某泵站更新改造中需水預(yù)測及平衡分析

薄盛潔

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某更新改造泵站工程是1976年修建，1980年建成運行，工程從北塬西二支干渠樁號8+222.1引水，在西二支干西側(cè)由東向西沿馮家尕塬梁脊設(shè)五級泵站提水至墩子山，五級泵站對應(yīng)設(shè)計引水流量分別為0.65 m3/s、0.65 m3/s、0.6 m3/s、0.5 m3/s和0.4 m3/s，控制灌溉面積12630畝，五級泵站提水總揚(yáng)程292 m，總裝機(jī)3360 kW。泵站建筑物主要由引水渠、攔污柵、前池、主副廠房、管理房、壓力管道和出水池組成。電灌工程經(jīng)過多年的運行，一方面機(jī)泵和電氣設(shè)備長期得不到及時到位的維修和更新，部分已成淘汰產(chǎn)品，主機(jī)組、電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，壓力管道銹蝕、腐蝕，爆管事故經(jīng)常發(fā)生；另一方面工程設(shè)施損壞嚴(yán)重，廠房等嚴(yán)重破損，混凝土碳化，鋼筋銹蝕，強(qiáng)度嚴(yán)重下降。長期以來，投入不足，致使泵站效率不斷下降，能耗嚴(yán)重超標(biāo)，工程效益逐年降低，運營成本不斷增加，管理費用不斷增長，機(jī)電設(shè)備事故增多，事故頻繁發(fā)生，安全運行沒有保證，嚴(yán)重影響了泵站效益的發(fā)揮。綜合分析，泵站各項運用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，建筑物存在嚴(yán)重安全問題，需進(jìn)行泵站更新改造建設(shè)，并考慮站改造與灌區(qū)改造同步進(jìn)行，提高灌溉水利用系數(shù)，優(yōu)化并調(diào)整灌區(qū)灌溉制度，重新確定灌水率及引水流量，實現(xiàn)高效節(jié)水、工程規(guī)模適當(dāng)、設(shè)備配套運行[1]。

2 工程需水預(yù)測

2.1 灌溉用水量

2.1.1 灌區(qū)灌溉面積確定

泵站所在灌區(qū)范圍東起西二支干渠，西止上韓家溝，北起殷家山，南至馬家山，東西寬5 km，南北長8 km，總面積40 km2，耕地面積12630畝，其中塬地3453畝，坡地9177畝。本次泵站改造旨在提高水利用率，充分利用水資源發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，遵從泵站規(guī)劃要求，恢復(fù)至原設(shè)計總灌溉面積[2]。各級泵站控制灌溉面積見表1。

表1 各級泵站控制灌溉面積統(tǒng)計表

2.1.2 灌溉設(shè)計保證率

灌區(qū)位于黃土高原區(qū)，屬于大陸性半干旱氣候，蒸發(fā)量大，灌區(qū)內(nèi)主要種植小麥、玉米、洋芋，根據(jù)灌區(qū)所處位置及種植作物種類，結(jié)合《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，以及工程區(qū)的水文氣象條件、水土資源因素、農(nóng)作物組成、灌區(qū)規(guī)模大小、灌水制度、方法及工程經(jīng)濟(jì)效益等因素確定灌溉設(shè)計保證率，本次泵站復(fù)核分析計算時采用灌溉保證率為80%。

2.1.3 現(xiàn)狀灌溉制度及灌水率

該灌區(qū)屬老灌區(qū)，基本形成了自有的灌溉方式，本次本著計劃配水，節(jié)水灌溉的原則，對灌溉制度進(jìn)行了補(bǔ)充工作，現(xiàn)狀灌溉制度見表2。灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉定額分別為蔬菜310 m3/畝、瓜類230 m3/畝、洋芋190 m3/畝、小麥230 m3/畝、玉米270 m3/畝、經(jīng)濟(jì)林150 m3/畝。綜合凈灌水定額240 m3/畝。按照灌區(qū)原設(shè)計和現(xiàn)狀運行情況，機(jī)組每日運行21 h，灌區(qū)現(xiàn)狀綜合灌水率為0.370 m3/(s·萬畝)，見圖1。

表2 灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉制度

圖1 泵站灌區(qū)現(xiàn)狀灌水率圖

2.1.4 設(shè)計灌溉制度及灌水率

(1)設(shè)計灌溉制度

泵站所在灌區(qū)是一個運行多年的老灌區(qū)，也是一個典型的農(nóng)業(yè)灌區(qū)，種植歷來以農(nóng)作物為主，種植結(jié)構(gòu)和灌溉模式在未來會有變化，但不會發(fā)生很大的變化，因此，現(xiàn)狀灌溉制度和設(shè)計灌溉制度相比，僅在種植比例、灌溉面積和灌溉需水量等方面稍有變化。本次設(shè)計灌溉制度的擬定以原有灌溉制度為基礎(chǔ)，根據(jù)實際調(diào)查的種植種類和種植比例，按不同的作物生長期內(nèi)的各時段的需水量制定。

灌區(qū)灌溉面積1.263萬畝，其中蔬菜3157.5畝、瓜類2526畝、洋芋2526畝、小麥1263畝、玉米1894.5畝、經(jīng)濟(jì)林1263畝，灌區(qū)設(shè)計灌溉定額分別為蔬菜280 m3/畝、瓜類210 m3/畝、洋芋190 m3/畝、小麥265 m3/畝、玉米210 m3/畝、經(jīng)濟(jì)林120 m3/畝。綜合凈灌水定額220 m3/畝，設(shè)計灌溉制度見表3。

(2)設(shè)計灌水率

根據(jù)灌區(qū)內(nèi)灌溉制度，主要作物的種植結(jié)構(gòu)與種植比例、灌水次數(shù)、灌水定額及灌水時間等各項因素，機(jī)組每日運行21 h，求得不同作物、不同灌水時段設(shè)計凈灌水率，繪制凈灌水率圖，求得灌區(qū)設(shè)計綜合灌水率。計算公式如下：

qi=aimi/0.36Titi

(1)

表3 灌區(qū)泵站更新改造后灌溉制度

式中：qi為灌區(qū)內(nèi)某種作物某次灌水的凈灌水模數(shù)，m3/(s·萬畝)；mi為某種作物某次灌水的凈灌水定額，m3/畝；αi為某種作物種植比例，%；ti為每天灌水的小時數(shù)，機(jī)組每日運行21 h；Ti為某種作物某次灌水的延續(xù)時間，d。

灌區(qū)各時段、各類作物凈灌水率計算結(jié)果見表3，根據(jù)擬定的作物灌溉制度，將作物各次灌水率根據(jù)灌水時間迭加，計算各時段綜合凈灌水率計算結(jié)果見表4，并做一定的修正后，繪制設(shè)計凈灌水率圖2。求得灌區(qū)設(shè)計綜合灌水率為0.324 m3/(s·萬畝)。

圖2 灌區(qū)泵站更新改造后設(shè)計灌水率圖表4 綜合灌水率計算表

序號開始日期終止日期天數(shù)/d綜合灌水率q/(m3/(s·萬畝))13.63.25120.13623.264.6120.03335.015.15150.26245.165.30150.23655.316.14150.32466.156.29150.16576.307.14150.23887.157.29150.104910.2111.15250.283

2.1.5 設(shè)計流量

(1)灌溉方式

根據(jù)本《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)要求、灌區(qū)原初步設(shè)計資料及本灌區(qū)實際情況，確定本灌區(qū)各級渠道均采用續(xù)灌方式，渠系水利用系數(shù)采用0.70，田間灌溉水利用系數(shù)取0.9，計算得到灌溉水利用系數(shù)為0.63。

(2)渠道設(shè)計流量確定

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，續(xù)灌渠道的設(shè)計流量按下式確定：

(2)

式中：Qs為續(xù)灌渠道設(shè)計流量，m3/s；qs為設(shè)計灌水率，m3/(s·萬畝)；As為該渠道灌溉面積，萬畝；ηs為該續(xù)灌渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)。

根據(jù)以上計算方法及確定原則，得各泵站控制段灌溉所需渠道流量見表5。

表5 各級泵站控制灌溉面積、流量統(tǒng)計表

3 水量平衡分析

該泵站改造工程維持現(xiàn)有灌溉面積，取水點位置不變，工程建設(shè)只改造建筑物及設(shè)備，提高水資源利用率，水量平衡分析從現(xiàn)狀用水和泵站改造后用水比較進(jìn)行[3]。

3.1 灌溉需水量

根據(jù)現(xiàn)狀灌溉制度及灌溉方式、工程運行計算得灌區(qū)現(xiàn)狀年灌溉用水量為481.14萬 m3/s，灌區(qū)設(shè)計年灌溉用水量為441.05萬 m3/s。需水過程見表6。

3.2 水量平衡分析

灌區(qū)現(xiàn)狀和泵站改造設(shè)計后，灌區(qū)各月灌溉需水過程見圖3。泵站改造后月用水量基本小于現(xiàn)狀用水量，用水時間基本維持不變，年灌溉用水總量減小40.10萬m3，即水資源量滿足工程需求。

圖3 灌區(qū)泵站改造前后灌溉需水過程線

該泵站灌溉面積1.263萬畝，工程屬Ⅳ等小(1)型，主要建筑物為4級，次要建筑物和臨時建筑物按5級設(shè)計，泵站工程為Ⅲ等中型，灌溉保證率為80%，灌區(qū)各級渠道均采用續(xù)灌方式，水源點引水流量為0.65 m3/s，一級泵站設(shè)計流量0.65 m3/s，年灌溉需水量441.05萬m3，泵站改造后年灌溉用水總量減小40.10萬m3，即水資源量滿足工程需求。

表6 灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉需水量表

4 結(jié)論及建議

本次泵站更新改造工程在解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)旱災(zāi)、保護(hù)糧食生產(chǎn)安全、改善生態(tài)環(huán)境、提供人民最基本的生存權(quán)方面發(fā)揮著極為重要的作用，也是區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和全面服務(wù)于小康社會的建設(shè)中重要的民生水利工程，也是該泵站工程受益區(qū)不可替代的重要農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。本文通過工程需水量計算以及水量平衡分析，為泵站更新改造設(shè)計、施工提供了基礎(chǔ)和保障。