水库放水渠道规模的计算方法探讨

2020-06-02岳旭

水利科技与经济 2020年5期

岳旭

(新疆呼图壁县水利局，新疆呼图壁 831200)

1 概述

新疆是干旱少雨地区，绝大多数河流属内陆河流，径流量年内分配极不均匀，大部分地区年降水量在200 mm以下，特别干旱地区年降水仅8 mm[1]。农业生产必须依靠灌溉，没有灌溉就没有农业。水利工程是新疆经济社会发展必不可少的重要基础工程，在流域的开发建设过程中，伴随着农业的逐步发展，单纯依靠从河道引水已不能满足生产的需要，必须修建水库，通过水库对径流进行调节，才能满足区域社会经济发展的需要。截至2000年，新疆已建成各类水库488座，其中大型水库19座，中型水库117座，小型水库352座，总库容77.17×108m3，现状供水能力124.59×108m3/a，占地表总供水量的23.22%。由此可见，水库调节对新疆农业灌溉起着非常重要的作用。在水库和灌区间起桥梁纽带作用的水库放水渠道，作为农业调节灌溉的输水工程，具有非常重要的地位。

2 常规渠道规模的计算

常规渠道规模的确定方法主要采用设计灌水率法计算。

2.1 渠道规模的计算方法

渠道流量是计算渠道正常工作条件下的水力因素，它是确定渠道纵横断面和渠系建筑物设计的主要依据。设计流量的确定，关系到工程造价、灌溉效益和农业增产。

渠道设计流量(规模)，就是灌溉农作物的净流量和渠道损失流量之和。为使渠道通过不同情况下的流量，并经常处于最优工作状态，在设计渠道时需用以下3种流量作为设计与校核之用。

1) 正常流量(Q正常)。正常流量(即通常所称的设计流量)表示渠道正常工作条件下通过的流量，它是渠道和渠系建筑物设计的主要依据。采用下式计算：

式中：Q正常为渠道的正常流量，m3/s；q最大为灌水率，m3/s·104hm2；A为渠道控制范围内的灌溉面积，104hm2；η为渠道至田间的灌溉水利用系数。

当利用灌水率来确定渠道的正常流量时，应取灌水率图上持续时间大于20天的最大灌水率值。如最大灌水率的持续时间小于20天，则可选用次大的灌水率，但要保证以次大灌水率推出的加大流量大于或等于由最大灌水率值推出的实际最大流量。否则，须以实际最大流量作为加大流量，而除以加大系数反推正常流量。

2) 最小流量(Q最小)。最小流量是用来检验核对下一级渠道的控制条件，以及确定节制建筑物的位置。它是采用设计灌水率图或灌溉用水流量过程线中的最小值来确定。渠道最小流量不应低于设计流量的40%，相应的渠道最小水深不宜小于设计水深的70%[2]。

3) 加大流量(Q加大)。加大流量是确定渠道堤顶高程的依据。加大流量一般按正常流量增加10%～30%，加大系数按《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-2018)中的规定，根据正常流量值的范围选取对应的加大系数。

2.1.1 续灌渠道

万亩以上灌区的干支渠应按续灌方式设计。续灌渠道应根据上述方法按设计流量、加大流量和最小流量进行计算。续灌渠道的设计流量可按下式计算：

式中：Qs为续灌渠道的设计流量，m3/s；qs为设计灌水率，m3/s·104hm2；As为该渠道灌溉面积，104hm2；ηs为该续灌渠道至田间的灌溉水利用系数[3]。

2.1.2 轮灌渠道

斗农渠应按轮灌方式设计，必要时支渠也可按轮灌方式设计[3]。

轮灌渠道只按设计流量进行计算，渠道的设计流量可按下式计算：

2.2 不同方法所适用的范围

万亩以上灌区的干支渠应按续灌方式设计。斗农渠应按轮灌方式设计，必要时支渠也可按轮灌方式设计。但设计中往往不重视以下几点要求：

2.2.1 续灌渠道

1) 如果设计灌水率选用的不是灌水率图中的最大灌水率，必须要复核加大流量是否大于或等于由最大灌水率值推出的实际最大流量，若小于由最大灌水率值推出的实际最大流量，须以实际最大流量作为加大流量，而除以加大系数反推设计流量。目前，大多数设计单位，往往不重视这一点，只是用满足灌水持续时间≥20天的灌水率(或者15天的灌水率)推求设计流量，以此确定渠道的规模，而不用最大灌水率值推出的实际最大流量去校核。所以最终设计的渠道流量往往比实际需要的灌溉流量小，无法满足农业灌溉需要。

2) 正常工作条件下的各级渠道水力要素应按设计流量计算确定，其平均流速应满足渠道不冲不淤的要求。

3) 岸顶超高和渠道高度应按加大流量计算，并按加大流量验算渠道的不冲流速。

4) 渠道的最低控制水位应按最小流量计算确定，并按最小流量验算渠道的不淤流速。这点往往也是设计单位容易忽视的，所以造成渠道淤积严重。

2.2.2 轮灌渠道

对于轮灌渠道因流量已经加大，故不再计算加大流量。

2.2.3ηn的取值

当设计中同时有干支渠时，干渠为续灌渠道，支渠为轮灌渠道，在计算渠道规模时，灌溉水利用系数的取值是有区别的。干渠的灌溉水利用系数为干渠至田间的灌溉水利用系数，而作为轮灌渠道的支渠的灌溉水利用系数则应该为支渠至田间的灌溉水利用系数，不能统一取一个值。

例如：假设η干=0.765，η支=0.788，η斗=0.873，η农=0.89，η田间=0.85，则

η干灌溉=η干渠系×η田间=0.398

η支灌溉=η支渠系×η田间=0.52

若支渠的灌溉水利用系数仍采用0.398，无形之中就扩大了支渠的规模。

3 水库参与调节的渠道规模的计算

3.1 水库调节的情况介绍

新疆干旱少雨，农业生产必须依靠灌溉，而新疆绝大多数河流属内陆河流，径流量年内分配极不均匀，春季占6%～55%，夏季22%～81%，秋季7%～24%，冬季0～14%。连续最大4个月水量占年水量的43%～90%，春秋缺水矛盾比较突出，无法满足农业灌溉的需要，必须通过水库对径流进行调节，才能满足区域社会经济发展的需要。

截至2000年，全区建成各类水库488座，其中大型水库19座，中型水库117座，小型水库352座，总库容77.17×108m3，现状供水能力124.59×108m3/a，占地表总供水量的23.22%。绝大多数水库为调节水库，引蓄冬闲水及夏季洪水，解决灌区春旱、秋缺用水矛盾，为农业调节灌溉发挥着非常重要的作用。

3.2 计算方法

3.2.1 灌水率法

渠道的设计流量可按下式计算：

式中：Qs为渠道的设计流量，m3/s；qs为设计灌水率，m3/s·104hm2；As为该渠道灌溉面积，104hm2；ηs为该渠道至田间的灌溉水利用系数。

根据水库所在灌区流域的径流特点和作物的灌溉需要，新疆水库多为一蓄一放、一蓄两放或两蓄两放的年内调节水库，水库放水渠并不是常年供水，而是根据水库的调节灌溉时间，间歇放水。因此，水库放水渠设计灌水率不能取水库所在灌区灌水率图上持续时间大于20天的最大灌水率值，应该根据水库多年的运行方式，选取灌水率图上与水库放水时段相对应的最大灌水率作为水库放水渠的设计灌水率。

3.2.2 水量法

渠道的设计流量可按下式计算：

式中：Qs为渠道的设计流量，m3/s；Wi为某放水时段最大放水量，m3；ti为最大放水量对应的放水时间，s。

3.3 灌水率法和水量法的区别与联系

3.3.1 区别

灌水率法与设计灌水率、灌溉面积及该渠道至田间的灌溉水利用系数有关，而水量法只与水库的放水时间和放水量有关，与设计灌水率、灌溉面积和灌溉水利用系数没有直接的关系。

3.3.2 联系

从公式表面来看，二者毫无联系，但二者却有着内在的联系。

水库的放水量是根据水库灌区的灌溉制度和水库调节的灌溉面积及该渠道至田间的灌溉水利用系数决定的。

水库的放水时间不仅与水库灌区的灌溉制度有关，还有一个很大的影响因素是流域特点。新疆的河流径流量年内分配极不均匀，需水和来水不匹配，需要水库水进行调节灌溉、满足下游灌区需要。

4 工程实例——哈拉快力水库第二放水渠规模的确定

4.1 玉龙喀什河流域特点

玉龙喀什河多年平均年径流量为22.3×108m3[3]，径流年际变化不大，但年内变化很大。流域降水集中在汛期6-8月份，径流量为17.98×108m3，水量占全年径流量的80.6%；春季3-5月份的径流量为1.26×108m3，仅占5.7%；秋冬季分别为2.47和0.58×108m3，占年径流的量的11.1%和2.6%。径流年内分配极不均匀，因此玉河流域灌区春旱秋缺矛盾突出，必须通过水库对径流进行调节，才能满足灌区需要。

4.2 哈拉快力水库概况

哈拉快力水库是新疆洛浦县境内的一座中型水库，引蓄玉龙喀什河河水，调节水库下游多鲁乡和拜什托格拉克乡0.753 3×104hm2耕地的灌溉用水。哈拉快力水库设计库容2 300×104m3，死库容70×104m3，由均质土坝、进水闸、两座放水涵洞组成。每年8月中旬至10月份，次年1月初至2月下旬两次蓄水(即引蓄冬闲水和汛期末洪水)，3月初开闸放水，6月份配完下游灌区用水后一直到10月初再开闸放水。哈拉快力水库多年平均引水量为3 508×104m3，年蓄水量3 500×104m3，年出库水量2 812×104m3，其中给多鲁干渠供水比例33%，拜什托格拉克干渠的供水比例为67%。给多鲁干渠供水的放水渠称为第一放水渠，给拜什托格拉克干渠供水的放水渠称为第二放水渠。哈拉快力水库第二放水渠放水过程线见表1[4]。

表1 水库第二放水渠放水过程线 /104 m3

4.3 拜什托格拉克干渠概况

拜什托格拉克干渠全长36.6 km，控制农田灌溉面积0.386 7×104hm2。主要从洛浦县红旗干渠引水，每年3-6月份、10-12月份通过哈拉快力水库第二放水渠放水调节灌溉，解决灌区春旱秋缺矛盾，满足灌区用水需要。多年平均地表水年引水量为4 820.72×104m3，其中水库放水1 884×104m3，从红旗干渠引水2 936.72×104m3。根据灌区的灌溉制度计算出灌区最大灌水率5.7 m3/s·104hm2，持续时间大于20天的最大灌水率为5.55 m3/s·104hm2，详见图1。据调查，灌区灌溉水利用系数为0.52[6]。

图1 拜什托格拉克乡灌区灌水率图

4.4 第二放水渠规模确定

根据玉龙喀什河流域的特点，流域降水集中在汛期6-8月份，其中6月份玉河来水量占全年的11.8%，7-8月份来水量占全年的68.8%。另由灌区作物需水量可知，灌区6月份需水量最大，而拜什托格拉克干渠从玉龙喀什河渠首途径洛浦总干渠、洛浦东干渠、红旗干渠自坦米恰卡尔闸口引水，由于渠道长、河道来水滞后。因此6月上中旬作物需水量大而地表来水量少，需要水库水进行调节灌溉、满足下游灌区需要。

4.4.1 灌水率法

由图1可知，6月上旬最大灌水率4.05 m3/s·104hm2，6月下旬最大灌水率5.55 m3/s·104hm2，根据水库多年的运行方式，哈拉快力水库第二放水渠放水时段集中在6月上中旬，因此应选取灌水率图上与水库放水时段相对应的6月上旬最大灌水率作为水库放水渠的设计灌水率。灌区控制灌溉面积为0.386 7×104hm2，灌区灌溉水利用系数为0.52。

采用灌水率法计算公式：

=0.27×5.8/0.52=3.0 m3/s

即放水渠设计流量为3.0 m3/s。

4.4.2 水量法

由表1哈拉快力水库第二放水渠放水过程线可知，第二放水渠6月份放水量最大，为435×104m3，放水时间集中在6月上中旬(15天)，解决作物需水量大但由于渠道长、河道来水滞后的矛盾。

采用水量法计算公式：

=435×104/(15×24×3600)=3.4 m3/s

即放水渠设计流量为3.4 m3/s。

4.4.3 结果分析

以上两种方法计算结果相差不大，经分析对比，用灌水率法确定的放水渠规模往往偏小，用水量法确定的放水渠规模与渠道现状基本相符。值得注意的是，针对起调节灌溉作用的水库放水渠，如果用灌水率法计算其规模，设计灌水率的选取一定要与水库放水时段相对应，否则将会出现偏差(例如：如果选取6月份最大灌水率0.37 m3/s·104hm2，则放水渠设计流量为4.13 m3/s)。