則會產(chǎn)生不必要的誤差。

3）科學、準確、穩(wěn)定的計量，是灌溉管理的重要抓手。應(yīng)當盡快將適應(yīng)黃河水的計量器具自動化、信息化、系統(tǒng)化，降低人工勞動強度和支出，提高工作效率，消除計量中的人為因素，為管理提供及時、準確、科學的數(shù)據(jù)，充分挖掘管理節(jié)水的成效。