淺析預蓄充庫灌區的水量平衡計算

鄧秋良 周 明 胡 軍 楊明云

(湖北省水利水電規劃勘測設計院 武漢 430064)

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

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

引丹灌區引水口位于丹江口庫區河南省淅川縣境內的南水北調陶岔渠首附近,經清泉溝隧洞穿越朱連山至灌區。清泉溝隧洞出口設調壓井,調壓井設三向出口,右岸布置西高干渠,左岸布置東高干,中間接總干渠。總干渠自調壓井由西向東經老河口至襄陽黃集鎮,總干渠沿程布置一、六干渠。其中,清泉溝隧洞出口調壓井及東、西高干渠為引丹灌區的二期工程,尚未建成。灌區中現有189座水庫,分布于灌區各片中,攔蓄當地徑流、調蓄引丹水量,以滿足灌區國民經濟發展需水。

1 灌區水資源開發利用特點

1.1 灌區當地徑流小,是湖北省有名的旱包子

引丹灌區位于湖北省鄂西北崗地,該地區地處南 (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,降雨機率比湖北其他地區相比少,是湖北省徑流低值區,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%,引丹灌區為湖北省水資源缺乏地區,是湖北省有名的旱包子。

1.2 當地水庫自身來水少,水庫庫容系數大

引丹灌區屬湖北省徑流深的低值區,加上灌溉水庫集水面積小,造成灌區內水庫來水量偏小。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,故在水庫設計上主要考慮以建設大的調節庫容為主。

目前全灌區已有大、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,灌區水庫多年平均來水量為2.37億m3。如將灌區內所有水庫合并為一個水庫,則庫容系數高達253%,灌區內水庫對徑流的調節作用非常強。

從單個水庫庫容系數上來看,灌區內189座水庫均為多年調節水庫,庫容系數最小為襄陽區的吳集水庫,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689萬m3,庫容系數達到了25177%。充分反映出灌區水庫自身徑流量小,庫容系數偏大的特性。

1.3 預蓄充庫是引丹灌區灌溉系統的顯著特點

引丹灌區設計灌溉面積210萬畝,在考慮水稻全面采用 “薄淺濕曬”控制灌溉制度,優化調整灌區種植結構等節水措施后,2030年灌區灌溉凈需水量為5.31億m3。再加上向城鎮居民供水及工業供水,2030年引丹灌區總凈需水達9.66億m3,靠灌區中自身產水2.37億m3顯然不能滿足灌區需水要求,引丹江口水庫水滿足灌區國民經濟發展需求成為必然選擇。

灌區的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蓄充庫運行方式: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。這種運行方式的優點是能降低骨干渠道的設計規模,充分發揮引丹渠系引水能力,錯開灌溉用水高峰期引水預蓄充庫,提高渠道單位引水能力,減少灌水時間,適時滿足灌區內國民經濟需水要求。

2 灌區分片

按引丹灌區已形成的灌溉體系,以便于行政領導和管理,有利于計劃用水、配水、調水,充分發揮灌溉效益為原則,將灌區分為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。

灌區內各類水利工程按其灌溉范圍分片統計(成果省略),進行水量平衡計算。

3 水量平衡計算

3.1 確定預蓄水庫充蓄率

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

對各片水庫進行預蓄充庫時,充蓄率的確定較為關鍵,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,遇當地徑流較豐的年份,則形成過多棄水量,造成水資源浪費。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,使灌區當地棄水最小。

各片預蓄充庫水庫充蓄率的最終確定,需經反復試算。

試算水庫的充蓄率,以1960～2007年共48年進行長系列水量平衡計算,首先逐片假定水庫充蓄率,進行長系列水量平衡計算,統計各片的保證率及棄水量。如某片保證率低于設計灌溉保證率,則說明水庫預蓄水量過少,不能滿足灌溉要求,此時加大該片水庫的充蓄率,重新進行水量平衡計算;如某片保證率高于設計灌溉保證率,且出現當地水資源棄水量增多,則說明水庫預蓄水量過多。此時減小該水庫充蓄率。如此逐片反復試算,直至得到能滿足設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

為充分發揮總干渠及各干渠的引水能力,旬內總干渠引水對各干渠的分配,采取動態分配方式進行:灌田時,采用各片需引水灌溉水量占全灌區需引水灌溉水量的比例進行分配;預蓄充庫時,采用各片需充蓄庫容占全灌區總需充蓄庫容的比例進行分配。即下式。

式中:Ci[j]——第i干渠、第j時段(旬)引水流量分配系數;

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)。

采用這種動態分配方式,各計算時段 (旬)的引水流量分配系數均不相同。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、城鎮供水,然后農業供水。

用水秩序為:視當地水庫中水量而定,當地水庫存水量大于水庫充蓄控制容積時,先用當地水庫水量,再用引丹水量;當地水庫存水量小于水庫充蓄控制容積時,先用引丹江口水庫水量,再用當地水庫水量。當地水庫存水量和引丹水量均不能滿足需水要求時,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整后再進行合并。

計算系列為1960～2007年共48年,進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、非工程措施實現水資源的優化配置,科學配置水資源,滿足灌區內國民經濟發展的需要。第二對當地徑流利用進行分析,研究當地徑流利用程度。第三計算全灌區灌溉水利用系數,分析全灌區水資源的利用水平。第四是通過水資源供需平衡分析,分析全灌區水源組成及特點,各種水源工程在供水系統中的地位。第五計算全灌區灌溉保證率,分析全灌區需水保證程度。第六通過水資源供需平衡,分析水資源配置工程的工程規模。成果表須反映如下內容。

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反映灌區水資源供需平衡、灌區進出水量平衡。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。全灌區水資源總量進項等于出項,進出總量平衡。

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

4.2 分析灌區當地徑流來水、用水和水量利用率

全灌區水庫當地徑流來水量2.37億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,又不浪費水資源。

4.3 分析全灌區凈、毛需水,灌溉水利用系數及全灌區水資源利用水平

灌區多年平均凈需水 9.66億m3,毛需水14.82億m3,全灌區灌溉水利用系數為0.65。

從全灌區灌溉水利用系數來看,該系數較高,但本灌區城鎮工業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,城鎮工業和生活供水利用系數為 0.90,由此造成全灌區水利用系數較高,如扣除城鎮供水量因素,全灌區灌溉水量的渠系水利用系數為0.56,灌溉水利用系數為0.53,符合大型灌區節水灌溉要求。

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經濟社會發展的命脈。

全灌區總供水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供水中有著至關重要的作用。

在大、中、小型水庫的8.44億 m3供水中,當地水庫來水量 2.37億 m3,由丹江口水庫充入水量6.88億m3,預蓄充庫水量占水庫總來水量的74%,占全灌區總供水量的47%,說明引水預蓄充庫在本灌區中不可或缺。

從灌區供水組成看,灌區通過水庫供水8.44億m3,占灌區總供水的57%,灌區水庫在攔蓄當地徑流、調蓄引丹水量、滿足灌區供水等方面發揮重要的樞紐、橋梁作用。

4.5 分析灌區各片缺水量,反映灌區保證率

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,全灌區灌溉保證率為86%,達到灌區設計灌溉保證率85%。灌區利用自身徑流后,引丹江口水庫水量13.15億m3的情況下,可滿足灌區內國民經濟需水的要求。

4.6 渠道設計流量分析

(1)干渠設計流量。干渠設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,進行水量平衡計算,直到得到符合灌區設計保證率的干渠流量,此時干渠流量即為干渠的設計流量。成果列于表2預蓄充庫條件下干渠設計流量列中。

(2)總干渠分段流量推求。從水量平衡供水過程成果中,統計總干渠各節點歷年各旬總供水量,以各節點總供水量的最大值確定總干渠各分段設計流量。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 總干渠分段設計流量計算示意圖

根據上述方法,得總干渠分段設計流量,成果列入表2中預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,即為總干渠分段設計流量。

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

表2 總干渠分段設計流量及干渠設計流量成果表 單位:m3

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

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

將各干渠流量進行累加,引丹灌區各干渠設計流量之和為107m3/s,大于引丹灌區總干渠渠首設計流量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計流量滿足灌溉保證率要求確定的渠道流量是較優的。

5 結論

通過對引丹灌區水量平衡的研究,可以看出引丹江口水庫水量是引丹灌區中國民經濟的命脈,同時,灌區中的水庫對攔蓄當地徑流、調蓄引丹水量、減小引丹灌區渠系規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設計的目的和意義、以及水量平衡所需研究的內容,研究了以渠系為骨干、以預蓄充庫水庫為核心的工程布局,對優化引丹灌區各級渠道規模作了重要的技術支撐。