引黃灌區干渠水量調度對管理節水成效的影響

姚建福

（運城市夾馬口引黃服務中心 山西運城 044000）

1 夾馬口灌區概況

夾馬口灌區是山西省一座大型電力提黃灌溉工程，隸屬于運城市夾馬口引黃服務中心，位于秦晉高原臨猗峨嵋嶺下涑水河盆地，東經110°22′～110°51′，北緯35°00′～35°10′。灌區主要工程由吳王水源站、夾馬口泵站、小樊泵站、泉杜泵站及干、支渠系和若干管理機構組成，目前，設計灌溉面積為6.06 萬hm2。[2]現有一級干渠一條、二級干渠兩條，總長54.5 km；支、斗、農渠2 187 條，總長1 250 km；主要灌溉臨猗縣的東張、七級等7 個鄉鎮129 個行政村。泉杜二級灌區，灌溉面積2.71 萬hm2，在一級干渠23.3 km 處取水。

通過工程節水和管理節水的雙重措施，工程的總體效益不斷上升，聯合國糧農組織對灌區快速評估認為：“灌區整體灌溉效益、灌溉水利用系數、灌溉水生產率在同類引黃灌區較高，占居全國及亞太地區領先地位”。

2 問題的提出

夾馬口灌區一級干渠承擔著夾馬口灌區的配水、泉杜灌區的輸水、泉杜泵站中斷運行水量的調蓄以及沿線村莊的防洪等任務，相應地功能要滿足：一是平穩、高效地輸配水，二是避免發生安全事故。這兩個條件都必須通過科學地水量調度才能實現，尤其是由于地形條件限制，無法設置蓄水池和泄洪口，在發生意外險情時，只能通過干渠的調蓄，把水有序地排泄到田間，否則，會引發災難性的后果。

夾馬口干渠站與夾馬口泵站、泉杜泵站、支渠、干斗等在內部管理中屬于買賣關系，即夾馬口泵站生產的“水商品”經MGG/KL－CC 插入式電磁流量計計量后批發給夾馬口干渠站，干渠站經MGG/KL－GB 管道電磁流量計躉售給泉杜泵站，經巴歇爾量水槽躉售給各支渠，經無喉道量水槽躉售給各干斗，以流速儀標定流量躉售給提灌站或移動泵，最終由干斗、提灌站或移動泵、支斗將“水商品”零售給農戶。管理局對所轄泵站依據單方水耗電量指標進行獎罰考核，對干渠、支渠按噸公里損失指標考核，對斗渠水量全額計費。

影響干渠水量調度的因素十分復雜，除以上水量交接方式差異易導致人為因素虧損外，泵站受水源泥沙、柴草、系統電壓、機組工況等干擾出水流量波動劇烈，干渠沿線水頭變動、柴草壅堵、節制閘動作等均會造成水量損失，極端氣候形成的大風、陣雨、冰雹等瞬時災害性變化易導致大量棄水和安全事故，最終，各種因素的影響或疊加會降低管理節水成效，進而顯示為干渠噸公里損失的上升。

干渠水量調度就是要采取一系列的科學處置措施，將各種因素的干擾減至最小，提升管理節水成效，降低干渠噸公里損失，提高計費率進而增加財務收入。

3 灌區灌溉節水管理對策

3.1 干渠水量調度內涵、相關指標及關系

1）干渠水量調度內涵

干渠水量調度屬于管理節水之高效用水的范疇，即在保證灌區農業年增產值前提下，通過規范化、科學化、數字化調度達到降低泵站提水量的目的，進而提高灌溉水生產率，以零邊際成本大幅提高管理節水成效。

2）相關指標

（1）利用率：即干渠渠道水利用系數，夾馬口灌區干渠的配水量與夾馬口泵站提水量的比值。

（2）適時利用率：是一種適合干渠管理運行和指標控制的實時利用率，與利用率的區別是將渠道庫存水量的變化納入計算，對于水量的科學調度、安全運行、問題解析等進行了量化，具有一定的指導性、指向性和指標性。

（3）計費率：是指夾馬口和泉杜灌區在斗口配出（銷售）的水量與夾馬口泵站提水量的比值。

（4）噸公里損失：即每方（噸）水每運行一公里所需損失的水量。

（5）相互關系：利用率＝干渠配水量÷夾馬口泵站提水量＝1÷（1＋噸公里損失×運行公里數）；計費率＝（干斗售水量＋支斗售水量）÷提水量＝［干斗售水量＋（干渠配水量－干斗售水量）×支渠平均計費率］÷提水量。

3.2 干渠水量調度方案

1）渠道庫容調蓄

（1）庫容劃分

有效庫容：為了保證供水而必須占用的和平衡流量誤差而必須存儲的庫容，上限一般控制在設計水位以下，可以偶爾達到加大流量水位。

安全庫容：為了防止泉杜泵站意外停機或灌溉與防汛疊加而必須儲備的戰略庫容，對應于渠道設計水位以上加大流量和堤頂超高疊加的深度。

調蓄庫容：介于有效庫容與安全庫容之間的、為了調蓄水量的庫容，上限對應于渠道的設計水位，上游渠道設定為3.0 m，下游設定為1.8 m，可以偶爾突破。庫容劃分詳見圖1。

圖1 庫容的劃分

（2）庫容的利用

有效庫容由三部分組成，自下而上分別為：①被泥沙占據的淤積庫容，深度h淤積由現場探測。②平衡流量誤差的平衡庫容，深度h平衡是根據水在渠段運行的最長時間乘以平衡流量（泉杜節制閘上游選0.5 m3/s，下游取0.2 m3/s）計算的水量折算而來；也可根據選定流量基于h淤積套用梯形渠流量公式試算得出。③輸配水流量對應的輸配水庫容，在實際操作中，《夾馬口干渠配水流量計算表》計算的順序是自渠尾段向上游渠段逐步推算直至渠首段，由于表格容量過大，下邊是截取2018年春澆其中四支節制閘后h有效值的《配水流量計算表》的一個時段，具體情況見表1：噸公里損失是根據實際損耗值結合生產實際的發展變化趨勢而擬定的，該值若偏小會過度消耗庫存水量，若偏大則會全線水位上漲；需水流量是該渠段擬配水流量；運行公里數是《噸公里損失計算表》中核定的該渠段距渠首的平均距離；輸配水流量=需水流量×（1+噸公里損失×運行公里數）＋下游渠段的輸配水流量；輸配水深h輸配是根據輸配流量基于h淤積+h平衡套用形渠流量公式試算得出的結果。有效庫容對應水的深度h有效=h淤積+h平衡+h輸配。在實際供水時，必須保證水位達到算得的h有效值，否則，必然引發生過度消庫或供水不足或斷水等一連串的問題。根據每天核定的用水計劃計算的h有效值，必須經過驗算無誤后，才能將數值通知相應的管理段，由配水員根據節制閘閘前水位的漲落嚴格把控閘后水位，誤差必須控制在1 cm 內；在沒有變更用水計劃前，任何人都無權變更h有效值，一定要維護數值的嚴肅性，杜絕水量調度的隨意性；調度員可以根據全線水位的漲落，適度調整選定的噸公里損失值，只要在可控的幅度內，一般隨用水計劃的變更而調整。

表1 配水流量計算表

2）渠道水頭控制

（1）開機水頭控制

開機機組數量除保證正常輸配水流量外，還必須根據平衡庫容大小增減機組，基于淤積庫容的h淤積，計算輸配水流量和平衡庫容流量疊加的開機水頭h開機；對照比較節制閘閘前h有效與h開機接近時，水頭運行到當前位置即可關停平衡庫容的機組。

（2）加機水頭控制

泵站加機后，由調度員通知沿線各段配水員及時調控支斗渠閘門，杜絕水頭水量損失。在輸水過程中，動用的節制閘均按閘前水位控制，當水頭運行到末段上游節制閘位置時，動用的節制閘同步動作，均按閘后水位配水；當渠段節制閘閘前水位達到算定的h有效時，即可按計劃執行該渠段配水；閘后水位嚴格按照計算的下游渠段的h有效精準把控，誤差必須控制在0.5 cm 以內。

（3）減機水頭控制

根據上報的停水流量和時間，流量上滿足一臺機組，時間上相差4 h 左右，則可協調各方集中減機；根據調整的配水計劃按照《配水流量計算表》重新計算各節制閘后的h有效值，隨減機水頭自上而下依次停水、逐步執行。停水的流量和時間都比較分散，則只有利用庫容調蓄，在無調蓄能力時減機；減機后，無庫存水量可調配時，計劃報停的流量可提前停水。當預報或突然有雨，各支斗報停計劃必須經調度核定，在保證各級渠道安全情況下方可有序停機、停水。

（4）機組輪換水頭控制

無論夾馬口泵站還是泉杜泵站輪換機組，都必須先停后開，避免局部水頭突變造成水量損失或水位失衡。

①渠段水頭控制。當渠段水頭異常下降或有效庫容不足時，應查驗來水或輸配水水位，減小或間歇調控該渠段配出水量，遏制水位下降進而平衡渠段水頭，盡量不波及上下游，絕不能通過增加機組處置，相應地，調度要有處置記錄；當全線水位總體下降，必須修正核算噸公里損失指標，進而修改配水計劃，若上游庫存充分，也可動用節制閘同步動作按新的h有效值維持原配水計劃。當某渠段水頭漲幅過大或速度過快時，或q計（渠段內計劃配出的流量值）-q實（渠段內實際配出的流量值）＞＝0.1 m3/s 時，應及時調整配水計劃，根據重新計算的h有效值，上游各節制閘同時動作，把水調至四支上游存蓄。當q計（同上）-q實（同上）＜0.1 m3/s 時，不修改配水計劃，除十支下游的節制至上游外，其余均在所在渠段內調蓄。對于短時間的零星供水或不同管理段間的倒口，要根據計劃統籌安排、有序銜接，必須嚴格計劃、嚴格調度指令，確保滿足h有效水位才能實施；具體操作上，譬如接序口在上游的，可根據與下游停水口的距離適當早開；接序口在下游的，可停開同步進行。

②渠道決口水頭控制。決口發生時，立即通知夾馬口泵站減機，流量不小于決口泄漏量；決口點上游節制閘全部動作，分段攔蓄來水，若安全庫容足夠，則正常配水，否則，要通過相關支渠和干斗泄除多余水量；根據決口在渠道斷面的位置高低，在不影響搶險的情況下，盡量保證下游供水。

③洪水水頭控制。當洪水與渠道水頭疊加時，必須動用安全庫容攔蓄，能夠通過正常配水消解洪水最好，否則，要立即啟動相關支渠和干斗泄洪?？諑煊榉止喔绕诤头枪喔绕趦煞N情況，灌溉期要事先調試好沿線各節制閘并關閉嚴密，將洪水分段攔蓄、統籌調配，若庫容足夠，原則上不考慮泄洪，結合隨后的灌溉正常配用；否則，要適時啟用支渠泄洪，通過九支、十支、十一支將洪水泄至涑水河，若不能滿足泄洪要求時，還要啟用上游相關支渠，數量根據需要臨時確定。非灌溉期空庫迎洪時要高度關注、嚴密調控干渠沿線庫容，優先考慮有序經下游九支、十支和十一支渠泄洪至涑水河，如果洪水量大到僅靠下游支渠泄洪都不能滿足要求時，則啟動上游沿線各支渠配合泄洪。啟動支渠泄洪方案時，調度員必須事先通知相關支渠長做好準備，在確保安全、萬無一失情況下再實施，并做好相關記錄。

4 管理節水成效

夾馬口灌區持續探索干渠管理節水措施、深化管理成效，2009年夏澆創立了干渠適時利用率，這個動態考核指標以數字化的形式把干渠中靜態庫容和動態流量有機的進行了由點（各斗）及線（各段）再到庫（庫容）的相關數字整合，動態的得出了干渠適時利用率，使調度工作有了動態的數字參考，配套以綜合管理措施，運用日臻成熟和完善，以2011年提水量12000 萬m3計、節水505 萬m3，成效十分顯著；2016年夏澆，結合生產實際創立了《干渠水量調度規程》，并針對灌溉管理中出現的問題不斷完善，將生產中已經發生或可能發生的問題全部納入，尤其是結合2018年夏澆水源泥沙含量居高不下的惡劣工況和泵站干渠凸顯的尖銳矛盾，《干渠水量調度規程》在經過幾十次修改和補充后定稿，于2019年春澆發揮了其應有的管理節水成效，干渠噸公里損失下降至0.004 735 m3，利用率提升至91.12%，以年提水量13 000 萬m3計、節水528 萬m3，在不增加任何成本的情況下創造了豐厚的財務收益。我們對2008年、2011年、2019年春澆的運行指標進行了對比，詳見表2。

表2 夾馬口干渠2008年、2011年及2019年春澆運行指標對比表

5 結論

1）夾馬口灌區《干渠水量調度規程》對灌區管理節水具有重要的實際意義，可操作性很強，具備普遍推廣的價值。

2）選用自動化計量器具，一定要搞清原理，嚴格按照儀器說明安裝，從進水流態、安裝位置、環境要求等各方面盡量滿足，否則會產生不必要的誤差。

3）科學、準確、穩定的計量，是灌溉管理的重要抓手。應當盡快將適應黃河水的計量器具自動化、信息化、系統化，降低人工勞動強度和支出，提高工作效率，消除計量中的人為因素，為管理提供及時、準確、科學的數據，充分挖掘管理節水的成效。