小流域无实测资料地区引水工程引水流量问题探析

2018-07-10何海吉

四川建筑 2018年3期

何海吉

(西充县水务局，四川西充 637200)

1　项目概况

四川省南充市西充县城是四川有名的“旱城”，水资源短缺严重扼制了西充经济的发展。为实现西充“绿色发展、美丽西充”，特别是提升城市水体净化能力和优化城市水系，西充县开展了“引嘉入西”工程(将上游嘉陵江的水引入西充县)，以现有河床条件为基础，最大限度实现河道枯水期保持较为稳定的水面宽度和水深，自然河床不淤、不冲；实现城景相融、人水和谐、改善区域水生态的环境；兼顾县域沿线用水需要，发挥引水流量的最大效益；长远解决区域饮水水源特别是城市饮水水源。

1.1　流域概况

西充县城河道水系主要包括虹溪河、象溪河和阳溪河，主流为虹溪河，发源于西充县中岭乡刘家沟，依次流经西充县复安乡、凤鸣镇、西充县城、莲池乡后，进入嘉陵区境内，虹溪河干流被大磉磴桥、橡胶坝和转水湾拱坝等3处挡水堰坝分成了三段(图1)。

图1　虹溪河流域分布

1.2　水文资料来源

虹溪河流域无实测水文资料，附近西河有开封、升钟和建设乡三个水文站，吉安河有赵家祠水文站，吉安河赵家祠站控制流域面积与本流域面积相对较为接近。本流域与吉安河均位于嘉陵江右岸，年降雨基本接近，流域地形地势及汇流条件相似。赵家祠站各级水位测次分布合理，历年整编资料可用。赵家祠水文站基本资料在升钟水库历次灌区规划设计过程中，省水利院作过多次审查复核工作，认为资料可靠，本次复核后认为该站资料能够满足设计精度的要求，经综合分析，选择赵家祠水文站作为设计参证站。

1.3　径流资料来源

虹溪河的径流主要由降雨补给，径流的年内年际变化和降雨的变化一致。年径流量呈丰枯水交替变化。丰枯水年的年径流相差也较大。径流在年内的分配极不均匀。

利用赵家祠站1959～2010年的流量系列，按年及枯期时段分别进行统计后，用数学期望公式计算系列各项的经验频率，以矩法计算统计参数的初值，采用P-Ⅲ型理论频率曲线适线，确定出统计参数及设计值，根据《四川省水文手册》[5]多年平均降雨量等值线图分析，虹溪河与吉安河两流域多年平均降雨量均为900 mm左右，十分接近，因此不进行雨量修正，直接按面积比将赵家祠站径流成果水文比拟至西充县城虹溪河，成果见表1。

2　引水流量计算

引水工程引水时段为常年引流，以现有河床条件为基础，最大限度实现河道枯水期保持较为稳定的水面宽度和水深，保证自然河床不淤、不冲。

2.1　控制断面水位与流量关系

西充县城的虹溪河被大磉磴桥、橡胶坝和转水湾拱坝等3处挡水堰坝分成了三段，以上述3处挡水堰坝为控制断面，分别推算水位流量关系曲线(图2～图4)。

表1　西充县城虹溪河设计径流成果

图2　大磉磴桥水位流量关系曲线

图3　橡胶坝水位流量关系曲线

图4　转水湾拱坝水位流量关系曲线

由图2～图4可以看出河道控制断面处水位随流量的增大而逐渐增大，但是增大的趋势逐渐减小。三个断面处水位流量关系基本相同，由此可以确定整个虹溪河河道水位流量大致呈对数关系。

2.2　河道水力计算

将西充县城虹溪河划分为三个河段分别进行水面线计算：大磉磴桥以上河段，橡胶坝至大磉磴桥河段，以及转水湾拱坝至橡胶坝河段，采用18个河道横断面，断面间距20～835 m，断面位置能够较好的控制河段，可以较正确反映水位、流速等水力参数。河道断面如图5所示。

图5　河道断面

计算流量选用虹溪河枯期(11～3月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s。各控制断面的水位根据前面水位流量关系查值确定。计算河段水文边界条件如表2所示。

表2　河道水文边界条件

参考水力学天然河道糙率表，两岸已建堤河段取值0.028，仅一岸已建堤河段取值0.030，未建堤河段取值0.035。

对于中小河流，水力要素的计算是通过建立一维水流数学模型，采用逐段试算法推求各计算断面沿程水面线。河床比降较小的河道，从下游向上游逐断面进行水面线的计算。依据上述一维数学模型，采用HEC-RAS4.0模拟计算系统进行计算(表3)。

表3　河道水面线计算结果表

2.3　引水后河道水力要素对比

计算流量为虹溪河枯期(11月～3次年月)多年平均流量0.13～0.25 m3/s的基础上叠加补水流量，各控制断面的水位根据前面水位流量关系确定，补水流量分为10个等级，从1 m3/s逐渐增加至10 m3/s，将划分的18个断面编号为1～18。按上述方法进行不同补水流量下的河道水面线计算，然后将水面线计算成果与引水前进行对比，引水前后河道水位、水面宽、平均流速对比如图6～图8所示。

图6　河道水位对比

图7　河道水面宽度对比

图8　河道平均流速对比

由图6～图8可以看出引水前后河道水位、水面宽度以及平均流速都有所增加，且引水流量与河道水位、水面宽度及平均流速增加值呈正相关关系。河道水位、水面宽度及流速平均值都在断面3和断面10处发生剧烈变化，这两处正是挡水堰所在位置，因此引水工程中挡水建筑物对河道水位、水面宽度及平均流速影响剧烈。河道水面宽度在断面13处突增至断面14达到最大，说明宽浅开阔河段水面宽度随补水流量增大发生明显增宽。由图8可看出河道平均流速在挡水建筑物处发生明显变化。

2.4　最佳引水流量分析与确定

本次引水工程主要是满足城市河道的水生态用水需求，改善、维持城市水生态环境，补水后河道水质、水面、水深、流速等水力要素应有较明显的变化。

从不同引水流量的水位变化情况看，转水湾拱坝、橡胶坝及大磉磴三处挡水堰为控制、保持堰上溢流，当控制断面堰上水深不小于0.2 m时，能够形成较明显水流瀑布的城景相融效果。由表3、图6可以计算出当引水流量增大到6 m3/s，水深不小于0.2 m的断面18个，占计算断面的100 %，因此引水流量不小于6 m3/s时即可满足要求。

从水面宽度变化情况看，大部分河段引水前后的水面宽度变化不大，仅宽浅开阔河段随引水流量增大而水面宽度变化明显。

从流速变化情况看，根据国内外河道生态流量研究有关成果，0.2～0.5 m的水深和0.05～0.2 m/s流速的河道，基本能够维持藻类、无脊椎动物、鱼类等水生动植物的生长，而西充县城河道无特殊、珍稀动植物，因此构建基本的水生态即可。

通过不同补水流量情况下河道各计算断面的水位、水深、水面宽度、平均流速上述综合比较分析，从工程建设的角度考虑，河道补水流量越大，引水工程投资和运行费用越高。从计算数据看，河道补水流量为5 m3/s时，转水湾拱坝、橡胶坝、大磉磴挡水堰(坝)的堰上水深分别达到0.27 m、0.21 m、0.28 m，平均流速分别达到1.023 m/s、0.821 m/s、0.798 m/s，其它计算断面的水深、水面宽度和平均流速也有所增加，象溪河西门桥处河道水深为0.74 m，河道形成不断的水流后，可维持基本的河道水生态。因此河道枯水期补水，引水流量可考虑4～6 m3/s，推荐5.0 m3/s。考虑区域其他用水需求，设计输水能力可选择加大引水流量6.0 m3/s。