南水北调中线一期工程总干渠输水损失变化规律

2022-11-15冯志勇李立群吴永妍黄会勇王磊

南水北调与水利科技 2022年3期

冯志勇，李立群，吴永妍，黄会勇，王磊

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司水利规划院，武汉 430010；2.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038)

长距离调水工程输水损失是水量计量、水量调度计划编制的关键参数[1-3]。研究确定输水工程输水损失，对实现精准调度、确保供水安全、提高调度管理水平具有重要意义[4-5]。

渗漏被认为是造成渠道输水损失的主要原因之一。目前计算渠道渗漏的方法主要有现场试验[6]、经验模型[7]和数值模拟[8-9]等3类，其中经验模型所需参数较少，使用较为简便，得到了广泛的应用[10-15]，如《灌溉规划规范》(GB/T 50509—2009)[10]推荐采用考斯加可夫公式计算渠道渗漏损失，该公式考虑了防渗措施和地下水顶托对渠道渗漏损失的影响。谢崇宝等[12]将随机理论引入渠道渗漏计算中，建立了渠道渗漏损失随机模型，分析了某大型引黄灌区不同轮灌组对渗漏损失的影响。肖雪等[13]以新疆伊犁喀什河下游灌区为例，评估了几种常见的渠道渗漏损失公式的计算精度。廖相成等[14]考虑了输水过程中渠床土壤湿润程度变化，建立了渠道渗漏损失动态计算模型，验证结果显示，在实际运行过程中动态计算输水损失更为合理。已有研究从影响渠道渗漏的不同因素出发，提供了确定渠道输水损失的经验方法，这对于调水工程规划设计阶段是适用的。然而在工程实际运行过程中，受蒸发、降雨等气候条件变化和地下水入渗等工程条件变化等多个因素影响，渠道输水损失多呈现出较为明显的时空变化过程，尤其对于长距离大型调水工程[16-17]。

南水北调中线一期工程自2014年12月正式通水以来，北调水量不断增加，截至2021年11月累计调水超430亿m3，在促进经济社会发展和生态环境保护方面发挥了重要作用。中线工程规划设计阶段提出陶岔渠首至北京团城湖的水利用系数为0.84[18]。实际运行监测数据表明，总干渠实际输水损失和规划设计值存在一定差异，因此有必要研究中线总干渠输水损失变化规律，为实现精准调度和后续工程高质量发展提供参考。

以南水北调中线一期工程为例，基于工程实际运行观测资料，采用水量平衡原理计算中线总干渠典型渠段不同时段输水损失，分析其变化规律，研究不同渠道渗漏经验公式的适用性，并初步分析中线总干渠输水损失变化的主要影响因素。

1 计算方法

1.1 水量平衡法

根据水量平衡原理，计算渠段某一时段的输水损失

(1)

式中：SL为研究时段内渠段输水漏损流量，m3/s；Δt为研究时段时长，s；Qin、Qout分别为渠段入渠流量和出渠流量，m3/s；Qfen和Qtui分别为研究时段内渠段分水流量和退水流量，m3/s；V1和V2分别为研究时段初始和终止时刻渠段蓄水体积，m3，根据实测水位采用分段求和法计算得到。用输水漏损流量除以入渠流量，可得无量纲化参数输水损失率为

(2)

1.2 经验公式法

渠道输水损失与渠底土壤性质、渠道防渗措施和渠道输水条件等因素有关[19]。现行的经验公式主要有以下4种[20]：

Davison-Wilson公式：

(3)

式中：Pw为湿周，m；L是渠道长度，m；u为渠道流速，m3/s；Hw为渠道水深，m；C1是计算参数，取值与渠道衬砌类别有关。

莫里兹公式：

(4)

式中：Q为渠道流量，m3/s；C2是与土壤类型有关的计算参数；其他符号含义同前。

Molesworth公式：

(5)

式中：A为渠道过水断面面积，m3/s；B为渠段水面宽度，m；C3是与土壤特性有关的系数；其他符号含义同前。

考斯加可夫公式：

SL=1×10-5aLQ1-m

(6)

式中：a和m分别为渠床土壤透水系数和透水指数；其他符号含义同前。当考虑地下水顶托和渠道衬砌防渗影响后，式(6)表示为

SL=1×10-5rβaLQ1-m

(7)

式中：r为地下水顶托修正系数；β为防渗折减系数。

2 研究范围及数据选取

2.1 典型渠段选择

南水北调中线工程共布置有63个节制闸，将总干渠划分为64个渠段，不同渠段的设计参数和布置型式具有一定的相似性，因此可选择典型渠段开展输水损失研究。为排除退水流量计算误差对输水损失计算的影响，首先在黄河以南和黄河以北选择无退水闸分布渠段，分别为玉带河—北汝河渠段和北易水—坟庄河渠段。此外，中线一期工程年度水量调度计划及水量调度时，以陶岔渠首、刁河渡槽进口、草墩河渡槽进口及岗头隧洞进口作为主要控制断面，因此，选择刁河—湍河、黄金河—草墩河、蒲阳河—岗头渠段作为典型渠段。结合分布位置和工程特性，选择牤牛河—沁河渠段作为典型渠段以全面分析总干渠沿线不同区域输水损失变化。6个典型渠段的分布位置见图1，对应渠段工程参数见表1。

图1 南水北调中线工程典型渠段分布Fig.1 Distribution of typical canal sections in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

表1 南水北调中线工程典型渠段工程参数Tab.1 Characteristics of typical canal sections of MR-SNWTP

2.2 数据选取

实测数据的真实性和可靠性是采用水量平衡法计算渠段输水损失的关键。研究收集了2018年1月—2021年4月南水北调中线总干渠典型渠段首尾节制闸每2 h的过闸流量、闸前水位、闸后水位数据，以及沿线各分、退水口门流量数据，并对流量和水位监测数据进行一致性检验，剔除因断电等造成的监测值跳变。同时根据已有率定成果[21]对中线节制闸过闸流量进行修正，以减少测流误差对渠段输水损失计算的影响。由于中线总干渠沿线退水闸缺少长序列流量监测资料，其流量过程采用过闸流量公式计算。典型渠段2018—2021年运行参数见表2。

表2 2018—2021年南水北调中线工程典型渠段运行参数Tab.2 Operating parameters of typical canal sections of MR-SNWTP from 2018 to 2021

3 计算结果

3.1 输水损失时空变化规律

基于运行观测资料，计算南水北调中线工程各典型渠段不同时段内的输水损失。计算结果表明，不同时间尺度下的渠段输水损失计算结果差异较大，渠段输水损失存在明显时空变化见图2。

图2 南水北调中线典型渠段年均输水损失变化Fig.2 Variation in annual average water loss in typical canal sections of MR-SNWTP

从年均输水损失大小来看:黄河以南黄金河—草墩河渠段2018—2020年年均输水损失均大于0，平均输水漏损流量为3.17 m3/s，对应输水损失率为0.71%～1.93%；黄河以北蒲阳河—岗头渠段2018—2020年年均输水损失均大于0，由于入渠流量规模小于黄金河—草墩河渠段，平均输水漏损流量较小，为0.91 m3/s，但输水损失率与黄金河—草墩河渠段接近，为0.70%～1.56%;刁河—湍河和牤牛河—沁河渠段2018—2020年年均输水损失有正有负，平均输水漏损流量接近，分别为0.51 m3/s和0.65 m3/s，但由于刁河—湍河渠段入渠流量规模较大，其平均输水损失率仅为0.18%，小于牤牛河—沁河渠段的0.6%;北易水—坟庄河渠段输水损失较小，2018—2020年年均输水漏损流量的平均值仅为0.05 m3/s，对应输水损失率为0.12%;玉带河—北汝河渠段2018—2020年年均输水损失以负为主，平均输水漏损流量为-0.66 m3/s,对应输水损失为-0.31%。

从年均输水损失变化来看:2018—2020年刁河—湍河和黄金河—草墩河渠段年均输水漏损流量表现出逐渐增加态势，分别从2018年的-1.41 m3/s和1.36 m3/s逐渐增加至2020年的2.25 m3/s和4.51 m3/s；而玉带河—北汝河和牤牛河—沁河渠段年均输水损失则表现出逐年减小的态势，年均输水漏损流量分别从0.15 m3/s和2.22 m3/s减小至-1.41 m3/s和-2.05 m3/s;蒲阳河—岗头渠段2018—2020年年均输水漏损流量先减小后增加；北易水—坟庄河渠段2018—2020年年均输水漏损流量呈逐渐减小趋势。受年际间入渠流量变化影响，2018—2020年黄金河—草墩河渠段输水损失率的变化过程有别于输水漏损流量，表现为2020年输水损失率小于2019年结果，其他渠段输水损失率年际变化趋势与输水漏损流量一致。

2018—2020年不同典型渠段的月均输水损失变化也存在差异,详见图3。黄河以南渠段月均输水漏损流量变化整体大于黄河以北渠段，但两者月均输水损失率的变化幅度基本相当，表明渠段输水漏损流量与入渠流量规模有关，即入渠流量越大，渠段输水漏损流量越大。黄河以南玉带河—北汝河渠段2018—2020年月均输水损失呈明显季节性变化，7—10月月均输水漏损流量的平均值为-2.27 m3/s，其余月份输水漏损流量的平均值为0.14 m3/s。该渠段月均输水损失率变化幅度较月均输水漏损流量变化幅度小，但也表现出汛期输水损失明显小于其余月份输水损失的特点。黄金河—草墩河渠段2018—2020年月均输水漏损流量较大，最大月均输水漏损流量为9月的4.91 m3/s，对应输水损失率也最大，为1.98%。

图3 南水北调中线典型渠段月均输水损失变化Fig.3 Variation in monthly average water loss in typical canal sections of MR-SNWTP

黄河以北牤牛河—沁河渠段月均输水损失变化较大，表现为2018—2020年1—4月月均输水漏损流量明显大于其余月份。蒲阳河—岗头渠段和北易水—坟庄河渠段月均输水漏损流量的变化幅度均较小，分别为0.45～1.58 m3/s和-0.68～0.52 m3/s。由于入渠流量规模较小，当转换为输水损失率时，两个渠段的输水损失变幅明显增加。

基于实测数据序列，计算各典型渠段2018年1月—2021年4月逐日输水漏损流量。采用db 4小波对计算结果进行6层小波分解，对第6层低频系数进行重构，得到典型渠段输水漏损流量的主要变化过程，见图4。不同渠段的逐日输水漏损流量变化存在明显差异。刁河—湍河渠段2018—2021年逐日输水漏损流量整体表现出逐渐增加的态势(p<0.01)。黄金河—草墩河渠段逐日输水漏损流量在2019年5月前在1.3 m3/s附近波动，随后快速增加，在2019年9月达到最大，后波动减小至2019年5月前水平。玉带河—北汝河渠段逐日输水漏损流量在2018年4—6月、2018年9—12月、2019年6—12月和2020年3—12月这4个时段内变化较大，第1个时段内输水漏损流量先增大、后减小，后3个时段输水漏损流量均表现出先减小、后增大的变化特点。

图4 南水北调中线典型渠段逐日输水损失变化Fig.4 Variation in daily average water loss in typical canal sections of MR-SNWTP

黄河以北渠段2018—2021年逐日输水漏损流量变幅较黄河以南渠段相对较小，牤牛河—沁河和蒲阳河—岗头渠段逐日输水漏损流量在2020年4月前变幅较小，平均值分别为1.91 m3/s和0.69 m3/s，随后两个渠段的输水漏损流量发生较大变化，分别表现出减小和增加态势。北易水—坟庄河渠段2018—2021年逐日输水漏损流量变幅相对较小，但在2018年12月—2019年3月也发生较为明显的波动。

3.2 不同输水损失计算方法对比分析

采用4种经验公式，分别计算中线总干渠典型渠段的输水漏损流量。根据典型渠段工程特性，结合相关文献，式(3)、式(4)、式(5)中的计算参数C1、C2、C3分别取值为1、0.34、0.001 5[20]。南水北调中线总干渠沿线地质条件差异较大，为简便起见，认为沿线渠床土质为重黏壤土，式(7)中的渠床土壤透水系数和透水指数分别取1.30和0.35[10]，同时考虑防渗和地下水顶托对输水损失的影响，式(7)中的防渗折减系数和地下水顶托修正系数分别取0.1和0.5[10]，其他计算参数如水深、湿周、过水断面面积等根据渠道运行监测数据和工程设计参数计算得到。采用经验公式计算得到的6个典型渠段的输水漏损流量与采用水量平衡法计算得到的输水漏损流量的对比结果见表3。

表3 经验公式与水量平衡法计算的渠道输水漏损流量对比Tab.3 Comparison between calculated water loss by using empirical canal water loss formula and calculated results derived from the principle of water balance 单位：m3/s

不同方法计算得到的渠段输水漏损流量差异较大。考虑了流速或流量等水力因素变化影响的Davison-Wilson公式、莫里兹公式和Molesworth公式计算得到的渠段输水损失随时空变化，输水漏损流量方差在0.01～0.44 m3/s。其中:Molesworth公式由于未考虑渠道防渗措施对输水损失的折减效应，计算得到的6个典型渠段输水漏损流量均值和变幅均较其他3种经验方法结果明显偏大;Davison-Wilson公式计算得到的输水漏损流量均值在部分渠段与采用水量平衡法得到的结果接近，如牤牛河—沁河渠段和北易水—坟庄河渠段，但计算变幅明显小于水量平衡法计算结果;考斯加可夫公式由于未考虑水力因素变化对输水损失的影响，各典型渠段计算的输水漏损流量为恒定值，尽管在刁河—湍河渠段与水量平衡法结果一致，但该公式无法反映渠段输水损失随时间的变化过程。

采用水量平衡法计算得到的渠段输水损失是考虑了蒸发、渗漏、降雨等多种因素影响的广义输水损失，这与基于渗漏理论推导得到的渠段输水损失经验公式明显不同，这是导致水量平衡法结果与经验公式结果差异较大的主要原因。此外，已有渠道渗漏经验公式中的计算参数是根据特定环境下的实测渗漏损失率定得到的，参数有一定适用范围。当输水工程渠段内水深、流速、流量等运行环境条件与初始条件差异较大时，采用经验公式估算得到的输水损失可能较真实情况出现明显偏差。

3.3 输水损失变化因素分析

上述计算结果显示，黄河以南渠段输水漏损流量大小和变幅均大于黄河以北渠段，但两者输水损失率间的差异较小，说明渠段输水漏损流量与入渠流量规模关系密切，入渠流量越大，渠段输水漏损流量越大，入渠流量规模不同是导致中线总干渠输水漏损流量沿程差异的重要原因。此外，计算结果还表明同一渠段不同时期的输水损失也有明显差异。鉴于中线总干渠采用混凝土衬砌，外加铺设防渗土工膜进行防渗处理，渠底渗透系数相对较小[22]，因此可能存在外部因素导致中线总干渠渠段输水损失发生明显时空变化。下面分别从自然条件、工程运行条件变化和测流误差等3方面来阐述外部因素对渠段输水损失的影响。

3.3.1自然条件变化

南水北调中线工程总干渠输水渠线全长1 432 km，自南向北途经豫、冀、京、津4省(直辖市)，沿线自然气象条件复杂多变。Ma等[16]采用Penman蒸发模型模拟了蒸发影响下中线总干渠输水损失变化，发现渠段输水损失由北向南逐渐减少，黄河以北渠段输水损失月际变化明显小于以南渠段，这与本文采用水量平衡法计算得到的输水漏损流量结果一致，说明蒸发变化是导致南水北调中线渠段输水损失变化的重要因素之一。

降雨通过坡面入汇使得入渠流量增加，也是导致中线总干渠输水损失变化的重要因素。玉带河—北汝河渠段2018—2021年计算输水漏损流量与邻近宝丰气象站降雨量的对比结果(图5)显示：2018年6—10月、2019年6—9月和2020年5—9月这3个汛期时段内该渠段附近降雨量明显偏大，对应时段内的计算输水漏损流量基本小于0；而其余降雨量较小时段内的计算输水漏损流量基本大于0，说明降雨量变化也会导致中线总干渠渠段输水损失变化。此外，冰期冻融也是影响中线总干渠黄河以北渠段输水损失的重要因素，这主要表现为北易水—坟庄河渠段2018年12月—2019年3月冰期计算输水漏损流量发生较为明显的波动。

图5 玉带河—北汝河渠段2018—2021年逐日输水损失与降雨量的关系Fig.5 The relationship between daily average water loss and precipitation in the canal section from Yudaihe to Beiruhe from 2018 to 2021

3.3.2工程运行条件变化

渠道运行水位或入渠流量变化通过改变渠段内水体接触面积，导致输水损失发生变化。南水北调中线工程已稳定运行多年，渠段内水深、湿周等水力条件总体变幅较小，但2020年4—6月实施了首次加大流量输水试验，大流量输水条件下渠段水力条件发生明显变化，可能导致输水损失相应发生变化[23]。如黄金河—草墩河渠段2020年大流量输水试验前的输水漏损流量与入渠流量基本成正相关关系(R2=0.49，p<0.01)，而在大流量输水试验期间，该渠段输水漏损流量随入渠流量快速增加(R2=0.54，p<0.01)(图6)，表明大流量输水试验等输水工程运行调度变化也可能造成渠段输水漏损流量变化。此外，南水北调中线部分渠段边坡地下水埋深较小，内外压力差可能导致地下水反渗进入总干渠，也是导致中线渠段输水损失随时空变化的原因之一[24]。

图6 黄金河—草墩河渠段大流量输水试验前后计算输水漏损流量与入渠流量的关系Fig.6 The relationship between calculated water loss and inlet discharge before and after the experiment of large discharge of water transfer in the canal section from Huangjinhe to Caodunhe

3.3.3测流误差

实测流量、水位数据的准确性和一致性直接影响采用水量平衡公式计算渠段输水损失的精度。测流误差的来源可以分为系统误差和偶然误差，已有研究报告显示中线总干渠各节制闸流量计均已经过率定[21]，系统误差较小，但偶然误差难以避免，可能会对渠段输水损失计算造成较大影响[25]。例如当假定入渠、出渠流量实测值存在3%的偶然误差时，基于蒙特卡洛模拟，采用水量平衡公式计算得到的2019年4月6日—7月15日北易水—坟庄河渠段的输水漏损流量90%置信区间的变化范围为-2.59～3.51 m3/s，与时段内平均输水漏损流量0.46 m3/s差异较大，因此在采用水量平衡法计算渠段输水损失时，应对多次计算结果进行平滑处理，以消除偶然误差对渠段输水损失计算结果的影响。