寧夏高效節(jié)水灌溉配套蓄水池建設(shè)規(guī)模確定方法研究

劉學(xué)軍，顧靖超，陸立國，王永平，周立華，雷 筱，朱 潔，武慧芳

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

近年來寧夏高效節(jié)水灌溉發(fā)展迅猛，截止2014年底發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積13萬hm2，其中噴灌2.4萬hm2、滴灌8.2萬hm2。為保證渠系供水過程與高效節(jié)水灌溉用水時(shí)間、空間的平衡與匹配，以黃河水為水源的高效節(jié)水灌溉工程均建設(shè)有調(diào)蓄水池，起灌溉水量時(shí)空調(diào)蓄、沉沙、凈化水質(zhì)作用。部分機(jī)井灌區(qū)也建設(shè)了調(diào)蓄水池，起調(diào)蓄水量和提高水溫的作用。調(diào)蓄水池的建設(shè)規(guī)模與建設(shè)征地面積、建設(shè)投資、工程供水保證率等密切相關(guān)[1]。調(diào)蓄水池建設(shè)規(guī)模過大，征地面積增加、建設(shè)投資增大、工程運(yùn)行維護(hù)費(fèi)提高，造成工程浪費(fèi)。調(diào)蓄水池建設(shè)規(guī)模過小、在供水保證率較低時(shí)，會造成供水與用水不匹配、供水保證率降低，影響供水區(qū)的適時(shí)灌溉和工程正常運(yùn)行。因此合理確定高效節(jié)水灌溉工程調(diào)蓄水池的建設(shè)規(guī)模，成為高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)、水資源平衡匹配、時(shí)空調(diào)節(jié)的關(guān)鍵[2-5]。

1 灌區(qū)蓄水池建設(shè)概況

寧夏建設(shè)的高效節(jié)水灌溉工程多配套有調(diào)蓄水池，現(xiàn)建成的調(diào)蓄水池達(dá)數(shù)百座，建設(shè)投資在20～40元/m3，單座調(diào)蓄水池容積0.05～380萬m3，總?cè)莘e達(dá)4 000萬m3以上。最大的紅寺堡魯家窯、鹽池杜窯溝、中衛(wèi)香山、同心縣下馬關(guān)的蓄水池容積分別達(dá)到380、330、180、180萬m3，多數(shù)蓄水池的容積在5～30 萬m3。規(guī)劃到2020年寧夏高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到27萬hm2，新增高效節(jié)水灌溉面積14萬hm2，需新建各類調(diào)蓄水池總?cè)莘e3 400萬m3。

根據(jù)2015年對部分縣區(qū)高效節(jié)水灌溉工程調(diào)研，揚(yáng)黃灌區(qū)、引黃自流灌區(qū)的周邊小型揚(yáng)水區(qū)域, 為了滿足一次性灌溉所需水量調(diào)蓄，配套調(diào)蓄水池規(guī)模較大，達(dá)到300 m3/hm2。在引黃自流灌區(qū)、供水有保證、調(diào)蓄水池規(guī)模較小，達(dá)到75 m3/hm2，主要是利用灌區(qū)溝道進(jìn)行改造，實(shí)行邊調(diào)蓄邊灌。在南部山區(qū)機(jī)井、水庫灌區(qū)，配套的調(diào)蓄水池達(dá)到45 m3/hm2左右。各縣區(qū)建設(shè)單位灌溉面積配套的調(diào)蓄水池平均容積見表1。

表1 各縣區(qū)不同灌溉面積配套調(diào)蓄水池平均容積 m3/hm2Tab.1 County district irrigation area supportingstorage pond average volume

2 調(diào)蓄水池調(diào)蓄容積確定方法

(1)調(diào)蓄方式。由于灌區(qū)渠系供水與高效節(jié)水灌溉用水時(shí)間上存在著流量、水量不匹配，高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)需配套蓄水池調(diào)節(jié)。現(xiàn)灌區(qū)調(diào)蓄池調(diào)節(jié)方式依據(jù)供水特征，有邊蓄邊灌(短暫調(diào)蓄沉淀)、次灌水調(diào)節(jié)、階段調(diào)節(jié)和年調(diào)節(jié)等類型。

(2)調(diào)蓄水池調(diào)節(jié)方式選擇。根據(jù)用水時(shí)段，渠系供水保證程度(流量、水量)，選擇蓄水池的調(diào)節(jié)方式。①在用水時(shí)段，供水流量、水量有保證、只是泥沙含量較高，選擇邊蓄邊灌調(diào)節(jié)方式；②在用水時(shí)段，供水水量、供水流量不滿足用水需求，根據(jù)調(diào)節(jié)時(shí)段的長短，選擇次灌水調(diào)節(jié)或階段調(diào)節(jié)方式；③滿足多種用水目的、渠系非供水期有用水需求，蓄水池調(diào)節(jié)選擇年調(diào)節(jié)方式。

(3)蓄水池有效調(diào)蓄容積確定方法。邊蓄邊灌調(diào)節(jié)：主要應(yīng)用于引、揚(yáng)黃自流灌區(qū)，供水流量、水量有保證，但黃河水泥沙含量較高，需進(jìn)行短暫的調(diào)蓄，使得大部分泥沙能夠在沉砂池、調(diào)蓄池進(jìn)行沉淀，調(diào)蓄時(shí)間滿足1～3 d用水量的需求，盡可能減少占用農(nóng)田面積。

次灌水調(diào)節(jié)：主要應(yīng)用在引黃灌區(qū)和部分供水有保證的揚(yáng)黃灌區(qū)，但渠系供水與灌水時(shí)間不匹配，在1次灌水前，調(diào)蓄本次灌水所需水量，滿足項(xiàng)目區(qū)1次灌溉水量的需要，調(diào)蓄水池的有效容積根據(jù)1次灌溉水量(灌溉面積×灌水定額)確定。

階段調(diào)節(jié)：主要應(yīng)用于揚(yáng)水灌區(qū)，渠系供水流量和水量在某個(gè)時(shí)段不能滿足適時(shí)供水需求，需錯峰蓄水、進(jìn)行時(shí)段調(diào)節(jié)(如調(diào)節(jié)2次、3次灌溉需水量)，蓄水池的有效容積根據(jù)項(xiàng)目區(qū)時(shí)段灌溉次數(shù)、灌水定額、控制灌溉面積確定。

年調(diào)節(jié)：主要應(yīng)用于灌區(qū)周邊新開發(fā)灌區(qū)、滿足多種用水目的，供水流量和時(shí)段均不能滿足作物適時(shí)灌溉需要，需通過錯峰蓄水和老灌區(qū)灌溉間歇期蓄水，調(diào)蓄水池的有效容積需通過供水過程線、用水過程線調(diào)節(jié)計(jì)算確定。

(4)蓄水池有效容積計(jì)算。

①邊蓄邊灌調(diào)節(jié)蓄水池有效容積。調(diào)蓄水池的尺寸除了要滿足正常運(yùn)行及安全要求，同時(shí)應(yīng)滿足黃河水澄清所需的最小尺寸，調(diào)蓄水池起沉砂池作用。調(diào)蓄池的進(jìn)水流量為Q,進(jìn)入調(diào)蓄池水流的流速為：

Vx=2Q/(B1+B2)h0

(1)

式中：Vx為調(diào)蓄池水流平均流速，m/s；Q為調(diào)蓄池的進(jìn)水流量，m3/s；B1為調(diào)蓄池底寬度，m；B2為調(diào)蓄池水面寬度，m；h0為調(diào)蓄池水深，m。

灌溉調(diào)蓄池的水流多為水平流動，池中水流的水平流速越大，則能沉淀的泥沙相應(yīng)減少，池中平均水平流速一般應(yīng)控制在0.5～2.0 cm/s。

泥沙顆粒在靜水中的沉降速度稱為水力沉速，顆粒愈粗水力沉速ω愈大，其沉降速度為：

ω=(ρs-ρgD2)/18ρv

(2)

式中：ω為泥沙自由沉降速度，m/s；g為重力加速度；ρs為泥沙密度，g/cm3；ρ為水的密度，g/cm3；D為擬沉降泥沙的粒徑，mm；v為液體運(yùn)動黏性系數(shù)。

泥沙顆粒在沉沙池中的沉降運(yùn)動十分復(fù)雜，很難進(jìn)行嚴(yán)格的泥沙沉降理論計(jì)算?，F(xiàn)采用半經(jīng)驗(yàn)性法，沉沙池長度為：

L=Vxh0/[ω-(Vx/η)]

(3)

式中：Vx是沉沙池中的水流平均速度；η為與水深有關(guān)的系數(shù)，見表2。

表2 不同水深系數(shù)η值Tab.2 Different water depth coefficient η values

在確定了沉砂池長度L、沉砂池水深h0、沉砂池水面寬度B1、底寬B2后，即可確定調(diào)蓄水池的有效容積。

②次灌水調(diào)節(jié)蓄水池有效容積。次灌水調(diào)節(jié)蓄水池的容積依據(jù)工程控制灌溉面積、作物類型、次最大灌水定額確定：

(4)

式中：W有效為滿足1次灌溉調(diào)蓄水池的有效容積，m3；Ai為工程灌溉控制區(qū)域第i類作物的面積，hm2；Mi為第i類作物生育期最大灌水定額，m3/hm2。η為灌溉水有效利用率，高效節(jié)水灌溉取0.90～0.95。

③階段調(diào)節(jié)蓄水池有效容積。蓄水池的有效容積根據(jù)灌溉控制區(qū)域灌溉面積、作物類型、調(diào)節(jié)時(shí)段灌溉次數(shù)、灌水定額確定：

(5)

式中：W有效為滿足階段調(diào)節(jié)調(diào)蓄水池的有效容積，m3；Mij為第i類作物、調(diào)節(jié)時(shí)段第j次的灌水定額，m3/hm2；i=1～n(灌溉區(qū)有n種作物)，j=1～m(調(diào)節(jié)階段計(jì)劃m次灌水)。

④年調(diào)節(jié)蓄水池有有效容積計(jì)算。年調(diào)節(jié)蓄水池多兼有數(shù)種用途，如為作物灌溉供水，為城市、農(nóng)村生活供水等。在有效調(diào)節(jié)容積計(jì)算中，根據(jù)供水渠道供水時(shí)間、供水過程線以及調(diào)蓄水池供水區(qū)用水過程線，考慮蓄水池的蒸發(fā)、滲漏損失，從每年的供水開始日(多為4月1日)進(jìn)行起調(diào)，在來年的(3月31日)截止，根據(jù)供水流量過程、用水過程流量計(jì)算調(diào)節(jié)容積，要求調(diào)節(jié)截止日期(3月31日)蓄水池內(nèi)的存水達(dá)到零。調(diào)節(jié)過程中的供水渠道最大流量、用水過程最大流量、最大的累計(jì)容積分別為向調(diào)蓄水池供水泵站的設(shè)計(jì)流量、調(diào)蓄水池向受水區(qū)供水泵站設(shè)計(jì)流量和蓄水池的調(diào)節(jié)容積。調(diào)節(jié)容積計(jì)算公式：

(6)

∑Wi+1=Wi+1+∑Wi

(7)

W調(diào)節(jié)=max ∑Wi+1

(8)

式中：Wi為第i調(diào)節(jié)時(shí)段渠系供水與調(diào)蓄水池受水區(qū)用水、蓄水池蒸發(fā)、滲漏的差值，即第i時(shí)段調(diào)蓄的余缺水量，m3；Qi為第i調(diào)節(jié)時(shí)段渠系供水流量，m3/s;Ti為第i調(diào)節(jié)時(shí)段時(shí)間，s;Wij為第i調(diào)節(jié)時(shí)段，第j種作物灌溉需水量，m3，j=1～n(供水區(qū)有n種作物灌溉)；Vij為第i調(diào)節(jié)時(shí)段第j類型的需水量，如城鎮(zhèn)供水、農(nóng)村人飲供水，m3，j=1～m(供水區(qū)除灌溉以外還有m種類型的需水);Ei為第i調(diào)節(jié)時(shí)段蓄水池水面蒸發(fā)量，m3；Fi為第i調(diào)節(jié)時(shí)段蓄水池滲漏量，m3；∑Wi為第i調(diào)節(jié)時(shí)段，蓄水池累計(jì)調(diào)蓄的余缺水量，m3；W調(diào)節(jié)為蓄水池累計(jì)調(diào)蓄余缺水量的最大值，m3。

3 蓄水池總?cè)莘e確定

寧夏建設(shè)的灌溉調(diào)蓄水池均為開敞式蓄水池，存在一定的蒸發(fā)、滲漏損失，由于黃河水含沙量大，必須考慮淤積容積；在蓄水過程中，也存在降雨補(bǔ)給，部分年調(diào)節(jié)蓄水池由于容積較大，多建設(shè)在局部洼地，還有一定的降雨徑流匯入，同時(shí)蓄水池建設(shè)時(shí)，還要考慮一定的超高、風(fēng)浪造成的爬坡。

W總=W有效+W淤積+W蒸發(fā)+W滲漏+W徑流

(9)

式中：W有效為蓄水池調(diào)蓄灌溉及其他供水的容積，m3;W淤積為蓄水池清淤間隔期的泥沙淤積量，m3;W蒸發(fā)為蓄水池調(diào)節(jié)時(shí)段的水面蒸發(fā)量，m3;W滲漏為蓄水池調(diào)節(jié)時(shí)段的滲漏量，m3;W徑流為蓄水池調(diào)節(jié)時(shí)段最大一次徑流匯入量，m3。

(1)蓄水池泥沙淤積量W淤積。由于黃河水泥沙含量較高，一般在0.5～3.0 kg/m3，在蓄水池調(diào)蓄期間，95%以上的泥沙都會沉淀、淤積在蓄水池底部。在蓄水池的設(shè)計(jì)中，對小于1萬m3的蓄水池淤積年限1 a，即1 a清淤1次；1～5萬m3淤積年限2 a，5～10萬m3淤積年限3 a，10～20萬m3淤積年限5 a，>20萬m3淤積年限5～10 a。

W淤積=0.001n∑WiCsi/γ沙

(10)

式中：W淤積為1 a內(nèi)各調(diào)節(jié)時(shí)段淤積泥沙的體積，m3；Wi為1a內(nèi)第i時(shí)段進(jìn)入調(diào)蓄水池的水量，m3；Csi為第i時(shí)段進(jìn)入調(diào)節(jié)蓄水池水中泥沙含量，kg/m3；γ沙為淤積泥沙密度，取淤積泥沙密度1.4 t/m3;n為設(shè)計(jì)清淤年限，a。

在調(diào)蓄池設(shè)計(jì)中不考慮清淤時(shí)，其淤積容積按淤積年限內(nèi)泥沙總淤積量計(jì)算。2009-2011年黃河下河沿監(jiān)測站泥沙含量監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 黃河水逐月平均含沙量值(下河沿站) kg/m3Tab.3 The Yellow River water monthly average sediment concentration value (Xiaheyan station)

(2)蓄水池調(diào)蓄階段水面蒸發(fā)量W蒸發(fā)。水面蒸發(fā)按照每月水面蒸發(fā)損失減去當(dāng)月降雨量計(jì)算。水面蒸發(fā)損失量按照蓄水池月平均水面面積與當(dāng)月平均蒸發(fā)強(qiáng)度(mm/d)計(jì)算確定，也可粗略按蓄水容積的6%～8%估算。

(11)

式中：Si為調(diào)節(jié)時(shí)段第i月蓄水池平均水面面積，m2；Ei為調(diào)節(jié)時(shí)段第i月蓄水池平均蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d;Ti為調(diào)節(jié)時(shí)段第i月天數(shù)，d。

寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)紅寺堡多年平均水面蒸發(fā)量1 280 mm(E601)、同心縣蒸發(fā)量1 350 mm(E601)。根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL278-2002)，計(jì)算大型蓄水池水面蒸發(fā)量時(shí)需對E601蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量進(jìn)行折算。寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)各月大型蓄水池水面蒸發(fā)量見表4。

表4 寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)大型蓄水池逐月水面蒸發(fā)量Tab.4 Large reservoir irrigation area in Ningxia monthly water surface evaporation

(3)蓄水池調(diào)蓄階段滲漏量W滲漏。蓄水池滲漏損失主要包括池體、池基滲漏，調(diào)蓄水池的滲漏損失因防滲材料的不同差異較大，可按照實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)寧夏建設(shè)的蓄水池多采用200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜進(jìn)行池底、邊坡防滲，正常情況下滲漏量很小。考慮施工質(zhì)量等因素，通常按照蓄水池水面面積乘日滲漏量2 mm進(jìn)行估算。

(4)蓄水池調(diào)蓄階段一次性進(jìn)入蓄水池的最大徑流量W徑流。部分大型蓄水池建設(shè)在地勢低洼區(qū)域，存在徑流入池現(xiàn)象。根據(jù)蓄水池建設(shè)具體情況、控制流域范圍、設(shè)計(jì)洪水頻率進(jìn)行洪水調(diào)控演算，確定一次入池洪水量。

4 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)

調(diào)蓄水池布局：根據(jù)水源類型、特點(diǎn)及水源與灌溉控制區(qū)的位置關(guān)系，調(diào)蓄池可布置于灌區(qū)內(nèi)或灌區(qū)邊緣、泵站壓力管道出口處等。調(diào)蓄池布置應(yīng)盡量利用天然地形條件，如天然溝壑、局部洼地等，盡量少占耕地，遵循節(jié)約耕地、節(jié)儉投資和安全方便的原則。調(diào)蓄池進(jìn)、出水口的位置應(yīng)盡量布置于短邊兩側(cè)，以盡量增大流程，提高調(diào)蓄池的沉淀、澄清效果。

調(diào)蓄池形式：調(diào)蓄規(guī)模大于5萬m3，采用沉淀與調(diào)蓄一體布置；調(diào)蓄規(guī)模小于5萬m3，宜分開布置沉淀池與調(diào)蓄池。調(diào)蓄沉淀池一般采用長方形水池，根據(jù)地形、地質(zhì)條件和地基處理要求合理確定水深[6]，一般為4～9 m，無明顯地質(zhì)問題取較大值。對調(diào)蓄規(guī)模小于10萬m3的調(diào)蓄沉淀池，長度不小于100 m；對調(diào)蓄規(guī)模大于10萬m3的調(diào)蓄沉淀池，長度不小于200 m。

超高：容積10萬m3以下為0.8m，10～20萬m3為1.0 m，20～50萬m3為1.2 m，50萬m3以上為1.5 m。

邊坡系數(shù)：結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，在邊坡穩(wěn)定計(jì)算基礎(chǔ)上，可采用合理邊坡值。采用卵膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊坡，邊坡系數(shù)一般取1∶4～1∶6；采用板膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)坡，邊坡系數(shù)一般取1∶2.5～1∶3。

池底防滲結(jié)構(gòu)：①復(fù)合土工膜+土料結(jié)構(gòu)。具體規(guī)格為200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜+厚60～80 cm土料結(jié)構(gòu)。土料可以為全土料，也可采用土石混合物。②復(fù)合土工膜+預(yù)制混凝土板(或現(xiàn)澆)混凝土板結(jié)構(gòu)。具體規(guī)格為200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜及以上規(guī)格的二布一膜+6～8 cm厚預(yù)制混凝土板或厚12～16 cm現(xiàn)澆混凝土板。復(fù)合土工膜的幅寬為6～8 m。對大型、重要的蓄水池取偏上標(biāo)準(zhǔn)[7]。

內(nèi)坡面防滲結(jié)構(gòu)：①復(fù)合土工膜+砂礫石+預(yù)制混凝土板(或現(xiàn)澆)結(jié)構(gòu)，由200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜+ 20～30 cm砂礫石+5～8 cm預(yù)制混凝土板或12 cm現(xiàn)澆混凝土板組成。②復(fù)合土工膜+卵礫石結(jié)構(gòu)，由200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜+30～40 cm卵礫石組成。③復(fù)合土工膜+土料結(jié)構(gòu)，由200 g/0.5 mm/200 g復(fù)合土工膜+40 cm土料結(jié)構(gòu)組成。對于小型(小于5萬m3蓄水池)、短期應(yīng)用的蓄水池，可采用直接鋪膜的方式，膜厚一般為0.5 mm，膜下為壓實(shí)壤土。

管護(hù)道路：蓄水池管護(hù)路面一般寬為3～4 m，鋪設(shè)12 cm厚的沙礫石。防護(hù)欄一般采用高速公路簡易防護(hù)網(wǎng)。

5 典型工程應(yīng)用實(shí)例

寧夏高效節(jié)水灌溉工程已建成調(diào)蓄水池200余座，調(diào)蓄總?cè)莘e大4 000萬m3以上。已建成的典型工程調(diào)蓄水池規(guī)模確定見表5。

表5給出了不同調(diào)節(jié)方式蓄水池調(diào)蓄容積確定的應(yīng)用實(shí) 例。邊蓄邊灌調(diào)節(jié)、次調(diào)節(jié)、階段調(diào)節(jié)蓄水池規(guī)模相對較小，年調(diào)節(jié)、特別是多用途的大型調(diào)蓄水池，如紅寺堡魯家窯調(diào)蓄工程，考慮30a淤積、蒸發(fā)、一次洪水入池等，增加調(diào)蓄容積較大。對淤積年限的確定，應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比分析，在保證供水可靠性的基礎(chǔ)上有效降低調(diào)蓄水池容積、降低工程投資。

表5 調(diào)蓄水池規(guī)模確定典型工程實(shí)例Tab.5 The storage pool to determine the scale of typical engineering examples

6 結(jié) 語

調(diào)蓄水池的有效容積與工程的供水對象(灌溉、生活、工業(yè))、控制灌溉面積、水源條件、供水規(guī)模、調(diào)節(jié)周期、調(diào)蓄方式密切相關(guān)，應(yīng)該根據(jù)供水水源條件、工程建設(shè)供水對象，遵循調(diào)蓄方式確定原則，合理確定蓄水池的調(diào)節(jié)方式，選擇采用邊蓄邊灌調(diào)節(jié)、次調(diào)節(jié)、階段調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)，通過滿足供、用水過程平衡調(diào)配，確定調(diào)蓄水池的有效容積。綜合考慮蒸發(fā)、滲漏、淤積年限、徑流入池等，合理確定調(diào)蓄水池的總規(guī)模。蓄水池規(guī)模的確定，對降低工程投資、保證高效節(jié)水灌溉工程供水可靠性，提高工程運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益意義重大。

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[1] 劉 榮.同心縣高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及效益分析[J]. 寧夏農(nóng)林科技，2012,(9):66-68.

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