汭河灌區節水改造工程中的可供水量分析

黃凱歌

(崇信縣水利工程建設站，甘肅 崇信 744200)

1 概況

汭河是涇河上中游右岸的一級支流，發源于六盤山、隴山分水嶺的東麓，源地最高海拔2670 m，上游由策底河、北汭河、南汭河及南川河匯流而成。汭河灌區位于崇信縣中部，灌區大部分為河谷兩岸川地。區域土壤肥沃，是當地主要的農業生產基地和企業較發達地區，在崇信縣的經濟發展中占有重要地位。汭河灌區現存的骨干工程建設為錦屏鎮的農業發展奠定了基礎。但是，由于后續資金投入不足，灌溉配套工程不完善，加上現有工程老化失修，影響了工程效益的發揮。此外當前渠系存在灌溉水利用系數低、灌溉管理粗放，導致水資源浪費很大，嚴重違背了當前高效利用水資源的宗旨，有必要對汭河灌區進行節水工程改造[1]。在進行節水改造工程建設之前，摸清當前汭河灌區的可供水量[2-4]，為后續的工程設計提供參考依據。

2 來水量分析

2.1 徑流特性

銅城水庫位于甘肅省崇信縣境內的汭河中上游的干流上，壩址以上河道長59.9 km，控制流域面積1146 km2，具有引水灌溉、河水攔蓄和為崇信電廠供電等作用。控制流域上的徑流主要來源于大氣降水，其中以雨水補給為主，雪水補給為輔。全年可分為4—6月春汛期，由上游冰雪融水和降水補給；7—10月上旬為夏秋洪水期，以大面積降水補給為主；11—12月為平水期，以地下水補給及河槽儲蓄量為主；次年1月—3月為冬季枯水期，以地下水補給為主，水量小而穩定。徑流年內分配7—10月占全年徑流量的比例大約為65.0%，12月—次年3月占全年徑流量的11.5%，2月份最小，僅占2.8%。

2.2 徑流還原

安口站和袁家庵站位于汭河干流上，自上而下設有安口、袁家庵水文站，上游南北汭河交匯口設有華亭水文站，觀測項目為流量、泥沙、降水。安口站和袁家庵站水文站上游有農業灌溉用水、工業用水、城鎮生活用水、水庫蓄水以及管道引水工程等。因此其實測徑流過程不能完全反應流域的天然徑流特點，需要進行用水量還原計算。還原計算采用分項調查法[5]，計算時段內天然年徑流的計算公式(1)如下：

W天然=W實測+W農灌+W工業+

W城鎮+W庫蓄+W引水

(1)

式中：W天然為還原后的天然徑流量，m3/s；W實測為水文站實測徑流量，m3/s；W農灌為農業灌溉耗損量，m3/s；W工業為工業用水耗損量，m3/s；W城鎮為城鎮生活用水耗損量，m3/s；W庫蓄為大中型水庫蓄水變量，增加為正，減少為負，m3/s；W引水跨流域(或跨區間)引水量，引出為正，引入為負，m3/s。

甘肅省水文水資源局2013年編制的《平涼市水資源調查評價》對水文站控制斷面以上的農業用水、工業用水、城鎮生活用水、水庫蓄水變量等幾部分的水量進行了翔實的調查和統計，實測徑流量采用安口站和袁家庵站的水文數據，即可獲得汭河流域的天然徑流量。圖1為安口水文站1975—2017年和袁家庵水文站1954—2017年同期天然年徑流量相關關系圖。

圖1 安口水文站和袁家庵水文站天然年徑流量相關關系

安口水文站與袁家庵水文站之間無大的支流匯入，控制流域面積相差31%，根據圖1所示的1975—2017年安口水文站與袁家庵水文站同期年徑流量建立相關關系，見式(2)：

W安=0.9418W袁-0.285

(2)

兩者的相關系數為0.9118，相關性較好。按照此相關關系，對安口水文站1975年之前的資料進行插補延長，得到安口水文站1954—2017年長系列天然年徑流系列。

2.3 徑流代表性分析

選擇安口水文站作為代表站進行分析，繪制安口水文站年平均流量過程線圖，作年平均流量逆時序累積均值、差積曲線圖，分別如圖2和圖3所示。可以看出，年平均流量均值隨系列的增長逐漸趨于穩定，平均流量系列豐、平、枯交替出現。總的來看，安口水文站1954—2017年天然徑流過程中包含了豐、平、枯水年組，此外圖中包含了較長的枯水段，對供水較為不利。從豐、平、枯水年組成情況看，安口水文站1954—2017年記錄的天然徑流過程系列具有良好的代表性，可用于后續的灌溉用水量估計。

圖2 安口水文站天然年徑流量過程及累積曲線

圖3 安口水文站天然年平均流量差積曲線

2.4 徑流計算

2.4.1 安口站設計天然徑流

根據安口站1954—2017年天然徑流系列，進行頻率分析計算，用數學期望公式計算經驗頻率，以P-Ⅲ型曲線為線型，適線法確定統計參數，繪制了安口站頻率曲線，計算得安口站天然多年平均流量為4.60 m3/s，多年平均徑流量為14 539萬m3，變差系數Cv為0.55，Cs/Cv為2.5。不同頻率設計年徑流量如表1所示，可以看出在5%頻率下的天然徑流量最大，達到了30 000萬m3。袁家庵站天然多年平均流量為5.39 m3/s，多年平均徑流量為16 988萬m3。

2.4.2 設計徑流成果的合理性分析

查《平涼市徑流深等值線圖》，銅城水庫流域重心處徑流深約為100～150 mm左右，本次計算天然徑流深128 mm與等值線圖基本接近，說明本次計算的徑流成果是基本合理的。

2.4.3 徑流年內分配

代表年的選擇原則按典型年的年徑流量接近設計頻率的徑流量為原則，并考慮需水期較枯的年份，選取安口站1978年為P=50%的代表年，按典型年逐月徑流量比例計算銅城水庫、區間P=50%保證率的徑流年內分配過程，如表2所示。

表1 安口站和袁家庵站天然設計徑流成果 萬m3

表2 P=50%保證率的逐月徑流過程

從表2可以看出，銅城水庫全年的徑流量為12 913萬m3，夏季7—9月的徑流量占了全年總徑流量的50%，而冬季枯水期僅占10%左右，表明一年內的徑流量豐、平、枯三者交替出現，計算結果較合理。

3 可供水量分析

計算可供水量時，汭河灌區灌溉保證率選取50%。

3.1 銅城水庫實際來水量分析

銅城水庫上游華亭縣境內有王峽口水庫，位于汭河支流北汭河上，其壩址控制流域面積117 km2，興利庫容60萬m3，多年平均徑流量為1866.28萬m3，供水任務為向華亭發電廠、華明電廠提供工業供水和黎明川灌區提供灌溉供水。銅城水庫上游策底河建有石堡子水庫，壩址以上控制流域面積486 km2，總庫容710萬m3，多年平均徑流量為6235.87萬m3，供水任務為向華亭縣硯峽鄉提供工業生活供水。

銅城水庫壩址斷面處的年徑流量為壩址斷面處的天然徑流量扣減上游水庫供水量，再計入水庫及工農業用水的回歸水量，為銅城水庫壩址處的實際年來水量。

銅城水庫P=50%保證率的天然徑流量為12913萬m3，上游總供用水量為2208萬m3，回歸水量為331萬m3。銅城水庫P=50%保證率下的實際來水量為11 037萬m3。

3.2 銅城水庫徑流調節計算

銅城水庫下泄生態基流按壩址處多年平均流量的10%，即年下泄生態基流1470.6萬m3。根據2009年黃河水利委員會《關于崇信電廠一期在銅城水庫取水的相關審批意見》，在不考慮新建水庫工程情況下，銅城水庫僅為崇信電廠一期工程供水，并兼顧下游灌溉供水。電廠一期工程需水量330.9萬m3。銅城水庫目前實際灌溉面積0.2萬hm2，年灌溉用水量為500.1萬m3。

調節計算采用典型年法，即采用同頻率的設計來水過程與需水過程進行對比分析計算，調節計算時段為月，計算原則如下：

(1)銅城水庫運用方式：6—10月敞泄排沙，其他時段最高可蓄至正常蓄水位1234.1 m，興利庫容為308萬m3。

(2)以上述分析的來水量作為平衡分析基礎數據，計算時段以月為單位。

(3)合理反映工程區內水資源供需平衡的實際情況。

根據上述原則進行銅城水庫的調節計算，考慮水庫的年預留生態基流1470.6萬m3，崇信電廠需水量330.9萬m3，灌區灌溉用水量為647.0萬m3，損失水量43.1萬m3，獲得銅城水庫年下泄水量為8280.0萬m3。表3為P=50%銅城水庫徑流調節計算表。

表3 P=50%銅城水庫徑流調節計算 萬m3

4 結 語

灌區續建配套與節水改造是強化水利行業管理，實行水利產業化發展的迫切需求。由于當前汭河灌區現存渠系老化嚴重，急需對灌區進行工程建設。本文計算了汭河灌區的當前的可供水量，為后續節水改造工程設計提供基礎性的指導，有利于后續灌溉制度的設計和渠道工程規模建設。有利于解決水資源供需矛盾，提高灌溉保證率，降低農業成本。