塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)

王雷,張濤,張啟振,邵英超

1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098

2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東濟(jì)南250013

塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)

王雷1,張濤2,張啟振2,邵英超2

1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098

2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東濟(jì)南250013

本文在適宜建設(shè)塘壩和泵站的地區(qū)，提出一種新的灌溉水源利用模式。在作物需水灌溉時(shí)段內(nèi)由塘壩與泵站聯(lián)合供水灌溉，在非灌溉時(shí)段內(nèi)由泵站補(bǔ)充塘壩蓄水。給出塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用模型的邊界參數(shù)、聯(lián)合運(yùn)行算法以及適應(yīng)條件；根據(jù)評(píng)價(jià)模型確定最優(yōu)的泵站規(guī)模以及塘壩調(diào)蓄等主要參數(shù)。實(shí)例表明，在既定條件下，通過塘壩與泵站多水源聯(lián)合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證作物灌溉需水要求的前提下，可以有效減小工程投資，從而獲得較大效益。

塘壩與泵站;聯(lián)合運(yùn)用;優(yōu)化設(shè)計(jì)

水源工程是農(nóng)田水利建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，目前在山丘區(qū)及丘陵區(qū)，普遍存在缺少灌溉水源的問題。因此，在適合建設(shè)中小型塘壩和泵站的地區(qū)，如何在保證作物灌溉需水的前提下，有效減小工程投資從而獲得灌溉效益最大化是目前急需解決的現(xiàn)實(shí)課題。目前大型灌區(qū)水源利用優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)研究較多，包括多水源利用、方案優(yōu)化評(píng)價(jià)等都取得了一定的研究成果[1-5]。而在中小型農(nóng)田水利水源利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方面研究尚較少。本文在既定條件下，提出一種新的灌溉水源利用模式，即在保證作物灌溉需水要求的前提下，進(jìn)行塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效減小工程投資，從而獲得較大效益。

1 塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用模型設(shè)計(jì)

塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用的設(shè)計(jì)思路為：作物灌溉時(shí)段內(nèi)由塘壩和泵站聯(lián)合供水灌溉，非灌溉時(shí)段內(nèi)由泵站補(bǔ)充塘壩蓄水。通過泵站補(bǔ)充塘壩蓄水或直供田間灌溉，可以有效彌補(bǔ)塘壩自身集蓄水量不能滿足灌溉用水需求的不足，從而減小塘壩規(guī)模；在非灌溉時(shí)間內(nèi)通過塘壩調(diào)蓄泵站提水水量，可以減小泵站在作物灌溉時(shí)段內(nèi)的直供田間灌溉供水量，從而減小管道及泵站規(guī)模。

1.1 邊界參數(shù)

1.1.1 作物需水量塘壩與泵站的供水水量根據(jù)作物灌溉需水量確定。作物在其不同生長期階段的需水量不同，不同作物對(duì)水分的需求量亦不同。根據(jù)作物生長需水高峰期的蒸騰能力、土壤含水量、土壤濕潤程度等因素[6]，計(jì)算設(shè)計(jì)灌水定額：

式中：w凈為設(shè)計(jì)灌水凈定額（m3/畝）；Z為土壤濕潤層深度（m）；γ為土壤容重（g/cm3）；β為田間持水率；θmax、θmin為適宜土壤含水率上、下限（占干土重的百分比）。

作物供給水量來源包括自然降雨和人工灌水，人工灌水需根據(jù)地區(qū)的氣候條件和作物生長需水規(guī)律確定。在半濕潤半干旱地區(qū)，一般年份一季作物人工灌水次數(shù)n為2～4次。為便于調(diào)算，并考慮到灌水方式影響，作物生長期各時(shí)段的灌水量視為相同值，均按設(shè)計(jì)灌水定額控制，則作物一次灌溉需水量W需為：

式中：A為灌溉面積（畝）；w毛為設(shè)計(jì)灌水毛定額（m3/畝）；η為灌溉水利用系數(shù)，根據(jù)輸水損失及田間灌水損失確定，受漫灌、管灌、滴管等灌溉方式影響。

1.1.2 運(yùn)用周期塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)用的一個(gè)運(yùn)用周期為上次灌溉結(jié)束到本次灌溉結(jié)束，包含本次運(yùn)用中的泵站停歇時(shí)間，運(yùn)用次數(shù)即為灌水次數(shù)。假定每次運(yùn)用時(shí)的泵站補(bǔ)充塘壩蓄水、直供田間灌溉的運(yùn)行天數(shù)均相同，則有如下近似公式：

式中：T為作物生長周期（d）；n為運(yùn)用次數(shù)；T停為泵站檢修、停歇等停機(jī)時(shí)間（d）；T補(bǔ)、T灌分別為一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)泵站補(bǔ)充塘壩蓄水、直供田間灌溉的運(yùn)行天數(shù)（d）,下同；T它主要包括作物收獲前的最后灌溉時(shí)間間隔，以及其它不確定性時(shí)間。

1.1.3 塘壩庫容及蓄水量根據(jù)塘壩流域面積降雨、產(chǎn)流等水文氣象條件，壩址地質(zhì)條件以及施工技術(shù)等要素[6,7]，確定可以開發(fā)利用的有效庫容上限Vmax，以及死庫容V死。初次運(yùn)用前，塘壩由降水集蓄或由泵站補(bǔ)充蓄滿；末次運(yùn)用灌水結(jié)束時(shí)，塘壩基本騰空庫容至死庫容，以充分利用塘壩調(diào)蓄水量。

1.1.4 泵站供水能力根據(jù)河道水源情況確定泵站供水能力上限Qmax，灌溉供水保證率一般取50%～75%。泵站規(guī)模以泵站供水流量控制；管道規(guī)模以泵站供水流量等因素確定[6]，管徑與流量成正相關(guān)。

1.1.5 其它假定作物由塘壩及泵站聯(lián)合供水，不考慮調(diào)算時(shí)段內(nèi)的降雨補(bǔ)給影響，主要針對(duì)旱季進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

1.2 聯(lián)合運(yùn)行調(diào)算

根據(jù)作物灌水要求，自初次運(yùn)用至末次運(yùn)用結(jié)束進(jìn)行塘壩與泵站聯(lián)合運(yùn)行調(diào)算。當(dāng)塘壩有效庫容V庫給定后，確定聯(lián)合運(yùn)行的使用塘壩水量W用、補(bǔ)充塘壩水量W補(bǔ)等塘壩調(diào)節(jié)參數(shù)，以及泵站規(guī)模Q泵等共3個(gè)主要參數(shù)，調(diào)算如下：

1.2.1 第1次（j=1）運(yùn)用灌溉初期時(shí)塘壩滿蓄，蓄水量即為有效庫容V庫。擬訂第1次灌溉使用塘壩水量為W用,i,1，作物其它灌溉水量由泵站供給，則泵站在灌溉時(shí)段的直供田間灌溉規(guī)模為：

式中：a為流量加大系數(shù)，主要考慮泵站停歇期間以及其它時(shí)段的不確定性水量損失，下同；t灌、t補(bǔ)分別為各運(yùn)行周期內(nèi)泵站直供田間灌溉、補(bǔ)充塘壩蓄水的每天運(yùn)行時(shí)長（h），一般取16～24 h，下同。

式中：S(V)為單位時(shí)間內(nèi)的平均滲漏損失量，根據(jù)塘壩庫區(qū)地質(zhì)勘測(cè)資料及庫容確定；F(V)為塘壩水面面積；E—單位面積的平均時(shí)段水面蒸發(fā)量；T—時(shí)長。各參數(shù)單位根據(jù)計(jì)算情況進(jìn)行相應(yīng)量綱轉(zhuǎn)化。1.2.2第j次（j＞1）運(yùn)用泵站在非灌溉時(shí)段內(nèi)為塘壩補(bǔ)充蓄水，擬訂補(bǔ)充塘壩水量為W補(bǔ),i,j，則泵站在非灌溉時(shí)段的補(bǔ)充塘壩蓄水規(guī)模為：

擬訂此次灌溉使用塘壩水量為W用,i,j，作物其它灌溉水量由泵站供給，則泵站在灌溉時(shí)段的直供田間灌溉規(guī)模為：

為充分利用塘壩蓄水作用，末次灌溉結(jié)束時(shí)的塘壩水量為死庫容，則有：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，各個(gè)運(yùn)用周期內(nèi)假定泵站補(bǔ)充塘壩水量W補(bǔ),i,j均相等，即為W補(bǔ),i，則泵站補(bǔ)充塘壩蓄水規(guī)模Q補(bǔ),i,j亦相等，即為Q補(bǔ),i；假定使用塘壩水量W用,i,j均相等，即為W用,i，則泵站直供田間灌溉規(guī)模Q用,i,j亦相等，即為Q用,i。公式（10）簡(jiǎn)化為:

1.3 方案擬定

當(dāng)給定塘壩有效庫容V庫，泵站規(guī)模最小為最優(yōu)。同時(shí)滿足泵站補(bǔ)充塘壩蓄水和直供田間灌溉的泵站規(guī)模為：

由公式（4）、（7）、（11）、（12）聯(lián)立可求出最優(yōu)的補(bǔ)充塘壩水量W補(bǔ)、塘壩使用水量W用，以及泵站規(guī)模Q泵等3個(gè)變量，此方案為塘壩庫容既定條件下的最優(yōu)方案。為便于對(duì)各方案進(jìn)行比較，選取效益及投資等主要因素進(jìn)行方案評(píng)價(jià)[2,5]。分別以效益投入比F1、效益投入產(chǎn)出F2兩種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)估，公式為：

式中：Fi,1為i方案的效益投入比；Fi,2為i方案的效益投入產(chǎn)出；Bi為i方案運(yùn)行期內(nèi)考慮效益分?jǐn)傁禂?shù)的總效益，主要計(jì)算作物灌溉效益；Pi為i方案運(yùn)行期內(nèi)的總投入，主要包括塘壩工、泵站及機(jī)電設(shè)備、輸水管道等主體工程投資，以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等。

1.4 適應(yīng)條件

塘壩與泵站多水源聯(lián)合運(yùn)用模式適應(yīng)于丘陵區(qū)、山區(qū)，區(qū)域內(nèi)及附近具有建設(shè)塘壩、河道提水泵站的條件，規(guī)模以小型及中型為宜。塘壩宜建在小型河溝上，有效利用低洼區(qū)或河谷處的天然儲(chǔ)水空間，以減少工程投資；泵站宜建在水源有保證的河道上，在塘壩自身集蓄水量不能滿足作物灌溉需水要求時(shí)，由泵站提水通過輸水管道補(bǔ)充塘壩蓄水；泵站輸水管道沿線土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)宜以壤土、砂壤土為主，以便于開槽鋪設(shè)。

2 實(shí)例計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)為臨沂市浚河支流朱田河下游地帶，屬低丘陵地區(qū)。區(qū)內(nèi)上層土層以沙壤土為主，局部區(qū)域裸露巖石。該區(qū)雨季時(shí)降雨較為充沛，而旱季干旱少雨，需進(jìn)行人工灌溉。朱田河樁號(hào)4+600處具有建設(shè)塘壩的條件，該塘壩距離干流浚河取水處的直線距離約3.5 km，干流水量相對(duì)較豐，在旱季能保障項(xiàng)目區(qū)的灌溉供水需求。

2.1 主要參數(shù)

作物以花生為主，面積1.33×107m2。生育期140 d左右。經(jīng)計(jì)算，灌水定額w凈為0.054 m3/m2、w毛為0.083 m3/m2，每次灌水需水量為1.10×106m3。在旱季生長期內(nèi)灌水4次，每次灌水周期15 d，采用漫灌。泵站輸水管道長度3.5 km，其中泵站直供田間灌溉時(shí)間T灌取15 d、泵站補(bǔ)充塘壩蓄水時(shí)間T補(bǔ)取18 d、停歇時(shí)間T停取2 d，相應(yīng)泵站的每天運(yùn)行時(shí)間t灌、t補(bǔ)分別取18 h、20 h；流量加大系數(shù)取1.05；塘壩有效庫容V庫已確定為7.0×105m3、死庫容為2.5×104m3，運(yùn)用期間總蒸發(fā)及滲漏損失約1.13×105m3。

本次對(duì)旱季作物灌溉進(jìn)行塘壩與泵站聯(lián)合調(diào)算，根據(jù)前述公式求解既定條件下的最優(yōu)泵站規(guī)模及塘壩調(diào)節(jié)參數(shù)，主要計(jì)算指標(biāo)見表1。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓喔仍囼?yàn)以及工程造價(jià)估算主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表1。B為灌溉增產(chǎn)效益，每畝增產(chǎn)按190元計(jì)算，效益分?jǐn)傁禂?shù)取0.6。P為工程總投入，其中塘壩程投資按單方庫容4.5元計(jì)算；泵站建筑及機(jī)電設(shè)備投資按2000元/kw計(jì)算；管材內(nèi)徑650～1100 m按1000～1750元/m計(jì)算；泵站年運(yùn)行費(fèi)根據(jù)每年耗電用量取費(fèi)計(jì)算；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年取25年。

表1 聯(lián)合運(yùn)用主要計(jì)算指標(biāo)Table 1 Calculation of key indicators about the combined utilization

圖1 V庫=7.0×105m3下的泵站規(guī)模對(duì)照Fig.1 Comparison of pumping station scale under capacity of 7.0×105m3

圖2 V庫=7.0×105m3下的方案效益投入對(duì)照Fig.2 Comparison between benefit and investment under capacity of 7.0×105m3

2.3 方案分析

給定塘壩庫容V庫=7.0×105m3，使用塘壩水量與相應(yīng)的泵站補(bǔ)充塘壩蓄水規(guī)模、直供田間灌溉規(guī)模對(duì)照見圖1。隨著使用塘壩水量的增大，泵站直供田間灌溉規(guī)模呈減小趨勢(shì)；當(dāng)使用塘壩水量W用≤1.4×105m3時(shí)，相應(yīng)補(bǔ)充塘壩蓄水規(guī)模均為0，即各次的使用塘壩水量為塘壩自身的集蓄水量，不需要泵站補(bǔ)充蓄水，但此時(shí)的泵站直供田間灌溉規(guī)模較大。

表2 方案2聯(lián)合運(yùn)用水量調(diào)算過程Table 2 Water regulation process of combined utilization about 2 nd plan

當(dāng)完全由泵站供水時(shí)，使用塘壩庫容為0，即方案9，此方案的泵站及管道規(guī)模為最大、泵站運(yùn)行費(fèi)較高，工程投資最大；此方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為最劣。

滿足補(bǔ)充塘壩蓄水規(guī)模與直供田間灌溉規(guī)模的泵站最小規(guī)模為1823 m3/h，即為方案2，使用塘壩水量W用=6.35×105m3、補(bǔ)充塘壩水量W補(bǔ)=6.6×105m3。此方案的效益投入比F1為2.0、效益投入產(chǎn)出F2為2.86×107元，各項(xiàng)效益指標(biāo)均為最優(yōu)，為既定塘壩庫容下的最優(yōu)方案。另外，對(duì)塘壩庫容作為變量計(jì)算0～4.0×106m3相應(yīng)庫容下的最優(yōu)方案，進(jìn)行全局方案比較，此方案2亦為全局最優(yōu)。

該方案的聯(lián)合運(yùn)用主要時(shí)段水量調(diào)算見表2，其中水量依次為塘壩蓄水量V塘、泵站補(bǔ)充塘壩水量W補(bǔ)、使用塘壩水量W用、泵站直供田間灌溉水量W灌、損失水量△W、作物需灌溉水量W需。水量平衡方程主要有：塘壩水量，作物灌溉需水量，j為當(dāng)前時(shí)段序號(hào)（j≥2）。調(diào)算結(jié)束時(shí)塘壩庫容為死庫容，充分發(fā)揮塘壩的水量調(diào)蓄作用。

3 結(jié)論

（1）在適宜建設(shè)塘壩、河道提水泵站的區(qū)域，實(shí)施塘壩與泵站多水源聯(lián)合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在保證作物灌溉需水要求的前提下，有效減小工程投資。通過泵站補(bǔ)充塘壩蓄水或直供田間灌溉，可以有效彌補(bǔ)塘壩自身集蓄水量不能滿足灌溉用水需求的不足，從而減小塘壩規(guī)模；在非灌溉時(shí)間內(nèi)通過塘壩調(diào)蓄泵站提水水量，可以減小泵站在作物灌溉時(shí)段內(nèi)的直供田間灌溉供水水量，從而減小管道及泵站規(guī)模。

（2）本文在計(jì)算過程中進(jìn)行了一系列條件假定及簡(jiǎn)化，另外，如何充分考慮作物生長期不同時(shí)段的需水強(qiáng)度及降雨補(bǔ)給差異，進(jìn)行塘壩與泵站聯(lián)合調(diào)節(jié)運(yùn)算，以及建立更為全面、客觀的評(píng)價(jià)體系，需要進(jìn)一步研究和完善。

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The Optimal Design for Combined Utilization of Small Reservoir and Pumping Station

WANG Lei1,ZHANG Tao2,ZHANG Qi-zhen2,SHAO Ying-chao2
1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering of HoHai University,Nanjing 210098,China
2.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy,Jinan 250013,China

A new irrigation water-use model was proposed in the appropriate area with construction conditions of small reservoir and pumping station.Pumping station supplied water to a small reservoir in non-irrigation period and small reservoir and pumping station jointly provided irrigation water in crop irrigation period.Given the boundary parameters of combined utilization model,combined operation algorithm and adaptation conditions,the main regulating parameters of the optimal scale of pumping station and small reservoir were determined according to the evaluation criteria.The case showed that under the premise of ensuring crop irrigation water requirement,through optimization design of multi-water combined utilization with specific conditions could effectively reduce engineering investment,and get big benefit.

Small reservoir and pumping station;combined utilization;optimal design

S273

A

1000-2324(2015)03-0391-04

2014-11-10

2015-01-12

山東省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011GGH21606)

王雷(1990-),男,山東濟(jì)南人,碩士研究生,從事水利水電相關(guān)研究設(shè)計(jì)工作.E-mail:wangleillu@163.com