河流引水工程可引水量分析

代 超，尹健梅，屈玉竹

(1.云南省能源投资集团有限公司，云南 昆明 650228；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

推进江河湖库连通可形成丰枯调剂、多源互补的水资源利用格局[1-2]，是改善黑臭水体[3]、提高水资源利用效率[4]、构筑水安全保障体系[5-6]的有效措施，应用于多省市的水资源优化配置[7-8]；跨流域引水工程历史悠久，是解决水资源时空分布不均和供需矛盾的有效措施[9-10]，也是江河湖库连通的主要形式之一。南水北调中线工程[11]、牛栏江—滇池补水工程[12]等大型引水工程多采用有库引水，即在取水口兴建调蓄水库对引水过程进行调节；而对于在河流上无调节水库引水的中小型引水工程，设计引水流量的合理确定和可引水量的分析计算是其重要设计内容，直接影响水工建筑物规模[13]和工程投资[14]。在龙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、径流逐日分配法[15-16]外，还根据山区河道径流变化大的特点采用日流量分配和常遇洪水综合分析法、常遇洪水洪峰流量与平均流量比值放大日流量分析法，综合分析确定设计引水流量、引水率和可引水量。

1 工程概况

云南省姚安县龙鼻子引水工程是洋派水库河库连通工程之一，在渔泡江上游支流弥兴河龙鼻子河闸设置取水口，将龙鼻子河闸区间径流量通过新建引水工程引入蜻蛉河流域洋派水库；引水工程全长约10km。龙鼻子引水工程取水口断面以上总径流面积为310.43km2，上游有已建红梅、胡家山2座中型水库，梨园、排沙河2座小(1)型水库，迆海子、龙马箐等11座小(2)型水库；拟建徐家咀小(1)型水库1座，扣除上游水库汇水面积后龙鼻子河闸区间流域为本工程引水径流区，其径流面积为44.26km2，区间主河长为17.20km，河道平均比降为3.78‰，如图1所示。

图1 龙鼻子及邻近流域水系图

2 引水区径流计算

由于弥兴河上无水文观测站，采用邻近地区龙川江流域紫甸河上的凤屯水文站作为参证站，凤屯水文站控制流域面积186 km2，气候特征与设计流域相似，但植被条件更好，径流特性与设计流域存在一定差别，故将参证站凤屯水文站1977—2014年实测径流系列按面积比拟并考虑降雨及径流系数修正移至设计流域[17]，水文比拟公式如式(1)所示：

(1)

式中，Q设计、Q参证—设计流域、参证站流域多年平均径流量，万m3，凤屯水文站多年平均年径流(水文年)为4907.0万m3；F设计、F参证—设计流域、参证站流域径流面积，km2；P设计、P参证—设计流域、参证站流域平均降雨量，mm，分别为870、1002.3mm；α设计、α参证—设计流域、参证站流域径流系数，通过《云南省水资源调查评价成果图集》[9]查算，分别为0.21、0.26。

根据式(1)进行水文比拟计算，得龙鼻子水闸流域多年平均径流量为818.6万m3；通过《省图集》查得龙鼻子区间流域年径流变差系数Cv=0.48，偏态系数Cs=2Cv，根据皮尔逊III型曲线离均系数值，计算得各设计频率的年径流；并根据凤屯水文站1977—2014年月径流系列进行频率计算，挑选1985—1986年、1994—1995年、1984—1985年、1980—1981年分别为丰水(P=25%)、平水(P=50%)、枯水(P=75%)、特枯水(P=95%)代表年，按其径流年内分配比值对龙鼻子区间流域各设计频率的年径流进行分配，结果见表1。

表1 各设计频率下龙鼻子区间流域径流月分配 单位：万m3

3 引水分析

分别采用常遇洪水分析法、径流逐日分配法、日流量分配和常遇洪水综合分析法、常遇洪水洪峰流量与平均流量比值放大日流量分析法对龙鼻子引水工程设计引水流量、引水率进行分析计算。

3.1 常遇洪水法分析法(典型年洪水过程切割法)

在常遇洪水情况下，龙鼻子河闸上游的水库具有较强的调蓄能力，下泄的水量较少，引水区分析范围只考虑龙鼻子区间流域(面积44.26km2)，即以龙鼻子区间流域的常遇洪水进行引洪分析。

根据引水区常遇洪水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)的洪水过程线，对引水区引水率进行分析，洪水过程线中各时段洪峰流量如大于拟定的设计引水流量，大于部分将作为弃水无法引用，各频率实际引入洪量与对应频率洪量比值即为引水率。拟定设计引水流量从小到大分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m3/s。

设计引水流量与引水率关系成果见表2，P=10%、P=20%洪水频率下设计引水流量达4.0m3/s的引水率仅为0.177、0.277，为了多引水所需渠道规模较大；P=33.3%洪水频率下，当设计引水流量在1.0～2.5m3/s时，每增加0.5m3/s，引水率的增幅较大，而超过2.5m3/s时，引水率随设计引水流量增加的增幅变化不明显；P=50%洪水频率下较小渠道规模可获得较大引水率，且P=50%频率洪水发生几率较高，引洪保证率较高，因此以P=50%洪水频率下分析得到的引水率作为采用成果。在P=50%洪水频率下，当设计引水流量在1.0～2.5m3/s时，每增加0.5m3/s，引水率的增幅均超过12.0%；当设计引水流量超过2.5m3/s后，引水率的增幅有所减小。综合考虑引水时长、管道及渠道的规模，使其经济效益最大化，优化引水方案，确定引水渠道的设计流量为2.5m3/s，P=50%洪水频率下的引水率为0.645。

表2 引水区设计引水流量-引水率关系表

引水设计流量为2.5m3/s时的引洪分析计算见表3，该方法分析得出的引水率偏小，引水率为0.112～0.645，引水区产水主要在汛期，P=50%(2年一遇)洪水发生几率较高；但发生洪水的天数在全年并不多，因此按该方法确定的引水率计算得到的可引水量将偏小。

表3 引水区常遇洪水引水率分析计算表

3.2 径流逐日分配法(典型年逐日流量切割法)

以凤屯水文站为参证站，采用水文比拟法得到龙鼻子引水区各设计频率典型年逐日流量过程，若引水区日平均流量小于引水渠道设计流量2.5m3/s，则引水区水量完全被引入；若引水区日平均流量大于引水渠道设计流量2.5m3/s，则引水区将发生弃水。引水区各频率下月引水量和引水率结果见表4。P=25%、75%、95%时，引水率均为1.000；P=50%时，引水率为0.916～1.000。

表4 径流逐日分配法引水分析结果

该方法只考虑了径流日分配情况，日径流分配较为均匀，大多小于引水设计流量2.5m3/s，所以引水率偏高；而没有考虑洪水对径流的影响，洪水过程24小时分配是不均匀的，陡涨陡落，大多呈单峰形式，洪峰流量一般都大于引水渠的流量。因此，如果按径流逐日分配法计算可引水量，引水量将偏高。

3.3 日流量分配和常遇洪水综合分析法

将日流量分配和常遇洪水综合考虑进行引水率分析，引水区6—10月为汛期，11—5月为枯期，常遇流量在0.25m3/s左右。来水流量大于该常遇流量0.25m3/s，可能有发生洪水的情况，该部分(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进行引水，若该引水流量超过2.5m3/s，按2.5m3/s进行引水；来水流量小于该常遇流量0.25m3/s，则考虑按日流量分配所分析得出的引水率1.00进行引水。

龙鼻子引水区按日流量分配和常遇洪水综合分析法各月引水量、引水率见表5所示。从表5可以看出，汛期6—10月引水率为0.714～0.998，平均值为0.805，枯期11—5月引水率为1.00，年平均引水率为0.847。

表5 日流量分配和常遇洪水综合分析法引水分析结果

3.4 常遇洪水洪峰流量与平均流量比值放大日流量分析法

采用水文比拟法将凤屯水文站各设计频率典型年逐日流量过程移置至龙鼻子引水区作为设计流域典型年逐日流量过程进行引水分析时，只考虑了径流逐日分配情况，日径流分配较为均匀，而没有考虑径流日内变化的影响。龙鼻子引水区洪水过程24小时分配是不均匀的，陡涨陡落，大多呈单峰型式。因此考虑采用P=50%常遇洪水洪峰流量与平均流量的比值放大引水区各设计频率的逐日流量过程，据此可统计出各月放大后日流量的均值、最大值与最小值，根据放大后日流量各月中最大均值确定设计引水流量，若放大后日流量小于日流量放大后各月中最大均值时，则该日水量将全部引入；若放大后日流量大于放大后各月中最大均值，则以放大前日流量作为引入流量，计算引洪量，据此计算引水率。

龙鼻子引水区P=50%常遇洪水24h流量均值为3.6m3/s，洪峰流量为6.2m3/s，洪峰流量与平均流量的比值为1.751，以此比值对P=25%、50%、75%、95%不同来水频率的设计日径流过程进行放大后分析引水过程，结果见表6。7月份的引水流量达到最大值，月平均值为2.32m3/s，取整为2.5m3/s；汛期6—10月的引水率为0.76～1.000，平均值为0.87，其他月份引水率均为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确定

采用4种方法对引水率和引水流量进行分析的结果和侧重点存在一定差别：设计引水流量通过常遇洪水分析法初步确定为2.5m3/s，引水率为0.11～0.64并随着常遇洪水频率增大而增大，按引常遇洪水考虑，洪水流量大部分时段大于设计引水流量，造成引水率偏小；采用径流逐日分配法、设计引水流量为2.5m3/s时，得到的引水率为0.91～1.00，由于逐日平均流量是一日流量过程扁平化的结果，绝大部分时段日均流量均小于设计引水流量，即理论上看绝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综合分析法、设计引水流量2.5m3/s分析，得到的引水率为0.77～1.00，既考虑了日均流量所代表的大部分时段的引水情况(水基本均能被引走)，又考虑了常遇洪水的引水情况(水不可能完全被引走)，计算分析结果合理，与实际情况最为相符。采用常遇洪水的洪峰流量与平均流量的倍比缩放日流量分析法，得到的设计引水流量为2.5m3/s，与常遇洪水分析法得到的设计引水流量一致，进一步证明设计引水流量为2.5m3/s是合理的；引水率为0.76～1.00，与日流量分配和常遇洪水综合分析法计算结果基本一致。综合4种方法的特点和成果，确定龙鼻子引水工程设计引水流量为2.5m3/s，汛期6—10月的引水率为0.7，其他月份的引水率为1.0。

上述分析中尚未考虑引水区下游生态用水的影响，需考虑取水口以下河道内生态环境需水要求的下泄水量[18]。由于龙鼻子河闸库容很小、基本无调蓄能力，且可引水量分析是基于龙鼻子区间流域而非取水口断面以上全流域的径流，因此龙鼻子引水工程以龙鼻子引水区间流域多年平均流量的10%作为区间流域生态流量下泄(上游流域的生态流量应由上游的控制性水库泄放)，下泄流量为0.026m3/s。枯期11—竖年5月引水率取为1.00，需考虑扣除生态用水量，如果月来水量小于当月生态用水量，则该月不引水；如果大于该月生态用水量，则该月引水量为大于生态用水量部分的引水。汛期6—10月的引水率取为0.7，该时段来水量较大，有近30%的水量下放到引水区下游，该时段已经充分考虑下游生态用水的要求，所以不需要额外扣除生态用水量。

根据设计引水流量为2.5m3/s、汛期6—10月的引水率为0.7、枯期11—竖年5月的引水率为1.0，并考虑生态水量后的龙鼻子引水工程区间可引水量见表7，多年平均可引水量为587.8万m3，P=75%可引水量为367.3万m3。

表7 各设计频率下龙鼻子区间流域可引水量

5 结语

龙鼻子引水工程的可引水量是按最不利引水条件考虑、采用4种方法对引水率和引水流量进行分析，以合理确定设计引水流量和工程规模，可为类似山区河流引水工程规划设计提供参考。分析中未考虑上游水库满足自身供水任务后的泄水而只考虑区间流域的径流，可理解为工程最小可引水量；而工程实际运行中，上游水库汛期可能产生弃水，实际可引水量会比本次分析的可引水量更大。待工程投运后基于取水口引水量、末端入库水量观测数据，结合受水水库的天然来水、库容曲新、供水过程进行调节计算，才能准确计算工程实际引水量和效益，为引水工程的调度优化提供依据。