引黄河道输水损失系数的测验研究

(河北省衡水水文水资源勘测局，河北 衡水 053000)

上世纪90年代后期，河北省遭遇连续干旱，中南部沧州、衡水、邢台地区水资源严重不足，为此给人们带来了极大的生活困扰，造成了一系列的社会问题，而随着当地经济、工农业的发展，用水量日益剧增，供需矛盾突出。为缓解该地区严重缺水状况，通过国务院有关部门批准，实施了引黄入冀工程，从山东省黄河干流位山闸取水到河北境内。为合理配水调度和公平、公正的水费稽征，输水路线沿途建立了严密的水文监测站网，并在有代表性的主要输水河段建立了专门研究输水损失的试验断面。从1997年到2015年，河北省入境口刘口站共引水量69.008 5亿 m3，有效缓解了受水区水资源紧缺状况，收到了良好的社会效益和环境效益。引黄输水是一项长期决策，研究输水损失系数，为输水损失的计算建立模型，从而减小损失，使引黄工程更加发挥效益，取长补短，更加有效的利用引黄水量是本文探讨的重要的课题[1]。

1 受水区概况

1.1 输水河段概况

引黄入冀工程是引黄专用输水工程，自黄河下游左岸聊城市境内的位山闸，经西输沙渠至西沉沙池，将含沙量很大的黄河水沉沙后进入总干渠，接三干渠、小运河到临清市立交穿卫枢纽刘口闸进入河北省境内，进临西县沿新开渠、东干渠、清临渠到张二庄闸进入清凉江，沿途北上通过衡水市油故枢纽，沧州市八里庄枢纽，分为两路，一路经绘彩于闸入清南连渠进南运河，另一路继续下行至乔官屯闸进入南排河。沿途邢台市可在境内一些分水口门引水灌溉或存储，衡水市在清凉江各分水口门引水入衡水湖及沿途各县，沧州市从连村节制闸接水，至八里庄闸分两路向沧州市各县和大浪淀水库供水。引黄工程流经河北省14县(市)，1994年正式投入使用。引黄入冀输水河段从山东黄河干流位山闸到河北省境内总长335.7 km，输水能力65～80 m3/s[2]。

1.2 自然地理及水文气象

引黄入冀输水区位于河北省中南部平原区，该区地势平坦，地势自西南向东北缓慢倾斜，土壤以沙壤土为主，并兼带有粘土。属于暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候区，四季分明，冷暖干湿差异较大。区域内多年平均降水量为500～600 mm，年内分配不均，雨量主要集中在6～9月份。

2 单位河长损失率模型

根据输水实际情况，计算输水损失需要用输水河段单位河长损失率来计算。假定在闭合的输水河段中，水量衰减均匀，河长平均分为L段，沿程各断面分别为W0、W1、W2……WL-1、WL，输水河道公里损失率为q，且q沿程相等，单位河长输水量成等比级数递减，公比为(1-q)，见图1，即：

图1引黄河道水量沿途损失示意图

(1)

W1=W0(1-q)

W2=W0(1-q)2

W3=W0(1-q)3

……

WL=W0(1-q)L

(2)

式中：q为单位河长损失率，WL为下游输水量，W0为上游输水量，L为河长。

3 实验河段单位河长损失率的计算

3.1 断面布设的选择

引黄输水损失研究河段控制站油故、三朗均以一类精度水文站的标准设立。油故站测验断面在闸下300 m，三朗站在公路桥下200 m，上、下断面相距29.2 km。油故到三朗河段处，不仅水文地质具有一定的代表性，而且区间河段也没有分水与汇水的支流，主干流上没有任何拦水建筑物，控制断面基本避开大的水流波动和异常紊动影响，因此是引黄水量转化和计算单位河长损失率的理想河段。

3.2 降水量、蒸发量的计算

引黄输水期间大多数年份正值冬季，降水量较小且在区域内分布均匀。本研究直接采用实验河段附近枣强、大营、郑口雨量观测站整编成果的同期降水资料，采用三个站同期降水的平均值计算。降水补给量采用公式：

(3)

水面蒸发量直接采用气候条件与实验河段相近，且蒸发观测操作规范，观测数据精度较高的下博水文站的E-601水面蒸发同期观测资料。蒸发损失量采用公式：

(4)

3.3 统计计算试验上下断面的输水量和槽蓄量

统计油故水文站和三朗水文站实测的引黄输水资料，计算出两断面各自输水量和引黄结束后断面之间的蓄存的槽蓄量。输水结束后，河槽蓄水量从三朗站上游附近朱往驿节制闸的水位～槽蓄曲线查出。

3.4 河道输水损失率计算

采用1997～2015年上游油故站和下游三朗站的引黄输水水文监测资料计算单位河长损失率，根据模型公式，连同降水量、蒸发量和槽蓄量，计算出实验河段的历次引黄输水单位河长损失率。计算结果见表1。

表1 实验河段输水损失率计算表 万m3

由表1可以看出，单位河长损失率与上游输水量大小有密切关系，上游输水量越大，单位河长损失率越小，两者呈反比关系。根据单位河长损失率与上游输水量建立q～W上关系曲线，进行适线分析，确定关系曲线图，见图2。

通过分析确定相关公式：

q=35.401W上-0.3526

(5)

上述公式的建立，基本反映了中东部平原河道单位河长损失率与上游断面输水量的关系。可以看出单位河长损失率与上游断面输水量成反比关系，此次分析所用的断面水文资料精度较高，计算方法合理，其成果有较好的代表性，为今后的引黄输水奠定了很好的基础。

图2 实验断面损失率与上游输水量关系图

3.5 上下断面输水量间的线性关系

为了指导流量测验，加强输水管理，探求引黄输水上下游输水量间的关系，我们用历年的水文实测资料，点绘了各上下断面间的输水量关系图，发现有较好的线性相关关系，其相关系数为0.9以上。油故～三朗输水量关系图见图2。

图3 油故～三朗输水量关系图

由图3可以看出，上下游输水量其关系为斜率a，截距为b的一条直线有了各河段的输水量间的关系线，在今后的引黄输水工作中，下游的输水量可以参考上游输水量来验证其输水量的精度，发现问题及时找出原因，加强水文调查，保证引黄输水调度、分水的准确性。

当然单位河长损失率的影响因素不仅仅只是输水量的大小，输水河道水面的宽窄、湿周的大小、气温、风速、河床地质、前期河道蓄水状况、河道水位的高低、河床两岸地下水埋深等因素都会影响到损失率，所以输水损失率随不同的季节、不同的输水状况、不同的引水量级会有所不同[3]。

4 引黄输水损失率的实际应用

在引黄工程跨流域调水过程中，由于受水区域关系到不同的省市，而且受水区域取水口较多，要在每个取水口设立监测断面成本较高，因此在水量计量中，只在受水行政区域内进出口设立控制断面，用其实测水量计算各受水区域的缴费水量，将收到事半功倍的效果。

假定在一段输水河道中，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…、N个受水区域，各受水区域的入出境控制断面分别为0-0、1-1、2-2、…、n-n，相应实测累计过水量分别为W0、W1、W2、…Wn。各控制断面的毛水量分别为M1、M2、M3、…Mn表示，各受水区域缴费水量分别为VⅠ、VⅡ、VⅢ…Vn表示。

根据河段输水损失率，可计算出各断面折算到总引水口的毛引水量为：

M1=W1/(1-q)L1

M2=W2/(1-q)L2

M3=W3/(1-q)L3

Mi=Wi/(1-q)Li

……

Mn=Wn/(1-q)Ln

当各段损失率不同时，即不同的河段长△L1、△L2、△Li、△Ln相应损失率为q1、q2、qi、qn，则第i断面毛水量计算公示为

输水路线站网设置：入省界控制站为刘口站；邢台受水区的入境站为刘口站、出境口为张二庄站；衡水受水区的入境口站为张二庄站，出境口站为连村站；受水区末段为沧州区，入境控制站为连村站。

受水区邢台、衡水、沧州的缴费水量按下式计算：

邢台段缴费水量：

V邢=入境刘口站实测引水量W0-张二庄毛水量M张

衡水段缴费水量：

V衡=张二庄毛水量M张-连村毛水量M连

沧州段缴费水量

V沧=连村毛水量M连

输水河段损失率参照损失率的计算方法参考损失率的原理和实验河段的计算成果并结合上下游实际情况确定。这种计算方法，既降低了水文监测投入，又节省了人力、物力、财力，减轻了工作量。又可以使水帐算的清楚，水量平衡计算合理，有利于输水的管理，使引黄工程合理有效的进行[4]。

5 结语

本文运用数学等比数列方法推倒出适合于引黄工程水量计算的输水损失率公式，分析试验河段输水损失率的时空变化规律，分析同一地区不同时段的数据，得出输水损失与上游来水量有直接关系，两者成反比关系，对今后引黄工程减少损失水量提供了有效的依据。根据引黄河道单位河长损失率的原理及计算结果，结合各河段输水量损失率的大小，分析了受水区域缴费水量的计算原理，并进行了细致的计算，这在引黄入冀中得到了广泛的应用。

[1]李秀莹.引黄水量损失浅议[J].河北水利科技.1999(1)：37-38.

[2]河北省水利厅建管处.河北省水文水资源勘测局.引黄输水效益分析与水平衡测试研究[R].2000.

[3]河北省水利厅建管处.河北省水文水资源勘测局.引黄输水河段水文特性及水均衡研究[R].2005.

[4]河北省水利水电第二勘测设计院.河北省引黄工程规划[R].河北省水利水电第二勘测设计院.2009.