胡鐵軍 王增麗

(1.甘肅省武威水文站，甘肅 武威 733000；2.武威市水利科技推廣中心，甘肅 武威 733000)

金昌市位于河西走廊東部，石羊河水系西部，北臨巴丹吉林沙漠，人口密集，水資源開發(fā)利用程度較高，用水矛盾極為突出。該市屬大陸性干旱氣候，受全球氣候變暖、祁連山冰川雪線上移、上游水源涵養(yǎng)能力下降等因素影響，蒸發(fā)大、降水少且不均衡，地表水資源呈逐年減少趨勢，上下游及供需用水矛盾日益突出，缺水問題嚴重制約著金昌市經(jīng)濟社會的穩(wěn)定發(fā)展。為此，1995年金昌市啟動跨流域調(diào)水工程——引硫濟金工程。2003年，甘肅省、青海省聯(lián)合開發(fā)硫磺溝水資源，每年按硫磺溝年來水量的88%給金昌輸水，設(shè)計年調(diào)水量0.4億m3。引硫濟金工程是“引大濟西”的一期工程，規(guī)劃用水指標近期為0.4億m3，遠期為2.5億m3。自2003年工程建成投入使用以來，有效緩解了金昌市水資源短缺，解決了生產(chǎn)生活用水矛盾問題，為金昌經(jīng)濟社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的水安全保障。輸水效率分析對于水利部門水資源調(diào)度工作具有重要意義，有利于找出輸水效率偏低的原因，通過工程措施或者調(diào)度手段提高輸水效率，達到提高水資源利用的目的。引硫濟金工程已運行多年，輸水效率為跨流域調(diào)水的關(guān)鍵性指標，其值的測算可為我國西線調(diào)水和甘肅省水安全保障規(guī)劃之河西內(nèi)陸河調(diào)水提供水資源利用基礎(chǔ)參數(shù)和決策參考。

1 工程概況

引硫濟金工程由引水樞紐和引水隧洞組成，引水樞紐位于青海省門源縣皇城鄉(xiāng)境內(nèi)的硫磺溝石峽門上游700m處，主要建筑物有進水閘、泄沖閘、溢流壩，設(shè)計引水流量7.5m3/s，最大限制流量19.5m3/s。引水長度約28km，工程等別為Ⅲ等。該工程橫跨青海、甘肅兩省，地處高寒山區(qū)，為低壩自流引水工程，工程任務(wù)為生活供水和灌溉供水，設(shè)計年引水量4000萬m3，設(shè)計灌溉面積5.50萬畝，工程輸水線路區(qū)涉及青海省海北藏族自治州的門源回族自治縣，甘肅省張掖市的山丹縣、金昌市的永昌縣和金川區(qū)。引硫濟金工程調(diào)水路線見圖1。

圖1 引硫濟金工程調(diào)水路線

引硫濟金工程引水口至西大河水庫段的取水口位于青海省門源縣境內(nèi)硫磺溝石峽門上游，經(jīng)過8.8km隧洞，到小平羌口河位置輸出，通過小平羌口河、西大河流入西大河水庫，河長25.0km。該區(qū)域位于祁連山山區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣候寒冷，輸水隧洞水量損失以滲漏為主；天然河道輸水損失主要有蒸發(fā)、地下水補給滲漏，由于山丘區(qū)地表和地下水相互交換頻繁，該段以蒸發(fā)為主。

西大河水庫至金川峽水庫段總長75km，可分為三段：西大河水庫至石梯子總干渠渠首段，為天然河道，長度11km；石梯子總干渠渠首至西金輸水渠渠首段，主要由混凝土砌成，長度14km；西金輸水渠渠首至金川峽水庫段，長度50km，其中西金輸水渠長39km。西大河水庫至金川峽水庫段，水量損失主要以滲漏和蒸發(fā)為主。西金干渠建成于1977年，承擔西河灌區(qū)、四壩灌區(qū)灌溉輸水任務(wù)，同時兼顧引硫濟金工程調(diào)水，即西大河水庫向金川峽水庫輸水任務(wù)，其渠道設(shè)計流量為6.00m3/s。金昌市于2012年完成了西金干渠的改擴建，改擴建后設(shè)計流量為7.20m3/s，同時提高了輸水效率。

金川峽水庫至工農(nóng)渠段總長8km，該段主要是天然河段，主要由細砂石和砂土組成，水量損失以滲漏和蒸發(fā)為主。金川河工農(nóng)渠首樞紐工程位于金川河出山口迎山坡處，始建于1965年，2015年11月金川河工農(nóng)渠首泄洪閘除險加固工程開工建設(shè)，2017年5月完成全部建設(shè)任務(wù)。工農(nóng)渠首樞紐工程承擔著金昌市區(qū)、河西堡鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)、城市居民的供水任務(wù)。

2 分析方法及資料來源

遵循水量平衡原理，利用水文資料、水資源公報和水利統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，并通過引硫濟金工程沿途分段布設(shè)的水文測驗斷面實測流量來驗證、測算、分析沿程水量損失。由于調(diào)水線路途經(jīng)天然河道、人工渠道、水庫等，按照不同區(qū)段分為五段進行測算，在每段河(渠)道的入口和出口設(shè)水文監(jiān)測斷面進行流量實測，計算其差值，差值與入口水量的比值為該段輸水效率，再采用首尾計算法得到工程綜合輸水效率。

資料來源：一是收集整理西大河流域西大河水庫、金川河金川峽2個國家基本水文站的實測徑流、地下水、降水資料系列匯編刊印成果；二是收集水利部門有關(guān)工程建設(shè)、灌區(qū)、人畜、生態(tài)及工業(yè)用水統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及水資源公報，全面了解和掌握域內(nèi)氣候變化、水資源供需平衡等情況。

3 典型點位引水量分析

3.1 硫磺溝引水量分析

硫磺溝2003—2019年引水量變化見圖2。由圖2可知，硫磺溝年際內(nèi)引水量變化幅度明顯，其中2010年實際引水量最高，為3269.07萬m3；2019年實際引水量最低，為303.62萬m3；年度實際引水量變化曲線與設(shè)計調(diào)水量基本一致。此外，多年平均引水量為2306.50萬m3，多年平均實際引水量為2075.90萬m3，實際引水量低于設(shè)計標準。2003—2019年硫磺溝月平均引水量見圖3。由圖3可知，在不同年度內(nèi)引水量變化規(guī)律呈先增加后減少的趨勢，其中峰值出現(xiàn)在7月份，月平均引水量為757萬m3；最低值出現(xiàn)在11月份，月平均引水量為101萬m3。

圖2 硫磺溝2003—2019年引水量年際變化

圖3 硫磺溝2003—2019年月平均引水量變化

3.2 西金引水渠引水量分析

西金引水渠2003—2019年引水量年際變化見圖4。由圖4可知，西金引水渠末端平均年引水量為3436萬m3，年均引水流量為1.09m3/s；其中2003年、2010年和2012年的引水量均超過5000萬m3，2014年、2015年引水量在4800萬～4960萬m3之間，其他年度引水量均低于4000萬m3。西金引水渠設(shè)計每年向金川峽水庫引水5000萬m3，含引硫濟金調(diào)水量4000萬m3、西大河向金川峽水庫調(diào)水1000萬m3。經(jīng)資料統(tǒng)計，多年平均引水量小于設(shè)計引水量。

圖4 西金引水渠2003—2019年引水量年際變化

4 工程不同區(qū)段輸水效率變化分析

4.1 不同區(qū)段引水量變化分析

2019年，因硫磺溝調(diào)水隧道出口生態(tài)保護項目工程建設(shè)，只調(diào)水337.36萬m3，屬特殊年份，因此不參與本次分析計算。2003—2018年引硫濟金工程月平均引水量變化見圖5。由圖5可知，2003—2018年不同區(qū)段引水量變化規(guī)律基本一致，均隨引水長度的增加引水量呈減少趨勢。2003—2018年硫磺溝引水口累計引水量為42200萬m3，工農(nóng)渠首引水量為26800萬m3。2007年不同區(qū)段引水量較其他年份低，分析原因為當年石羊河流域降水量較多，年平均增加31%、來水量增多22%，屬豐水年。

圖5 2003—2018年引硫濟金工程月平均引水量變化

4.2 不同區(qū)段輸水效率分析

在分析過程中，按照水量平衡原理，以引硫濟金工程沿途水庫、河道、干渠引水渠實測水文資料為基礎(chǔ)，對河(渠)道滲漏損失、河(渠)道水利用系數(shù)進行測算，輸水損失包括滲水損失、漏水損失以及水面蒸發(fā)損失。依據(jù)流程特點，將引硫濟金工程分為硫磺溝引水口至西大河水庫、西大河水庫至西金干渠渠首、西金干渠渠首至金川峽水文站、金川峽水文站至金川峽水庫、金川峽水庫至工農(nóng)渠首引水口五段進行引水量和輸水效率分析。引硫濟金工程不同區(qū)段輸水效率見表1。

表1 引硫濟金工程不同區(qū)段輸水效率

硫磺溝引水口至西大河水庫段輸水效率為0.95，這與該段主要由混凝土澆筑而成，水量損失較小，以及河道有冰雪融化以匯流、滲出方式補充有關(guān)。西大河水庫至西金干渠渠首輸水效率較一段偏低，主要原因為西大河水庫出庫至石梯子渠首段為天然河道，存在深層滲漏。西金干渠渠首至金川峽水文站段的輸水效率為全程最低，僅為0.83，分析原因與該段輸送距離較長且渠道年久老化，渠坡凍脹變形，渠底滲漏等因素有關(guān)，導(dǎo)致輸水糙率增加，過流能力降低。

4.3 綜合輸水效率分析

將2003—2018年引硫濟金工程取水口引水量與引水末端的工農(nóng)渠引水量列于表2，并根據(jù)首尾計算法對該工程全程輸水效率進行分析。由表2可知，雖然不同區(qū)段輸水效率均高于0.80，但其折損的累積效應(yīng)明顯，2003—2018年的全程輸水效率為0.615～0.634之間，多年綜合輸水效率為0.635。

表2 2003—2018年引硫濟金工程綜合輸水效率分析

5 結(jié)果討論

a.引硫濟金工程在運行中，渠道輸水效率受渠道防滲措施、渠床土壤特性、工程完好狀況、渠道過水流量等因素影響明顯。防滲渠道隨使用年限的延長，渠道滲水越大，渠道輸水效率越低。水流、風、水中的化學(xué)物質(zhì)對工程渠道的防滲設(shè)施均有一定程度的破壞，正常養(yǎng)護情況下，渠道滲漏是渠道輸水損失的主要原因。分析結(jié)果表明，引硫濟金工程的輸水效率隨區(qū)段流量的增大而增大，這與趙然杭的研究結(jié)果一致，引硫濟金工程運行多年后，部分渠段因超使用年限、凍脹變形等原因造成引水渠道襯砌結(jié)構(gòu)破壞、渠道滲漏加劇，增大了引水損失。

b.輸水效率的準確與否影響調(diào)度方案的精度。加強工程調(diào)度管理，實現(xiàn)工程水資源優(yōu)化調(diào)度，提高水資源利用效率尤為重要。

c.水資源分布不均勻性與人類社會需水不均衡性的客觀存在，使得跨流域調(diào)水成為解決水資源供需矛盾的重要途徑之一。如何高效利用、合理配置是重要課題，應(yīng)在工程運行中探索解決。

d.引硫濟金工程年度引水量接近或略低于設(shè)計年調(diào)水量，硫磺溝引水量最高，工農(nóng)渠首引水量最低。由于該工程處于典型的大陸性氣候帶，蒸發(fā)強烈，加之處于橫向斷裂帶構(gòu)造區(qū)，引硫濟金工程綜合輸水效率為0.635，其中硫磺溝引水口至西大河水庫段輸水效率最高，西金干渠渠首至金川峽水文站段輸水效率最低。

6 結(jié) 語

引硫濟金工程已成為促進金昌市經(jīng)濟社會發(fā)展的重要動力，穩(wěn)定調(diào)水規(guī)模、提高輸水效率刻不容緩。本文分析了引硫濟金工程的沿程水量損失和分段輸水效率，計算出了工程的綜合輸水效率，指出了影響渠道輸水效率的因素。今后應(yīng)加大工程保養(yǎng)措施，保障工程運行安全；加強工程調(diào)度管理，根據(jù)實際需求水量進行引水，優(yōu)化調(diào)度運行方案，提高精細化調(diào)度管理水平，持續(xù)發(fā)揮工程效益。本研究成果可作為皇城、西大河與金川峽水庫以及在建韓家峽水庫聯(lián)合調(diào)度調(diào)蓄工程的技術(shù)依據(jù)。