金昌市引硫濟(jì)金工程輸水效率分析

胡鐵軍 王增麗

(1.甘肅省武威水文站，甘肅 武威 733000；2.武威市水利科技推廣中心，甘肅 武威 733000)

金昌市位于河西走廊東部，石羊河水系西部，北臨巴丹吉林沙漠，人口密集，水資源開發(fā)利用程度較高，用水矛盾極為突出。該市屬大陸性干旱氣候，受全球氣候變暖、祁連山冰川雪線上移、上游水源涵養(yǎng)能力下降等因素影響，蒸發(fā)大、降水少且不均衡，地表水資源呈逐年減少趨勢，上下游及供需用水矛盾日益突出，缺水問題嚴(yán)重制約著金昌市經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定發(fā)展。為此，1995年金昌市啟動跨流域調(diào)水工程——引硫濟(jì)金工程。2003年，甘肅省、青海省聯(lián)合開發(fā)硫磺溝水資源，每年按硫磺溝年來水量的88%給金昌輸水，設(shè)計年調(diào)水量0.4億m3。引硫濟(jì)金工程是“引大濟(jì)西”的一期工程，規(guī)劃用水指標(biāo)近期為0.4億m3，遠(yuǎn)期為2.5億m3。自2003年工程建成投入使用以來，有效緩解了金昌市水資源短缺，解決了生產(chǎn)生活用水矛盾問題，為金昌經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的水安全保障。輸水效率分析對于水利部門水資源調(diào)度工作具有重要意義，有利于找出輸水效率偏低的原因，通過工程措施或者調(diào)度手段提高輸水效率，達(dá)到提高水資源利用的目的。引硫濟(jì)金工程已運行多年，輸水效率為跨流域調(diào)水的關(guān)鍵性指標(biāo)，其值的測算可為我國西線調(diào)水和甘肅省水安全保障規(guī)劃之河西內(nèi)陸河調(diào)水提供水資源利用基礎(chǔ)參數(shù)和決策參考。

1 工程概況

引硫濟(jì)金工程由引水樞紐和引水隧洞組成，引水樞紐位于青海省門源縣皇城鄉(xiāng)境內(nèi)的硫磺溝石峽門上游700m處，主要建筑物有進(jìn)水閘、泄沖閘、溢流壩，設(shè)計引水流量7.5m3/s，最大限制流量19.5m3/s。引水長度約28km，工程等別為Ⅲ等。該工程橫跨青海、甘肅兩省，地處高寒山區(qū)，為低壩自流引水工程，工程任務(wù)為生活供水和灌溉供水，設(shè)計年引水量4000萬m3，設(shè)計灌溉面積5.50萬畝，工程輸水線路區(qū)涉及青海省海北藏族自治州的門源回族自治縣，甘肅省張掖市的山丹縣、金昌市的永昌縣和金川區(qū)。引硫濟(jì)金工程調(diào)水路線見圖1。

圖1 引硫濟(jì)金工程調(diào)水路線

引硫濟(jì)金工程引水口至西大河水庫段的取水口位于青海省門源縣境內(nèi)硫磺溝石峽門上游，經(jīng)過8.8km隧洞，到小平羌口河位置輸出，通過小平羌口河、西大河流入西大河水庫，河長25.0km。該區(qū)域位于祁連山山區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣候寒冷，輸水隧洞水量損失以滲漏為主；天然河道輸水損失主要有蒸發(fā)、地下水補給滲漏，由于山丘區(qū)地表和地下水相互交換頻繁，該段以蒸發(fā)為主。

西大河水庫至金川峽水庫段總長75km，可分為三段：西大河水庫至石梯子總干渠渠首段，為天然河道，長度11km；石梯子總干渠渠首至西金輸水渠渠首段，主要由混凝土砌成，長度14km；西金輸水渠渠首至金川峽水庫段，長度50km，其中西金輸水渠長39km。西大河水庫至金川峽水庫段，水量損失主要以滲漏和蒸發(fā)為主。西金干渠建成于1977年，承擔(dān)西河灌區(qū)、四壩灌區(qū)灌溉輸水任務(wù)，同時兼顧引硫濟(jì)金工程調(diào)水，即西大河水庫向金川峽水庫輸水任務(wù)，其渠道設(shè)計流量為6.00m3/s。金昌市于2012年完成了西金干渠的改擴(kuò)建，改擴(kuò)建后設(shè)計流量為7.20m3/s，同時提高了輸水效率。

金川峽水庫至工農(nóng)渠段總長8km，該段主要是天然河段，主要由細(xì)砂石和砂土組成，水量損失以滲漏和蒸發(fā)為主。金川河工農(nóng)渠首樞紐工程位于金川河出山口迎山坡處，始建于1965年，2015年11月金川河工農(nóng)渠首泄洪閘除險加固工程開工建設(shè)，2017年5月完成全部建設(shè)任務(wù)。工農(nóng)渠首樞紐工程承擔(dān)著金昌市區(qū)、河西堡鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)、城市居民的供水任務(wù)。

2 分析方法及資料來源

遵循水量平衡原理，利用水文資料、水資源公報和水利統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，并通過引硫濟(jì)金工程沿途分段布設(shè)的水文測驗斷面實測流量來驗證、測算、分析沿程水量損失。由于調(diào)水線路途經(jīng)天然河道、人工渠道、水庫等，按照不同區(qū)段分為五段進(jìn)行測算，在每段河(渠)道的入口和出口設(shè)水文監(jiān)測斷面進(jìn)行流量實測，計算其差值，差值與入口水量的比值為該段輸水效率，再采用首尾計算法得到工程綜合輸水效率。

資料來源：一是收集整理西大河流域西大河水庫、金川河金川峽2個國家基本水文站的實測徑流、地下水、降水資料系列匯編刊印成果；二是收集水利部門有關(guān)工程建設(shè)、灌區(qū)、人畜、生態(tài)及工業(yè)用水統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及水資源公報，全面了解和掌握域內(nèi)氣候變化、水資源供需平衡等情況。

3 典型點位引水量分析

3.1 硫磺溝引水量分析

硫磺溝2003—2019年引水量變化見圖2。由圖2可知，硫磺溝年際內(nèi)引水量變化幅度明顯，其中2010年實際引水量最高，為3269.07萬m3；2019年實際引水量最低，為303.62萬m3；年度實際引水量變化曲線與設(shè)計調(diào)水量基本一致。此外，多年平均引水量為2306.50萬m3，多年平均實際引水量為2075.90萬m3，實際引水量低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。2003—2019年硫磺溝月平均引水量見圖3。由圖3可知，在不同年度內(nèi)引水量變化規(guī)律呈先增加后減少的趨勢，其中峰值出現(xiàn)在7月份，月平均引水量為757萬m3；最低值出現(xiàn)在11月份，月平均引水量為101萬m3。

圖2 硫磺溝2003—2019年引水量年際變化

圖3 硫磺溝2003—2019年月平均引水量變化

3.2 西金引水渠引水量分析

西金引水渠2003—2019年引水量年際變化見圖4。由圖4可知，西金引水渠末端平均年引水量為3436萬m3，年均引水流量為1.09m3/s；其中2003年、2010年和2012年的引水量均超過5000萬m3，2014年、2015年引水量在4800萬～4960萬m3之間，其他年度引水量均低于4000萬m3。西金引水渠設(shè)計每年向金川峽水庫引水5000萬m3，含引硫濟(jì)金調(diào)水量4000萬m3、西大河向金川峽水庫調(diào)水1000萬m3。經(jīng)資料統(tǒng)計，多年平均引水量小于設(shè)計引水量。

圖4 西金引水渠2003—2019年引水量年際變化

4 工程不同區(qū)段輸水效率變化分析

4.1 不同區(qū)段引水量變化分析

2019年，因硫磺溝調(diào)水隧道出口生態(tài)保護(hù)項目工程建設(shè)，只調(diào)水337.36萬m3，屬特殊年份，因此不參與本次分析計算。2003—2018年引硫濟(jì)金工程月平均引水量變化見圖5。由圖5可知，2003—2018年不同區(qū)段引水量變化規(guī)律基本一致，均隨引水長度的增加引水量呈減少趨勢。2003—2018年硫磺溝引水口累計引水量為42200萬m3，工農(nóng)渠首引水量為26800萬m3。2007年不同區(qū)段引水量較其他年份低，分析原因為當(dāng)年石羊河流域降水量較多，年平均增加31%、來水量增多22%，屬豐水年。

圖5 2003—2018年引硫濟(jì)金工程月平均引水量變化

4.2 不同區(qū)段輸水效率分析

在分析過程中，按照水量平衡原理，以引硫濟(jì)金工程沿途水庫、河道、干渠引水渠實測水文資料為基礎(chǔ)，對河(渠)道滲漏損失、河(渠)道水利用系數(shù)進(jìn)行測算，輸水損失包括滲水損失、漏水損失以及水面蒸發(fā)損失。依據(jù)流程特點，將引硫濟(jì)金工程分為硫磺溝引水口至西大河水庫、西大河水庫至西金干渠渠首、西金干渠渠首至金川峽水文站、金川峽水文站至金川峽水庫、金川峽水庫至工農(nóng)渠首引水口五段進(jìn)行引水量和輸水效率分析。引硫濟(jì)金工程不同區(qū)段輸水效率見表1。

表1 引硫濟(jì)金工程不同區(qū)段輸水效率

硫磺溝引水口至西大河水庫段輸水效率為0.95，這與該段主要由混凝土澆筑而成，水量損失較小，以及河道有冰雪融化以匯流、滲出方式補充有關(guān)。西大河水庫至西金干渠渠首輸水效率較一段偏低，主要原因為西大河水庫出庫至石梯子渠首段為天然河道，存在深層滲漏。西金干渠渠首至金川峽水文站段的輸水效率為全程最低，僅為0.83，分析原因與該段輸送距離較長且渠道年久老化，渠坡凍脹變形，渠底滲漏等因素有關(guān)，導(dǎo)致輸水糙率增加，過流能力降低。

4.3 綜合輸水效率分析

將2003—2018年引硫濟(jì)金工程取水口引水量與引水末端的工農(nóng)渠引水量列于表2，并根據(jù)首尾計算法對該工程全程輸水效率進(jìn)行分析。由表2可知，雖然不同區(qū)段輸水效率均高于0.80，但其折損的累積效應(yīng)明顯，2003—2018年的全程輸水效率為0.615～0.634之間，多年綜合輸水效率為0.635。

表2 2003—2018年引硫濟(jì)金工程綜合輸水效率分析

5 結(jié)果討論

a.引硫濟(jì)金工程在運行中，渠道輸水效率受渠道防滲措施、渠床土壤特性、工程完好狀況、渠道過水流量等因素影響明顯。防滲渠道隨使用年限的延長，渠道滲水越大，渠道輸水效率越低。水流、風(fēng)、水中的化學(xué)物質(zhì)對工程渠道的防滲設(shè)施均有一定程度的破壞，正常養(yǎng)護(hù)情況下，渠道滲漏是渠道輸水損失的主要原因。分析結(jié)果表明，引硫濟(jì)金工程的輸水效率隨區(qū)段流量的增大而增大，這與趙然杭的研究結(jié)果一致，引硫濟(jì)金工程運行多年后，部分渠段因超使用年限、凍脹變形等原因造成引水渠道襯砌結(jié)構(gòu)破壞、渠道滲漏加劇，增大了引水損失。

b.輸水效率的準(zhǔn)確與否影響調(diào)度方案的精度。加強工程調(diào)度管理，實現(xiàn)工程水資源優(yōu)化調(diào)度，提高水資源利用效率尤為重要。

c.水資源分布不均勻性與人類社會需水不均衡性的客觀存在，使得跨流域調(diào)水成為解決水資源供需矛盾的重要途徑之一。如何高效利用、合理配置是重要課題，應(yīng)在工程運行中探索解決。

d.引硫濟(jì)金工程年度引水量接近或略低于設(shè)計年調(diào)水量，硫磺溝引水量最高，工農(nóng)渠首引水量最低。由于該工程處于典型的大陸性氣候帶，蒸發(fā)強烈，加之處于橫向斷裂帶構(gòu)造區(qū)，引硫濟(jì)金工程綜合輸水效率為0.635，其中硫磺溝引水口至西大河水庫段輸水效率最高，西金干渠渠首至金川峽水文站段輸水效率最低。

6 結(jié) 語

引硫濟(jì)金工程已成為促進(jìn)金昌市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要動力，穩(wěn)定調(diào)水規(guī)模、提高輸水效率刻不容緩。本文分析了引硫濟(jì)金工程的沿程水量損失和分段輸水效率，計算出了工程的綜合輸水效率，指出了影響渠道輸水效率的因素。今后應(yīng)加大工程保養(yǎng)措施，保障工程運行安全；加強工程調(diào)度管理，根據(jù)實際需求水量進(jìn)行引水，優(yōu)化調(diào)度運行方案，提高精細(xì)化調(diào)度管理水平，持續(xù)發(fā)揮工程效益。本研究成果可作為皇城、西大河與金川峽水庫以及在建韓家峽水庫聯(lián)合調(diào)度調(diào)蓄工程的技術(shù)依據(jù)。