汾西灌區(qū)渠道續(xù)建配套和節(jié)水改造工程效益評價

李 斌

(臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西 臨汾 041000)

1 研究區(qū)概況

臨汾市汾西灌區(qū)是山西省八大灌區(qū)之一，面積約163.5萬畝，灌區(qū)有龍子祠泉、郭莊泉和汾河三大水源，規(guī)劃年水資源年徑流量7.08億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水量2.6億m3，設(shè)計灌溉面積70.26萬畝，灌區(qū)多年平均降雨量508mm，年平均氣溫12.1℃。經(jīng)過五十余年的運行，灌區(qū)工程設(shè)施老化失修，渠道滲漏水嚴(yán)重，難以正常運行，有限的水資源不能充分利用，灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益不能正常發(fā)揮。1999—2016年，省發(fā)改委和省水利廳實施汾西灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套工程，共對166.15km的渠道進(jìn)行了防滲改造，渠道防滲配套實施后，灌溉水利用系數(shù)有所提升，灌區(qū)效益有了一定程度的提高，但還有部分干渠仍帶病運行，支、斗渠大多以土渠運行，田面工程基本沒有配套，水量浪費嚴(yán)。

為有效提高水的利用率，市汾西灌區(qū)水利服務(wù)中心繼續(xù)加大投入，于2016—2020年繼續(xù)對灌區(qū)部分設(shè)施進(jìn)行改造，改建內(nèi)容主要包括：①七一渠配套建筑物(渡槽)2座；②李村電站支渠(0+000～1+010)改建、防滲長1.01km，配套建筑物6座。③七一渠七支渠(0+000～1+879)改建長1.879km，防滲長度1.821km，配套建筑物37座。④母子河(3+000～7+771)渠道改建、襯砌長4.771km，配套建筑物16座。⑤紅旗渠(1+140～4+691)改建長3.551km，防滲長3.511km，配套建筑物46座。⑥七一水庫二支渠二分支(0+000～3+330)改建、防滲長3.33km，配套建筑物21座。⑦新增渠道量水設(shè)施36處、流速儀和水位尺10套；⑧改建七一渠薛村三橋(73+455)；⑨改建七一渠5+840～6+619段，防滲長度為779m；⑩改建七一渠干河村渠下涵(5+966)。

為了對改造前后灌區(qū)灌溉效果進(jìn)行評價，在節(jié)水改造前和節(jié)水改造后對灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了測定，并對灌區(qū)近幾年續(xù)建配套和節(jié)水工程實時效果和經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)和評價，可為類似大型灌區(qū)節(jié)水改造工程提供借鑒[1- 5]。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方法

常用的灌溉水有效利用系數(shù)測試方法包括靜水法、動水法、雙環(huán)入滲法、滲透儀法、經(jīng)驗公式法等[6- 9]。靜水法主要適用于靜水渠段的滲漏損失情況；雙環(huán)入滲法操作過程比較復(fù)雜，需要將兩個同軸心、不同直徑的鋼質(zhì)圓環(huán)壓入土質(zhì)渠床內(nèi)20cm才能進(jìn)行測試，僅適用于土質(zhì)渠床的滲漏損失；滲透儀法適用于土壤的滲漏損失；經(jīng)驗公式法適用于渠道的規(guī)劃設(shè)計階段或者缺乏實測資料時對渠道滲漏損失進(jìn)行估算；動水試驗法操作簡單，不會影響渠道的正常灌溉用水，適用于渠道較長以及滲漏損失較大的土質(zhì)渠道。由于汾西灌區(qū)當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)仍然較低，渠道滲漏仍然比較嚴(yán)重，而且灌區(qū)表層土質(zhì)多為輕壤土，中壤土次之，土壤質(zhì)土疏松，因此，本文采用動水法對渠道防滲改造前后的效果進(jìn)行測定。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[10]，在利用動水法進(jìn)行渠道灌溉水有效利用系數(shù)測定時，應(yīng)根據(jù)渠道斷面流量大小來確定所選典型渠道的長度。一般要求見表1。

表1 動水法渠道流量與長度對應(yīng)關(guān)系

2.2 試驗方案

測試時間選在2016年(改造前)和2021年(改造后)的春澆供水期間(一般為3—4月，試驗時選取每年3月1—10日進(jìn)行測試)，并分別對典型干渠(七一渠)和各典型支渠(二支渠、五支渠、七支渠)的灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行測算。由于七一渠的節(jié)制閘和分水閘均為平板閘門，斷面為梯形，而且工程完整率高，水流條件優(yōu)越，因而干渠測算主要采用“建筑物量水，流速儀校核”的方式進(jìn)行。通過支開口各閘門處流量和與干開口閘門處測得流量來計算灌溉水有效利用系數(shù)。各支渠采用流速儀實測，即選取典型規(guī)則的梯形斷面且足夠長度的渠道，利用流速儀測得初始斷面流速和終點斷面流速，根據(jù)2個斷面之間的流量情況計算輸水利用系數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 改造前灌溉水有效利用系數(shù)

灌區(qū)渠道改造前灌溉水有效利用系數(shù)測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可知：汾西灌區(qū)在續(xù)建配套與節(jié)水改造骨干工程實施之前，七一渠的有效利用系數(shù)較低，介于0.505～0.6331之間，波動范圍較大，平均灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.5644；二支渠、五支渠、七支渠的灌溉有效利用系數(shù)較干渠更低，分別介于0.4695～0.5089、0.4064～0.5536、0.4001～0.5167之間，平均灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.4917、0.4798和0.4922；干渠的灌溉有效利用系數(shù)高于支渠，這可能與采用的防滲等級有關(guān)，干渠在前期渠道防滲改造工程中的混凝土防滲等級為P10，而支渠混凝土防滲等級為P8；七一渠的灌溉水有效利用系數(shù)基本呈逐漸增大的變化趨勢，即輸水時間越長，灌溉水有效利用系數(shù)越大，而支渠的灌溉水有效利用系數(shù)一直處于動態(tài)變化過程，并無明顯規(guī)律，這可能是由于干渠一直處于輸水狀態(tài)，而滲漏損失隨著輸水時間延長而逐漸減小，當(dāng)渠床土質(zhì)達(dá)到滲漏飽和之后便不再滲漏，因而灌溉水有效利用系數(shù)會逐漸增大，而支渠并不是時刻存在輸水狀態(tài)，僅僅在支渠需要分配水資源時才會供水，因而渠道滲漏會一直處于波動狀態(tài)。

圖1 改造前灌溉水有效利用系數(shù)測試結(jié)果

3.2 改造后灌溉水有效利用系數(shù)

經(jīng)過進(jìn)一步防滲改造后渠道的灌溉水有效利用系數(shù)測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知：相比改造前，二次改造之后的渠道灌溉水有效利用系數(shù)有較大幅度提升，七一渠的灌溉水有效利用系數(shù)介于0.6947～0.793之間，平均灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.7688，二支渠、五支渠、七支渠的灌溉有效利用系數(shù)焦干渠更低，分別介于0.6319～0.7205、0.5926～0.6741、0.5258～0.6477之間，平均灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.6659、0.629和0.6025；渠道在二次防滲改造之后，灌溉水有效利用系數(shù)除了有較大提升之外，還更加穩(wěn)定，表明在增加量水設(shè)施后，對灌區(qū)渠道水量起到了更精準(zhǔn)的控制，可以保證灌區(qū)渠道供水的穩(wěn)定性。

圖2 改造后灌溉水有效利用系數(shù)測試結(jié)果

4 效益評價分析

4.1 防滲效益

灌區(qū)渠道節(jié)水改造前后的防滲效果對比如圖3所示。從圖3中可知：經(jīng)過再一次的節(jié)水改造之后，二支渠灌溉水利用系數(shù)從0.4917提升至0.6659，提升幅度為35.4%，五支渠的灌溉水利用系數(shù)從0.4798提升至0.629，提升幅度為31.1%，七支渠的灌溉水利用系數(shù)從0.4922提升至0.6205，提升幅度為26.1%，七一渠的灌溉水利用系數(shù)從0.5644提升至0.7688，提升幅度為36.2%；經(jīng)二次節(jié)水改造之后，汾西灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)明顯提升，平均提升幅度達(dá)到32.2%。

圖3 改造前后灌溉水有效利用系數(shù)對比

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

截至2021年，針對汾西灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水改造工程共完成投資12億元，完成各類型渠道防滲350km，渠道加高30km，工程完好率由1999年的35%提升至目前的98%，灌溉水利用系數(shù)由1999年的0.358提升至目前的0.7688，畝用水量由原來的300m3降低至當(dāng)前130m3，年可節(jié)約灌溉用水3608.5萬m3，灌溉成本降低70%以上。

4.3 生態(tài)效益

通過續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，灌區(qū)加強了對地表水的利用，封閉機井810眼和封閉水井2035眼，明顯減少了對地下水的依賴，灌區(qū)地下水位平均抬升4.0～5.0m，通過控制地下水位，可有效改善灌區(qū)土壤的鹽堿化程度或者防止灌區(qū)耕地土壤鹽堿化。

5 結(jié)語

汾西灌區(qū)是一個大型灌區(qū)，灌區(qū)水資源年徑流量7.08億m3，可供年徑流量4.48億m3，現(xiàn)狀灌溉面積51.84萬畝，可發(fā)展灌溉面積為70.26萬畝，但灌區(qū)內(nèi)部分渠段缺乏量水設(shè)施，嚴(yán)重影響到渠道的灌溉管理。通過現(xiàn)場試驗可知：經(jīng)過多年的續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，灌區(qū)干渠和支渠的灌溉水有效利用率均有較大幅度提升，支渠灌溉水利用系數(shù)目前已>0.6，干渠灌溉水利用系數(shù)>0.75，灌溉水利用系數(shù)平均提升幅度達(dá)到32.2%，可取得良好的防滲效果、經(jīng)濟(jì)效益和社會生態(tài)效益，相關(guān)改造經(jīng)驗可為類似大型灌區(qū)提供借鑒。當(dāng)然，本文僅從一年的灌溉水有效利用系數(shù)來評價灌區(qū)節(jié)水改造成果略顯不足，需要在多年平均觀測的基礎(chǔ)上，盡量減少偶然測量誤差的影響，以提升測量結(jié)果和評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性