巖溶地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園小型水源蓄水工程設(shè)計(jì)

陳 曦，梁 和，符 慧，馮 雄，林 茹，張曉波

(1.瓊臺(tái)師范學(xué)院，海南 海口 571127；2.海南灌排技術(shù)開發(fā)有限公司，海南 ?？?570208)

1 建設(shè)背景

2009年10月9日，云南省委、省政府從統(tǒng)籌區(qū)域治理、保護(hù)、開發(fā)的高度，決定設(shè)立陽(yáng)宗海風(fēng)景名勝區(qū)。在已形成的產(chǎn)業(yè)體系之下，為調(diào)整和優(yōu)化陽(yáng)宗海區(qū)域的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，昆明市人民政府?dāng)M在陽(yáng)宗海風(fēng)景名勝區(qū)境內(nèi)，擁有良好區(qū)位優(yōu)勢(shì)、一流生態(tài)環(huán)境、廣闊用地空間的梁王山，規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園，形成工業(yè)園區(qū)、旅游園區(qū)、農(nóng)業(yè)園區(qū)三輪驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)格局。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目區(qū)位

梁王山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園規(guī)劃區(qū)位于陽(yáng)宗海風(fēng)景名勝區(qū)西南部，地處“滇中第一名山”梁王山主峰北側(cè)，是陽(yáng)宗海流域(珠江流域)和滇池流域(金沙江流域)的分水嶺區(qū)域，總面積104.18km2，分為馬郞腳步哨片區(qū)、陽(yáng)宗北斗片區(qū)、飲馬池片區(qū)。

2.2 產(chǎn)業(yè)布局

規(guī)劃區(qū)中產(chǎn)業(yè)集中建設(shè)區(qū)約40km2，分為以農(nóng)業(yè)種植與鄉(xiāng)村旅游為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的萬(wàn)畝大田園生產(chǎn)示范區(qū)、以打造全省生物資源研發(fā)中心與綠色食品精深加工基地為目標(biāo)的綠色食品精深加工區(qū)、以及農(nóng)業(yè)電商聚集區(qū)三大產(chǎn)業(yè)功能片區(qū)。

2.3 水資源開發(fā)與利用

規(guī)劃區(qū)內(nèi)已建石寨河水庫(kù)、七星河水庫(kù)2座小(1)型水庫(kù)和馬寨子水庫(kù)、三壩水庫(kù)、三岔箐水庫(kù)3座小(2)型水庫(kù)，以及腳步哨壩塘、凈蓮寺壩塘2座小壩塘，總興利調(diào)蓄庫(kù)容約220萬(wàn)m3，多年平均可供水量約250萬(wàn)m3，開發(fā)利用程度較低，僅為10%，對(duì)規(guī)劃區(qū)內(nèi)水資源量調(diào)蓄能力較弱。由于已建水庫(kù)高程較低，主要用于陽(yáng)宗壩區(qū)供水。目前，梁王山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園范圍內(nèi)的灌溉供水主要來(lái)自距離2.3km的石寨河水庫(kù)遠(yuǎn)距離提水及農(nóng)戶自用水泵從河道抽水，缺乏調(diào)蓄性水源工程，灌溉面積僅占耕地面積的30%～40%，且在枯水期大量抽取河水容易造成河道斷流。

2.4 地形地貌

規(guī)劃區(qū)內(nèi)主要為高山林地、山地、草壩，海拔在1376～2800m之間，地形起伏較大。該區(qū)巖溶類型為亞熱帶高原山地巖溶，受地形、巖性、構(gòu)造及水動(dòng)力條件的控制，區(qū)內(nèi)巖溶化程度差異明顯，形態(tài)多樣。地表巖溶形態(tài)以石芽、溶溝(槽)、洼地、溶洞為主，其中，分水嶺地帶洼地呈串珠狀分布，洼地底部多為粘土覆蓋，底部常嵌套有落水洞、漏斗，是地下巖溶管道的補(bǔ)給區(qū)。地下巖溶形態(tài)以落水洞、溶洞、巖溶通道和溶孔為主，規(guī)模差異大，具有多層性，延伸方向受巖層層面、構(gòu)造裂隙的控制，是地下水補(bǔ)給和徑流的主要通道。

3 面臨問題

3.1 水資源與產(chǎn)業(yè)發(fā)展供需矛盾

由于流域水資源存在資源性、時(shí)空性、工程性短缺，同時(shí)，規(guī)劃區(qū)位置特殊，其分水嶺的區(qū)位決定了水資源本底較為貧乏，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水資源供需矛盾將越來(lái)越突出，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

3.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊制約水庫(kù)建設(shè)

巖溶水文地質(zhì)條件的特殊性，導(dǎo)致已規(guī)劃的小水箐、梁王箐2座小(1)型水庫(kù)均無(wú)法施工，庫(kù)區(qū)存在發(fā)生滑坡、坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患，以及巖溶滲漏成為制約水庫(kù)成立的主要工程地質(zhì)條件[1]。因此，不能以常規(guī)建設(shè)水庫(kù)提供集中式水源供給方式解決用水問題。

3.3 地形起伏較大增加中小型水庫(kù)供水成本

規(guī)劃區(qū)地形起伏較大，成片的農(nóng)業(yè)種植區(qū)位于地勢(shì)相對(duì)平緩的坡地，而中小型水庫(kù)需建在腹地開闊易于匯水的洼地，建設(shè)水庫(kù)供水存在提水成本高、輸水距離遠(yuǎn)、水源不足等問題，難以滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求。

4 設(shè)計(jì)理念

4.1 總體目標(biāo)

綜合考慮地質(zhì)條件、工程投資、建設(shè)難度、環(huán)境適宜性及產(chǎn)業(yè)功能定位等多方面因素，提出解決水資源供需矛盾的工程措施，選定合理的農(nóng)業(yè)灌溉水源布局和農(nóng)業(yè)水源特殊調(diào)蓄水工程建設(shè)方案，建立滿足梁王山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，適宜巖溶地區(qū)，兼顧農(nóng)業(yè)蓄水與科普觀光的高效蓄水、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約用地的小型水源創(chuàng)新體系，促使區(qū)域傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 設(shè)計(jì)原則

4.2.1地質(zhì)適宜性原則

遵循地質(zhì)適宜性原則，針對(duì)巖溶地區(qū)存在的地表水流失與地下水漏失加速石漠化，地下管道、溶洞、地下暗河等地形地貌難以承受水庫(kù)荷載產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害、水源滲漏等問題，提出適宜地質(zhì)環(huán)境承載力的分散多點(diǎn)、覆膜防滲的小型塘壩蓄水、供水系統(tǒng)。

4.2.2節(jié)水蓄水原則

遵循節(jié)水蓄水原則，針對(duì)巖溶地區(qū)地表裸露巖石多、土壤薄且易流失、地表滲水性強(qiáng)、蓄水困難等問題，因地制宜提出采用滾水壩+水窖、水閘+水窖的引蓄水方式，多途徑收集存儲(chǔ)水資源。

4.2.3節(jié)能環(huán)保原則

遵循節(jié)能環(huán)保原則，針對(duì)該地區(qū)太陽(yáng)能資源較充足的特點(diǎn)，提出在農(nóng)業(yè)種植區(qū)采用光伏板建設(shè)大棚，并收集太陽(yáng)能作為小型提水、加壓設(shè)備，照明設(shè)施的能源，探索太陽(yáng)能在工程節(jié)水蓄水增值技術(shù)上的應(yīng)用。

4.2.4節(jié)約用地原則

遵循節(jié)約用地原則，針對(duì)充分保護(hù)耕地、減少耕地占用問題，高水高用、低水低用進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水布局。因地制宜布置塘壩、滾水壩、水閘，適時(shí)調(diào)蓄水。種植區(qū)就近采用結(jié)構(gòu)安全、施工方便、投資適中的分散式地下水窖蓄水，其上覆土種植，不占耕地。

4.2.5服務(wù)科普原則

遵循服務(wù)科普原則，將適應(yīng)巖溶地貌的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)與農(nóng)業(yè)公園的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)觀光相結(jié)合，通過農(nóng)業(yè)灌溉工程的可視化設(shè)計(jì)，展示農(nóng)業(yè)水源的輸送、蓄積、灌溉等過程，實(shí)現(xiàn)融知識(shí)性、科技性、趣味性于一體的農(nóng)業(yè)旅游科普。

5 工程設(shè)計(jì)

本次工程設(shè)計(jì)選擇在規(guī)劃區(qū)東北部馬郞腳步哨片區(qū)，其西北部、馬寨子水庫(kù)上游，劃定典型試點(diǎn)區(qū)，面積為1.73km2。將該區(qū)作為梁王山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園農(nóng)業(yè)灌溉小型水源的最小完整單元提出方案設(shè)計(jì)，實(shí)踐成果最終推廣至整個(gè)規(guī)劃區(qū)。

5.1 蓄水設(shè)計(jì)

典型試點(diǎn)區(qū)內(nèi)調(diào)蓄水工程主要為該區(qū)域的耕地提供灌溉水源。工程布置遵循因地制宜、高水高用、低水低用、空間均衡等原則，采取塘、壩、閘、水窖相結(jié)合的蓄水方式，逐步構(gòu)建水資源合理配置的時(shí)空調(diào)控格局，總蓄水量為22.60萬(wàn)m3，滿足2000畝耕地灌溉用水需求，見表1。

表1 蓄水建筑特性

5.1.1持續(xù)性蓄水設(shè)施

在典型區(qū)域內(nèi)地勢(shì)開闊，具備充足蓄水條件的地方布置塘壩2座，其中1#山塘，總庫(kù)容6.90萬(wàn)m3，正常蓄水位庫(kù)容4.70萬(wàn)m3，死庫(kù)容0.19萬(wàn)m3；2#山塘總庫(kù)容6.03萬(wàn)m3，正常蓄水位庫(kù)容4.85萬(wàn)m3，死庫(kù)容0.08萬(wàn)m3，持續(xù)性蓄水、占用土地。1#山塘與2#山塘皆設(shè)置溢洪道泄洪，設(shè)置放水涵洞引水。為應(yīng)對(duì)滲水問題，在山塘區(qū)采用埋入式鋪設(shè)土工膜防滲方案，減少滲漏損失。

注：根據(jù)DB53/T 168—2013《云南省用水定額地方標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，擬定各種作物的灌溉定額，并計(jì)算可灌溉面積。

5.1.2階段性蓄水設(shè)施

在地勢(shì)較陡峭，具備少量蓄水條件的地方布置滾水壩及配套蓄水設(shè)施1套，根據(jù)山洪水流量階段性蓄水、占用土地。滾水壩攔蓄山洪后通過輸水管將水引至防止蒸發(fā)的地埋式A型水窖蓄水。A型水窖采用C20砼結(jié)構(gòu)，為長(zhǎng)20m，寬10m，高5m，上拱高5m的矩形水窖，壁厚為15cm，單個(gè)容積為1500m3，如圖1所示，適宜布置在坡度較緩區(qū)域。根據(jù)滾水壩周邊地勢(shì)情況，將A型水窖設(shè)置為4排3列和2排3列的形式集中布置，共18個(gè)A型水窖，總?cè)莘e為2.70萬(wàn)m3。

圖1 A型水窖設(shè)計(jì)

5.1.3偶發(fā)性蓄水設(shè)施

在地勢(shì)陡峭，不易蓄水的地方布置水閘及配套蓄水設(shè)施3套，在山洪期偶發(fā)性蓄水、占用土地。

1#水閘兩岸地勢(shì)相對(duì)較緩，配套選用A型水窖蓄水。根據(jù)1#水閘周邊地勢(shì)將A型水窖按3組2排3列和1組2排4列的形式集中布置，共26個(gè)，總?cè)莘e為3.90萬(wàn)m3。

2#、3#水閘兩岸地勢(shì)相對(duì)較陡，配套選用B型水窖蓄水。B型水窖采用C20砼結(jié)構(gòu)，為直徑5m，高6m，上拱高2.5m的圓形水窖，壁厚為10cm，單個(gè)容積為150m3，如圖2所示。根據(jù)2#、3#水閘周邊地勢(shì)，設(shè)計(jì)在水閘兩岸各布置一條輸水管道，將B型水窖按2排的形式串聯(lián)布置，2#水閘共布置200個(gè)B型水窖，總?cè)莘e為3.00萬(wàn)m3；3#水閘共布置230個(gè)B型水窖，總?cè)莘e為3.45萬(wàn)m3，水窖間距為1m。

圖2 B型水窖設(shè)計(jì)

5.2 景觀設(shè)計(jì)

為滿足梁王山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園的農(nóng)業(yè)觀光與科普功能，蓄水設(shè)施的設(shè)計(jì)注重調(diào)蓄水過程的可視化與游客的可達(dá)性。B型水窖的窖口內(nèi)徑70cm，壁厚24cm，采用玻璃鋼板覆蓋，水窖窖口之間為覆土種植帶，在連續(xù)排列的水窖上方離地1.2m處架設(shè)景觀廊橋，正對(duì)窖口處采用玻璃鋼板橋面，種植帶上方采用木質(zhì)橋面，游客在橋上游覽時(shí)可透過玻璃鋼板看到水窖中調(diào)蓄水以及灌溉過程，通過農(nóng)田蓄水灌溉設(shè)施的可視化設(shè)計(jì)，增加游覽的趣味性與觀賞性，如圖3所示。

圖3 B型水窖與景觀橋設(shè)計(jì)

5.3 節(jié)能設(shè)計(jì)

為充分利用當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源優(yōu)勢(shì)，在A型水窖區(qū)嘗試建設(shè)光伏農(nóng)業(yè)。A型水窖建設(shè)于地面以下，覆土厚度大于70cm。光伏板采用鋼結(jié)構(gòu)立柱支撐，板離地高度為2.2m，板下種植區(qū)域?qū)挾葹?m，板間種植區(qū)域?qū)挾葹?.5m，可滿足作業(yè)幅寬為2.5m的中小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用，如圖4所示。光伏農(nóng)業(yè)種植模式既可為農(nóng)作物避風(fēng)擋雨，適度遮陽(yáng)，合理透光，還可借助光伏板與支架配置防蟲網(wǎng)與棚頂?shù)箳焓轿姽嘣O(shè)施，同時(shí)，為水窖提水灌溉提供電力，并通過手機(jī)或電腦控制實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)定量灌溉。

圖4 A型水窖與光伏農(nóng)業(yè)種植設(shè)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)山地巖溶地區(qū)水庫(kù)供水存在滲漏、安全隱患、供水成本高等實(shí)際問題，本文提出小型化、分散多點(diǎn)因地制宜布局塘壩、滾水壩、水閘、水窖等組合式蓄水模式，以達(dá)到節(jié)約用地、保障防洪安全、高效供水等目的。針對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，結(jié)合農(nóng)業(yè)蓄水設(shè)施，提出利用太陽(yáng)能建設(shè)光伏農(nóng)業(yè)，通過可視化增加游覽趣味性與觀賞性的特色方案設(shè)計(jì)。以期為巖溶地區(qū)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公園，建設(shè)促進(jìn)綠色發(fā)展的節(jié)水節(jié)地節(jié)能的高效農(nóng)業(yè)蓄水、促進(jìn)農(nóng)業(yè)觀光與科普教育相融合的可視化農(nóng)業(yè)小型水源設(shè)施提供經(jīng)驗(yàn)。如何將該模式有效推廣至整個(gè)公園及類似地區(qū)，并進(jìn)行優(yōu)化改良仍值得繼續(xù)探索。