金昌市引硫济金工程输水效率分析

胡铁军 王增丽

(1.甘肃省武威水文站，甘肃 武威 733000；2.武威市水利科技推广中心，甘肃 武威 733000)

金昌市位于河西走廊东部，石羊河水系西部，北临巴丹吉林沙漠，人口密集，水资源开发利用程度较高，用水矛盾极为突出。该市属大陆性干旱气候，受全球气候变暖、祁连山冰川雪线上移、上游水源涵养能力下降等因素影响，蒸发大、降水少且不均衡，地表水资源呈逐年减少趋势，上下游及供需用水矛盾日益突出，缺水问题严重制约着金昌市经济社会的稳定发展。为此，1995年金昌市启动跨流域调水工程——引硫济金工程。2003年，甘肃省、青海省联合开发硫磺沟水资源，每年按硫磺沟年来水量的88%给金昌输水，设计年调水量0.4亿m3。引硫济金工程是“引大济西”的一期工程，规划用水指标近期为0.4亿m3，远期为2.5亿m3。自2003年工程建成投入使用以来，有效缓解了金昌市水资源短缺，解决了生产生活用水矛盾问题，为金昌经济社会稳定和可持续发展提供了有力的水安全保障。输水效率分析对于水利部门水资源调度工作具有重要意义，有利于找出输水效率偏低的原因，通过工程措施或者调度手段提高输水效率，达到提高水资源利用的目的。引硫济金工程已运行多年，输水效率为跨流域调水的关键性指标，其值的测算可为我国西线调水和甘肃省水安全保障规划之河西内陆河调水提供水资源利用基础参数和决策参考。

1 工程概况

引硫济金工程由引水枢纽和引水隧洞组成，引水枢纽位于青海省门源县皇城乡境内的硫磺沟石峡门上游700m处，主要建筑物有进水闸、泄冲闸、溢流坝，设计引水流量7.5m3/s，最大限制流量19.5m3/s。引水长度约28km，工程等别为Ⅲ等。该工程横跨青海、甘肃两省，地处高寒山区，为低坝自流引水工程，工程任务为生活供水和灌溉供水，设计年引水量4000万m3，设计灌溉面积5.50万亩，工程输水线路区涉及青海省海北藏族自治州的门源回族自治县，甘肃省张掖市的山丹县、金昌市的永昌县和金川区。引硫济金工程调水路线见图1。

图1 引硫济金工程调水路线

引硫济金工程引水口至西大河水库段的取水口位于青海省门源县境内硫磺沟石峡门上游，经过8.8km隧洞，到小平羌口河位置输出，通过小平羌口河、西大河流入西大河水库，河长25.0km。该区域位于祁连山山区，区域内气候寒冷，输水隧洞水量损失以渗漏为主；天然河道输水损失主要有蒸发、地下水补给渗漏，由于山丘区地表和地下水相互交换频繁，该段以蒸发为主。

西大河水库至金川峡水库段总长75km，可分为三段：西大河水库至石梯子总干渠渠首段，为天然河道，长度11km；石梯子总干渠渠首至西金输水渠渠首段，主要由混凝土砌成，长度14km；西金输水渠渠首至金川峡水库段，长度50km，其中西金输水渠长39km。西大河水库至金川峡水库段，水量损失主要以渗漏和蒸发为主。西金干渠建成于1977年，承担西河灌区、四坝灌区灌溉输水任务，同时兼顾引硫济金工程调水，即西大河水库向金川峡水库输水任务，其渠道设计流量为6.00m3/s。金昌市于2012年完成了西金干渠的改扩建，改扩建后设计流量为7.20m3/s，同时提高了输水效率。

金川峡水库至工农渠段总长8km，该段主要是天然河段，主要由细砂石和砂土组成，水量损失以渗漏和蒸发为主。金川河工农渠首枢纽工程位于金川河出山口迎山坡处，始建于1965年，2015年11月金川河工农渠首泄洪闸除险加固工程开工建设，2017年5月完成全部建设任务。工农渠首枢纽工程承担着金昌市区、河西堡镇工农业、城市居民的供水任务。

2 分析方法及资料来源

遵循水量平衡原理，利用水文资料、水资源公报和水利统计数据，采用数理统计分析方法，并通过引硫济金工程沿途分段布设的水文测验断面实测流量来验证、测算、分析沿程水量损失。由于调水线路途经天然河道、人工渠道、水库等，按照不同区段分为五段进行测算，在每段河(渠)道的入口和出口设水文监测断面进行流量实测，计算其差值，差值与入口水量的比值为该段输水效率，再采用首尾计算法得到工程综合输水效率。

资料来源：一是收集整理西大河流域西大河水库、金川河金川峡2个国家基本水文站的实测径流、地下水、降水资料系列汇编刊印成果；二是收集水利部门有关工程建设、灌区、人畜、生态及工业用水统计数据以及水资源公报，全面了解和掌握域内气候变化、水资源供需平衡等情况。

3 典型点位引水量分析

3.1 硫磺沟引水量分析

硫磺沟2003—2019年引水量变化见图2。由图2可知，硫磺沟年际内引水量变化幅度明显，其中2010年实际引水量最高，为3269.07万m3；2019年实际引水量最低，为303.62万m3；年度实际引水量变化曲线与设计调水量基本一致。此外，多年平均引水量为2306.50万m3，多年平均实际引水量为2075.90万m3，实际引水量低于设计标准。2003—2019年硫磺沟月平均引水量见图3。由图3可知，在不同年度内引水量变化规律呈先增加后减少的趋势，其中峰值出现在7月份，月平均引水量为757万m3；最低值出现在11月份，月平均引水量为101万m3。

图2 硫磺沟2003—2019年引水量年际变化

图3 硫磺沟2003—2019年月平均引水量变化

3.2 西金引水渠引水量分析

西金引水渠2003—2019年引水量年际变化见图4。由图4可知，西金引水渠末端平均年引水量为3436万m3，年均引水流量为1.09m3/s；其中2003年、2010年和2012年的引水量均超过5000万m3，2014年、2015年引水量在4800万～4960万m3之间，其他年度引水量均低于4000万m3。西金引水渠设计每年向金川峡水库引水5000万m3，含引硫济金调水量4000万m3、西大河向金川峡水库调水1000万m3。经资料统计，多年平均引水量小于设计引水量。

图4 西金引水渠2003—2019年引水量年际变化

4 工程不同区段输水效率变化分析

4.1 不同区段引水量变化分析

2019年，因硫磺沟调水隧道出口生态保护项目工程建设，只调水337.36万m3，属特殊年份，因此不参与本次分析计算。2003—2018年引硫济金工程月平均引水量变化见图5。由图5可知，2003—2018年不同区段引水量变化规律基本一致，均随引水长度的增加引水量呈减少趋势。2003—2018年硫磺沟引水口累计引水量为42200万m3，工农渠首引水量为26800万m3。2007年不同区段引水量较其他年份低，分析原因为当年石羊河流域降水量较多，年平均增加31%、来水量增多22%，属丰水年。

图5 2003—2018年引硫济金工程月平均引水量变化

4.2 不同区段输水效率分析

在分析过程中，按照水量平衡原理，以引硫济金工程沿途水库、河道、干渠引水渠实测水文资料为基础，对河(渠)道渗漏损失、河(渠)道水利用系数进行测算，输水损失包括渗水损失、漏水损失以及水面蒸发损失。依据流程特点，将引硫济金工程分为硫磺沟引水口至西大河水库、西大河水库至西金干渠渠首、西金干渠渠首至金川峡水文站、金川峡水文站至金川峡水库、金川峡水库至工农渠首引水口五段进行引水量和输水效率分析。引硫济金工程不同区段输水效率见表1。

表1 引硫济金工程不同区段输水效率

硫磺沟引水口至西大河水库段输水效率为0.95，这与该段主要由混凝土浇筑而成，水量损失较小，以及河道有冰雪融化以汇流、渗出方式补充有关。西大河水库至西金干渠渠首输水效率较一段偏低，主要原因为西大河水库出库至石梯子渠首段为天然河道，存在深层渗漏。西金干渠渠首至金川峡水文站段的输水效率为全程最低，仅为0.83，分析原因与该段输送距离较长且渠道年久老化，渠坡冻胀变形，渠底渗漏等因素有关，导致输水糙率增加，过流能力降低。

4.3 综合输水效率分析

将2003—2018年引硫济金工程取水口引水量与引水末端的工农渠引水量列于表2，并根据首尾计算法对该工程全程输水效率进行分析。由表2可知，虽然不同区段输水效率均高于0.80，但其折损的累积效应明显，2003—2018年的全程输水效率为0.615～0.634之间，多年综合输水效率为0.635。

表2 2003—2018年引硫济金工程综合输水效率分析

5 结果讨论

a.引硫济金工程在运行中，渠道输水效率受渠道防渗措施、渠床土壤特性、工程完好状况、渠道过水流量等因素影响明显。防渗渠道随使用年限的延长，渠道渗水越大，渠道输水效率越低。水流、风、水中的化学物质对工程渠道的防渗设施均有一定程度的破坏，正常养护情况下，渠道渗漏是渠道输水损失的主要原因。分析结果表明，引硫济金工程的输水效率随区段流量的增大而增大，这与赵然杭的研究结果一致，引硫济金工程运行多年后，部分渠段因超使用年限、冻胀变形等原因造成引水渠道衬砌结构破坏、渠道渗漏加剧，增大了引水损失。

b.输水效率的准确与否影响调度方案的精度。加强工程调度管理，实现工程水资源优化调度，提高水资源利用效率尤为重要。

c.水资源分布不均匀性与人类社会需水不均衡性的客观存在，使得跨流域调水成为解决水资源供需矛盾的重要途径之一。如何高效利用、合理配置是重要课题，应在工程运行中探索解决。

d.引硫济金工程年度引水量接近或略低于设计年调水量，硫磺沟引水量最高，工农渠首引水量最低。由于该工程处于典型的大陆性气候带，蒸发强烈，加之处于横向断裂带构造区，引硫济金工程综合输水效率为0.635，其中硫磺沟引水口至西大河水库段输水效率最高，西金干渠渠首至金川峡水文站段输水效率最低。

6 结 语

引硫济金工程已成为促进金昌市经济社会发展的重要动力，稳定调水规模、提高输水效率刻不容缓。本文分析了引硫济金工程的沿程水量损失和分段输水效率，计算出了工程的综合输水效率，指出了影响渠道输水效率的因素。今后应加大工程保养措施，保障工程运行安全；加强工程调度管理，根据实际需求水量进行引水，优化调度运行方案，提高精细化调度管理水平，持续发挥工程效益。本研究成果可作为皇城、西大河与金川峡水库以及在建韩家峡水库联合调度调蓄工程的技术依据。