永昌縣西河灌區(qū)水資源供需分析與渠道改建方案設計

劉文俊

（永昌縣節(jié)水項目服務中心，甘肅金昌 737200）

灌區(qū)是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重大公益性基礎設施，是國家糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品有效供給的命脈，是城鎮(zhèn)、工業(yè)及生態(tài)環(huán)境的重要供水載體，也是山水林田湖草系統(tǒng)治理和鄉(xiāng)村振興的重要支撐[1]。我國現(xiàn)有灌區(qū)工程設施大多建于20 世紀50—70 年代，雖然自20 世紀90 年代啟動了大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，但由于長期投入嚴重不足，灌區(qū)工程標準仍然較低，配套差、管理不暢，且普遍存在超期服役等問題，工程壞損率高，尤其是末級渠道毀壞嚴重，灌溉“最后一公里”不通暢，效益降低。灌區(qū)發(fā)展已成為保障國家糧食安全和農(nóng)業(yè)農(nóng)村穩(wěn)定發(fā)展的短板。

近年來，甘肅省搶抓“一帶一路”倡議、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展、脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興等國家戰(zhàn)略機遇，先后實施了中央財政統(tǒng)籌從土地出讓收益中計提農(nóng)田水利建設資金項目、小型農(nóng)田水利重點縣項目、甘肅省規(guī)?；?jié)水灌溉增效示范項目和甘肅省河西走廊國家級高效節(jié)水灌溉示范區(qū)項目、以色列政府貸款農(nóng)田水利建設項目等，建成了一大批高效節(jié)水灌溉工程[2]。高效節(jié)水灌溉工程建設穩(wěn)步推進，在緩解區(qū)域水資源短缺引發(fā)的供需矛盾、利用有限水資源產(chǎn)出更大效益、提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、增加農(nóng)民收入、保障糧食安全和促進地方經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展等方面取得了有益成效[3-4]。

石羊河流域是河西三大內(nèi)陸河流域之一，流域水資源開發(fā)利用程度最高、供水壓力最大、用水矛盾最突出，生態(tài)環(huán)境問題十分嚴重。流域內(nèi)水資源消耗率達109%，水資源開發(fā)利用程度高達172%，遠遠超過水資源的合理承載能力[5-8]。近年來，隨著人口激增、城鎮(zhèn)化進程加快，流域內(nèi)各灌區(qū)人地水矛盾日益凸顯，資源型缺水和結構型缺水疊加互制，出現(xiàn)了以水資源為剛性約束的一系列經(jīng)濟、社會、生態(tài)等問題，進而引發(fā)了國家乃至全球的高度重視和廣泛關注。

本文以位于石羊河流域的永昌縣西河灌區(qū)為例，以2015 年為現(xiàn)狀水平年，2020 年為規(guī)劃目標年，基于其水資源供需及利用現(xiàn)狀分析，探討以節(jié)水增效為核心，通過大力提高渠系水利用系數(shù)和水資源的綜合利用效率，改善灌溉水利用系數(shù)的骨干工程節(jié)水改造設計方案，進而有效解決水資源供需矛盾，促進區(qū)域農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展[9-10]。

1 項目區(qū)域概況

西河灌區(qū)位于河西走廊東段，永昌縣城西部，是以引用石羊河水系的西大河水為主、地下水及區(qū)內(nèi)小溝小河來水進行補充灌溉的大型自流灌區(qū)，總面積2 640 km2，耕地面積4 萬hm2。灌區(qū)地勢自西南向東北傾斜，自然縱坡1.7%～5.0%，地理坐標北緯38°08′～38°24′、東經(jīng)101°23′～101°54′，灌區(qū)東西長32 km，南北寬約18 km，海拔1 980～2 670 m，距永昌縣政府駐地約為60 km。

西河灌區(qū)靠近祁連山區(qū)，屬大陸性溫帶荒漠干旱型氣候，具有干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照時間長、晝夜溫差大、西北風多等特征。西河灌區(qū)年平均氣溫4.5～12.0 ℃，年平均降水量343 mm，年蒸發(fā)量1 761 mm，多年平均最大凍土深度1.62 m，全年無霜期144 d，灌區(qū)多年平均徑流量1.54 億m3，多年平均流量4.9 m3·s-1，徑流年際變化變差系數(shù)0.2。受時空分布制約，平均每年6—9 月來水量占全年水量的63.4%，日平均降水量隨海拔升高而增大。

西河灌區(qū)設計灌溉面積2.47 萬hm2，有效灌溉面積2.30 萬hm2，保灌面積1.57 萬hm2，主要農(nóng)作物為春小麥、啤酒大麥，其次為洋芋、油菜、蔬菜等經(jīng)濟作物，糧、經(jīng)、林作物種植比例為35 ∶60 ∶5。主要灌溉方式為地面灌、畦灌和溝灌。

灌區(qū)地處黃河上游典型寒旱區(qū)，綜合對各渠道工程地質(zhì)條件的評價，本項目區(qū)各渠道存在的主要工程地質(zhì)問題為渠基滲漏及凍脹問題。渠道長期帶病運行，輸水損失嚴重，成為灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要制約因素。

2 灌區(qū)水資源供需分析

以2015 年為現(xiàn)狀水平年，2020 年為規(guī)劃水平年，根據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）規(guī)定，以旱作物為主的缺水灌區(qū)，其灌溉設計保證率（P）取50%～75%。因西河灌區(qū)是典型的旱作物農(nóng)業(yè)區(qū)，極度干旱缺水，故將灌溉設計保證率取50%。據(jù)此進行灌溉制度和水資源供需平衡分析。

2.1 灌溉制度

灌區(qū)現(xiàn)有灌溉制度是根據(jù)灌區(qū)實際的灌水定額、灌水次數(shù)及現(xiàn)狀作物種植比例確定的，由于灌區(qū)作物種植比例不盡合理，夏季農(nóng)作物比例過大，用水矛盾突出，而且田間配套不足，灌水技術落后。灌區(qū)現(xiàn)狀農(nóng)田平均667 m2凈灌溉定額339 m3，定額較高，有些作物灌水次數(shù)偏多。近年來通過田間節(jié)水改造以及大力推廣節(jié)水灌溉技術、改進灌溉方法，灌區(qū)灌溉制度已逐步完善。

西河灌區(qū)灌溉制度根據(jù)作物各發(fā)育階段的需水量、灌溉試驗資料及農(nóng)民豐產(chǎn)經(jīng)驗擬定。并根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、用水計劃、農(nóng)業(yè)技術措施及灌水方法進行修正，以使單位水量獲得最大經(jīng)濟效益。

根據(jù)項目區(qū)的灌溉制度確定灌水率，為了消除灌水率高峰期短期停水現(xiàn)象，在不影響作物需水要求的原則下對灌水率進行修正。計算各種作物播前灌水及生育期內(nèi)各次灌水的灌水率，并根據(jù)不同灌溉模式及每次灌水的延續(xù)時間，繪制各種作物的灌水率過程線，將同時期各種作物灌水率相加，繪成全灌區(qū)年度初步灌水率，修正后作為灌區(qū)的設計灌水率圖。按《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018），以累計30 d 以上的最大灌水率作為設計灌水率，西河灌區(qū)2015 年灌水率為0.35m3/（s·萬畝），節(jié)水改造后，2020 年設計灌水率為0.33m3/（s·萬畝），不同水平年灌水率如圖1、圖2 所示。

圖1 西河灌區(qū)2015 年灌水率圖

圖2 西河灌區(qū)2020 年灌水率圖

各級渠道的渠道水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)按《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）計算，本項目實施后，渠系水利用系數(shù)由2015 年的0.56提高到0.60，灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.516 提高到0.543。

2.2 水資源供需平衡

西河灌區(qū)可利用水資源量由可開采的地下水資源與允許利用的河川徑流量組成。根據(jù)西大河徑流特征，認為水庫至引水樞紐渠首之間的區(qū)域來水量與蒸發(fā)滲漏損失量相互抵消，即當P=50%時，灌區(qū)可利用水資源量為22 646.75 萬m3（地表水21 913.75 萬m3、地下水715.00 萬m3）；當P=75%時，灌區(qū)可利用水資源量為18 149.20 萬m3（地表水17 479.20 萬m3、地下水715.00 萬m3）。水資源平衡結果如表1、表2 所示。

由表1、表2 結果可知，按現(xiàn)狀有效灌溉面積2.30萬hm2計算，當P=50%時，灌區(qū)缺水量4 662.69萬m3；當P=75%時，灌區(qū)缺水量7 615.24 萬m3。規(guī)劃水平年，當P=50%時，灌區(qū)缺水量3 110.25 萬m3；當P=75%時，缺水量為6 062.8 萬m3。

表1 現(xiàn)狀年水量供需平衡計算表 單位：萬m3

表2 設計水平年水量供需平衡計算表 單位：萬m3

根據(jù)灌區(qū)引水量、渠系水利用系數(shù)等運行數(shù)據(jù)粗略統(tǒng)計，灌區(qū)骨干工程2015 年渠系損失1 746 萬m3。預計通過渠道改建（渠道斷面、結構、襯砌）等工程措施改良，2020 年降為1 485 萬m3，毛節(jié)水量為261 萬m3。

3 渠道改建工程設計

西河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造骨干工程項目屬Ⅲ等中型工程，依據(jù)規(guī)范和設計流量，北總干渠、河西壩干渠、單山壩干渠設計流量大于5 m3·s-1，根據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）規(guī)定，渠道及配套建筑物按4 級設計，防洪標準為20 年一遇設計；其余干支渠設計流量小于5 m3·s-1，渠道及建筑物按5 級設計，防洪標準均按10 年一遇設計。

3.1 渠道橫斷面設計

本次擬改建的干渠現(xiàn)狀均為梯形渠道，所以本次渠道橫斷面選擇梯形斷面和弧底梯形斷面兩種型式。從抗凍脹性能分析，弧底梯形斷面采用反拱弧底，抗凍脹性能優(yōu)于梯形斷面；從水力條件分析，當過水面積相等時，梯形斷面濕周大于弧底梯形斷面，渠道過流能力較差。

從以上分析來看，弧底梯形斷面優(yōu)于梯形斷面，但當入渠水流推移質(zhì)含量較多時，弧底易磨損破壞，且弧底一旦磨損、凍脹破壞，則維修加固處理較為困難?？紤]該渠道中泥沙含量大，結合原渠道現(xiàn)狀均為梯形斷面，根據(jù)灌區(qū)已經(jīng)實施的節(jié)水改造項目經(jīng)驗和運行情況，為了與上下級渠道水流平順銜接，本次改建渠道均采用梯形斷面型式。

渠道改建設計方案分為套襯和拆除重建兩種。套襯渠道邊坡為原渠道邊坡；需拆除重建渠道，渠基及渠坡大部分位于洪積砂壤土或粉質(zhì)壤土層上，渠道需設砂礫石防凍墊層，根據(jù)砂礫石的力學特性，其天然休止角為38°，自然穩(wěn)定坡度為1 ∶1.25。綜合考慮渠基、墊層特性及襯砌方案，對于沿溝干渠等沿山渠道，渠道邊坡取1 ∶1.25，其他渠道現(xiàn)狀邊坡為1 ∶1，因為已有穩(wěn)定的渠堤，且兩側(cè)均為耕地，為減少占地，改建渠道采用邊坡為1 ∶0.96。對于凍脹變形不明顯，現(xiàn)有渠基基本穩(wěn)定，僅是襯砌老化破損的渠道，當渠道整修率≤80%時，采用套襯方案（見圖3），渠道整修率＞80%時，采用拆除重建方案（見圖4）。

圖4 重建方案斷面設計

如圖3 所示，渠道整修后，采用現(xiàn)澆C20 砼套襯，渠底厚度12 cm，渠坡自上而下由10 cm 漸變至12 cm。套襯后渠道斷面尺寸為渠底寬70 cm、口寬182 cm、渠深58 cm，邊坡1 ∶0.96。兩側(cè)渠坡頂部布設壓頂，寬25 cm、厚8 cm。渠道縱向每3 m 設置一道伸縮縫，縫寬3 cm，縫內(nèi)自上而下按1 ∶1 ∶4 的質(zhì)量比依次填充瀝青水泥砂漿3 cm、聚氯乙烯膠泥3 cm、聚乙烯閉孔板夾縫6 cm。

圖3 套襯方案斷面設計

由圖4 所示的重建方案可知，拆除后渠基換填砂礫石，渠底厚度0.5 m，渠坡自上而下由0.4 m 漸變至0.5 m。為保證現(xiàn)澆砼施工振搗，砂礫石墊層上鋪設3 cm 厚M5 砂漿固面。固面上布設現(xiàn)澆C20 砼襯砌，渠底厚度12 cm，渠坡自上而下由10 cm 漸變至12 cm。襯砌材料與方案一（套襯）相同，過流能力相同，故方案二采用與方案一相同斷面尺寸。壓頂及伸縮縫設置同方案一。

3.2 渠道抗凍脹設計

項目區(qū)地處我國西北內(nèi)陸寒冷地區(qū)，歷年最大凍深159 cm，現(xiàn)狀渠道渠基大部分位于沖洪積含漂石砂卵礫石層上，少部分位于砂壤土或粉質(zhì)壤土層上，砂壤土或粉質(zhì)壤土因含泥量超標具凍脹性。本次改建渠道多為挖方（半挖方）渠道，渠道均低于兩側(cè)耕地，渠道破壞的主要原因是凍結期灌溉回歸水及渠水、雨雪水、洪水入滲等因素造成渠基土含水量增加，從而為凍脹的發(fā)生提供了條件，因此渠道改建存在的主要問題是渠基土的凍脹。依據(jù)《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》（SL 23—2006），通過計算、分析確定解決渠道凍脹破壞問題的設計方案。

根據(jù)設計凍深（平均206 cm）、凍脹量（平均2.50 cm）等基本參數(shù)計算結果可知，灌區(qū)渠道結構本身不能滿足抗凍脹要求，提出砂礫石墊層換基和聚苯乙烯保溫板保溫兩種工程措施作為差異化渠道工程凍害防治方案。渠頂、渠底置換深度平均50 cm，保溫板則位于渠底，襯砌結構，厚度取20 cm。

如圖3、圖4 所示，根據(jù)灌區(qū)實際情況，并結合近年來當?shù)夭块T在大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)等項目改建渠道襯砌型式，對漿砌石和混凝土兩種襯砌材料進行比選。加之混凝土襯砌型式根據(jù)施工方式不同又分為現(xiàn)澆砼和砼預制件兩種結構，故襯砌型式方案比選劃分為2 種材料、3 種形式進行。

綜合渠道襯砌技術經(jīng)濟比較，從投資方面看，現(xiàn)澆砼襯砌方案造價較低，漿砌石襯砌造價較高；從防滲效果、過流能力角度看，現(xiàn)澆砼襯砌方案防滲效果、過流能力較好，漿砌石襯砌方案較差；從使用壽命角度看，現(xiàn)澆砼襯砌較長，預制砼襯砌較短；從抗凍脹性能角度看，漿砌石襯砌抗凍脹性能較好，現(xiàn)澆砼襯砌和預制砼襯砌方案較差；從施工角度看，預制砼襯砌方案難度較小、施工速度快，現(xiàn)澆襯砌方案施工難度一般，施工速度一般。經(jīng)綜合分析比較，結合本次改建各渠道現(xiàn)狀地形、地質(zhì)條件特點，推薦所有渠道均采用現(xiàn)澆砼襯砌方案。改建前后的渠道斷面如圖5、圖6 所示。

圖5 灌區(qū)原有漿砌石襯砌渠道

圖6 灌區(qū)已建現(xiàn)澆砼襯砌渠道

灌區(qū)原有渠道渠底坐落在上覆砂壤土砂礫石地基上，現(xiàn)狀渠道凍脹變形嚴重，渠底鼓起，渠坡滑塌變形，部分渠段砌體剝落，局部渠段破損率在80%以上。由于長期受粉質(zhì)壤土凍脹破壞，部分渠道渠底襯砌出現(xiàn)斷裂、脫落，渠坡坍塌、開裂等現(xiàn)象，破損嚴重。改建后的渠道，斷面形狀規(guī)則，過水條件優(yōu)良，抗凍、抗?jié)B能力均有了很大提高，極大地改善了灌區(qū)基礎設施條件，渠道輸水損失明顯降低，節(jié)水效率也相應地有了很大提升。

4 結語

本文以石羊河流域永昌縣西河灌區(qū)為例，以2015年為現(xiàn)狀水平年，2020 年為規(guī)劃重點目標年，基于以農(nóng)業(yè)種植結構和灌溉制度為主的水資源供需及利用現(xiàn)狀分析，以節(jié)水防滲、防凍抗裂為核心，通過大力提高渠系水利用系數(shù)和水資源的綜合利用效率，改善灌溉水利用系數(shù)的骨干工程節(jié)水改造設計方案，以期有效解決水資源供需矛盾，促進區(qū)域農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。

依托永昌西河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目初步設計平臺，因地制宜地提出了渠道套襯和拆除改建兩種渠道設計方案，通過技術經(jīng)濟比較和分析計算，確定并優(yōu)化了其斷面型式、斷面尺寸、襯砌結構基本設計參數(shù)。初期建設實踐經(jīng)驗表明，渠道套襯方案能夠有效解決渠道長距離輸水過程中的滲漏問題，同時緩解寒旱區(qū)惡劣環(huán)境中渠道凍脹破壞等結構耐久性問題。

項目實施后，從根本上解決了渠道輸水安全問題，極大地提高在水資源緊缺情況下對水資源的有效利用率；進一步兼顧耕地內(nèi)生態(tài)的引水功能，有力遏制綠洲內(nèi)地下水位下降、生態(tài)惡化、土地沙化問題，為今后改建下級干支渠道，增大流量與所控制的灌溉面積匹配奠定良好的基礎，對今后灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至社會經(jīng)濟發(fā)展意義重大。