引黄入冀补淀总干渠河南段输水率测验研究

陈利者，任彤，吴昱樨，王旭东

（海河水利委员会水文局，天津 300170）

1 前言

引黄入冀补淀工程总干渠（以下简称总干渠）是解决河南、河北两省水资源时空分布不均匀的一条有效途径，在兼顾河南、河北沿线部分地区农业用水的前提下，为白洋淀实施生态补水。工程全部为自流引水，线路总长482 km，其中河南省境内84 km、河北省境内398 km[1]。

输水率是反映输水效率的重要指标[2]。掌握输水线路各时期和各渠段的水量信息和输水效率，对于提高输水运行调度效率，确保水资源适时、适量、高效地输送到指定用水区具有重要意义。

2 总干渠河南段概况

2.1 总干渠设计引水规模和流量

总干渠年均引黄水量73700万m3，设计引水流量100.0 m3/s，其中河南省年均引黄水量11700万m3，设计引水流量32.2 m3/s；河北省年均引黄水量62000万m3，设计引水流量67.8 m3/s，河北调水在河南段损失流量6.40 m3/s，总干渠河南段设计输水率为90.6%[1]。

2.2 总干渠河南段输水线路及水利工程概况

2.2.1 输水线路

自渠村引黄闸引水，经1#枢纽分流入南湖干渠后汇入第三濮清南干渠，沿第三濮清南干渠至金堤河倒虹吸，经皇甫闸、顺河闸、范石村闸，走第三濮清南西支至苏堤节制闸向西北，至清丰县南留固村穿卫河入东风渠[1]。

2.2.2 渠道衬砌情况

总干渠在河南段内基本采用老渠道扩挖改建而成，其中渠首引黄闸下游55 km范围内的渠道渠坡和渠底均有混凝土衬砌或浆砌石衬砌、55～84 km范围内渠段仅部分渠道的渠坡进行衬砌[1]。

2.2.3 水利工程概况

总干渠河南段渠线上布置的控制建筑物有节制闸、分水闸、退水闸、防洪闸共4类7座，大型的河渠交叉建筑物2座，跨渠桥梁125座，分水口门98处[1]。

总干渠新建2条梭型条渠沉沙池，设计引水流量100 m3/s。当一条条渠淤满后，启用另外一条条渠，总干渠不会因为清淤而断流。沉沙池多年平均淤积量217.97万m3[1]。

3 输水测验方案及实施

3.1 站点布置

以满足输水渠水量平衡、掌握水位与流量时程变化为目标，在总干渠渠首、沉沙池出口、输水渠道衬砌变化段、行政区界等处布设水位与流量监测站5处，分别为南湖站、甘称湾站、濮阳南站、濮阳北站和穿卫站[3]。站点布设详见表1，如图1所示。

图1 引黄入冀补淀工程河南段监测站点布设

表1 引黄入冀补淀工程河南段监测站点布设情况

其中，甘称湾至濮阳南渠段为总干渠完整衬砌代表段。

3.2 测验方案

3.2.1 测验时间

引黄入冀补淀工程原则上每年冬4月（11月—翌年2月）实施调水，选择2017—2018年度试通水和2018—2019年度整个输水期作为测验时间。

3.2.2 测验方法

（1）水位。全天候利用雷达水位计观测5处水位站水位，每日8、16时进行人工订正校核，人工校核采用水尺直读方式观测[4]。

（2）流量。5处流量站流量监测以走航式ADCP和流速仪法为主测方式、浮标法为临时测验方式，每日8、16时施测2次。

3.2.3 测验成果分析方法

采用面积包围法计算逐日平均水位；以临时曲线法为主、以连实测流量过程线法为辅推求流量，日平均流量通过加权计算求得；采用平均流量法计算每日过水量[4]。

3.3 测验成果

3.3.1 2017—2018年度测验成果

（1）总干渠各监测站实测水量。2017—2018年度总干渠南湖站、甘称湾站、濮阳南站、濮阳北站、穿卫站实测水量分别为6253万、6025万、5725万、5127万、4435万m3，详见表2。

表2 2017—2018年度总干渠实测水量统计

（2）区间引水量。2017—2018年度输水期间，濮阳南站以上渠段沿线未引水，沿线引水主要在濮阳南站以下渠段，其中濮阳南站至濮阳北站渠段有濮水河引水闸和龙湖引水闸间断引水、濮阳北站至穿卫站渠段有阳邵引水闸间断引水，引水总量741.7万m3。

（3）槽蓄水量。2018年1月4日8时（分析结束时间），在沉沙池以下渠段，皇甫节制闸和阳邵节制闸实施关闭，渠道内水量不能退泄，形成槽蓄。渠段槽蓄总水量约为242.5万m3，其中南湖站至甘称湾站渠段槽蓄水量忽略不计，甘称湾站至濮阳南站渠段槽蓄水量118.1万m3，濮阳南至濮阳北段槽蓄水量30.62万m3，濮阳北至穿卫段槽蓄水量93.79万m3。

3.3.2 2018—2019年度测验成果

（1）总干渠各监测站实测水量。2018—2019年度总干渠南湖站、甘称湾站、濮阳南站、濮阳北站、穿卫站实测水量分别为37640万、34700万、32910万、30360万、27760万m3，详见表3。

表3 2018—2019年度总干渠实测水量统计

（2）区间引水量。2018—2019年度输水期间，河南段各引水口门计划外引水现象多发，据并不完全统计，2018年12月下旬—2019年2月上旬，除濮水闸、龙湖闸、阳邵闸等规模较大引水口门不定期引水外，还有20余处口门不定期引水，实测最大引水流量9.29 m3/s。由于引水口门众多、位置分散、时间不定等客观因素，根据掌握的实测资料，无法准确地推算输水期间引出水量。

（3）槽蓄水量。2018—2019年度采用全程法进行测验分析，即采用一个完成的输水过程，自渠首提闸放水开始至各站尾水退水结束为止，因此槽蓄水量忽略不计。

4 输水率的计算及分析

输水率是指输水总量扣除综合损失水量占输水总量的比率，它是反映输水效率的重要指标，是指导跨流域输水管理的主要依据。要确定输水率，首先应确定输水损失，输水损失计算可以采用理论或经验公式计算[5]。理论计算方法主要是求解各种初始、边界条件下的渠道的渗流基本方程；经验公式计算主要通过对现场实测资料的统计分析或专门试验得出[2]。

因引黄入冀补淀工程运行时间较短、实测数据不充足，且2017年11月试通水期间部分渠段未完成衬砌，致使渗流方程的多个参数无法进行准确率定，故本次输水损失率计算采用水量平衡原理，按照2017—2018年度和2018—2019年度2个输水时段分别进行计算。

4.1 2017—2018年度输水率计算与分析

4.1.1 分析方法

本次分析不考虑降水补给量，采用的水量平衡方程基本公式为：

式中：W入为渠段入口控制断面水量（万m3）；W出为渠段出口控制断面水量（万m3）；W分为渠段分出水量（万m3）；W损为渠段输水损失量（万m3），包括渗漏和蒸发；W蓄为渠段槽蓄水量（万m3）。

输水损失率是反映输水渠道水量沿程损失变化，是单位渠长水量损失率。

输水损失率计算公式为：

式中：q为渠段输水损失率；L为渠段长度（km）；其余变量意义同前文所述。

4.1.2 输水损失率分析计算成果

本次输水损失率计算，根据各渠段上游来水、下游出水、区间引水及区间渠段槽蓄水量进行水量平衡分析，得出各渠段单位距离渠段输水损失率成果，详见表4。

表4 2017—2018年度引黄入冀补淀工程河南段各渠段输水损失统计成果

2017—2018年度引黄入冀补淀工程河南段渠段单位渠长损失率分析结果显示，南湖站至甘称湾站渠段最大，损失率为0.00739，该段长4.934 km，约2.5 km长的沉沙池全部在该段，故损失率最大；甘称湾站至濮阳南站渠段最小，损失率仅为0.00075，该段长40.247 km，渠段全部衬砌，且输水期间该段无引水，故损失率最小，与输水渠段实际情况相符。因此，渠段损失率分析成果是合理的，与输水渠段实际情况相符。

4.1.3 输水率分析计算成果

根据各渠段引出水量、槽蓄水量和各渠段损失率，分别对引出水量和槽蓄水量自上游向下游逐站进行还原计算。

渠段间引出水量按引出口水量扣除引出口到渠段下断面间损失水量，将引出水量还原到渠段下断面；下一渠段下断面引出水量还原计算为上渠段还原引出水量扣除本渠段损失量与本渠段引出还原水量之和，本渠段引出水量还原计算方法同前；用同样方法依次向下渠段演算，各断面还原引出水量为该断面以上引出量的累计值。用相同的方法还原计算各断面槽蓄水量。2017—2018年度5处流量站输水期间水量还原计算结果及各渠段输水率，详见表5。

表5 2017—2018年度引黄入冀补淀工程河南段各渠段输水率分析计算成果

2017—2018年度各渠段输水率分析成果显示，甘称湾站至濮阳南站渠段和濮阳北站至穿卫站渠段输水率不同，主要是受渠道衬砌与否的影响，甘称湾站至濮阳南站渠段40 km完全衬砌，濮阳北站至穿卫站渠段28.5 km仅10 km有衬砌，因此前一段输水率要高于后者；南湖站至甘称湾站渠段有沉沙池，输水渠段最短，输水率最低。因此，渠段输水率分析成果也是合理的。根据各渠段输水率结果，分析得出2017—2018年度河南段综合输水率约为86%。

4.2 2018—2019年度输水率计算与分析

4.2.1 分析方法

本次输水率分析结束时段选择同一较完整退水过程，因此不再考虑槽蓄量，也不考虑降水补给量，采用的水量平衡方程基本公式为：

4.2.2 输水率分析计算成果

2018—2019年度输水期间，因缺乏实测数据，无法对引出水量进行合理的还原计算与分析，各渠段输水率为实测输水率。

为了尽可能排除引出水量对输水率的影响，从各渠段中选择具有代表性的时段进行输水率的分析计算，以推求更接近天然情况下的正常输水率。代表时段选择的原则是：上下游流量过程对应较好，不存在趋势相反的现象及过程特点明显，易于与其他时段进行区分，且有明显起涨点。其中，南湖—甘称湾渠段受沉沙池影响，无法通过上下游对应水位流量关系分析不受引出水量影响的渠段输水率。各渠段实测输水率及代表时段输水率，详见表6。

表6 2018—2019年度引黄入冀补淀工程河南段各渠段输水率分析计算成果

4.2.3 各渠段输水率计算结果分析

（1）南湖—甘称湾渠段。实测输水率92.2%，较该渠段2017—2018年度的96.4%差别较大，分析原因是由输水期间两个沉沙池同时使用与区间引水共同所致，因此该渠段输水率应不低于2017—2018年度的96%较为合理。

（2）甘称湾—濮阳南渠段。实测平均输水率为94.8%，输水前期代表时段输水率为96%、中后期为97%，区域引水对该渠段的输水率影响较大，因此分析认为该渠段输水率不低于97%较为合理。

（3）濮阳南—濮阳北渠段。实测平均输水率为92.3%，输水前期代表时段输水率为99%、中后期为97%，区域引水对该渠段的输水率影响较大；由于该渠段仅约9 km，且完全衬砌，认为渠段水量损失3%是偏大的，因此分析认为该渠段输水率不低于99%较为合理。

（4）濮阳北—穿卫渠段。实测平均输水率为91.4%，输水初期没有符合分析输水率时段选取原则的有代表性渠段，不再进行初期输水率分析，输水中后期为95%，区域引水对该渠段的输水率影响较大，因此分析认为该渠段输水率不低于95%较为合理。

综上，2018—2019年度河南段综合输水率不低于88%较为合理。

通过选取受区间引水干扰小的时段进行输水率计算，结合试通水输水率成果、河段长度与特性进行综合分析，得出各渠段及整个河南段总输水率是基本合理的。

4.3 引黄入冀补淀工程河南段输水率计算成果分析

4.3.1 各渠段输水率计算成果对比分析

2017—2018年度试通水、2018—2019年度输水分析所得的输水率与工程全部完工并按设计流量输水情况下的输水率相比，不论是工程方面还是调度、管理方面都有差别。从工程方面看，试通水时工程尚未全部完工，还有部分渠段未衬砌，增大了渗漏损失；从调度方面看，输水流量与设计正常输水流量还有一定差距，沿途损失占总水量的比重会相对加大；从管理方面看，沿线引水口门管理还不规范，准确控制引出水量还有难度。

（1）南湖—甘称湾渠段。该渠段2018—2019年度实测平均输水率92.2%较2017—2018年度96.4%偏小，分析原因是2018—2019年度引水期间2个沉沙池同时投入使用，与2017—2018年度前期使用单个沉沙池、后期使用2个沉沙池相比，损失水量增加，同时，不排除区间有引出水量的可能。因此，分析认为，沉沙池按设计方式运行情况下，该渠段输水率不低于96%较为合理。

（2）甘称湾—濮阳南渠段。该渠段2017—2018年度输水率为97.0%，2018—2019年度分析输水率不低于97.0%，因此该渠段输水率不低于97%较为合理。

（3）濮阳南—濮阳北渠段。该渠段2017—2018年度输水率为99%，2018—2019年度分析输水率不低于99.0%，因此该渠段输水率不低于99%较为合理。

（4）濮阳北—穿卫渠段。该渠段2017—2018年度输水率为93%，2018—2019年度分析输水率不低于95%；由于2017—2018年度输水期间，河南段部分渠段未衬砌，增大了渗漏损失分析，认为该渠段输水率不低于95%较为合理。

4.3.2 引黄入冀补淀工程河南段输水率计算分析成果

结合2017—2018年度和2018—2019年度2个年度的输水监测分析成果，南湖—甘称湾渠段输水率不低于96%，甘称湾—濮阳南渠段不低于97%，濮阳南—濮阳北渠段不低于99%，濮阳北—穿卫渠段不低于95%。引黄入冀补淀工程河南段天然综合输水率不低于88%。

4.4 2019—2021年历次调水过程引黄入冀补淀工程河南段综合输水率

2019—2021年，引黄入冀补淀工程向河北省输水5次，渠首引黄闸累计放水16.8亿m3，冀豫省界穿卫站累计收水13.1亿m3，河南段多年平均输水率78.1%。历次输水过程渠首放水量和豫冀省界收水量情况，详见表7。

表7 2019—2021年引黄入冀补淀工程输水情况统计

表7的计算结果表明，2019—2021年5次输水过程的输水率均小于90%的设计输水率和88%的测验成果分析输水率。分析原因主要有以下几个方面：①渠首放水流量、豫冀省界收水流量远小于设计流量100、61.4 m3/s；②河南段输水渠道沿线闸涵在流量超过65 m3/s时，多处闸挡板存在漏水、倒灌现象，造成输水损失加大；③输水规模与输水时间远超设计规模，加剧了沉沙池的淤积，而沉沙池的淤积反过来又造成渠道输水能力下降，无法达到设计输水能力，也会对渠道输水率造成较大影响；④沿线引水口门引水管理不规范，河南段引出水量导致河北入境水量偏小，也导致总干渠河南段输水率较低。

5 结论与建议

5.1 结论

在总干渠按照设计流量与规模进行输水、整治改善工程漏水、按时清理沉沙池的情况下，河南段天然综合输水率不低于88%较为合理。

5.2 建议

从工程方面，建议加快对河南段工程跑冒滴漏现象的整治，特别是对按照设计流量进行输水时漏水严重的斗门的加固；从调度方面，建议按照设计规模与输水时间进行输水，同时加大渠首放水流量至设计流量；从管理方面，建议加强引水沿线引退水工程的规范化管理，干渠及各引水口门应安装自动监测设备，全程监测水量变化，提高引退水计量的准确性，同时按照设计要求及时清理沉沙池淤积泥沙。