浅析预蓄充库灌区的水量平衡计算

邓秋良 周 明 胡 军 杨明云

(湖北省水利水电规划勘测设计院 武汉 430064)

湖北省引丹灌区位于湖北省襄樊市,东至唐白河,南以汉江为界,西至朱连山,北与河南相邻。灌区包括襄樊老河口市全部、襄阳区北部和樊城区的一部分,自然面积2980km2。灌区设计灌溉面积210万亩。

丹江口水库是引丹灌区的骨干水源,灌区总干渠和各级渠道沿灌区脊地开挖,各级渠道与结瓜水库相通,是典型的以各级渠系为骨干,以预蓄充库水库为核心的长藤结瓜式大型灌区。

引丹灌区引水口位于丹江口库区河南省淅川县境内的南水北调陶岔渠首附近,经清泉沟隧洞穿越朱连山至灌区。清泉沟隧洞出口设调压井,调压井设三向出口,右岸布置西高干渠,左岸布置东高干,中间接总干渠。总干渠自调压井由西向东经老河口至襄阳黄集镇,总干渠沿程布置一、六干渠。其中,清泉沟隧洞出口调压井及东、西高干渠为引丹灌区的二期工程,尚未建成。灌区中现有189座水库,分布于灌区各片中,拦蓄当地径流、调蓄引丹水量,以满足灌区国民经济发展需水。

1 灌区水资源开发利用特点

1.1 灌区当地径流小,是湖北省有名的旱包子

引丹灌区位于湖北省鄂西北岗地,该地区地处南 (阳)襄 (樊)盆地的南部边缘,属汉江中游河谷地带。西临武当山,东靠近桐柏山,形成山谷缺口,南北暖湿气流难以停留,降雨机率比湖北其他地区相比少,是湖北省径流低值区,多年平均径流深仅为157.3mm,是湖北省多年平均径流深541.3mm的29%,引丹灌区为湖北省水资源缺乏地区,是湖北省有名的旱包子。

1.2 当地水库自身来水少,水库库容系数大

引丹灌区属湖北省径流深的低值区,加上灌溉水库集水面积小,造成灌区内水库来水量偏小。在水库兴建时,即考虑水库来水主要靠引丹江口水库水量充库来满足灌溉用水要求,故在水库设计上主要考虑以建设大的调节库容为主。

目前全灌区已有大、中、小型水库189座,其中大型水库有西排子河、红水河、孟桥川等3座,中型水库15座,小型水库171座,水库总集水面积1494.8km2,兴利库容5.95万m3,灌区水库多年平均来水量为2.37亿m3。如将灌区内所有水库合并为一个水库,则库容系数高达253%,灌区内水库对径流的调节作用非常强。

从单个水库库容系数上来看,灌区内189座水库均为多年调节水库,库容系数最小为襄阳区的吴集水库,该水库为小 (二)型水库,坝址以上集水面积5.25km2,兴利库容26.62万m3,库容系数为32%;最大为老河口市的黑虎山水库,该水库为中型水库,坝址以上集水面积仅为17.4km2,兴利库容达689万m3,库容系数达到了25177%。充分反映出灌区水库自身径流量小,库容系数偏大的特性。

1.3 预蓄充库是引丹灌区灌溉系统的显著特点

引丹灌区设计灌溉面积210万亩,在考虑水稻全面采用 “薄浅湿晒”控制灌溉制度,优化调整灌区种植结构等节水措施后,2030年灌区灌溉净需水量为5.31亿m3。再加上向城镇居民供水及工业供水,2030年引丹灌区总净需水达9.66亿m3,靠灌区中自身产水2.37亿m3显然不能满足灌区需水要求,引丹江口水库水满足灌区国民经济发展需求成为必然选择。

灌区的189座水库中,能自流引水充库的大中小型水库有156座,其中大、中型水库均能自流引水直接充库,尚有33座小型水库因水库高程超总干渠水位,不能引水充库,不能充库的水库主要分布在西高干片、总干直灌片及四干片中。在210万亩设计灌溉面积中,在干渠控制高程下,能自流灌溉面积172.22万亩,提水灌溉面积377.78万亩。

引丹灌区自身特殊的水资源条件、丹江口水库良好的水源条件,形成其特有的水库预蓄充库运行方式:即 “闲时充库、忙时灌田”。

在灌溉高峰期,渠道引水灌溉;在非灌溉高峰期,满足引水灌溉的前提下,利用干渠空闲的引水能力引水充库。这种运行方式的优点是能降低骨干渠道的设计规模,充分发挥引丹渠系引水能力,错开灌溉用水高峰期引水预蓄充库,提高渠道单位引水能力,减少灌水时间,适时满足灌区内国民经济需水要求。

2 灌区分片

按引丹灌区已形成的灌溉体系,以便于行政领导和管理,有利于计划用水、配水、调水,充分发挥灌溉效益为原则,将灌区分为9片:总干直灌片,西高干片,东高干片,一干片,二干片,三干片,四干片,五干片,六干片。

灌区内各类水利工程按其灌溉范围分片统计(成果省略),进行水量平衡计算。

3 水量平衡计算

3.1 确定预蓄水库充蓄率

预蓄充库水量平衡计算时,需首先明确预蓄水库充蓄率。所谓水库充蓄率,即预蓄充库时,水库最高蓄水容积 (扣除死库容)占水库兴利库容的百分比。

对各片水库进行预蓄充库时,充蓄率的确定较为关键,充蓄率定得过低,灌溉高峰期水库中水量不够,受干渠引水规模限制,则不能满足灌溉要求;充蓄率定得过高,水库底水较多,遇当地径流较丰的年份,则形成过多弃水量,造成水资源浪费。故充蓄率的确定即要充分满足灌溉要求,又要有效利用水资源,使灌区当地弃水最小。

各片预蓄充库水库充蓄率的最终确定,需经反复试算。

试算水库的充蓄率,以1960～2007年共48年进行长系列水量平衡计算,首先逐片假定水库充蓄率,进行长系列水量平衡计算,统计各片的保证率及弃水量。如某片保证率低于设计灌溉保证率,则说明水库预蓄水量过少,不能满足灌溉要求,此时加大该片水库的充蓄率,重新进行水量平衡计算;如某片保证率高于设计灌溉保证率,且出现当地水资源弃水量增多,则说明水库预蓄水量过多。此时减小该水库充蓄率。如此逐片反复试算,直至得到能满足设计灌溉保证率的最小水库充蓄率,此时弃水最小。

3.2 总干渠引水流量分配系数

为充分发挥总干渠及各干渠的引水能力,旬内总干渠引水对各干渠的分配,采取动态分配方式进行:灌田时,采用各片需引水灌溉水量占全灌区需引水灌溉水量的比例进行分配;预蓄充库时,采用各片需充蓄库容占全灌区总需充蓄库容的比例进行分配。即下式。

式中:Ci[j]——第i干渠、第j时段(旬)引水流量分配系数;

wi[j]——第 i干渠、第j时段(旬),灌田时,所需引水灌溉水量,充库时,采用各片需充库库容;

i— — 干渠 ;

j— — 时段(旬)。

采用这种动态分配方式,各计算时段 (旬)的引水流量分配系数均不相同。其作用可使总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 水量平衡计算

供水的顺序为:首先满足生活、城镇供水,然后农业供水。

用水秩序为:视当地水库中水量而定,当地水库存水量大于水库充蓄控制容积时,先用当地水库水量,再用引丹水量;当地水库存水量小于水库充蓄控制容积时,先用引丹江口水库水量,再用当地水库水量。当地水库存水量和引丹水量均不能满足需水要求时,则形成缺水。

在水量平衡计算中,大型水库与中型水库各自独立作为一个供水单元计算,为简化计算各片小型水库计算工作量,按将各片小型水库概化合并成一个水库作为一个供水单元。

在概化合并过程中,各水库会因为来水面积与兴利库容、控制灌溉面积与兴利库容之间的相对关系差异较大,为避免计算中库容大、蓄水量多而控制灌溉面积小的水库供水到实际供不到的灌溉面积上,造成虚假供水的现象。在概化过程中,对兴利库容、来水面积考虑其控制灌溉面积作一定调整后再进行合并。

计算系列为1960～2007年共48年,进行历年逐旬水量平衡计算,计算过程见图1,水量平衡计算框图。最后将各片水量平衡成果汇总,得灌区水量平衡成果汇总表,见表1。

图1 水量平衡计算框图

表1 水量平衡成果表 单位:亿m3

4 水量平衡计算成果分析

水资源供需平衡分析的目的主要有六个方面:第一是采用合适的工程措施、非工程措施实现水资源的优化配置,科学配置水资源,满足灌区内国民经济发展的需要。第二对当地径流利用进行分析,研究当地径流利用程度。第三计算全灌区灌溉水利用系数,分析全灌区水资源的利用水平。第四是通过水资源供需平衡分析,分析全灌区水源组成及特点,各种水源工程在供水系统中的地位。第五计算全灌区灌溉保证率,分析全灌区需水保证程度。第六通过水资源供需平衡,分析水资源配置工程的工程规模。成果表须反映如下内容。

4.1 水量平衡计算成果合理性检查

完整的水量平衡成果应反映灌区水资源供需平衡、灌区进出水量平衡。为反映这两大平衡,四大要素:来水量、需水量、供水量及缺水量必不可少。

全灌区总毛需水量14.82亿m3,总供水14.70亿m3,缺水量0.12亿m3。需水量=供水量+缺水量,水资源供需总量平衡。

灌区189座水库多年平均来水量为2.37亿m3,总引水量13.15亿 m3,总供水量 14.70亿 m3,水库损失水量0.68亿m3,弃水量0.14亿m3。全灌区水资源总量进项等于出项,进出总量平衡。

从水量平衡计算角度分析,水资源供需总量是平衡的,全灌区水资源进出总量亦平衡,计算过程正确。

4.2 分析灌区当地径流来水、用水和水量利用率

全灌区水库当地径流来水量2.37亿m3,引水充库后,水库弃水量仅0.14亿m3。水库径流利用较为充分,说明本灌区是在自身充分挖潜后再利用引丹水量的。较小的弃水量亦说明预蓄充库水库充蓄率较为合理,即满足了灌溉和供水的需求,又不浪费水资源。

4.3 分析全灌区净、毛需水,灌溉水利用系数及全灌区水资源利用水平

灌区多年平均净需水 9.66亿m3,毛需水14.82亿m3,全灌区灌溉水利用系数为0.65。

从全灌区灌溉水利用系数来看,该系数较高,但本灌区城镇工业和生活供水所占比重较大,且其直接从干渠引水。干渠衬砌后,城镇工业和生活供水利用系数为 0.90,由此造成全灌区水利用系数较高,如扣除城镇供水量因素,全灌区灌溉水量的渠系水利用系数为0.56,灌溉水利用系数为0.53,符合大型灌区节水灌溉要求。

4.4 分析各种水源工程供水量,以及在供水系统中的地位

丹江口水库总引水量包括两部分:引水直供水量与充库水量。以旬为时段进行水量平衡计算,计算中,将引水量中充蓄在水库中留给本旬以后时段供的水量视为预蓄充库水量,引水量中本时段直接用于灌溉的水量视为直供水量。

全灌区总供水14.70亿m3,其中丹江口水库引水量13.15亿m3,引水占总供水量的89%,由此看出,引丹江口水库水量是引丹灌区经济社会发展的命脉。

全灌区总供水14.70亿m3,其中大型水库供水4.20亿m3,中小型水库供水4.24亿m3,丹江口引水直供水量6.27亿m3,占总供水量的42.6%,引水直供在满足本灌区供水中有着至关重要的作用。

在大、中、小型水库的8.44亿 m3供水中,当地水库来水量 2.37亿 m3,由丹江口水库充入水量6.88亿m3,预蓄充库水量占水库总来水量的74%,占全灌区总供水量的47%,说明引水预蓄充库在本灌区中不可或缺。

从灌区供水组成看,灌区通过水库供水8.44亿m3,占灌区总供水的57%,灌区水库在拦蓄当地径流、调蓄引丹水量、满足灌区供水等方面发挥重要的枢纽、桥梁作用。

4.5 分析灌区各片缺水量,反映灌区保证率

从各片缺水量可以分析,从1960～2007年48年系列中,均有 6年缺水,全灌区灌溉保证率为86%,达到灌区设计灌溉保证率85%。灌区利用自身径流后,引丹江口水库水量13.15亿m3的情况下,可满足灌区内国民经济需水的要求。

4.6 渠道设计流量分析

(1)干渠设计流量。干渠设计流量需通过水量平衡试算确定。在水量平衡计算时,先假定干渠流量,进行水量平衡计算,直到得到符合灌区设计保证率的干渠流量,此时干渠流量即为干渠的设计流量。成果列于表2预蓄充库条件下干渠设计流量列中。

(2)总干渠分段流量推求。从水量平衡供水过程成果中,统计总干渠各节点历年各旬总供水量,以各节点总供水量的最大值确定总干渠各分段设计流量。即:

wi,n,j——第n年,第 j旬,i干渠供水量,m3;

t——该旬时间,s。

图2 总干渠分段设计流量计算示意图

根据上述方法,得总干渠分段设计流量,成果列入表2中预蓄充库条件下干渠需总干配水流量列中。加上总干直灌片供水流量,即为总干渠分段设计流量。

(3)预蓄充库对渠道规模的影响。为研究预蓄充库对削减总干渠及各干渠设计流量的作用,还分析了对灌区中水库不采用预蓄充库所需的总干渠分段设计流量,作为对比分析一并列入表2中。

表2 总干渠分段设计流量及干渠设计流量成果表 单位:m3

从表中可以看出,预蓄充库条件下,各干渠设计流量减小2～13m3/s,削减幅度23%～46%。因四干片预蓄充库水库控制灌溉面积最大,故设计流量削减幅度最大的为四干渠,削减干渠流量达13m3/s,削减幅度达46%。预蓄充库对总干渠分段设计流量削减为10～39.9m3/s,对清泉沟隧洞设计流量最大削减幅度达29%,预蓄充库运行方式可有效削减干渠流量,降低工程投资。

(4)渠道设计流量合理性分析。引丹灌区各分片水量平衡成果表表明,各分片灌溉保证率满足灌区设计灌溉保证率85%要求,说明各分片干渠渠道设计流量是合理的。将引丹灌区各分片水量平衡表汇总,统计全灌区缺水量年份,缺水年份为10年,全灌区灌溉保证率为77%。经分析9片灌区缺水年份不一的主要原因是灌区范围大,采用的设计代表站降雨蒸发资料不一致,全灌区保证率虽低于各分片灌溉保证率,并不影响灌区达到设计要求。

将各干渠流量进行累加,引丹灌区各干渠设计流量之和为107m3/s,大于引丹灌区总干渠渠首设计流量100m3/s。说明各片最大需水量存在不同步的情况,故采用各分片干渠设计流量满足灌溉保证率要求确定的渠道流量是较优的。

5 结论

通过对引丹灌区水量平衡的研究,可以看出引丹江口水库水量是引丹灌区中国民经济的命脉,同时,灌区中的水库对拦蓄当地径流、调蓄引丹水量、减小引丹灌区渠系规模起到了不可替代的重要作用。

本文同时论述了水量平衡在灌区设计的目的和意义、以及水量平衡所需研究的内容,研究了以渠系为骨干、以预蓄充库水库为核心的工程布局,对优化引丹灌区各级渠道规模作了重要的技术支撑。