引黃入冀補(bǔ)淀總干渠河南段輸水率測驗(yàn)研究

陳利者，任彤，吳昱樨，王旭東

（海河水利委員會水文局，天津 300170）

1 前言

引黃入冀補(bǔ)淀工程總干渠（以下簡稱總干渠）是解決河南、河北兩省水資源時空分布不均勻的一條有效途徑，在兼顧河南、河北沿線部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的前提下，為白洋淀實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水。工程全部為自流引水，線路總長482 km，其中河南省境內(nèi)84 km、河北省境內(nèi)398 km[1]。

輸水率是反映輸水效率的重要指標(biāo)[2]。掌握輸水線路各時期和各渠段的水量信息和輸水效率，對于提高輸水運(yùn)行調(diào)度效率，確保水資源適時、適量、高效地輸送到指定用水區(qū)具有重要意義。

2 總干渠河南段概況

2.1 總干渠設(shè)計引水規(guī)模和流量

總干渠年均引黃水量73700萬m3，設(shè)計引水流量100.0 m3/s，其中河南省年均引黃水量11700萬m3，設(shè)計引水流量32.2 m3/s；河北省年均引黃水量62000萬m3，設(shè)計引水流量67.8 m3/s，河北調(diào)水在河南段損失流量6.40 m3/s，總干渠河南段設(shè)計輸水率為90.6%[1]。

2.2 總干渠河南段輸水線路及水利工程概況

2.2.1 輸水線路

自渠村引黃閘引水，經(jīng)1#樞紐分流入南湖干渠后匯入第三濮清南干渠，沿第三濮清南干渠至金堤河倒虹吸，經(jīng)皇甫閘、順河閘、范石村閘，走第三濮清南西支至蘇堤節(jié)制閘向西北，至清豐縣南留固村穿衛(wèi)河入東風(fēng)渠[1]。

2.2.2 渠道襯砌情況

總干渠在河南段內(nèi)基本采用老渠道擴(kuò)挖改建而成，其中渠首引黃閘下游55 km范圍內(nèi)的渠道渠坡和渠底均有混凝土襯砌或漿砌石襯砌、55～84 km范圍內(nèi)渠段僅部分渠道的渠坡進(jìn)行襯砌[1]。

2.2.3 水利工程概況

總干渠河南段渠線上布置的控制建筑物有節(jié)制閘、分水閘、退水閘、防洪閘共4類7座，大型的河渠交叉建筑物2座，跨渠橋梁125座，分水口門98處[1]。

總干渠新建2條梭型條渠沉沙池，設(shè)計引水流量100 m3/s。當(dāng)一條條渠淤滿后，啟用另外一條條渠，總干渠不會因?yàn)榍逵俣鴶嗔鳌３辽吵囟嗄昶骄俜e量217.97萬m3[1]。

3 輸水測驗(yàn)方案及實(shí)施

3.1 站點(diǎn)布置

以滿足輸水渠水量平衡、掌握水位與流量時程變化為目標(biāo)，在總干渠渠首、沉沙池出口、輸水渠道襯砌變化段、行政區(qū)界等處布設(shè)水位與流量監(jiān)測站5處，分別為南湖站、甘稱灣站、濮陽南站、濮陽北站和穿衛(wèi)站[3]。站點(diǎn)布設(shè)詳見表1，如圖1所示。

圖1 引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)

表1 引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)情況

其中，甘稱灣至濮陽南渠段為總干渠完整襯砌代表段。

3.2 測驗(yàn)方案

3.2.1 測驗(yàn)時間

引黃入冀補(bǔ)淀工程原則上每年冬4月（11月—翌年2月）實(shí)施調(diào)水，選擇2017—2018年度試通水和2018—2019年度整個輸水期作為測驗(yàn)時間。

3.2.2 測驗(yàn)方法

（1）水位。全天候利用雷達(dá)水位計觀測5處水位站水位，每日8、16時進(jìn)行人工訂正校核，人工校核采用水尺直讀方式觀測[4]。

（2）流量。5處流量站流量監(jiān)測以走航式ADCP和流速儀法為主測方式、浮標(biāo)法為臨時測驗(yàn)方式，每日8、16時施測2次。

3.2.3 測驗(yàn)成果分析方法

采用面積包圍法計算逐日平均水位；以臨時曲線法為主、以連實(shí)測流量過程線法為輔推求流量，日平均流量通過加權(quán)計算求得；采用平均流量法計算每日過水量[4]。

3.3 測驗(yàn)成果

3.3.1 2017—2018年度測驗(yàn)成果

（1）總干渠各監(jiān)測站實(shí)測水量。2017—2018年度總干渠南湖站、甘稱灣站、濮陽南站、濮陽北站、穿衛(wèi)站實(shí)測水量分別為6253萬、6025萬、5725萬、5127萬、4435萬m3，詳見表2。

表2 2017—2018年度總干渠實(shí)測水量統(tǒng)計

（2）區(qū)間引水量。2017—2018年度輸水期間，濮陽南站以上渠段沿線未引水，沿線引水主要在濮陽南站以下渠段，其中濮陽南站至濮陽北站渠段有濮水河引水閘和龍湖引水閘間斷引水、濮陽北站至穿衛(wèi)站渠段有陽邵引水閘間斷引水，引水總量741.7萬m3。

（3）槽蓄水量。2018年1月4日8時（分析結(jié)束時間），在沉沙池以下渠段，皇甫節(jié)制閘和陽邵節(jié)制閘實(shí)施關(guān)閉，渠道內(nèi)水量不能退泄，形成槽蓄。渠段槽蓄總水量約為242.5萬m3，其中南湖站至甘稱灣站渠段槽蓄水量忽略不計，甘稱灣站至濮陽南站渠段槽蓄水量118.1萬m3，濮陽南至濮陽北段槽蓄水量30.62萬m3，濮陽北至穿衛(wèi)段槽蓄水量93.79萬m3。

3.3.2 2018—2019年度測驗(yàn)成果

（1）總干渠各監(jiān)測站實(shí)測水量。2018—2019年度總干渠南湖站、甘稱灣站、濮陽南站、濮陽北站、穿衛(wèi)站實(shí)測水量分別為37640萬、34700萬、32910萬、30360萬、27760萬m3，詳見表3。

表3 2018—2019年度總干渠實(shí)測水量統(tǒng)計

（2）區(qū)間引水量。2018—2019年度輸水期間，河南段各引水口門計劃外引水現(xiàn)象多發(fā)，據(jù)并不完全統(tǒng)計，2018年12月下旬—2019年2月上旬，除濮水閘、龍湖閘、陽邵閘等規(guī)模較大引水口門不定期引水外，還有20余處口門不定期引水，實(shí)測最大引水流量9.29 m3/s。由于引水口門眾多、位置分散、時間不定等客觀因素，根據(jù)掌握的實(shí)測資料，無法準(zhǔn)確地推算輸水期間引出水量。

（3）槽蓄水量。2018—2019年度采用全程法進(jìn)行測驗(yàn)分析，即采用一個完成的輸水過程，自渠首提閘放水開始至各站尾水退水結(jié)束為止，因此槽蓄水量忽略不計。

4 輸水率的計算及分析

輸水率是指輸水總量扣除綜合損失水量占輸水總量的比率，它是反映輸水效率的重要指標(biāo)，是指導(dǎo)跨流域輸水管理的主要依據(jù)。要確定輸水率，首先應(yīng)確定輸水損失，輸水損失計算可以采用理論或經(jīng)驗(yàn)公式計算[5]。理論計算方法主要是求解各種初始、邊界條件下的渠道的滲流基本方程；經(jīng)驗(yàn)公式計算主要通過對現(xiàn)場實(shí)測資料的統(tǒng)計分析或?qū)ｉT試驗(yàn)得出[2]。

因引黃入冀補(bǔ)淀工程運(yùn)行時間較短、實(shí)測數(shù)據(jù)不充足，且2017年11月試通水期間部分渠段未完成襯砌，致使?jié)B流方程的多個參數(shù)無法進(jìn)行準(zhǔn)確率定，故本次輸水損失率計算采用水量平衡原理，按照2017—2018年度和2018—2019年度2個輸水時段分別進(jìn)行計算。

4.1 2017—2018年度輸水率計算與分析

4.1.1 分析方法

本次分析不考慮降水補(bǔ)給量，采用的水量平衡方程基本公式為：

式中：W入為渠段入口控制斷面水量（萬m3）；W出為渠段出口控制斷面水量（萬m3）；W分為渠段分出水量（萬m3）；W損為渠段輸水損失量（萬m3），包括滲漏和蒸發(fā)；W蓄為渠段槽蓄水量（萬m3）。

輸水損失率是反映輸水渠道水量沿程損失變化，是單位渠長水量損失率。

輸水損失率計算公式為：

式中：q為渠段輸水損失率；L為渠段長度（km）；其余變量意義同前文所述。

4.1.2 輸水損失率分析計算成果

本次輸水損失率計算，根據(jù)各渠段上游來水、下游出水、區(qū)間引水及區(qū)間渠段槽蓄水量進(jìn)行水量平衡分析，得出各渠段單位距離渠段輸水損失率成果，詳見表4。

表4 2017—2018年度引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段各渠段輸水損失統(tǒng)計成果

2017—2018年度引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段渠段單位渠長損失率分析結(jié)果顯示，南湖站至甘稱灣站渠段最大，損失率為0.00739，該段長4.934 km，約2.5 km長的沉沙池全部在該段，故損失率最大；甘稱灣站至濮陽南站渠段最小，損失率僅為0.00075，該段長40.247 km，渠段全部襯砌，且輸水期間該段無引水，故損失率最小，與輸水渠段實(shí)際情況相符。因此，渠段損失率分析成果是合理的，與輸水渠段實(shí)際情況相符。

4.1.3 輸水率分析計算成果

根據(jù)各渠段引出水量、槽蓄水量和各渠段損失率，分別對引出水量和槽蓄水量自上游向下游逐站進(jìn)行還原計算。

渠段間引出水量按引出口水量扣除引出口到渠段下斷面間損失水量，將引出水量還原到渠段下斷面；下一渠段下斷面引出水量還原計算為上渠段還原引出水量扣除本渠段損失量與本渠段引出還原水量之和，本渠段引出水量還原計算方法同前；用同樣方法依次向下渠段演算，各斷面還原引出水量為該斷面以上引出量的累計值。用相同的方法還原計算各斷面槽蓄水量。2017—2018年度5處流量站輸水期間水量還原計算結(jié)果及各渠段輸水率，詳見表5。

表5 2017—2018年度引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段各渠段輸水率分析計算成果

2017—2018年度各渠段輸水率分析成果顯示，甘稱灣站至濮陽南站渠段和濮陽北站至穿衛(wèi)站渠段輸水率不同，主要是受渠道襯砌與否的影響，甘稱灣站至濮陽南站渠段40 km完全襯砌，濮陽北站至穿衛(wèi)站渠段28.5 km僅10 km有襯砌，因此前一段輸水率要高于后者；南湖站至甘稱灣站渠段有沉沙池，輸水渠段最短，輸水率最低。因此，渠段輸水率分析成果也是合理的。根據(jù)各渠段輸水率結(jié)果，分析得出2017—2018年度河南段綜合輸水率約為86%。

4.2 2018—2019年度輸水率計算與分析

4.2.1 分析方法

本次輸水率分析結(jié)束時段選擇同一較完整退水過程，因此不再考慮槽蓄量，也不考慮降水補(bǔ)給量，采用的水量平衡方程基本公式為：

4.2.2 輸水率分析計算成果

2018—2019年度輸水期間，因缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，無法對引出水量進(jìn)行合理的還原計算與分析，各渠段輸水率為實(shí)測輸水率。

為了盡可能排除引出水量對輸水率的影響，從各渠段中選擇具有代表性的時段進(jìn)行輸水率的分析計算，以推求更接近天然情況下的正常輸水率。代表時段選擇的原則是：上下游流量過程對應(yīng)較好，不存在趨勢相反的現(xiàn)象及過程特點(diǎn)明顯，易于與其他時段進(jìn)行區(qū)分，且有明顯起漲點(diǎn)。其中，南湖—甘稱灣渠段受沉沙池影響，無法通過上下游對應(yīng)水位流量關(guān)系分析不受引出水量影響的渠段輸水率。各渠段實(shí)測輸水率及代表時段輸水率，詳見表6。

表6 2018—2019年度引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段各渠段輸水率分析計算成果

4.2.3 各渠段輸水率計算結(jié)果分析

（1）南湖—甘稱灣渠段。實(shí)測輸水率92.2%，較該渠段2017—2018年度的96.4%差別較大，分析原因是由輸水期間兩個沉沙池同時使用與區(qū)間引水共同所致，因此該渠段輸水率應(yīng)不低于2017—2018年度的96%較為合理。

（2）甘稱灣—濮陽南渠段。實(shí)測平均輸水率為94.8%，輸水前期代表時段輸水率為96%、中后期為97%，區(qū)域引水對該渠段的輸水率影響較大，因此分析認(rèn)為該渠段輸水率不低于97%較為合理。

（3）濮陽南—濮陽北渠段。實(shí)測平均輸水率為92.3%，輸水前期代表時段輸水率為99%、中后期為97%，區(qū)域引水對該渠段的輸水率影響較大；由于該渠段僅約9 km，且完全襯砌，認(rèn)為渠段水量損失3%是偏大的，因此分析認(rèn)為該渠段輸水率不低于99%較為合理。

（4）濮陽北—穿衛(wèi)渠段。實(shí)測平均輸水率為91.4%，輸水初期沒有符合分析輸水率時段選取原則的有代表性渠段，不再進(jìn)行初期輸水率分析，輸水中后期為95%，區(qū)域引水對該渠段的輸水率影響較大，因此分析認(rèn)為該渠段輸水率不低于95%較為合理。

綜上，2018—2019年度河南段綜合輸水率不低于88%較為合理。

通過選取受區(qū)間引水干擾小的時段進(jìn)行輸水率計算，結(jié)合試通水輸水率成果、河段長度與特性進(jìn)行綜合分析，得出各渠段及整個河南段總輸水率是基本合理的。

4.3 引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段輸水率計算成果分析

4.3.1 各渠段輸水率計算成果對比分析

2017—2018年度試通水、2018—2019年度輸水分析所得的輸水率與工程全部完工并按設(shè)計流量輸水情況下的輸水率相比，不論是工程方面還是調(diào)度、管理方面都有差別。從工程方面看，試通水時工程尚未全部完工，還有部分渠段未襯砌，增大了滲漏損失；從調(diào)度方面看，輸水流量與設(shè)計正常輸水流量還有一定差距，沿途損失占總水量的比重會相對加大；從管理方面看，沿線引水口門管理還不規(guī)范，準(zhǔn)確控制引出水量還有難度。

（1）南湖—甘稱灣渠段。該渠段2018—2019年度實(shí)測平均輸水率92.2%較2017—2018年度96.4%偏小，分析原因是2018—2019年度引水期間2個沉沙池同時投入使用，與2017—2018年度前期使用單個沉沙池、后期使用2個沉沙池相比，損失水量增加，同時，不排除區(qū)間有引出水量的可能。因此，分析認(rèn)為，沉沙池按設(shè)計方式運(yùn)行情況下，該渠段輸水率不低于96%較為合理。

（2）甘稱灣—濮陽南渠段。該渠段2017—2018年度輸水率為97.0%，2018—2019年度分析輸水率不低于97.0%，因此該渠段輸水率不低于97%較為合理。

（3）濮陽南—濮陽北渠段。該渠段2017—2018年度輸水率為99%，2018—2019年度分析輸水率不低于99.0%，因此該渠段輸水率不低于99%較為合理。

（4）濮陽北—穿衛(wèi)渠段。該渠段2017—2018年度輸水率為93%，2018—2019年度分析輸水率不低于95%；由于2017—2018年度輸水期間，河南段部分渠段未襯砌，增大了滲漏損失分析，認(rèn)為該渠段輸水率不低于95%較為合理。

4.3.2 引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段輸水率計算分析成果

結(jié)合2017—2018年度和2018—2019年度2個年度的輸水監(jiān)測分析成果，南湖—甘稱灣渠段輸水率不低于96%，甘稱灣—濮陽南渠段不低于97%，濮陽南—濮陽北渠段不低于99%，濮陽北—穿衛(wèi)渠段不低于95%。引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段天然綜合輸水率不低于88%。

4.4 2019—2021年歷次調(diào)水過程引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段綜合輸水率

2019—2021年，引黃入冀補(bǔ)淀工程向河北省輸水5次，渠首引黃閘累計放水16.8億m3，冀豫省界穿衛(wèi)站累計收水13.1億m3，河南段多年平均輸水率78.1%。歷次輸水過程渠首放水量和豫冀省界收水量情況，詳見表7。

表7 2019—2021年引黃入冀補(bǔ)淀工程輸水情況統(tǒng)計

表7的計算結(jié)果表明，2019—2021年5次輸水過程的輸水率均小于90%的設(shè)計輸水率和88%的測驗(yàn)成果分析輸水率。分析原因主要有以下幾個方面：①渠首放水流量、豫冀省界收水流量遠(yuǎn)小于設(shè)計流量100、61.4 m3/s；②河南段輸水渠道沿線閘涵在流量超過65 m3/s時，多處閘擋板存在漏水、倒灌現(xiàn)象，造成輸水損失加大；③輸水規(guī)模與輸水時間遠(yuǎn)超設(shè)計規(guī)模，加劇了沉沙池的淤積，而沉沙池的淤積反過來又造成渠道輸水能力下降，無法達(dá)到設(shè)計輸水能力，也會對渠道輸水率造成較大影響；④沿線引水口門引水管理不規(guī)范，河南段引出水量導(dǎo)致河北入境水量偏小，也導(dǎo)致總干渠河南段輸水率較低。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

在總干渠按照設(shè)計流量與規(guī)模進(jìn)行輸水、整治改善工程漏水、按時清理沉沙池的情況下，河南段天然綜合輸水率不低于88%較為合理。

5.2 建議

從工程方面，建議加快對河南段工程跑冒滴漏現(xiàn)象的整治，特別是對按照設(shè)計流量進(jìn)行輸水時漏水嚴(yán)重的斗門的加固；從調(diào)度方面，建議按照設(shè)計規(guī)模與輸水時間進(jìn)行輸水，同時加大渠首放水流量至設(shè)計流量；從管理方面，建議加強(qiáng)引水沿線引退水工程的規(guī)范化管理，干渠及各引水口門應(yīng)安裝自動監(jiān)測設(shè)備，全程監(jiān)測水量變化，提高引退水計量的準(zhǔn)確性，同時按照設(shè)計要求及時清理沉沙池淤積泥沙。