淺析預(yù)蓄充庫灌區(qū)的水量平衡計算

鄧秋良 周 明 胡 軍 楊明云

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院 武漢 430064)

湖北省引丹灌區(qū)位于湖北省襄樊市,東至唐白河,南以漢江為界,西至朱連山,北與河南相鄰。灌區(qū)包括襄樊老河口市全部、襄陽區(qū)北部和樊城區(qū)的一部分,自然面積2980km2。灌區(qū)設(shè)計灌溉面積210萬畝。

丹江口水庫是引丹灌區(qū)的骨干水源,灌區(qū)總干渠和各級渠道沿灌區(qū)脊地開挖,各級渠道與結(jié)瓜水庫相通,是典型的以各級渠系為骨干,以預(yù)蓄充庫水庫為核心的長藤結(jié)瓜式大型灌區(qū)。

引丹灌區(qū)引水口位于丹江口庫區(qū)河南省淅川縣境內(nèi)的南水北調(diào)陶岔渠首附近,經(jīng)清泉溝隧洞穿越朱連山至灌區(qū)。清泉溝隧洞出口設(shè)調(diào)壓井,調(diào)壓井設(shè)三向出口,右岸布置西高干渠,左岸布置東高干,中間接總干渠。總干渠自調(diào)壓井由西向東經(jīng)老河口至襄陽黃集鎮(zhèn),總干渠沿程布置一、六干渠。其中,清泉溝隧洞出口調(diào)壓井及東、西高干渠為引丹灌區(qū)的二期工程,尚未建成。灌區(qū)中現(xiàn)有189座水庫,分布于灌區(qū)各片中,攔蓄當(dāng)?shù)貜搅鳌⒄{(diào)蓄引丹水量,以滿足灌區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需水。

1 灌區(qū)水資源開發(fā)利用特點(diǎn)

1.1 灌區(qū)當(dāng)?shù)貜搅餍?是湖北省有名的旱包子

引丹灌區(qū)位于湖北省鄂西北崗地,該地區(qū)地處南 (陽)襄 (樊)盆地的南部邊緣,屬漢江中游河谷地帶。西臨武當(dāng)山,東靠近桐柏山,形成山谷缺口,南北暖濕氣流難以停留,降雨機(jī)率比湖北其他地區(qū)相比少,是湖北省徑流低值區(qū),多年平均徑流深僅為157.3mm,是湖北省多年平均徑流深541.3mm的29%,引丹灌區(qū)為湖北省水資源缺乏地區(qū),是湖北省有名的旱包子。

1.2 當(dāng)?shù)厮畮熳陨韥硭?水庫庫容系數(shù)大

引丹灌區(qū)屬湖北省徑流深的低值區(qū),加上灌溉水庫集水面積小,造成灌區(qū)內(nèi)水庫來水量偏小。在水庫興建時,即考慮水庫來水主要靠引丹江口水庫水量充庫來滿足灌溉用水要求,故在水庫設(shè)計上主要考慮以建設(shè)大的調(diào)節(jié)庫容為主。

目前全灌區(qū)已有大、中、小型水庫189座,其中大型水庫有西排子河、紅水河、孟橋川等3座,中型水庫15座,小型水庫171座,水庫總集水面積1494.8km2,興利庫容5.95萬m3,灌區(qū)水庫多年平均來水量為2.37億m3。如將灌區(qū)內(nèi)所有水庫合并為一個水庫,則庫容系數(shù)高達(dá)253%,灌區(qū)內(nèi)水庫對徑流的調(diào)節(jié)作用非常強(qiáng)。

從單個水庫庫容系數(shù)上來看,灌區(qū)內(nèi)189座水庫均為多年調(diào)節(jié)水庫,庫容系數(shù)最小為襄陽區(qū)的吳集水庫,該水庫為小 (二)型水庫,壩址以上集水面積5.25km2,興利庫容26.62萬m3,庫容系數(shù)為32%;最大為老河口市的黑虎山水庫,該水庫為中型水庫,壩址以上集水面積僅為17.4km2,興利庫容達(dá)689萬m3,庫容系數(shù)達(dá)到了25177%。充分反映出灌區(qū)水庫自身徑流量小,庫容系數(shù)偏大的特性。

1.3 預(yù)蓄充庫是引丹灌區(qū)灌溉系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)

引丹灌區(qū)設(shè)計灌溉面積210萬畝,在考慮水稻全面采用 “薄淺濕曬”控制灌溉制度,優(yōu)化調(diào)整灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)等節(jié)水措施后,2030年灌區(qū)灌溉凈需水量為5.31億m3。再加上向城鎮(zhèn)居民供水及工業(yè)供水,2030年引丹灌區(qū)總凈需水達(dá)9.66億m3,靠灌區(qū)中自身產(chǎn)水2.37億m3顯然不能滿足灌區(qū)需水要求,引丹江口水庫水滿足灌區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求成為必然選擇。

灌區(qū)的189座水庫中,能自流引水充庫的大中小型水庫有156座,其中大、中型水庫均能自流引水直接充庫,尚有33座小型水庫因水庫高程超總干渠水位,不能引水充庫,不能充庫的水庫主要分布在西高干片、總干直灌片及四干片中。在210萬畝設(shè)計灌溉面積中,在干渠控制高程下,能自流灌溉面積172.22萬畝,提水灌溉面積377.78萬畝。

引丹灌區(qū)自身特殊的水資源條件、丹江口水庫良好的水源條件,形成其特有的水庫預(yù)蓄充庫運(yùn)行方式:即 “閑時充庫、忙時灌田”。

在灌溉高峰期,渠道引水灌溉;在非灌溉高峰期,滿足引水灌溉的前提下,利用干渠空閑的引水能力引水充庫。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是能降低骨干渠道的設(shè)計規(guī)模,充分發(fā)揮引丹渠系引水能力,錯開灌溉用水高峰期引水預(yù)蓄充庫,提高渠道單位引水能力,減少灌水時間,適時滿足灌區(qū)內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)需水要求。

2 灌區(qū)分片

按引丹灌區(qū)已形成的灌溉體系,以便于行政領(lǐng)導(dǎo)和管理,有利于計劃用水、配水、調(diào)水,充分發(fā)揮灌溉效益為原則,將灌區(qū)分為9片:總干直灌片,西高干片,東高干片,一干片,二干片,三干片,四干片,五干片,六干片。

灌區(qū)內(nèi)各類水利工程按其灌溉范圍分片統(tǒng)計(成果省略),進(jìn)行水量平衡計算。

3 水量平衡計算

3.1 確定預(yù)蓄水庫充蓄率

預(yù)蓄充庫水量平衡計算時,需首先明確預(yù)蓄水庫充蓄率。所謂水庫充蓄率,即預(yù)蓄充庫時,水庫最高蓄水容積 (扣除死庫容)占水庫興利庫容的百分比。

對各片水庫進(jìn)行預(yù)蓄充庫時,充蓄率的確定較為關(guān)鍵,充蓄率定得過低,灌溉高峰期水庫中水量不夠,受干渠引水規(guī)模限制,則不能滿足灌溉要求;充蓄率定得過高,水庫底水較多,遇當(dāng)?shù)貜搅鬏^豐的年份,則形成過多棄水量,造成水資源浪費(fèi)。故充蓄率的確定即要充分滿足灌溉要求,又要有效利用水資源,使灌區(qū)當(dāng)?shù)貤壦钚　?/p>

各片預(yù)蓄充庫水庫充蓄率的最終確定,需經(jīng)反復(fù)試算。

試算水庫的充蓄率,以1960～2007年共48年進(jìn)行長系列水量平衡計算,首先逐片假定水庫充蓄率,進(jìn)行長系列水量平衡計算,統(tǒng)計各片的保證率及棄水量。如某片保證率低于設(shè)計灌溉保證率,則說明水庫預(yù)蓄水量過少,不能滿足灌溉要求,此時加大該片水庫的充蓄率,重新進(jìn)行水量平衡計算;如某片保證率高于設(shè)計灌溉保證率,且出現(xiàn)當(dāng)?shù)厮Y源棄水量增多,則說明水庫預(yù)蓄水量過多。此時減小該水庫充蓄率。如此逐片反復(fù)試算,直至得到能滿足設(shè)計灌溉保證率的最小水庫充蓄率,此時棄水最小。

3.2 總干渠引水流量分配系數(shù)

為充分發(fā)揮總干渠及各干渠的引水能力,旬內(nèi)總干渠引水對各干渠的分配,采取動態(tài)分配方式進(jìn)行:灌田時,采用各片需引水灌溉水量占全灌區(qū)需引水灌溉水量的比例進(jìn)行分配;預(yù)蓄充庫時,采用各片需充蓄庫容占全灌區(qū)總需充蓄庫容的比例進(jìn)行分配。即下式。

式中:Ci[j]——第i干渠、第j時段(旬)引水流量分配系數(shù);

wi[j]——第 i干渠、第j時段(旬),灌田時,所需引水灌溉水量,充庫時,采用各片需充庫庫容;

i— — 干渠 ;

j— — 時段(旬)。

采用這種動態(tài)分配方式,各計算時段 (旬)的引水流量分配系數(shù)均不相同。其作用可使總干渠引水量分配到真正需要水的地方,以提高各渠道的使用效率。

3.3 水量平衡計算

供水的順序為:首先滿足生活、城鎮(zhèn)供水,然后農(nóng)業(yè)供水。

用水秩序為:視當(dāng)?shù)厮畮熘兴慷?當(dāng)?shù)厮畮齑嫠看笥谒畮斐湫羁刂迫莘e時,先用當(dāng)?shù)厮畮焖?再用引丹水量;當(dāng)?shù)厮畮齑嫠啃∮谒畮斐湫羁刂迫莘e時,先用引丹江口水庫水量,再用當(dāng)?shù)厮畮焖俊．?dāng)?shù)厮畮齑嫠亢鸵に烤荒軡M足需水要求時,則形成缺水。

在水量平衡計算中,大型水庫與中型水庫各自獨(dú)立作為一個供水單元計算,為簡化計算各片小型水庫計算工作量,按將各片小型水庫概化合并成一個水庫作為一個供水單元。

在概化合并過程中,各水庫會因為來水面積與興利庫容、控制灌溉面積與興利庫容之間的相對關(guān)系差異較大,為避免計算中庫容大、蓄水量多而控制灌溉面積小的水庫供水到實際供不到的灌溉面積上,造成虛假供水的現(xiàn)象。在概化過程中,對興利庫容、來水面積考慮其控制灌溉面積作一定調(diào)整后再進(jìn)行合并。

計算系列為1960～2007年共48年,進(jìn)行歷年逐旬水量平衡計算,計算過程見圖1,水量平衡計算框圖。最后將各片水量平衡成果匯總,得灌區(qū)水量平衡成果匯總表,見表1。

圖1 水量平衡計算框圖

表1 水量平衡成果表 單位:億m3

4 水量平衡計算成果分析

水資源供需平衡分析的目的主要有六個方面:第一是采用合適的工程措施、非工程措施實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置,科學(xué)配置水資源,滿足灌區(qū)內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。第二對當(dāng)?shù)貜搅骼眠M(jìn)行分析,研究當(dāng)?shù)貜搅骼贸潭取５谌嬎闳鄥^(qū)灌溉水利用系數(shù),分析全灌區(qū)水資源的利用水平。第四是通過水資源供需平衡分析,分析全灌區(qū)水源組成及特點(diǎn),各種水源工程在供水系統(tǒng)中的地位。第五計算全灌區(qū)灌溉保證率,分析全灌區(qū)需水保證程度。第六通過水資源供需平衡,分析水資源配置工程的工程規(guī)模。成果表須反映如下內(nèi)容。

4.1 水量平衡計算成果合理性檢查

完整的水量平衡成果應(yīng)反映灌區(qū)水資源供需平衡、灌區(qū)進(jìn)出水量平衡。為反映這兩大平衡,四大要素:來水量、需水量、供水量及缺水量必不可少。

全灌區(qū)總毛需水量14.82億m3,總供水14.70億m3,缺水量0.12億m3。需水量=供水量+缺水量,水資源供需總量平衡。

灌區(qū)189座水庫多年平均來水量為2.37億m3,總引水量13.15億 m3,總供水量 14.70億 m3,水庫損失水量0.68億m3,棄水量0.14億m3。全灌區(qū)水資源總量進(jìn)項等于出項,進(jìn)出總量平衡。

從水量平衡計算角度分析,水資源供需總量是平衡的,全灌區(qū)水資源進(jìn)出總量亦平衡,計算過程正確。

4.2 分析灌區(qū)當(dāng)?shù)貜搅鱽硭⒂盟退坷寐?/h3>

全灌區(qū)水庫當(dāng)?shù)貜搅鱽硭?.37億m3,引水充庫后,水庫棄水量僅0.14億m3。水庫徑流利用較為充分,說明本灌區(qū)是在自身充分挖潛后再利用引丹水量的。較小的棄水量亦說明預(yù)蓄充庫水庫充蓄率較為合理,即滿足了灌溉和供水的需求,又不浪費(fèi)水資源。

4.3 分析全灌區(qū)凈、毛需水,灌溉水利用系數(shù)及全灌區(qū)水資源利用水平

灌區(qū)多年平均凈需水 9.66億m3,毛需水14.82億m3,全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.65。

從全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)來看,該系數(shù)較高,但本灌區(qū)城鎮(zhèn)工業(yè)和生活供水所占比重較大,且其直接從干渠引水。干渠襯砌后,城鎮(zhèn)工業(yè)和生活供水利用系數(shù)為 0.90,由此造成全灌區(qū)水利用系數(shù)較高,如扣除城鎮(zhèn)供水量因素,全灌區(qū)灌溉水量的渠系水利用系數(shù)為0.56,灌溉水利用系數(shù)為0.53,符合大型灌區(qū)節(jié)水灌溉要求。

4.4 分析各種水源工程供水量,以及在供水系統(tǒng)中的地位

丹江口水庫總引水量包括兩部分:引水直供水量與充庫水量。以旬為時段進(jìn)行水量平衡計算,計算中,將引水量中充蓄在水庫中留給本旬以后時段供的水量視為預(yù)蓄充庫水量,引水量中本時段直接用于灌溉的水量視為直供水量。

全灌區(qū)總供水14.70億m3,其中丹江口水庫引水量13.15億m3,引水占總供水量的89%,由此看出,引丹江口水庫水量是引丹灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的命脈。

全灌區(qū)總供水14.70億m3,其中大型水庫供水4.20億m3,中小型水庫供水4.24億m3,丹江口引水直供水量6.27億m3,占總供水量的42.6%,引水直供在滿足本灌區(qū)供水中有著至關(guān)重要的作用。

在大、中、小型水庫的8.44億 m3供水中,當(dāng)?shù)厮畮靵硭?2.37億 m3,由丹江口水庫充入水量6.88億m3,預(yù)蓄充庫水量占水庫總來水量的74%,占全灌區(qū)總供水量的47%,說明引水預(yù)蓄充庫在本灌區(qū)中不可或缺。

從灌區(qū)供水組成看,灌區(qū)通過水庫供水8.44億m3,占灌區(qū)總供水的57%,灌區(qū)水庫在攔蓄當(dāng)?shù)貜搅鳌⒄{(diào)蓄引丹水量、滿足灌區(qū)供水等方面發(fā)揮重要的樞紐、橋梁作用。

4.5 分析灌區(qū)各片缺水量,反映灌區(qū)保證率

從各片缺水量可以分析,從1960～2007年48年系列中,均有 6年缺水,全灌區(qū)灌溉保證率為86%,達(dá)到灌區(qū)設(shè)計灌溉保證率85%。灌區(qū)利用自身徑流后,引丹江口水庫水量13.15億m3的情況下,可滿足灌區(qū)內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)需水的要求。

4.6 渠道設(shè)計流量分析

(1)干渠設(shè)計流量。干渠設(shè)計流量需通過水量平衡試算確定。在水量平衡計算時,先假定干渠流量,進(jìn)行水量平衡計算,直到得到符合灌區(qū)設(shè)計保證率的干渠流量,此時干渠流量即為干渠的設(shè)計流量。成果列于表2預(yù)蓄充庫條件下干渠設(shè)計流量列中。

(2)總干渠分段流量推求。從水量平衡供水過程成果中,統(tǒng)計總干渠各節(jié)點(diǎn)歷年各旬總供水量,以各節(jié)點(diǎn)總供水量的最大值確定總干渠各分段設(shè)計流量。即:

wi,n,j——第n年,第 j旬,i干渠供水量,m3;

t——該旬時間,s。

圖2 總干渠分段設(shè)計流量計算示意圖

根據(jù)上述方法,得總干渠分段設(shè)計流量,成果列入表2中預(yù)蓄充庫條件下干渠需總干配水流量列中。加上總干直灌片供水流量,即為總干渠分段設(shè)計流量。

(3)預(yù)蓄充庫對渠道規(guī)模的影響。為研究預(yù)蓄充庫對削減總干渠及各干渠設(shè)計流量的作用,還分析了對灌區(qū)中水庫不采用預(yù)蓄充庫所需的總干渠分段設(shè)計流量,作為對比分析一并列入表2中。

表2 總干渠分段設(shè)計流量及干渠設(shè)計流量成果表 單位:m3

從表中可以看出,預(yù)蓄充庫條件下,各干渠設(shè)計流量減小2～13m3/s,削減幅度23%～46%。因四干片預(yù)蓄充庫水庫控制灌溉面積最大,故設(shè)計流量削減幅度最大的為四干渠,削減干渠流量達(dá)13m3/s,削減幅度達(dá)46%。預(yù)蓄充庫對總干渠分段設(shè)計流量削減為10～39.9m3/s,對清泉溝隧洞設(shè)計流量最大削減幅度達(dá)29%,預(yù)蓄充庫運(yùn)行方式可有效削減干渠流量,降低工程投資。

(4)渠道設(shè)計流量合理性分析。引丹灌區(qū)各分片水量平衡成果表表明,各分片灌溉保證率滿足灌區(qū)設(shè)計灌溉保證率85%要求,說明各分片干渠渠道設(shè)計流量是合理的。將引丹灌區(qū)各分片水量平衡表匯總,統(tǒng)計全灌區(qū)缺水量年份,缺水年份為10年,全灌區(qū)灌溉保證率為77%。經(jīng)分析9片灌區(qū)缺水年份不一的主要原因是灌區(qū)范圍大,采用的設(shè)計代表站降雨蒸發(fā)資料不一致,全灌區(qū)保證率雖低于各分片灌溉保證率,并不影響灌區(qū)達(dá)到設(shè)計要求。

將各干渠流量進(jìn)行累加,引丹灌區(qū)各干渠設(shè)計流量之和為107m3/s,大于引丹灌區(qū)總干渠渠首設(shè)計流量100m3/s。說明各片最大需水量存在不同步的情況,故采用各分片干渠設(shè)計流量滿足灌溉保證率要求確定的渠道流量是較優(yōu)的。

5 結(jié)論

通過對引丹灌區(qū)水量平衡的研究,可以看出引丹江口水庫水量是引丹灌區(qū)中國民經(jīng)濟(jì)的命脈,同時,灌區(qū)中的水庫對攔蓄當(dāng)?shù)貜搅鳌⒄{(diào)蓄引丹水量、減小引丹灌區(qū)渠系規(guī)模起到了不可替代的重要作用。

本文同時論述了水量平衡在灌區(qū)設(shè)計的目的和意義、以及水量平衡所需研究的內(nèi)容,研究了以渠系為骨干、以預(yù)蓄充庫水庫為核心的工程布局,對優(yōu)化引丹灌區(qū)各級渠道規(guī)模作了重要的技術(shù)支撐。