汭河灌區(qū)節(jié)水改造工程中的可供水量分析

黃凱歌

(崇信縣水利工程建設(shè)站，甘肅 崇信 744200)

1 概況

汭河是涇河上中游右岸的一級(jí)支流，發(fā)源于六盤山、隴山分水嶺的東麓，源地最高海拔2670 m，上游由策底河、北汭河、南汭河及南川河匯流而成。汭河灌區(qū)位于崇信縣中部，灌區(qū)大部分為河谷兩岸川地。區(qū)域土壤肥沃，是當(dāng)?shù)刂饕霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和企業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，在崇信縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。汭河灌區(qū)現(xiàn)存的骨干工程建設(shè)為錦屏鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是，由于后續(xù)資金投入不足，灌溉配套工程不完善，加上現(xiàn)有工程老化失修，影響了工程效益的發(fā)揮。此外當(dāng)前渠系存在灌溉水利用系數(shù)低、灌溉管理粗放，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)很大，嚴(yán)重違背了當(dāng)前高效利用水資源的宗旨，有必要對(duì)汭河灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水工程改造[1]。在進(jìn)行節(jié)水改造工程建設(shè)之前，摸清當(dāng)前汭河灌區(qū)的可供水量[2-4]，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 來(lái)水量分析

2.1 徑流特性

銅城水庫(kù)位于甘肅省崇信縣境內(nèi)的汭河中上游的干流上，壩址以上河道長(zhǎng)59.9 km，控制流域面積1146 km2，具有引水灌溉、河水?dāng)r蓄和為崇信電廠供電等作用。控制流域上的徑流主要來(lái)源于大氣降水，其中以雨水補(bǔ)給為主，雪水補(bǔ)給為輔。全年可分為4—6月春汛期，由上游冰雪融水和降水補(bǔ)給；7—10月上旬為夏秋洪水期，以大面積降水補(bǔ)給為主；11—12月為平水期，以地下水補(bǔ)給及河槽儲(chǔ)蓄量為主；次年1月—3月為冬季枯水期，以地下水補(bǔ)給為主，水量小而穩(wěn)定。徑流年內(nèi)分配7—10月占全年徑流量的比例大約為65.0%，12月—次年3月占全年徑流量的11.5%，2月份最小，僅占2.8%。

2.2 徑流還原

安口站和袁家庵站位于汭河干流上，自上而下設(shè)有安口、袁家庵水文站，上游南北汭河交匯口設(shè)有華亭水文站，觀測(cè)項(xiàng)目為流量、泥沙、降水。安口站和袁家庵站水文站上游有農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水、水庫(kù)蓄水以及管道引水工程等。因此其實(shí)測(cè)徑流過(guò)程不能完全反應(yīng)流域的天然徑流特點(diǎn)，需要進(jìn)行用水量還原計(jì)算。還原計(jì)算采用分項(xiàng)調(diào)查法[5]，計(jì)算時(shí)段內(nèi)天然年徑流的計(jì)算公式(1)如下：

W天然=W實(shí)測(cè)+W農(nóng)灌+W工業(yè)+

W城鎮(zhèn)+W庫(kù)蓄+W引水

(1)

式中：W天然為還原后的天然徑流量，m3/s；W實(shí)測(cè)為水文站實(shí)測(cè)徑流量，m3/s；W農(nóng)灌為農(nóng)業(yè)灌溉耗損量，m3/s；W工業(yè)為工業(yè)用水耗損量，m3/s；W城鎮(zhèn)為城鎮(zhèn)生活用水耗損量，m3/s；W庫(kù)蓄為大中型水庫(kù)蓄水變量，增加為正，減少為負(fù)，m3/s；W引水跨流域(或跨區(qū)間)引水量，引出為正，引入為負(fù)，m3/s。

甘肅省水文水資源局2013年編制的《平?jīng)鍪兴Y源調(diào)查評(píng)價(jià)》對(duì)水文站控制斷面以上的農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水、水庫(kù)蓄水變量等幾部分的水量進(jìn)行了翔實(shí)的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)徑流量采用安口站和袁家庵站的水文數(shù)據(jù)，即可獲得汭河流域的天然徑流量。圖1為安口水文站1975—2017年和袁家庵水文站1954—2017年同期天然年徑流量相關(guān)關(guān)系圖。

圖1 安口水文站和袁家庵水文站天然年徑流量相關(guān)關(guān)系

安口水文站與袁家庵水文站之間無(wú)大的支流匯入，控制流域面積相差31%，根據(jù)圖1所示的1975—2017年安口水文站與袁家庵水文站同期年徑流量建立相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)式(2)：

W安=0.9418W袁-0.285

(2)

兩者的相關(guān)系數(shù)為0.9118，相關(guān)性較好。按照此相關(guān)關(guān)系，對(duì)安口水文站1975年之前的資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，得到安口水文站1954—2017年長(zhǎng)系列天然年徑流系列。

2.3 徑流代表性分析

選擇安口水文站作為代表站進(jìn)行分析，繪制安口水文站年平均流量過(guò)程線圖，作年平均流量逆時(shí)序累積均值、差積曲線圖，分別如圖2和圖3所示?？梢钥闯觯昶骄髁烤惦S系列的增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，平均流量系列豐、平、枯交替出現(xiàn)。總的來(lái)看，安口水文站1954—2017年天然徑流過(guò)程中包含了豐、平、枯水年組，此外圖中包含了較長(zhǎng)的枯水段，對(duì)供水較為不利。從豐、平、枯水年組成情況看，安口水文站1954—2017年記錄的天然徑流過(guò)程系列具有良好的代表性，可用于后續(xù)的灌溉用水量估計(jì)。

圖2 安口水文站天然年徑流量過(guò)程及累積曲線

圖3 安口水文站天然年平均流量差積曲線

2.4 徑流計(jì)算

2.4.1 安口站設(shè)計(jì)天然徑流

根據(jù)安口站1954—2017年天然徑流系列，進(jìn)行頻率分析計(jì)算，用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，以P-Ⅲ型曲線為線型，適線法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，繪制了安口站頻率曲線，計(jì)算得安口站天然多年平均流量為4.60 m3/s，多年平均徑流量為14 539萬(wàn)m3，變差系數(shù)Cv為0.55，Cs/Cv為2.5。不同頻率設(shè)計(jì)年徑流量如表1所示，可以看出在5%頻率下的天然徑流量最大，達(dá)到了30 000萬(wàn)m3。袁家庵站天然多年平均流量為5.39 m3/s，多年平均徑流量為16 988萬(wàn)m3。

2.4.2 設(shè)計(jì)徑流成果的合理性分析

查《平?jīng)鍪袕搅魃畹戎稻€圖》，銅城水庫(kù)流域重心處徑流深約為100～150 mm左右，本次計(jì)算天然徑流深128 mm與等值線圖基本接近，說(shuō)明本次計(jì)算的徑流成果是基本合理的。

2.4.3 徑流年內(nèi)分配

代表年的選擇原則按典型年的年徑流量接近設(shè)計(jì)頻率的徑流量為原則，并考慮需水期較枯的年份，選取安口站1978年為P=50%的代表年，按典型年逐月徑流量比例計(jì)算銅城水庫(kù)、區(qū)間P=50%保證率的徑流年內(nèi)分配過(guò)程，如表2所示。

表1 安口站和袁家庵站天然設(shè)計(jì)徑流成果 萬(wàn)m3

表2 P=50%保證率的逐月徑流過(guò)程

從表2可以看出，銅城水庫(kù)全年的徑流量為12 913萬(wàn)m3，夏季7—9月的徑流量占了全年總徑流量的50%，而冬季枯水期僅占10%左右，表明一年內(nèi)的徑流量豐、平、枯三者交替出現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果較合理。

3 可供水量分析

計(jì)算可供水量時(shí)，汭河灌區(qū)灌溉保證率選取50%。

3.1 銅城水庫(kù)實(shí)際來(lái)水量分析

銅城水庫(kù)上游華亭縣境內(nèi)有王峽口水庫(kù)，位于汭河支流北汭河上，其壩址控制流域面積117 km2，興利庫(kù)容60萬(wàn)m3，多年平均徑流量為1866.28萬(wàn)m3，供水任務(wù)為向華亭發(fā)電廠、華明電廠提供工業(yè)供水和黎明川灌區(qū)提供灌溉供水。銅城水庫(kù)上游策底河建有石堡子水庫(kù)，壩址以上控制流域面積486 km2，總庫(kù)容710萬(wàn)m3，多年平均徑流量為6235.87萬(wàn)m3，供水任務(wù)為向華亭縣硯峽鄉(xiāng)提供工業(yè)生活供水。

銅城水庫(kù)壩址斷面處的年徑流量為壩址斷面處的天然徑流量扣減上游水庫(kù)供水量，再計(jì)入水庫(kù)及工農(nóng)業(yè)用水的回歸水量，為銅城水庫(kù)壩址處的實(shí)際年來(lái)水量。

銅城水庫(kù)P=50%保證率的天然徑流量為12913萬(wàn)m3，上游總供用水量為2208萬(wàn)m3，回歸水量為331萬(wàn)m3。銅城水庫(kù)P=50%保證率下的實(shí)際來(lái)水量為11 037萬(wàn)m3。

3.2 銅城水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

銅城水庫(kù)下泄生態(tài)基流按壩址處多年平均流量的10%，即年下泄生態(tài)基流1470.6萬(wàn)m3。根據(jù)2009年黃河水利委員會(huì)《關(guān)于崇信電廠一期在銅城水庫(kù)取水的相關(guān)審批意見(jiàn)》，在不考慮新建水庫(kù)工程情況下，銅城水庫(kù)僅為崇信電廠一期工程供水，并兼顧下游灌溉供水。電廠一期工程需水量330.9萬(wàn)m3。銅城水庫(kù)目前實(shí)際灌溉面積0.2萬(wàn)hm2，年灌溉用水量為500.1萬(wàn)m3。

調(diào)節(jié)計(jì)算采用典型年法，即采用同頻率的設(shè)計(jì)來(lái)水過(guò)程與需水過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)段為月，計(jì)算原則如下：

(1)銅城水庫(kù)運(yùn)用方式：6—10月敞泄排沙，其他時(shí)段最高可蓄至正常蓄水位1234.1 m，興利庫(kù)容為308萬(wàn)m3。

(2)以上述分析的來(lái)水量作為平衡分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)段以月為單位。

(3)合理反映工程區(qū)內(nèi)水資源供需平衡的實(shí)際情況。

根據(jù)上述原則進(jìn)行銅城水庫(kù)的調(diào)節(jié)計(jì)算，考慮水庫(kù)的年預(yù)留生態(tài)基流1470.6萬(wàn)m3，崇信電廠需水量330.9萬(wàn)m3，灌區(qū)灌溉用水量為647.0萬(wàn)m3，損失水量43.1萬(wàn)m3，獲得銅城水庫(kù)年下泄水量為8280.0萬(wàn)m3。表3為P=50%銅城水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算表。

表3 P=50%銅城水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算 萬(wàn)m3

4 結(jié) 語(yǔ)

灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造是強(qiáng)化水利行業(yè)管理，實(shí)行水利產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迫切需求。由于當(dāng)前汭河灌區(qū)現(xiàn)存渠系老化嚴(yán)重，急需對(duì)灌區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)。本文計(jì)算了汭河灌區(qū)的當(dāng)前的可供水量，為后續(xù)節(jié)水改造工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性的指導(dǎo)，有利于后續(xù)灌溉制度的設(shè)計(jì)和渠道工程規(guī)模建設(shè)。有利于解決水資源供需矛盾，提高灌溉保證率，降低農(nóng)業(yè)成本。