西范灌區(qū)東擴(kuò)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

李效勤

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

1 工程基本情況

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程位于山西省運(yùn)城市西北部，地處峨眉構(gòu)造臺(tái)地—黃土臺(tái)塬溝壑區(qū)，是為了充分利用擬建的禹門(mén)口一級(jí)站改擴(kuò)建工程和汾河清水復(fù)流北趙連接段工程提引、輸送黃河水源，從而有效解決萬(wàn)榮、聞喜、稷山、新絳等4 縣農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題，并積極改善原西范灌區(qū)及汾南灌區(qū)的灌溉條件擬興建的大型揚(yáng)水灌溉工程。原西范灌區(qū)水源泵站位于萬(wàn)榮縣，從汾河提水，是一座高揚(yáng)程多級(jí)提水灌溉泵站，建于20 世紀(jì)70年代，設(shè)計(jì)灌溉面積1.79 萬(wàn)hm2。進(jìn)入80年代后，由于汾河經(jīng)常斷流且水質(zhì)較差，泵站難以發(fā)揮作用，灌區(qū)本身及以東涉及的萬(wàn)榮、聞喜、新絳、稷山等4 縣以及汾南灌區(qū)的大量耕地因干旱缺水，只能靠天吃飯。經(jīng)調(diào)查了解，項(xiàng)目區(qū)所屬的汾河下游及涑水河流域多年平均水資源開(kāi)發(fā)利用程度已達(dá)112.7%及157.8%，水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致本地水源已無(wú)力解決農(nóng)業(yè)灌溉嚴(yán)重缺水的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因而從本流域外調(diào)水迫在眉睫。

禹門(mén)口一級(jí)站改擴(kuò)建工程位于山西省河津市，從黃河干流提水。該工程的主要任務(wù)是解決北趙灌區(qū)、原西范灌區(qū)及西范東擴(kuò)灌區(qū)的水源問(wèn)題，向原西范灌區(qū)及西范東擴(kuò)灌區(qū)年供水量為1.52 億m3，供水流量為13.8 m3/s。山西省發(fā)改委以晉發(fā)改農(nóng)經(jīng)發(fā)［2012］452 號(hào)文批復(fù)了該項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告。

根據(jù)禹門(mén)口一級(jí)站改擴(kuò)建工程給西范東擴(kuò)灌區(qū)分配的水量，綜合考慮工程區(qū)的地形地貌以及適宜灌溉耕地的分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中提出了“四級(jí)泵站加壓，三級(jí)主干渠輸水”的總體布置方案，累計(jì)地形揚(yáng)程398.4 m，泵站壓力管線總長(zhǎng)5.72 km，三級(jí)主干渠道總長(zhǎng)45.01 km。工程建成后，可新發(fā)展灌溉面積1.55 萬(wàn)hm2，其中萬(wàn)榮縣城東0.40 萬(wàn)hm2，汾南灌區(qū)南部0.25 萬(wàn)hm2，聞喜北垣0.73 萬(wàn)hm2，新絳陽(yáng)王0.17 萬(wàn)hm2;恢復(fù)原西范灌區(qū)灌溉面積0.79萬(wàn)hm2;改善灌溉面積1.77 萬(wàn)hm2，其中原西范灌區(qū)1 萬(wàn)hm2，汾南灌區(qū)0.77 萬(wàn)hm2。通過(guò)以上總體規(guī)劃布局，合理地解決了項(xiàng)目區(qū)因干旱缺水導(dǎo)致農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重影響的問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)基本要求

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程提水揚(yáng)程較高，線路長(zhǎng)，建筑物多，受益范圍廣，有新舊渠線及新舊建筑物的結(jié)合改造問(wèn)題，同時(shí)有新增渠線及新增建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，還有泵站揚(yáng)程及水泵運(yùn)行效率等問(wèn)題，因此，必須綜合考慮，全面分析比較，才能優(yōu)選出合理的設(shè)計(jì)方案。為此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中除執(zhí)行了相關(guān)規(guī)程規(guī)范外，還執(zhí)行了以下基本要求:①以滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉規(guī)?；沙掷m(xù)發(fā)展為目標(biāo)，合理確定項(xiàng)目區(qū)灌溉面積;②充分利用原有渠線布局，結(jié)合工程沿線地形地質(zhì)條件，優(yōu)選工程渠線布置并優(yōu)化渠道斷面，以減少占地;③以提高各級(jí)泵站水泵運(yùn)行效率為手段，合理確定泵站揚(yáng)程，從而降低工程運(yùn)行成本;④以滿足各級(jí)各類(lèi)建筑物安全運(yùn)行為條件，合理進(jìn)行建筑物設(shè)計(jì);⑤充分應(yīng)用信息化控制手段，大力提升灌區(qū)管理水平。

3 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 為大型灌區(qū)的規(guī)?；沙掷m(xù)發(fā)展創(chuàng)造了條件

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程建成后，不僅可恢復(fù)原西范灌區(qū)灌溉面積0.79 萬(wàn)hm2，改善原西范灌區(qū)及汾南灌區(qū)灌溉面積1.77 萬(wàn)hm2，而且新發(fā)展了萬(wàn)榮、聞喜、稷山、新絳等4 縣灌溉面積1.56 萬(wàn)hm2，合計(jì)灌溉面積可達(dá)4.12 萬(wàn)hm2，具備了大型灌區(qū)的條件，可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的規(guī)模化可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3.2 “四級(jí)泵站加壓，三級(jí)總干渠輸水”的布局實(shí)現(xiàn)了方案的總體優(yōu)化

綜合考慮缺水地區(qū)的地形地貌以及適宜灌溉耕地的分布情況，經(jīng)對(duì)渠道輸水方案及管渠結(jié)合輸水方案進(jìn)行反復(fù)比較，提出了“四級(jí)泵站加壓，三級(jí)主干輸水”的總體布局方案，從而實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)選擇。該方案累計(jì)地形揚(yáng)程398.4 m，泵站壓力管線總長(zhǎng)5.72 km，輸水干渠總長(zhǎng)45.01 km。

3.2.1 “四級(jí)加壓泵站”各站的布置

(1)東擴(kuò)一級(jí)泵站。位于萬(wàn)榮縣裴莊鄉(xiāng)西范村汾河岸邊的原西范泵站一級(jí)站站址上，主要向原西范一級(jí)站控制的南干渠、原西范二級(jí)站以及東擴(kuò)二級(jí)站供水，控制灌溉面積4.12 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量13.8 m3/s。共布置 8 臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量30 100 kW。

(2)東擴(kuò)二級(jí)泵站。擬布置于原西范灌區(qū)二級(jí)泵站處，控制灌溉面積2.33 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量7.8 m3/s，共布置4 臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量5 000 kW。仁和泵站(支線泵站)位于稷山縣翟店鎮(zhèn)仁和村東約500 m 處，自二級(jí)站—塢堆站總干渠QⅡ23 +580處引水，廠外地坪533.40 m，共布置4 臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量4 000 kW。4 臺(tái)機(jī)組均向萬(wàn)榮城東供水，控制灌溉面積0.40 萬(wàn)hm2，流量1.35 m3/s。

(3)東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)。位于稷山縣太陽(yáng)鄉(xiāng)塢堆村西，二級(jí)站—塢堆站總干渠末端，控制灌溉面積1.03 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量3.46 m3/s。共布置5臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量1 104 kW。1#、2#、3#機(jī)組向聞喜、新絳方向供水，控制灌溉面積0.94 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量3.14 m3/s;4#、5#機(jī)組向汾南灌區(qū)南部供水，控制灌溉面積0.10 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量0.32 m3/s。

(4)東擴(kuò)四級(jí)泵站(南池泵站)。位于新絳縣陽(yáng)王鎮(zhèn)南池村北，塢堆站—南池站總干渠末端，共布置8 臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量8 960 kW。8 臺(tái)機(jī)組均向聞喜北垣供水，控制灌溉面積0.73 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量2.46 m3/s。

3.2.2 三級(jí)總干渠輸水布置

輸水總干渠共分三級(jí)，分別為:東擴(kuò)一級(jí)泵站—東擴(kuò)二級(jí)泵站總干渠，東擴(kuò)二級(jí)泵站—東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)總干渠，東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)—東擴(kuò)四級(jí)泵站(南池泵站)總干渠。

東擴(kuò)一級(jí)泵站—東擴(kuò)二級(jí)泵站總干渠，從東擴(kuò)一級(jí)泵站出水池起，到東擴(kuò)二級(jí)泵站前池止，全長(zhǎng)7 850 m，渠道設(shè)計(jì)流量7.8 m3/s，采用弧形底梯形渠斷面。

東擴(kuò)二級(jí)泵站—東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)總干渠，從東擴(kuò)二級(jí)泵站出水池起，到東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)前池止，全長(zhǎng)27 300 m，設(shè)計(jì)流量7.8 m3/s，采用弧形底梯形渠斷面。該段線路在仁和村東約500 m 處(渠道樁號(hào)QⅡ23 +580)設(shè)支渠給萬(wàn)榮縣城東灌溉片分水，分水流量為1.35 m3/s。渠道分水后，總干線繼續(xù)向東，流量為6.45 m3/s，在太陽(yáng)鄉(xiāng)塢堆村西設(shè)置分水口，給汾南灌區(qū)分水，分水流量為2.59 m3/s。之后，渠道南拐，水流進(jìn)入東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)前池。

東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)—東擴(kuò)四級(jí)泵站(南池泵站)總干渠，從東擴(kuò)三級(jí)泵站(塢堆泵站)出水池起，到東擴(kuò)四級(jí)泵站(南池泵站)前池止，全長(zhǎng)9 860 m，設(shè)計(jì)流量3.14 m3/s。總干線在新絳縣陽(yáng)王鎮(zhèn)南池村向北設(shè)支渠給新絳陽(yáng)王0.17 萬(wàn)hm2耕地分水，分水流量為0.56 m3/s。之后，總干線在南池村設(shè)東擴(kuò)四級(jí)泵站(南池泵站)加壓，流量2.46 m3/s，給聞喜北垣0.73 萬(wàn)hm2耕地供水。

3.3 優(yōu)選了渠道過(guò)水?dāng)嗝?/h3>

對(duì)于輸水總干渠，由于渠道斷面較大，大型U型渠道在我省應(yīng)用還不多見(jiàn)，經(jīng)對(duì)比論證，渠道斷面采用了弧形底梯形渠。其主要理由:弧形底梯形渠適應(yīng)凍脹變形的能力強(qiáng)，水力條件好，流速分布均勻，易挾沙可減少渠道淤積，占地少并可減少投資。對(duì)于各灌溉片區(qū)的分干渠，由于渠道斷面較小，故對(duì)新建的渠道采用了U 型渠斷面。顯而易見(jiàn)，U 型渠具有弧形底梯形渠斷面的所有優(yōu)點(diǎn)，且工程占地更小，更加經(jīng)濟(jì)合理。

3.4 實(shí)現(xiàn)了一級(jí)泵站泵改機(jī)組與東擴(kuò)機(jī)組的優(yōu)化組合

西范泵站更新改造工程一級(jí)站更新改造共設(shè)6臺(tái)機(jī)組，“一”字型布置，單機(jī)設(shè)計(jì)流量1.2 m3/s，共7.2 m3/s。本次西范灌區(qū)東擴(kuò)工程結(jié)合泵站改造總設(shè)計(jì)流量為13.8 m3/s，要求在原一級(jí)泵站改造的廠房?jī)?nèi)布置所有機(jī)組，且泵站更新改造6 臺(tái)機(jī)組設(shè)備及3 根DN1 400 mm 出水壓力管道不變。

經(jīng)方案比較，確定布置方案為:將一級(jí)站更新改造6 臺(tái)機(jī)組的水泵葉輪更換，使每臺(tái)水泵單機(jī)流量由1.2 m3/s 增加到1.5 m3/s(流量1.2 m3/s 的水泵和流量1.5 m3/s 的水泵結(jié)構(gòu)上是相同的，泵軸的設(shè)計(jì)也是相同的，所以更換葉輪很方便)，共9.0 m3/s，每3 臺(tái)機(jī)共用一根DN1 400 mm 出水壓力管道。然后，再在泵站改造機(jī)組中間新增2 臺(tái)機(jī)組，單機(jī)設(shè)計(jì)流量2.4 m3/s，共4.8 m3/s。這2 臺(tái)機(jī)組共用一根DN1 400 mm 出水壓力管道。東擴(kuò)新增機(jī)組與泵站改造機(jī)組共8 臺(tái)呈“一”字型布置，總流量達(dá)13.8 m3/s，從而實(shí)現(xiàn)了一級(jí)泵站泵改機(jī)組與東擴(kuò)機(jī)組的優(yōu)化組合。

3.5 合理利用了原有渠道及渠系建筑物

設(shè)計(jì)中將原西范灌區(qū)一級(jí)總干渠7.6 km 梯形渠道及渠系建筑物加以科學(xué)合理的改造，使其過(guò)流能力由5.4 m3/s 增加到13.8 m3/s，從而減少了占地，節(jié)省了投資，且方便了管理。

3.6 工程總干線采用了自動(dòng)化統(tǒng)一輸水調(diào)度系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)工程安全穩(wěn)定輸水，保證全線各種機(jī)電設(shè)備和水工建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，設(shè)計(jì)對(duì)沿線各泵站進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。為此，在總干線設(shè)立了自動(dòng)化統(tǒng)一輸水調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心設(shè)在萬(wàn)榮縣西范揚(yáng)水工程管理局。

3.7 因地制宜地優(yōu)化設(shè)計(jì)了各類(lèi)建筑物

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)中因地制宜、客觀實(shí)際地配套設(shè)置了渠系及管線各類(lèi)建筑物，包括泵站、隧洞、倒虹、渡槽、跌水、涵洞、公路橋、農(nóng)用橋、分水閘、節(jié)制閘、控制閥井、排氣閥井、排水閥井、檢查井等，其中，輸水總干渠建筑物74 座，各灌溉片(區(qū))干渠各類(lèi)建筑物193 座，支渠各類(lèi)建筑物494座。

4 結(jié)束語(yǔ)

西范灌區(qū)東擴(kuò)工程是山西省“十二五”期間擬興建的大型灌區(qū)工程，不僅能為萬(wàn)榮、聞喜、稷山、新絳等4 縣干旱地區(qū)提供可靠的農(nóng)業(yè)灌溉用水，而且可改善原西范灌區(qū)、汾南灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水條件，對(duì)保障糧食安全，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展具有十分重要的推動(dòng)作用。