江蘇省大型渠灌區(qū)尾部節(jié)水改造技術(shù)方案研究

龔懿婧，徐烈輝，周 皞，房 凱，周明耀

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800)

江蘇省現(xiàn)有大型灌區(qū)36個(gè)，總灌溉面積101.35 萬(wàn)hm2，主要分布在蘇中、蘇北地區(qū)，其中國(guó)家南水北調(diào)東線沿大運(yùn)河輸水線路上的大型灌區(qū)有22個(gè)[1]。大型灌區(qū)是江蘇發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要地區(qū)，這些灌區(qū)多通過四級(jí)以上的渠道輸送水，渠道斷面大，襯砌率低，灌溉工程老化、破損嚴(yán)重，配套不齊，導(dǎo)致水量浪費(fèi)和灌溉水調(diào)度困難[2]。盡管前期通過幾輪續(xù)建配套與節(jié)水改造，骨干工程輸水調(diào)控條件有了顯著改善，但尚未涉及灌區(qū)尾部及田間工程。由于灌區(qū)生產(chǎn)管理勞動(dòng)力緊缺，水稻泡田期灌水延續(xù)時(shí)間不斷縮短，灌區(qū)用水時(shí)間更為集中，短期需水強(qiáng)度大幅增加。同時(shí)，以南水北調(diào)東線輸水為水源的沿運(yùn)大型灌區(qū)，用水許可受到嚴(yán)格限制，灌溉取水量不增反降，灌區(qū)灌溉用水供需矛盾依然存在且愈加尖銳，如何對(duì)大型渠灌區(qū)尾部進(jìn)行節(jié)水改造、保證灌溉水資源高效利用和灌區(qū)持續(xù)發(fā)展，成為大型灌區(qū)當(dāng)前需要解決的重要問題。

以往大型灌區(qū)節(jié)水改造研究中，多是針對(duì)灌區(qū)末級(jí)渠系提出的改造措施，主要包括對(duì)渠系進(jìn)行襯砌防滲、改造配套建筑物、引進(jìn)節(jié)水灌溉新技術(shù)、完善灌區(qū)管理體制等[3,4]。本文提出的大型灌區(qū)尾部進(jìn)行節(jié)水改造技術(shù)方案，其中尾部不同于末級(jí)，是指離灌區(qū)灌溉水源較遠(yuǎn)、灌溉難度最大的若干灌溉片區(qū)，最終給出的技術(shù)方案可供江蘇省類似大型灌區(qū)節(jié)水改造時(shí)參考。

1 典型區(qū)概況

以江蘇省宿遷市船行灌區(qū)為例，船行灌區(qū)位于宿遷市宿城區(qū)西南部，地處京杭大運(yùn)河與徐洪河之間，是利用國(guó)家南水北調(diào)東線輸水線路京杭大運(yùn)河作為灌溉水源的大型灌區(qū)之一，灌區(qū)總面積為325.1 km2，耕地面積2.13 萬(wàn)hm2、有效灌溉面積2.09 萬(wàn)hm2、設(shè)計(jì)灌溉面積2.13 萬(wàn)hm2。船行灌區(qū)屬黃泛沖積平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦，自西北向東南傾斜，最高點(diǎn)高程24.7 m，最低點(diǎn)高程16.6 m。灌區(qū)土質(zhì)為砂土，適宜種植水稻、小麥、油菜等多種作物。

船行灌區(qū)自1971年興建以來(lái)，經(jīng)過四十多年的配套完善，國(guó)家從2005年開始到2010年對(duì)船行灌區(qū)共進(jìn)行6次投資改造，目前船行灌區(qū)灌溉系統(tǒng)分為三部分，即東干渠片、西干渠片和陳集片。其中，西干渠片和陳集片為提水系統(tǒng)，東干渠片為自流系統(tǒng)。

灌區(qū)西干渠片的船行一站、干渠、支渠、節(jié)制閘、分水閘等工程大部分均經(jīng)過更新和改造。船行一站設(shè)計(jì)流量為20.0 m3/s，船行二站設(shè)計(jì)流量為14.3 m3/s。西干渠片干渠長(zhǎng)15.60 km，已全部采用混凝土襯砌，支渠共8條，其中一、二、三、四、六支渠也已全部混凝土襯砌，五支渠已混凝土襯砌2 km，其余支渠仍為土渠，渠道土壤砂性重，滲透性強(qiáng)，加之渠系配套建筑物年久失修，灌區(qū)灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，渠系水利用系數(shù)較低。近年來(lái)，隨著用水戶灌溉周期縮短，灌水集中的要求強(qiáng)烈，進(jìn)一步增加了用水矛盾。

本次研究選取西干渠片作為改造范圍，其原因主要為：①西干渠片區(qū)的干渠及支渠控制的面積較大，存在輸水時(shí)間長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)的灌水周期，用水矛盾突出。②西干渠片區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)受到京杭大運(yùn)河的取水許可及船行二站的提水流量及揚(yáng)程的限制，已不能夠滿足尾部渠道的灌溉水量及水位需求，干渠及各支渠對(duì)尾部渠道的控制力減弱。③西干渠片區(qū)南部的小型河流、溝道較多，具有較好興建小型泵站提水，作為共同對(duì)大型灌區(qū)供水灌溉的補(bǔ)充水源，以滿足用水戶的灌水要求。

2 節(jié)水改造方案設(shè)計(jì)

大型渠灌區(qū)尾部節(jié)水改造研究建立在縮短灌溉周期、灌區(qū)首部取水有限制的背景下，根據(jù)船行灌區(qū)西干渠片現(xiàn)狀將灌溉渠系布置概化為如圖1所示，其中斗、農(nóng)渠布置概化為如圖2所示。模擬不同襯砌條件，共提出可能的3種改造方案，具體如下：①不改變渠首泵站流量，渠首泵站無(wú)法滿足的尾部灌溉片采用內(nèi)部建立小型提水泵站的方式，作為獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，原灌溉系統(tǒng)仍保持現(xiàn)狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級(jí)混凝土襯砌渠道和一級(jí)土渠的渠道輸水灌溉方式。②不改變渠首泵站流量，渠首泵站無(wú)法滿足的尾部灌溉片采用內(nèi)部建立小型提水泵站的方式，作為獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)原灌溉系統(tǒng)仍保持現(xiàn)狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級(jí)管道和一級(jí)土渠渠管結(jié)合的管道輸水灌溉方式。③不改變渠首泵站流量，渠首泵站無(wú)法滿足的尾部灌溉片采用內(nèi)部建立小型提水泵站的方式，作為獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，原灌溉系統(tǒng)仍保持現(xiàn)狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級(jí)混凝土襯砌渠道和一級(jí)土渠的渠道輸水灌溉與兩級(jí)管道和一級(jí)土渠渠管結(jié)合的管道輸水灌溉兼有的方式。改造方案示意圖如圖3所示。

圖1 西干渠片灌溉渠系布置概化圖

圖2 西干渠片斗、農(nóng)渠布置概化圖

圖3 西干渠片改造方案示意圖

3 節(jié)水改造方案優(yōu)選

作為水源的京杭運(yùn)河除承擔(dān)跨流域調(diào)水任務(wù)外，同時(shí)兼顧航運(yùn)、生態(tài)補(bǔ)水等功能，對(duì)用于灌溉的取水量有限制，因此渠首泵站流量維持不變。以尾部泵站補(bǔ)水的方式滿足灌溉周期縮短下的全灌區(qū)灌溉用水量，不同渠系襯砌條件下，對(duì)渠道輸水、管道輸水、渠道與管道輸水兼有3種方式，進(jìn)行工程費(fèi)用計(jì)算[5]，根據(jù)費(fèi)用計(jì)算結(jié)果確定節(jié)水改造的最優(yōu)技術(shù)方案。

3.1 工程費(fèi)用函數(shù)

工程費(fèi)用函數(shù)主要包括兩方面：一是工程投資函數(shù)，即灌溉系統(tǒng)在建設(shè)過程中所產(chǎn)生的費(fèi)用；二是工程年運(yùn)行費(fèi)用函數(shù)，即灌溉系統(tǒng)在正常使用過程中所產(chǎn)生的費(fèi)用。工程費(fèi)用可按下式計(jì)算：

F總=F1+F2

(1)

式中：F總為工程總費(fèi)用，元；F1為系統(tǒng)投資費(fèi)用，元；F2為系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，元。

(1)工程投資函數(shù)。工程投資主要由兩大部分組成，即：水源工程投資(泵站投資)、管網(wǎng)/渠系工程投資。

水源工程投資可用如下公式表示：

C1=KpWp

(2)

式中：C1為泵站總投資，元；Kp為泵站投資參數(shù)，元/kW；Wp為泵站裝機(jī)容量，kW[6]。

渠系投資可分為渠系的土方工程投資、襯砌工程投資、配套建筑物投資?？捎萌缦鹿奖硎荆?/p>

(3)

式中：M1i為第i級(jí)渠道土方開挖量單價(jià)，元/m3；V1i為第i級(jí)渠道土方開挖量，m3；M2i為第i級(jí)渠道土方回填量單價(jià)，元/m3；V2i為第i級(jí)渠道土方回填量，m3；M3i為第i級(jí)渠道襯砌單價(jià)，元/km；L3i為第i級(jí)渠道長(zhǎng)度，km；Yi為第i種配套建筑物單價(jià)；Ni為第i種配套建筑物的數(shù)量；n為渠道等級(jí)數(shù)；m為配套建筑物種類數(shù)目。

管網(wǎng)投資可分為輸水管道投資、配水管道投資、附件(安全調(diào)控設(shè)備、給水栓等)及配套建筑物投資。在已知當(dāng)?shù)毓艿纼r(jià)格的情況下管網(wǎng)投資可用如下公式表示：

(4)

式中：Mj為第j類管道單價(jià)，元/m；Lj為第j類管道長(zhǎng)度，m；n為管道種類數(shù)目；χ為配套附件投資占管網(wǎng)總投資的百分?jǐn)?shù)；m為配套建筑物種類數(shù)目；Yj為第j種配套建筑物單價(jià)；Nj為第j種配套建筑物的數(shù)量[7]。

工程總投資為渠道灌溉系統(tǒng)工程投資和管道灌溉系統(tǒng)工程投資之和，可用下式表示：

F1=C11+C21+C12+C22

(5)

式中：C11為渠道灌溉系統(tǒng)泵站投資，元；C21為渠道灌溉系統(tǒng)渠系投資，元；C12為管道灌溉系統(tǒng)泵站投資，元；C22為管道灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)投資，元。

(2)工程年運(yùn)行費(fèi)用函數(shù)。年運(yùn)行費(fèi)包括燃料動(dòng)力費(fèi)(電費(fèi))、維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、管理人員工資、其他五部分，其中灌區(qū)維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、管理人員工資會(huì)隨著工程總投資的增加而增加，可用占工程總投資的比例計(jì)算[8]。年運(yùn)行費(fèi)用可用下式表示為：

(6)

式中：Y1為渠道灌溉系統(tǒng)年運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)，元；Y2為管道灌溉系統(tǒng)年運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)，元；λ1、λ2均為比例系數(shù)。

綜上所述，由于將渠道改為管道輸水灌溉后帶來(lái)的節(jié)水效益明顯，因此在計(jì)算工程總費(fèi)用時(shí)，需扣除管道灌溉系統(tǒng)帶來(lái)的效益B，總費(fèi)用可最終表示為：

(7)

3.2 費(fèi)用計(jì)算結(jié)果

對(duì)渠系進(jìn)行不同情況的襯砌，可以得到不同的改造結(jié)果，3種改造技術(shù)方案的改造總費(fèi)用結(jié)果如表1所示。其中，方案三對(duì)原灌溉系統(tǒng)無(wú)法滿足的尾部灌溉片，采用管道輸水灌溉方式的面積占尾部灌溉片面積分別取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%進(jìn)行計(jì)算。方案一可以看作是管道輸水灌溉面積占比為0%的情況，方案二可以看作管道輸水灌溉面積占比100%的情況。

不同襯砌情況下，方案一、方案二、方案三可以看作不同管道輸水灌溉面積占比情況下對(duì)改造總費(fèi)用的影響，其改造費(fèi)用比較如圖4所示。

不同襯砌情況下，方案三(渠首流量不變+渠管兼有)結(jié)合了方案一(渠首流量不變+襯砌渠灌)和方案二(渠首流量不變+渠管結(jié)合)的方式，在灌區(qū)尾部既存在若干小型提水泵站+渠道輸水灌溉，又存在若干小型提水泵站管道輸水灌溉的方式。這兩種不同輸水灌溉方式所占的面積大小不同，影響著改造的總費(fèi)用。結(jié)合表1及圖4可以看出，土渠、一級(jí)襯砌、二級(jí)襯砌、三級(jí)襯砌的情況下，都是采用方案一，尾部采用二級(jí)混凝土

表1 船行灌區(qū)西干渠片尾部節(jié)水改造費(fèi)用計(jì)算結(jié)果表 萬(wàn)元

圖4 不同襯砌情況下管道輸水灌溉面積 占比對(duì)改造費(fèi)用的影響

襯砌和一級(jí)土渠的渠道輸水灌溉方式費(fèi)用最省，不考慮發(fā)展管道輸水灌溉。四級(jí)襯砌(對(duì)總干渠、干渠、分干渠、支渠襯砌)時(shí)，可發(fā)展10%左右的管道輸水灌溉面積，其改造費(fèi)用最省，五級(jí)襯砌(對(duì)總干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠襯砌)時(shí)，管道輸水灌溉面積可發(fā)展30%左右，其中發(fā)展20%左右的管道輸水灌溉面積改造費(fèi)用最省，對(duì)渠道全襯砌時(shí)，管道輸水灌溉面積可發(fā)展80%左右，其中發(fā)展30%左右的管道輸水灌溉面積改造費(fèi)用最省。由于襯砌數(shù)量越多，灌溉水利用系數(shù)提高，灌水損失減少，原泵站的流量能滿足的灌溉范圍擴(kuò)大，需要內(nèi)部新建小型提水泵站進(jìn)行灌溉面積縮小，相應(yīng)的尾部改造費(fèi)用減少。尾部小范圍內(nèi)進(jìn)行渠道改管道，采用襯砌渠道輸水灌溉與渠管結(jié)合輸水灌溉兼有的方式，不會(huì)造成管道投入的急劇增加，同時(shí)渠管結(jié)合輸水灌溉方式會(huì)產(chǎn)生明顯的節(jié)水效益。

綜上所述，對(duì)于大型渠灌區(qū)，當(dāng)原有系統(tǒng)無(wú)法滿足灌溉用水要求，灌區(qū)內(nèi)部又存在較好水源條件時(shí)，可分離灌區(qū)尾部灌溉區(qū)域形成若干個(gè)獨(dú)立的小型提水灌溉系統(tǒng)。當(dāng)原系統(tǒng)無(wú)法滿足灌溉的面積較大時(shí)，可采用內(nèi)部小型提水泵站結(jié)合襯砌渠道輸水灌溉的方式，當(dāng)無(wú)法滿足的灌溉面積較小時(shí)，可以采用“內(nèi)部小型提水泵站+襯砌渠道輸水灌溉”與“內(nèi)部小型提水泵站+渠管結(jié)合輸水灌溉”兼有的方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

江蘇省大型渠灌區(qū)普遍存在尾部渠系配套率低，節(jié)水工程措施缺乏，存在灌溉用水供需矛盾的問題。灌區(qū)水稻泡田期用水集中，灌區(qū)渠首灌溉擴(kuò)大取水受到嚴(yán)格限制的雙重壓力下，對(duì)灌區(qū)尾部進(jìn)行節(jié)水改造顯得尤為必要。在灌區(qū)尾部尋找可利用水源，通過建設(shè)小型提水泵站，再結(jié)合襯砌渠道和渠管結(jié)合的輸水灌溉，不僅可以緩解用水集中的問題，提高灌溉效率，還能達(dá)到節(jié)水增效的效果。

管道輸水節(jié)水改造工程技術(shù)既有其節(jié)水明顯的優(yōu)越性，也存在管網(wǎng)系統(tǒng)投資較大的缺點(diǎn)，因此在對(duì)大型渠灌區(qū)尾部進(jìn)行節(jié)水改造的過程中，需要綜合考慮灌區(qū)實(shí)際情況和當(dāng)?shù)氐耐度肽芰?，?duì)節(jié)水改造技術(shù)方案進(jìn)行合理性評(píng)估。特別是江蘇省京杭大運(yùn)河沿線的大型渠灌區(qū)，采用尾部節(jié)水改造方案三，即在尾部建設(shè)小型提水灌溉泵站，以渠道輸水灌溉和管道輸水灌溉兼有的技術(shù)方案，管道輸水灌溉的面積占尾部灌溉片面積10%～30%左右最為適宜。