基于秦岭腹地无水文站情况下引湑济黑调水工程坝址断面年径流量的计算

何 璠，古 军

（西安市引湑济黑调水工程管理中心，陕西 西安 710018）

1 引湑济黑调水工程相关情况

西安市引湑济黑调水工程位于西安市周至县厚畛子镇老县城村，距离西安市200 余公里。工程通过6252 m 的输水隧洞，将秦岭南麓湑水河之水调入黑河上游，自流流入黑河金盆水库。引湑济黑水源地自取水口以上流域面积125.88 km2，年设计调水量为4248万m3，引水断面处多年平均径流量6153 万m3，多年平均降雨量为867 mm，20 a 一遇洪峰流量为460 m3/s,50 a 一遇洪峰流量为640 m3/s。

引湑济黑调水工程主要包括引水枢纽、输水隧洞、出水口。引水枢纽包括引水低坝，冲沙闸及进水闸三部分。低坝采用浆砌石重力溢流坝，坝长28 m，冲沙闸位于溢流坝左端，冲沙闸轴线与坝轴线相垂直；进水口高程1628.03 m，后接陡坡及消力池，陡坡和消力池位于引水隧洞进口段。引水隧洞进口高程1627.866 m，出口高程1620.013 m，洞长6252 m，隧洞出水口接压力前池，压力前池右岸建有溢流式退水陡坡，退水入黑河河道。

低坝为WES 曲线堰，坝宽28 m。冲沙闸为铸铁闸门，其规格型号为PGZ4 m×3.5 m，进水闸型号为PGZ3.5 m×2 m 平面铸铁闸门。输水隧洞为6252 m 无压流隧洞，隧洞为城门洞形，尺寸为2.9 m（宽）×3.1 m（高），坡降均匀[1]。

2 工程区域下游水文站概况

引湑济黑调水工程坝址以上流域无水文站，坝址以下有升仙村水文站，该站集水面积为2143 km2，与湑水河上游坝址以上流域面积125.88 km2相差较大,且秦岭山区降雨量随地形的起伏变化极为显著，湑水河源头的高程超过3000 m，而取水口处高程不足1620 m，流域内黄柏塬雨量站的高程为1250 m,流域海拔高度上降水量有一定的差别。在工程设计阶段，设计单位利用参证面积比拟法，对坝址断面的径流量进行了推求。利用实测坝址处各设施的过水水位，并通过水位流量关系来计算流量，推求坝址处年径流量，将为工程合理调水提供依据。

3 水位流量关系曲线的确定

各种水文测得的原始数据，都需要按行业规范进行整编，成果供有关部门应用。对于秦岭腹地，由于河道含沙量较小，断面冲淤变化较小，因此，断面较稳定，水位流量关系主要受洪水涨落影响，工程上为了简化，常将水位流量关系曲线作为单一线对待。在普通的方格纸上，纵坐标是水位，横坐标是流量，点绘的水位流量关系点据，通过点群中心绘一条曲线，使75%以上的中高水点据与关系曲线线的偏离不超过5%。75%的低水点或浮标测流点据偏离不超过8%，并且通过“三种”检验，即说明水位流量关系为单一曲线，可以通过该曲线推求流量。

3.1 冲沙闸下泄生态基流计算

冲沙闸的作用是在进水口前拉槽，保证进水闸正常取水和保障生态流量。当上游来水小于10 m3/s 时，冲沙闸将开启0.024 m 的高度保证向下游下泄最小0.25 m3/s 的生态流量。

利用冲沙闸过流公式：

式中：μ 为流量系数，采用μ=0.60-0.18 e/h 计算；b 为孔口宽度，为4 m；e 为闸门开度，取0.024 m，H 为闸前水头。

计算出闸前水位与过闸流量，并绘制出水位流量关系曲线见图1。

图1 冲沙闸前水头与流量关系

3.2 输水隧洞调水量的计算

湑水河水通过进水闸，经过消能，进入6252 m 输水隧洞，当隧道通过设计流量时，为无压隧洞。在选定控制断面后，相同坡度的长直段均按照均匀流计算。按照明渠均匀流理论公式：

式中：A为过水断面面积；C为谢才系数，其中水力半径R与隧洞过水断面形状有关，该隧道过水断面为矩形，R=，（b为隧道内水面宽度，取2.9 m，h为隧洞内水面高度）。n为糙率，考虑引湑济黑工程隧道因为地板冲刷等因素,n=0.012～0.015；i为隧道水力坡度，取1.26‰。

当n取0.014 时,简化i1/2·A。根据计算绘制输水隧洞水位流量关系图，见图2。

图2 输水隧洞水位流量关系图

3.3 引水低坝河道下游生态下泄量的计算

引湑济黑调水工程采用无调节低坝引水，低坝为实用堰，堰剖面采用WES 型曲线，采用WES 曲线堰流公式可计算河道下泄水量。

式中：Q为流量，m3/s；δS为淹没系数，若堰流为自由出流时，取1.0；ε 为侧收缩系数，堰流无侧收缩时，取1.0；m为流量系数，采用H0/Hd与P/Hd比值查表计算得到；B为堰宽；H0为有效水头。

根据计算绘制坝上水头与过坝流量关系曲线,见图3。

图3 坝上水头与过坝流量关系图

4 坝址断面处年径流量计算

4.1 日均流量计算

当流量变化平稳时，可用日平均水位在水位流量关系线上推求日平均流量；当一日内流量变化较大时，则用逐时水位推求得逐时流量，再按照算术平均法求得日平均流量。据此计算逐月平均流量和年平均流量。

4.2 年径流量计算

式中：n取1，…，365；Qn冲沙闸为冲沙闸日均下泄流量，m3/s；Qn调水量为隧洞日均输水流量，m3/s；Qn低坝为低坝日均下泄水流量，m3/s，W坝址断面处为工程坝址断面处年径流量，万m3。

计算结果见表1。

表1 西安市引湑济黑调水工程坝址断面径流量表

4.3 合理性检查

单站检查可用历年水位流量关系对照检查；综合性检查以水量平衡为基础，对上、下游或干、支流上的测站与本坝址处断面流量进行对照分析，以提高推求流量成果的可靠性［2]。

利用湑水河升仙村水文站1950年～2004年水文资料进行对比分析。升仙村站控制流域面积2143 km2，年均径流量10.47 亿m3，CV=0.48，CS=2.5CV［1]。坝址断面以上流域面积125.88 km2，利用面积比拟法推求坝址断面流域年径流量，参考《水利工程实用水文水利计算》有关方法,计算的坝址断面以上径流量为6153 万m3，而利用水力学关系曲线计算的2011年～2019年坝址断面年径流量平均值为6724 万m3，在坝址断面年径流量频率曲线上，频率为35%，检验结果为合理。

4.4 近几年调水统计

按照以上的方法，2011年～2019年期间，通过实测过水设施水位，按照水位与流量关系曲线计算得到冲沙闸过水量（生态基流）、输水隧洞调水量及过坝下泄流量，结果见表2。

表2 西安市引湑济黑调水工程2011年～2019年调水与下泄水量、径流量成果表

5 结论

通过以上分析计算得，9年引湑济黑调水工程坝址处平均年径流量为6724 万m3，多年平均调水量为4235 万m3，占取水断面多年平均径流量的63%，生态基流占年调水量的15%。符合《水资源供需分析技术规范》中北方河流河道最小生态环境需水量一般按多年平均径流量10%～20%。说明工程每年取水量在合理范围。