基于秦嶺腹地?zé)o水文站情況下引湑濟(jì)黑調(diào)水工程壩址斷面年徑流量的計(jì)算

何 璠，古 軍

（西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程管理中心，陜西 西安 710018）

1 引湑濟(jì)黑調(diào)水工程相關(guān)情況

西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程位于西安市周至縣厚畛子鎮(zhèn)老縣城村，距離西安市200 余公里。工程通過6252 m 的輸水隧洞，將秦嶺南麓湑水河之水調(diào)入黑河上游，自流流入黑河金盆水庫。引湑濟(jì)黑水源地自取水口以上流域面積125.88 km2，年設(shè)計(jì)調(diào)水量為4248萬m3，引水?dāng)嗝嫣幎嗄昶骄鶑搅髁?153 萬m3，多年平均降雨量為867 mm，20 a 一遇洪峰流量為460 m3/s,50 a 一遇洪峰流量為640 m3/s。

引湑濟(jì)黑調(diào)水工程主要包括引水樞紐、輸水隧洞、出水口。引水樞紐包括引水低壩，沖沙閘及進(jìn)水閘三部分。低壩采用漿砌石重力溢流壩，壩長(zhǎng)28 m，沖沙閘位于溢流壩左端，沖沙閘軸線與壩軸線相垂直；進(jìn)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進(jìn)口段。引水隧洞進(jìn)口高程1627.866 m，出口高程1620.013 m，洞長(zhǎng)6252 m，隧洞出水口接壓力前池，壓力前池右岸建有溢流式退水陡坡，退水入黑河河道。

低壩為WES 曲線堰，壩寬28 m。沖沙閘為鑄鐵閘門，其規(guī)格型號(hào)為PGZ4 m×3.5 m，進(jìn)水閘型號(hào)為PGZ3.5 m×2 m 平面鑄鐵閘門。輸水隧洞為6252 m 無壓流隧洞，隧洞為城門洞形，尺寸為2.9 m（寬）×3.1 m（高），坡降均勻[1]。

2 工程區(qū)域下游水文站概況

引湑濟(jì)黑調(diào)水工程壩址以上流域無水文站，壩址以下有升仙村水文站，該站集水面積為2143 km2，與湑水河上游壩址以上流域面積125.88 km2相差較大,且秦嶺山區(qū)降雨量隨地形的起伏變化極為顯著，湑水河源頭的高程超過3000 m，而取水口處高程不足1620 m，流域內(nèi)黃柏塬雨量站的高程為1250 m,流域海拔高度上降水量有一定的差別。在工程設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位利用參證面積比擬法，對(duì)壩址斷面的徑流量進(jìn)行了推求。利用實(shí)測(cè)壩址處各設(shè)施的過水水位，并通過水位流量關(guān)系來計(jì)算流量，推求壩址處年徑流量，將為工程合理調(diào)水提供依據(jù)。

3 水位流量關(guān)系曲線的確定

各種水文測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，都需要按行業(yè)規(guī)范進(jìn)行整編，成果供有關(guān)部門應(yīng)用。對(duì)于秦嶺腹地，由于河道含沙量較小，斷面沖淤變化較小，因此，斷面較穩(wěn)定，水位流量關(guān)系主要受洪水漲落影響，工程上為了簡(jiǎn)化，常將水位流量關(guān)系曲線作為單一線對(duì)待。在普通的方格紙上，縱坐標(biāo)是水位，橫坐標(biāo)是流量，點(diǎn)繪的水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)，通過點(diǎn)群中心繪一條曲線，使75%以上的中高水點(diǎn)據(jù)與關(guān)系曲線線的偏離不超過5%。75%的低水點(diǎn)或浮標(biāo)測(cè)流點(diǎn)據(jù)偏離不超過8%，并且通過“三種”檢驗(yàn)，即說明水位流量關(guān)系為單一曲線，可以通過該曲線推求流量。

3.1 沖沙閘下泄生態(tài)基流計(jì)算

沖沙閘的作用是在進(jìn)水口前拉槽，保證進(jìn)水閘正常取水和保障生態(tài)流量。當(dāng)上游來水小于10 m3/s 時(shí)，沖沙閘將開啟0.024 m 的高度保證向下游下泄最小0.25 m3/s 的生態(tài)流量。

利用沖沙閘過流公式：

式中：μ 為流量系數(shù)，采用μ=0.60-0.18 e/h 計(jì)算；b 為孔口寬度，為4 m；e 為閘門開度，取0.024 m，H 為閘前水頭。

計(jì)算出閘前水位與過閘流量，并繪制出水位流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 沖沙閘前水頭與流量關(guān)系

3.2 輸水隧洞調(diào)水量的計(jì)算

湑水河水通過進(jìn)水閘，經(jīng)過消能，進(jìn)入6252 m 輸水隧洞，當(dāng)隧道通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，為無壓隧洞。在選定控制斷面后，相同坡度的長(zhǎng)直段均按照均勻流計(jì)算。按照明渠均勻流理論公式：

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e；C為謝才系數(shù)，其中水力半徑R與隧洞過水?dāng)嗝嫘螤钣嘘P(guān)，該隧道過水?dāng)嗝鏋榫匦?，R=，（b為隧道內(nèi)水面寬度，取2.9 m，h為隧洞內(nèi)水面高度）。n為糙率，考慮引湑濟(jì)黑工程隧道因?yàn)榈匕鍥_刷等因素,n=0.012～0.015；i為隧道水力坡度，取1.26‰。

當(dāng)n取0.014 時(shí),簡(jiǎn)化i1/2·A。根據(jù)計(jì)算繪制輸水隧洞水位流量關(guān)系圖，見圖2。

圖2 輸水隧洞水位流量關(guān)系圖

3.3 引水低壩河道下游生態(tài)下泄量的計(jì)算

引湑濟(jì)黑調(diào)水工程采用無調(diào)節(jié)低壩引水，低壩為實(shí)用堰，堰剖面采用WES 型曲線，采用WES 曲線堰流公式可計(jì)算河道下泄水量。

式中：Q為流量，m3/s；δS為淹沒系數(shù)，若堰流為自由出流時(shí)，取1.0；ε 為側(cè)收縮系數(shù)，堰流無側(cè)收縮時(shí)，取1.0；m為流量系數(shù)，采用H0/Hd與P/Hd比值查表計(jì)算得到；B為堰寬；H0為有效水頭。

根據(jù)計(jì)算繪制壩上水頭與過壩流量關(guān)系曲線,見圖3。

圖3 壩上水頭與過壩流量關(guān)系圖

4 壩址斷面處年徑流量計(jì)算

4.1 日均流量計(jì)算

當(dāng)流量變化平穩(wěn)時(shí)，可用日平均水位在水位流量關(guān)系線上推求日平均流量；當(dāng)一日內(nèi)流量變化較大時(shí)，則用逐時(shí)水位推求得逐時(shí)流量，再按照算術(shù)平均法求得日平均流量。據(jù)此計(jì)算逐月平均流量和年平均流量。

4.2 年徑流量計(jì)算

式中：n取1，…，365；Qn沖沙閘為沖沙閘日均下泄流量，m3/s；Qn調(diào)水量為隧洞日均輸水流量，m3/s；Qn低壩為低壩日均下泄水流量，m3/s，W壩址斷面處為工程壩址斷面處年徑流量，萬m3。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程壩址斷面徑流量表

4.3 合理性檢查

單站檢查可用歷年水位流量關(guān)系對(duì)照檢查；綜合性檢查以水量平衡為基礎(chǔ)，對(duì)上、下游或干、支流上的測(cè)站與本壩址處斷面流量進(jìn)行對(duì)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年水文資料進(jìn)行對(duì)比分析。升仙村站控制流域面積2143 km2，年均徑流量10.47 億m3，CV=0.48，CS=2.5CV［1]。壩址斷面以上流域面積125.88 km2，利用面積比擬法推求壩址斷面流域年徑流量，參考《水利工程實(shí)用水文水利計(jì)算》有關(guān)方法,計(jì)算的壩址斷面以上徑流量為6153 萬m3，而利用水力學(xué)關(guān)系曲線計(jì)算的2011年～2019年壩址斷面年徑流量平均值為6724 萬m3，在壩址斷面年徑流量頻率曲線上，頻率為35%，檢驗(yàn)結(jié)果為合理。

4.4 近幾年調(diào)水統(tǒng)計(jì)

按照以上的方法，2011年～2019年期間，通過實(shí)測(cè)過水設(shè)施水位，按照水位與流量關(guān)系曲線計(jì)算得到?jīng)_沙閘過水量（生態(tài)基流）、輸水隧洞調(diào)水量及過壩下泄流量，結(jié)果見表2。

表2 西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程2011年～2019年調(diào)水與下泄水量、徑流量成果表

5 結(jié)論

通過以上分析計(jì)算得，9年引湑濟(jì)黑調(diào)水工程壩址處平均年徑流量為6724 萬m3，多年平均調(diào)水量為4235 萬m3，占取水?dāng)嗝娑嗄昶骄鶑搅髁康?3%，生態(tài)基流占年調(diào)水量的15%。符合《水資源供需分析技術(shù)規(guī)范》中北方河流河道最小生態(tài)環(huán)境需水量一般按多年平均徑流量10%～20%。說明工程每年取水量在合理范圍。