南疆干旱區(qū)“坎兒井”式輸配水系統(tǒng)模式研究

毛遠(yuǎn)輝，劉 江，張魯魯

（1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

南疆用水總量379.8 億m3,占南疆水資源可利用量的81.33%。農(nóng)業(yè)用水量364.1 億m3,占南疆用水總量的95.9%,生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)及生態(tài)環(huán)境用水量占4.1%[1]。目前南疆可用水資源開(kāi)發(fā)利用程度已達(dá)80%以上,特別是南疆經(jīng)濟(jì)效益低,已成為水資源開(kāi)發(fā)利用中最為突出的問(wèn)題,在近期內(nèi)沒(méi)有跨流域調(diào)水補(bǔ)給的情況下,統(tǒng)籌好南疆生產(chǎn)生活生態(tài)用水的難度很大,需要在提高現(xiàn)有水資源利用效率上下更大功夫[2]。

新疆具有發(fā)展自壓灌溉的天然優(yōu)勢(shì),山前平原地形坡度較大,灌區(qū)一般在河流的中下游處,地勢(shì)低,為建設(shè)管道化輸水提供了非常有利的自然條件,“山區(qū)水庫(kù)+管道輸配水+自壓滴灌系統(tǒng)”,可利用水源在高處的有利條件實(shí)現(xiàn)自壓輸水,在實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的基礎(chǔ)上[3],還可大幅度節(jié)省能源,降低灌溉能耗和工程運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)能減排、生態(tài)可持續(xù)。

1 水源工程及供水模式

1.1 傳統(tǒng)供水模式

輸配水系統(tǒng)示意圖,見(jiàn)圖1。

圖1 輸配水系統(tǒng)示意圖

1.2 新時(shí)代“坎兒井”輸配水模式

新時(shí)代“坎兒井”輸水系統(tǒng)工程原理見(jiàn)圖2,充分利用水庫(kù)海拔高程、水資源調(diào)配能力等特點(diǎn),對(duì)骨干輸水系統(tǒng)“明改暗”,配備必要的沉沙調(diào)節(jié)設(shè)施,田間輸配水系統(tǒng)管道化、標(biāo)準(zhǔn)化,形成深度節(jié)水的新時(shí)代“坎兒井”灌溉工程系統(tǒng)見(jiàn)圖3。該模式具備以下特點(diǎn)：一是在充分利用山區(qū)水庫(kù)調(diào)蓄的條件下,利用山前平原坡度大的特點(diǎn),按照灌區(qū)分布在河流的中下游的特點(diǎn),為管道化輸水提供了有利的自然條件。二是利用水庫(kù)調(diào)蓄河道水量后,水量充足穩(wěn)定,充分利用水資源在高處的條件,實(shí)現(xiàn)管道自壓輸水,可有效減少水資源在輸配過(guò)程中的蒸發(fā)和滲漏損失,提高水資源的利用效率和效益。三是可大幅度的節(jié)省能源、降低灌溉運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。四是輸水易控制,輸水快,輸水效率高,管道埋入地下,占地面積少,且輸水過(guò)程中不受洪水及風(fēng)沙的影響。

圖2 新時(shí)代“坎兒井”輸配水立體示意圖

圖3 新時(shí)代“坎兒井”輸配水模式

2 山區(qū)水庫(kù)替代平原水庫(kù)

2.1 替換模式

（1）完全替換。該種模式主要針對(duì)存在安全隱患、功能比較簡(jiǎn)單的平原水庫(kù),通過(guò)山區(qū)水庫(kù)替代平原水庫(kù)功能的可行性分析及水資源配置等相關(guān)研究后,將平原水庫(kù)徹底廢棄,并進(jìn)行銷號(hào)處理。

（2）部分替換。該種模式主要是針對(duì)某些功能比較復(fù)雜的平原水庫(kù)或者依據(jù)現(xiàn)有工程條件替代比較困難的平原水庫(kù),通過(guò)山區(qū)水庫(kù)替代平原水庫(kù)功能的可行性分析及水資源配置研究后,部分替換平原水庫(kù)的功能,被替換的平原水庫(kù)做減少功能、削減規(guī)模處理。

（3）保留現(xiàn)狀。該種模式主要是針對(duì)重大平原水庫(kù)以及現(xiàn)狀工程條件下替換需要較大工程投資的平原水庫(kù),建議經(jīng)過(guò)與山區(qū)水庫(kù)做好聯(lián)合調(diào)度研究后采取保留現(xiàn)狀的方式。

2.2 平原水庫(kù)提升

（1）清淤。針對(duì)水庫(kù)淤積問(wèn)題,目前理論上有工程減沙、水力減沙和機(jī)械清淤等方式,其中工程減沙需要新建工程,如沖砂池、引洪渠等；水力減沙是充分利用水庫(kù)的泄洪排沙建筑物將泥沙排出；機(jī)械清淤是借助機(jī)械設(shè)備將淤沙挖除。

（2）改擴(kuò)建。對(duì)已建平原水庫(kù)進(jìn)行加高,主要針對(duì)淤積較嚴(yán)重的水庫(kù),清淤難度較大、或難以實(shí)施,在保持水庫(kù)原設(shè)計(jì)庫(kù)容不變的條件下,對(duì)水庫(kù)進(jìn)行加高；在水庫(kù)引水系統(tǒng)上修建沉沙設(shè)施,將泥沙淤積在庫(kù)外,便于清淤。

（3）縮庫(kù)。南疆平原水庫(kù)中大型水庫(kù)居多,水庫(kù)水面面積大,水面淺、蒸發(fā)量大。為了減少蒸發(fā)損失量,可以采取縮庫(kù)措施,或是結(jié)合水面光伏發(fā)電減少水面蒸發(fā)。

（4）降等與報(bào)廢。對(duì)病險(xiǎn)嚴(yán)重、功能萎縮,但除險(xiǎn)加固技術(shù)上不可行、經(jīng)濟(jì)上不合理的水庫(kù)實(shí)行降等或報(bào)廢處理,是解決水庫(kù)病險(xiǎn)問(wèn)題的有效途徑。同時(shí),隨著水庫(kù)使用年限增長(zhǎng)、水庫(kù)大壩安全管理要求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的提高,新疆降等與報(bào)廢的水庫(kù)數(shù)量將不斷增加[4]。

2.3 阿爾塔什水庫(kù)替代下游平原水庫(kù)方案

葉爾羌河流域阿爾塔什水庫(kù)2019 年已建成發(fā)揮作用,水庫(kù)總庫(kù)容22.49 億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容12.6 億m3,具有不完全多年調(diào)節(jié)的有利條件；水庫(kù)具有較好的蓄水?dāng)r沙作用,不僅可以替代下游平原水庫(kù)調(diào)蓄功能,還可為發(fā)展新時(shí)代“坎兒井”供水系統(tǒng)創(chuàng)造有利的水源條件。通過(guò)實(shí)施廢棄東方紅上庫(kù)、色力勿衣水庫(kù)等8 座平原水庫(kù),廢棄庫(kù)容1.46 億m3,可節(jié)約水量0.71 億m3；通過(guò)替代莎車縣蘇庫(kù)恰克水庫(kù)、依干其水庫(kù)等2 座平原水庫(kù)部分灌溉功能,替代灌溉庫(kù)容0.83 億m3,節(jié)約水量0.36 億m3,工程投資0.25 億元；通過(guò)替代兵團(tuán)前進(jìn)水庫(kù)、小海子水庫(kù)、永安壩南庫(kù)和永安壩北庫(kù)等4 座平原水庫(kù)部分灌溉功能,替代灌溉庫(kù)容2.68 億m3,減少蒸發(fā)滲漏面積150 km2,節(jié)約水量1.1 億m3,工程總投資19.3 億元。

3 南疆干旱區(qū)“坎兒井”式輸配水系統(tǒng)模式

3.1 不同輸水方式初步比選

在工程投資方面,渠系防滲改建及田間高效節(jié)水建設(shè)畝均投資均在5000 元左右,管道輸水投資畝均在10000 元左右。渠道輸水與管道輸水相比,投資較少,且運(yùn)行管理方便,但節(jié)水量只有管道的50%左右。不同輸水型式的特性及控制灌溉面積見(jiàn)表1、表2。

表1 不同輸水型式對(duì)比分析表

表2 不同輸水型式控制灌溉面積對(duì)比表

3.2 骨干工程節(jié)水分析

南疆骨干渠系長(zhǎng)度8.2 萬(wàn)km,其中需要實(shí)施骨干渠系改造長(zhǎng)度為3.63 萬(wàn)km,按照單公里骨干渠系投資100 萬(wàn)元～300 萬(wàn)元匡算,實(shí)現(xiàn)骨干渠系全防滲需要工程投資約372.6 億元,渠系水利用系數(shù)可由0.62 提高到0.7,可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水約4.99 億m3,單方節(jié)水投資約70.5 元/m3。南疆五地州渠道防滲實(shí)施情況見(jiàn)表3。

表3 南疆五地州干、支、斗渠防滲改造及節(jié)水量分析表

3.3 南疆灌區(qū)骨干工程適應(yīng)性分析

按照灌區(qū)的分布與地形條件、水源條件呈現(xiàn)出傍河條帶型灌區(qū)、出山口扇形灌區(qū)、平原樹(shù)枝型灌區(qū)、平原規(guī)矩型灌區(qū)型等特點(diǎn)。傍河條帶型灌區(qū)呈現(xiàn)出總體寬度較窄,長(zhǎng)度較長(zhǎng)的特點(diǎn),如阿克蘇的木扎提灌區(qū)、和田河灌區(qū)下游區(qū)域,實(shí)施骨干工程管道化,具有主干管長(zhǎng)、支干管短的特點(diǎn),呈現(xiàn)出干、支管倒掛的情況,造成工程投資較大,單方水投資大,這種形狀的灌區(qū),不適宜建設(shè)管道化輸水。

對(duì)于出山口扇形灌區(qū)、平原樹(shù)枝型灌區(qū)、平原規(guī)矩型灌區(qū)面積較大,均由多個(gè)渠首和多條輸水干渠引水,如噶爾河灌區(qū)、博斯騰灌區(qū)、葉爾羌河灌區(qū)、和田河灌區(qū)。采用管道輸水模式,對(duì)干支管進(jìn)行改造,一方面存在管徑過(guò)大、排數(shù)過(guò)多、輸水調(diào)控復(fù)雜等技術(shù)難題,另一方面在工程建設(shè)過(guò)程中,工程建設(shè)用地、交叉建筑物改遷、林糧食間作的種植模式、土地碎片化等問(wèn)題,集中連片的實(shí)施落實(shí)難度較大,因此需因地制宜的選擇灌區(qū)條件好的一部分進(jìn)行管道化節(jié)水改造,當(dāng)灌溉面積超過(guò)50 萬(wàn)畝以上時(shí),有待進(jìn)一步研究。

3.4 不同模式節(jié)水效果分析

地表水庫(kù)+渠道節(jié)水效果：對(duì)東方紅水庫(kù)至灌區(qū)的骨干渠道進(jìn)行防滲改造,總長(zhǎng)度25.13 km,采用混凝土現(xiàn)澆板渠道。通過(guò)防滲改造,該片區(qū)骨干輸水系統(tǒng)渠系水利用系數(shù)由0.72提高到0.76,節(jié)水32.4 m3/畝,節(jié)約用水約4.1%。

地表水庫(kù)+管道節(jié)水效果：對(duì)東方紅水庫(kù)至灌區(qū)的原骨干明渠進(jìn)行管道化改造。改造管網(wǎng)共28 條,總長(zhǎng)98.92 km,控制灌溉面積6.31 萬(wàn)畝,其中總干管1 條,長(zhǎng)度20.63 km,設(shè)計(jì)流量4.9 m3/s,管材采用PCCP 管,管徑DN2000、DN1600；干管4 條,長(zhǎng)7.83 km,設(shè)計(jì)流量0.52 m3/s～1.22 m3/s,管材采用PCCP 管,管徑DN1000；分干管23 條,長(zhǎng)65.58 km,設(shè)計(jì)流量0.05 m3/s～0.35 m3/s,管材采用HDPE 管,管徑DN400 及DN600。改造后渠系水利用系數(shù)由0.72 提高到0.86,節(jié)水109 m3/畝,節(jié)約用水約13.7%。

管道輸水方式渠系水利用系數(shù)有較大程度提高,節(jié)水效益更高。管道輸水方式比渠道輸水方式每畝多節(jié)水76.3 m3,節(jié)水量比例提高9.6%,可有效減少灌溉輸水過(guò)程中的滲漏與蒸發(fā)損失。

4 結(jié)論

通過(guò)將南疆骨干輸水系統(tǒng)“明改暗”示范分析,10 萬(wàn)畝～30 萬(wàn)畝的灌區(qū),畝均節(jié)水約40 m3,渠系水利用系數(shù)可提高至0.78～0.81,畝均投資6000 元～10000 元。對(duì)于灌溉面積超過(guò)50 萬(wàn)畝以上的大型灌區(qū),因灌區(qū)的分布與地形條件、水源條件復(fù)雜,若采用管道輸水模式,存在管徑過(guò)大、排數(shù)過(guò)多、輸水調(diào)控復(fù)雜等技術(shù)難題,因此需進(jìn)一步研究。