河流引水工程可引水量分析

代 超，尹健梅，屈玉竹

(1.云南省能源投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

推進(jìn)江河湖庫(kù)連通可形成豐枯調(diào)劑、多源互補(bǔ)的水資源利用格局[1-2]，是改善黑臭水體[3]、提高水資源利用效率[4]、構(gòu)筑水安全保障體系[5-6]的有效措施，應(yīng)用于多省市的水資源優(yōu)化配置[7-8]；跨流域引水工程歷史悠久，是解決水資源時(shí)空分布不均和供需矛盾的有效措施[9-10]，也是江河湖庫(kù)連通的主要形式之一。南水北調(diào)中線(xiàn)工程[11]、牛欄江—滇池補(bǔ)水工程[12]等大型引水工程多采用有庫(kù)引水，即在取水口興建調(diào)蓄水庫(kù)對(duì)引水過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)；而對(duì)于在河流上無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)引水的中小型引水工程，設(shè)計(jì)引水流量的合理確定和可引水量的分析計(jì)算是其重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，直接影響水工建筑物規(guī)模[13]和工程投資[14]。在龍鼻子引水工程可引水量的分析中，除常用的常遇洪水分析法、徑流逐日分配法[15-16]外，還根據(jù)山區(qū)河道徑流變化大的特點(diǎn)采用日流量分配和常遇洪水綜合分析法、常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法，綜合分析確定設(shè)計(jì)引水流量、引水率和可引水量。

1 工程概況

云南省姚安縣龍鼻子引水工程是洋派水庫(kù)河庫(kù)連通工程之一，在漁泡江上游支流彌興河龍鼻子河閘設(shè)置取水口，將龍鼻子河閘區(qū)間徑流量通過(guò)新建引水工程引入蜻蛉河流域洋派水庫(kù)；引水工程全長(zhǎng)約10km。龍鼻子引水工程取水口斷面以上總徑流面積為310.43km2，上游有已建紅梅、胡家山2座中型水庫(kù)，梨園、排沙河2座小(1)型水庫(kù)，迆海子、龍馬箐等11座小(2)型水庫(kù)；擬建徐家咀小(1)型水庫(kù)1座，扣除上游水庫(kù)匯水面積后龍鼻子河閘區(qū)間流域?yàn)楸竟こ桃畯搅鲄^(qū)，其徑流面積為44.26km2，區(qū)間主河長(zhǎng)為17.20km，河道平均比降為3.78‰，如圖1所示。

圖1 龍鼻子及鄰近流域水系圖

2 引水區(qū)徑流計(jì)算

由于彌興河上無(wú)水文觀(guān)測(cè)站，采用鄰近地區(qū)龍川江流域紫甸河上的鳳屯水文站作為參證站，鳳屯水文站控制流域面積186 km2，氣候特征與設(shè)計(jì)流域相似，但植被條件更好，徑流特性與設(shè)計(jì)流域存在一定差別，故將參證站鳳屯水文站1977—2014年實(shí)測(cè)徑流系列按面積比擬并考慮降雨及徑流系數(shù)修正移至設(shè)計(jì)流域[17]，水文比擬公式如式(1)所示：

(1)

式中，Q設(shè)計(jì)、Q參證—設(shè)計(jì)流域、參證站流域多年平均徑流量，萬(wàn)m3，鳳屯水文站多年平均年徑流(水文年)為4907.0萬(wàn)m3；F設(shè)計(jì)、F參證—設(shè)計(jì)流域、參證站流域徑流面積，km2；P設(shè)計(jì)、P參證—設(shè)計(jì)流域、參證站流域平均降雨量，mm，分別為870、1002.3mm；α設(shè)計(jì)、α參證—設(shè)計(jì)流域、參證站流域徑流系數(shù)，通過(guò)《云南省水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果圖集》[9]查算，分別為0.21、0.26。

根據(jù)式(1)進(jìn)行水文比擬計(jì)算，得龍鼻子水閘流域多年平均徑流量為818.6萬(wàn)m3；通過(guò)《省圖集》查得龍鼻子區(qū)間流域年徑流變差系數(shù)Cv=0.48，偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv，根據(jù)皮爾遜III型曲線(xiàn)離均系數(shù)值，計(jì)算得各設(shè)計(jì)頻率的年徑流；并根據(jù)鳳屯水文站1977—2014年月徑流系列進(jìn)行頻率計(jì)算，挑選1985—1986年、1994—1995年、1984—1985年、1980—1981年分別為豐水(P=25%)、平水(P=50%)、枯水(P=75%)、特枯水(P=95%)代表年，按其徑流年內(nèi)分配比值對(duì)龍鼻子區(qū)間流域各設(shè)計(jì)頻率的年徑流進(jìn)行分配，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各設(shè)計(jì)頻率下龍鼻子區(qū)間流域徑流月分配 單位：萬(wàn)m3

3 引水分析

分別采用常遇洪水分析法、徑流逐日分配法、日流量分配和常遇洪水綜合分析法、常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法對(duì)龍鼻子引水工程設(shè)計(jì)引水流量、引水率進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 常遇洪水法分析法(典型年洪水過(guò)程切割法)

在常遇洪水情況下，龍鼻子河閘上游的水庫(kù)具有較強(qiáng)的調(diào)蓄能力，下泄的水量較少，引水區(qū)分析范圍只考慮龍鼻子區(qū)間流域(面積44.26km2)，即以龍鼻子區(qū)間流域的常遇洪水進(jìn)行引洪分析。

根據(jù)引水區(qū)常遇洪水P=50%(2年一遇)、P=33.3%(3年一遇)、P=20%(5年一遇)、P=10%(10年一遇)的洪水過(guò)程線(xiàn)，對(duì)引水區(qū)引水率進(jìn)行分析，洪水過(guò)程線(xiàn)中各時(shí)段洪峰流量如大于擬定的設(shè)計(jì)引水流量，大于部分將作為棄水無(wú)法引用，各頻率實(shí)際引入洪量與對(duì)應(yīng)頻率洪量比值即為引水率。擬定設(shè)計(jì)引水流量從小到大分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m3/s。

設(shè)計(jì)引水流量與引水率關(guān)系成果見(jiàn)表2，P=10%、P=20%洪水頻率下設(shè)計(jì)引水流量達(dá)4.0m3/s的引水率僅為0.177、0.277，為了多引水所需渠道規(guī)模較大；P=33.3%洪水頻率下，當(dāng)設(shè)計(jì)引水流量在1.0～2.5m3/s時(shí)，每增加0.5m3/s，引水率的增幅較大，而超過(guò)2.5m3/s時(shí)，引水率隨設(shè)計(jì)引水流量增加的增幅變化不明顯；P=50%洪水頻率下較小渠道規(guī)模可獲得較大引水率，且P=50%頻率洪水發(fā)生幾率較高，引洪保證率較高，因此以P=50%洪水頻率下分析得到的引水率作為采用成果。在P=50%洪水頻率下，當(dāng)設(shè)計(jì)引水流量在1.0～2.5m3/s時(shí)，每增加0.5m3/s，引水率的增幅均超過(guò)12.0%；當(dāng)設(shè)計(jì)引水流量超過(guò)2.5m3/s后，引水率的增幅有所減小。綜合考慮引水時(shí)長(zhǎng)、管道及渠道的規(guī)模，使其經(jīng)濟(jì)效益最大化，優(yōu)化引水方案，確定引水渠道的設(shè)計(jì)流量為2.5m3/s，P=50%洪水頻率下的引水率為0.645。

表2 引水區(qū)設(shè)計(jì)引水流量-引水率關(guān)系表

引水設(shè)計(jì)流量為2.5m3/s時(shí)的引洪分析計(jì)算見(jiàn)表3，該方法分析得出的引水率偏小，引水率為0.112～0.645，引水區(qū)產(chǎn)水主要在汛期，P=50%(2年一遇)洪水發(fā)生幾率較高；但發(fā)生洪水的天數(shù)在全年并不多，因此按該方法確定的引水率計(jì)算得到的可引水量將偏小。

表3 引水區(qū)常遇洪水引水率分析計(jì)算表

3.2 徑流逐日分配法(典型年逐日流量切割法)

以鳳屯水文站為參證站，采用水文比擬法得到龍鼻子引水區(qū)各設(shè)計(jì)頻率典型年逐日流量過(guò)程，若引水區(qū)日平均流量小于引水渠道設(shè)計(jì)流量2.5m3/s，則引水區(qū)水量完全被引入；若引水區(qū)日平均流量大于引水渠道設(shè)計(jì)流量2.5m3/s，則引水區(qū)將發(fā)生棄水。引水區(qū)各頻率下月引水量和引水率結(jié)果見(jiàn)表4。P=25%、75%、95%時(shí)，引水率均為1.000；P=50%時(shí)，引水率為0.916～1.000。

表4 徑流逐日分配法引水分析結(jié)果

該方法只考慮了徑流日分配情況，日徑流分配較為均勻，大多小于引水設(shè)計(jì)流量2.5m3/s，所以引水率偏高；而沒(méi)有考慮洪水對(duì)徑流的影響，洪水過(guò)程24小時(shí)分配是不均勻的，陡漲陡落，大多呈單峰形式，洪峰流量一般都大于引水渠的流量。因此，如果按徑流逐日分配法計(jì)算可引水量，引水量將偏高。

3.3 日流量分配和常遇洪水綜合分析法

將日流量分配和常遇洪水綜合考慮進(jìn)行引水率分析，引水區(qū)6—10月為汛期，11—5月為枯期，常遇流量在0.25m3/s左右。來(lái)水流量大于該常遇流量0.25m3/s，可能有發(fā)生洪水的情況，該部分(流量大于常遇流量0.25m3/s的部分)的引水率按常遇洪水分析法的引水率0.64進(jìn)行引水，若該引水流量超過(guò)2.5m3/s，按2.5m3/s進(jìn)行引水；來(lái)水流量小于該常遇流量0.25m3/s，則考慮按日流量分配所分析得出的引水率1.00進(jìn)行引水。

龍鼻子引水區(qū)按日流量分配和常遇洪水綜合分析法各月引水量、引水率見(jiàn)表5所示。從表5可以看出，汛期6—10月引水率為0.714～0.998，平均值為0.805，枯期11—5月引水率為1.00，年平均引水率為0.847。

表5 日流量分配和常遇洪水綜合分析法引水分析結(jié)果

3.4 常遇洪水洪峰流量與平均流量比值放大日流量分析法

采用水文比擬法將鳳屯水文站各設(shè)計(jì)頻率典型年逐日流量過(guò)程移置至龍鼻子引水區(qū)作為設(shè)計(jì)流域典型年逐日流量過(guò)程進(jìn)行引水分析時(shí)，只考慮了徑流逐日分配情況，日徑流分配較為均勻，而沒(méi)有考慮徑流日內(nèi)變化的影響。龍鼻子引水區(qū)洪水過(guò)程24小時(shí)分配是不均勻的，陡漲陡落，大多呈單峰型式。因此考慮采用P=50%常遇洪水洪峰流量與平均流量的比值放大引水區(qū)各設(shè)計(jì)頻率的逐日流量過(guò)程，據(jù)此可統(tǒng)計(jì)出各月放大后日流量的均值、最大值與最小值，根據(jù)放大后日流量各月中最大均值確定設(shè)計(jì)引水流量，若放大后日流量小于日流量放大后各月中最大均值時(shí)，則該日水量將全部引入；若放大后日流量大于放大后各月中最大均值，則以放大前日流量作為引入流量，計(jì)算引洪量，據(jù)此計(jì)算引水率。

龍鼻子引水區(qū)P=50%常遇洪水24h流量均值為3.6m3/s，洪峰流量為6.2m3/s，洪峰流量與平均流量的比值為1.751，以此比值對(duì)P=25%、50%、75%、95%不同來(lái)水頻率的設(shè)計(jì)日徑流過(guò)程進(jìn)行放大后分析引水過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)表6。7月份的引水流量達(dá)到最大值，月平均值為2.32m3/s，取整為2.5m3/s；汛期6—10月的引水率為0.76～1.000，平均值為0.87，其他月份引水率均為1.00。

表6 采用常遇洪水洪峰倍比放大日流量引水率分析法成果

4 引水流量和可引水量的確定

采用4種方法對(duì)引水率和引水流量進(jìn)行分析的結(jié)果和側(cè)重點(diǎn)存在一定差別：設(shè)計(jì)引水流量通過(guò)常遇洪水分析法初步確定為2.5m3/s，引水率為0.11～0.64并隨著常遇洪水頻率增大而增大，按引常遇洪水考慮，洪水流量大部分時(shí)段大于設(shè)計(jì)引水流量，造成引水率偏小；采用徑流逐日分配法、設(shè)計(jì)引水流量為2.5m3/s時(shí)，得到的引水率為0.91～1.00，由于逐日平均流量是一日流量過(guò)程扁平化的結(jié)果，絕大部分時(shí)段日均流量均小于設(shè)計(jì)引水流量，即理論上看絕大部分水量都可以被引走，造成引水率偏大；采用日流量分配和常遇洪水綜合分析法、設(shè)計(jì)引水流量2.5m3/s分析，得到的引水率為0.77～1.00，既考慮了日均流量所代表的大部分時(shí)段的引水情況(水基本均能被引走)，又考慮了常遇洪水的引水情況(水不可能完全被引走)，計(jì)算分析結(jié)果合理，與實(shí)際情況最為相符。采用常遇洪水的洪峰流量與平均流量的倍比縮放日流量分析法，得到的設(shè)計(jì)引水流量為2.5m3/s，與常遇洪水分析法得到的設(shè)計(jì)引水流量一致，進(jìn)一步證明設(shè)計(jì)引水流量為2.5m3/s是合理的；引水率為0.76～1.00，與日流量分配和常遇洪水綜合分析法計(jì)算結(jié)果基本一致。綜合4種方法的特點(diǎn)和成果，確定龍鼻子引水工程設(shè)計(jì)引水流量為2.5m3/s，汛期6—10月的引水率為0.7，其他月份的引水率為1.0。

上述分析中尚未考慮引水區(qū)下游生態(tài)用水的影響，需考慮取水口以下河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水要求的下泄水量[18]。由于龍鼻子河閘庫(kù)容很小、基本無(wú)調(diào)蓄能力，且可引水量分析是基于龍鼻子區(qū)間流域而非取水口斷面以上全流域的徑流，因此龍鼻子引水工程以龍鼻子引水區(qū)間流域多年平均流量的10%作為區(qū)間流域生態(tài)流量下泄(上游流域的生態(tài)流量應(yīng)由上游的控制性水庫(kù)泄放)，下泄流量為0.026m3/s。枯期11—豎年5月引水率取為1.00，需考慮扣除生態(tài)用水量，如果月來(lái)水量小于當(dāng)月生態(tài)用水量，則該月不引水；如果大于該月生態(tài)用水量，則該月引水量為大于生態(tài)用水量部分的引水。汛期6—10月的引水率取為0.7，該時(shí)段來(lái)水量較大，有近30%的水量下放到引水區(qū)下游，該時(shí)段已經(jīng)充分考慮下游生態(tài)用水的要求，所以不需要額外扣除生態(tài)用水量。

根據(jù)設(shè)計(jì)引水流量為2.5m3/s、汛期6—10月的引水率為0.7、枯期11—豎年5月的引水率為1.0，并考慮生態(tài)水量后的龍鼻子引水工程區(qū)間可引水量見(jiàn)表7，多年平均可引水量為587.8萬(wàn)m3，P=75%可引水量為367.3萬(wàn)m3。

表7 各設(shè)計(jì)頻率下龍鼻子區(qū)間流域可引水量

5 結(jié)語(yǔ)

龍鼻子引水工程的可引水量是按最不利引水條件考慮、采用4種方法對(duì)引水率和引水流量進(jìn)行分析，以合理確定設(shè)計(jì)引水流量和工程規(guī)模，可為類(lèi)似山區(qū)河流引水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。分析中未考慮上游水庫(kù)滿(mǎn)足自身供水任務(wù)后的泄水而只考慮區(qū)間流域的徑流，可理解為工程最小可引水量；而工程實(shí)際運(yùn)行中，上游水庫(kù)汛期可能產(chǎn)生棄水，實(shí)際可引水量會(huì)比本次分析的可引水量更大。待工程投運(yùn)后基于取水口引水量、末端入庫(kù)水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合受水水庫(kù)的天然來(lái)水、庫(kù)容曲新、供水過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，才能準(zhǔn)確計(jì)算工程實(shí)際引水量和效益，為引水工程的調(diào)度優(yōu)化提供依據(jù)。