小流域無實測資料地區引水工程引水流量問題探析

何海吉

(西充縣水務局，四川西充 637200)

1　項目概況

四川省南充市西充縣城是四川有名的“旱城”，水資源短缺嚴重扼制了西充經濟的發展。為實現西充“綠色發展、美麗西充”，特別是提升城市水體凈化能力和優化城市水系，西充縣開展了“引嘉入西”工程(將上游嘉陵江的水引入西充縣)，以現有河床條件為基礎，最大限度實現河道枯水期保持較為穩定的水面寬度和水深，自然河床不淤、不沖；實現城景相融、人水和諧、改善區域水生態的環境；兼顧縣域沿線用水需要，發揮引水流量的最大效益；長遠解決區域飲水水源特別是城市飲水水源。

1.1　流域概況

西充縣城河道水系主要包括虹溪河、象溪河和陽溪河，主流為虹溪河，發源于西充縣中嶺鄉劉家溝，依次流經西充縣復安鄉、鳳鳴鎮、西充縣城、蓮池鄉后，進入嘉陵區境內，虹溪河干流被大磉磴橋、橡膠壩和轉水灣拱壩等3處擋水堰壩分成了三段(圖1)。

圖1　虹溪河流域分布

1.2　水文資料來源

虹溪河流域無實測水文資料，附近西河有開封、升鐘和建設鄉三個水文站，吉安河有趙家祠水文站，吉安河趙家祠站控制流域面積與本流域面積相對較為接近。本流域與吉安河均位于嘉陵江右岸，年降雨基本接近，流域地形地勢及匯流條件相似。趙家祠站各級水位測次分布合理，歷年整編資料可用。趙家祠水文站基本資料在升鐘水庫歷次灌區規劃設計過程中，省水利院作過多次審查復核工作，認為資料可靠，本次復核后認為該站資料能夠滿足設計精度的要求，經綜合分析，選擇趙家祠水文站作為設計參證站。

1.3　徑流資料來源

虹溪河的徑流主要由降雨補給，徑流的年內年際變化和降雨的變化一致。年徑流量呈豐枯水交替變化。豐枯水年的年徑流相差也較大。徑流在年內的分配極不均勻。

利用趙家祠站1959～2010年的流量系列，按年及枯期時段分別進行統計后，用數學期望公式計算系列各項的經驗頻率，以矩法計算統計參數的初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線適線，確定出統計參數及設計值，根據《四川省水文手冊》[5]多年平均降雨量等值線圖分析，虹溪河與吉安河兩流域多年平均降雨量均為900 mm左右，十分接近，因此不進行雨量修正，直接按面積比將趙家祠站徑流成果水文比擬至西充縣城虹溪河，成果見表1。

2　引水流量計算

引水工程引水時段為常年引流，以現有河床條件為基礎，最大限度實現河道枯水期保持較為穩定的水面寬度和水深，保證自然河床不淤、不沖。

2.1　控制斷面水位與流量關系

西充縣城的虹溪河被大磉磴橋、橡膠壩和轉水灣拱壩等3處擋水堰壩分成了三段，以上述3處擋水堰壩為控制斷面，分別推算水位流量關系曲線(圖2～圖4)。

表1　西充縣城虹溪河設計徑流成果

圖2　大磉磴橋水位流量關系曲線

圖3　橡膠壩水位流量關系曲線

圖4　轉水灣拱壩水位流量關系曲線

由圖2～圖4可以看出河道控制斷面處水位隨流量的增大而逐漸增大，但是增大的趨勢逐漸減小。三個斷面處水位流量關系基本相同，由此可以確定整個虹溪河河道水位流量大致呈對數關系。

2.2　河道水力計算

將西充縣城虹溪河劃分為三個河段分別進行水面線計算：大磉磴橋以上河段，橡膠壩至大磉磴橋河段，以及轉水灣拱壩至橡膠壩河段，采用18個河道橫斷面，斷面間距20～835 m，斷面位置能夠較好的控制河段，可以較正確反映水位、流速等水力參數。河道斷面如圖5所示。

圖5　河道斷面

計算流量選用虹溪河枯期(11～3月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s。各控制斷面的水位根據前面水位流量關系查值確定。計算河段水文邊界條件如表2所示。

表2　河道水文邊界條件

參考水力學天然河道糙率表，兩岸已建堤河段取值0.028，僅一岸已建堤河段取值0.030，未建堤河段取值0.035。

對于中小河流，水力要素的計算是通過建立一維水流數學模型，采用逐段試算法推求各計算斷面沿程水面線。河床比降較小的河道，從下游向上游逐斷面進行水面線的計算。依據上述一維數學模型，采用HEC-RAS4.0模擬計算系統進行計算(表3)。

表3　河道水面線計算結果表

2.3　引水后河道水力要素對比

計算流量為虹溪河枯期(11月～3次年月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s的基礎上疊加補水流量，各控制斷面的水位根據前面水位流量關系確定，補水流量分為10個等級，從1 m3/s逐漸增加至10 m3/s，將劃分的18個斷面編號為1～18。按上述方法進行不同補水流量下的河道水面線計算，然后將水面線計算成果與引水前進行對比，引水前后河道水位、水面寬、平均流速對比如圖6～圖8所示。

圖6　河道水位對比

圖7　河道水面寬度對比

圖8　河道平均流速對比

由圖6～圖8可以看出引水前后河道水位、水面寬度以及平均流速都有所增加，且引水流量與河道水位、水面寬度及平均流速增加值呈正相關關系。河道水位、水面寬度及流速平均值都在斷面3和斷面10處發生劇烈變化，這兩處正是擋水堰所在位置，因此引水工程中擋水建筑物對河道水位、水面寬度及平均流速影響劇烈。河道水面寬度在斷面13處突增至斷面14達到最大，說明寬淺開闊河段水面寬度隨補水流量增大發生明顯增寬。由圖8可看出河道平均流速在擋水建筑物處發生明顯變化。

2.4　最佳引水流量分析與確定

本次引水工程主要是滿足城市河道的水生態用水需求，改善、維持城市水生態環境，補水后河道水質、水面、水深、流速等水力要素應有較明顯的變化。

從不同引水流量的水位變化情況看，轉水灣拱壩、橡膠壩及大磉磴三處擋水堰為控制、保持堰上溢流，當控制斷面堰上水深不小于0.2 m時，能夠形成較明顯水流瀑布的城景相融效果。由表3、圖6可以計算出當引水流量增大到6 m3/s，水深不小于0.2 m的斷面18個，占計算斷面的100 %，因此引水流量不小于6 m3/s時即可滿足要求。

從水面寬度變化情況看，大部分河段引水前后的水面寬度變化不大，僅寬淺開闊河段隨引水流量增大而水面寬度變化明顯。

從流速變化情況看，根據國內外河道生態流量研究有關成果，0.2～0.5 m的水深和0.05～0.2 m/s流速的河道，基本能夠維持藻類、無脊椎動物、魚類等水生動植物的生長，而西充縣城河道無特殊、珍稀動植物，因此構建基本的水生態即可。

通過不同補水流量情況下河道各計算斷面的水位、水深、水面寬度、平均流速上述綜合比較分析，從工程建設的角度考慮，河道補水流量越大，引水工程投資和運行費用越高。從計算數據看，河道補水流量為5 m3/s時，轉水灣拱壩、橡膠壩、大磉磴擋水堰(壩)的堰上水深分別達到0.27 m、0.21 m、0.28 m，平均流速分別達到1.023 m/s、0.821 m/s、0.798 m/s，其它計算斷面的水深、水面寬度和平均流速也有所增加，象溪河西門橋處河道水深為0.74 m，河道形成不斷的水流后，可維持基本的河道水生態。因此河道枯水期補水，引水流量可考慮4～6 m3/s，推薦5.0 m3/s。考慮區域其他用水需求，設計輸水能力可選擇加大引水流量6.0 m3/s。

3　結論

以西充縣“引嘉入西”項目為研究對象，分析對比不同引水流量情況下，引水前后河道水位、水面寬度、平均流速的變化情況，確定最佳引水流量，主要研究結論如下：

(1)引水前后河道水位、水面寬度以及平均流速都有所增加，且引水流量與河道水位、水面寬度及平均流速增加值呈正相關關系。

(2)引水工程中擋水建筑物對河道水位、水面寬度及平均流速影響劇烈。

(3)大部分河段引水前后的水面寬度變化不大，僅寬淺開闊河段隨引水流量增大而水面寬度變化明顯。

(4)確定引水流量要從工程投資、運行費用、對環境生態的影響等多元角度考慮，針對不同的用水需求確定最佳引水流量。

研究方法和結論可為小流域無實測資料地區引水工程確定引水流量提供相應的借鑒和參照。