地墨黑山塘改造供需水平衡分析

摘 要：隨著農(nóng)民生活生產(chǎn)方式的變化及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，灌溉水源供給與農(nóng)業(yè)灌溉用水需求之間的矛盾日益顯著。因此，在實施項目時需要對灌區(qū)的供、需水量進行平衡分析?；陧椖扛攀?，在評估項目區(qū)域需水量的基礎(chǔ)上，采用供需水平衡方法，對項目區(qū)的來水量進行了核算，并通過興利庫容調(diào)節(jié)實現(xiàn)了山塘的供需平衡。經(jīng)過調(diào)節(jié)，山塘的水量總量達到了平衡的要求。

關(guān)鍵詞：山塘；需水量；徑流量；供需平衡

中圖分類號：TV698.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）9-140-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.09.032

0 引言

山塘作為山丘地區(qū)小型或微型水利基礎(chǔ)設(shè)施［1］，承擔著灌溉、用水、防洪等任務(wù)，但很多山塘由于投入少，設(shè)計標準較低等因素，一直存在帶病運行的情況［2-3］。因此，加強山塘整治設(shè)計與改造具有重要意義［4］。同時，農(nóng)業(yè)用水作為我國的第一大用水領(lǐng)域，由于水資源短缺及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展對水的需求不斷增加，灌區(qū)水資源供需矛盾不斷加劇。因此，優(yōu)化多種水源配置，通過多種工程措施與非工程措施來緩解農(nóng)業(yè)水資源供需平衡矛盾具有重要的現(xiàn)實意義［5-6］。為此，此研究以地墨黑山塘改造為例，探討灌區(qū)水資源的供需平衡問題。

1 概況

地墨黑山塘位于盤州市普古鄉(xiāng)地墨黑村，處于北盤江支流淤泥河支溝流域，屬珠江流域北盤江水系。地墨黑山塘的主要功能是灌溉，壩址以上集雨面積為0.30 km2，河長為0.71 km，平均坡降為98.0‰。大壩為均質(zhì)土壩，由當?shù)卮迕褡孕行藿ㄍ瓿?，工程樞紐建筑物主要包括大壩等部分，大壩填筑質(zhì)量較差，最大壩高度為6.07 m，壩頂寬度為6.31 m，壩軸線總長為52.38 m，壩頂高程為1 911.50 m，壩底高程為1 905.53 m。大壩上游壩坡平均坡比為1∶1.22，下游壩坡坡比為1∶1.55，上、下游壩面未設(shè)任何護坡，下游壩腳未設(shè)置排水棱體。山塘沒有專門的溢洪道，僅有一條沖溝作為臨時泄水通道，沖溝底板高程為1 909.72 m，沖溝位于左壩肩，平均寬度為1.0 m，沖溝總長度為16.0 m，山塘無放水設(shè)施。目前，大壩沖溝處常年過水，在洪水期存在洪水翻壩的可能，存在安全隱患。山塘壩體填筑質(zhì)量有待提高，上下游壩坡過陡，原壩基清基不徹底，目前，壩體、壩基與基巖接觸面存在分散性滲漏，影響大壩安全運行，大壩現(xiàn)狀如圖1和圖2所示。

2 需水量計算

地墨黑山塘改造完成后主要作為灌溉水源，設(shè)計新增灌面積為33.33 hm2，恢復原設(shè)計灌面積為13.33 hm2。灌溉區(qū)域均用于種植果樹，并采用管道灌溉。根據(jù)果樹在P=80%下的灌溉定額為600 m3/hm2，灌溉水利用系數(shù)取0.855，計算得出灌溉需水量為3.27萬m3。采用典型年逐月進行興利調(diào)節(jié)，山塘逐月灌溉用水量計算成果見表1。

3 來水量計算

3.1 山塘徑流量計算

根據(jù)山塘徑流深和集雨面積，山塘徑流量采用式（1）計算：

W=0.1×H×F""""""""""""""""""""""""""" （1）

式（1）中：W為徑流量，m3；H為徑流深，mm；F為集雨面積，km2。

山塘壩址以上集雨面積為0.30 km2，年徑流深為507 mm，計算得出山塘多年平均徑流量為15.21萬m3，徑流變差系數(shù)Cv取0.31，Cs/Cv為2，則P=80%年徑流量為11.10萬m3，P=90%年徑流量為9.58萬m3。

3.2 最小月枯水模數(shù)

地墨黑山塘改造項目采用典型年法進行興利調(diào)節(jié)，山塘月來水量根據(jù)P=95%最小月枯水模數(shù)進行徑流分配控制。查“貴州省河流P=50%最枯月枯水模數(shù)等值線圖”，工程所在流域P=50%最小月枯水模數(shù)為3～4 L/（s·km2），此次項目區(qū)取4.0 L/（s·km2）。蓄水工程按P=95%最小月枯水流量控制全年基流量。P=95%最小月枯水模數(shù)根據(jù)經(jīng)驗Cv值進行Kp模比系數(shù)換算。取最小月徑流量Cv比年徑流量Cv大0.03～0.05；結(jié)合地區(qū)徑流變化規(guī)律，考慮項目所在流域巖溶發(fā)育良好，植被狀況較好，取枯流變差系數(shù)Cv比年經(jīng)流Cv大0.05，Cs=2.5Cv。那么，地墨黑山塘Cv=0.36，Cs=2.5Cv，換算為P=95%最小月枯水模數(shù)為2.04 L/（s·km2）。

3.3 逐月、逐旬徑流量分配

山塘采用典型年法進行興利調(diào)節(jié)［7］，來水量年內(nèi)分配采用典型年同倍比法推求一年內(nèi)月徑流量大小，同時結(jié)合《貴州省河流枯水調(diào)查與統(tǒng)計分析》等值線圖對汛枯季月枯水量進行修正。結(jié)合項目區(qū)情況，考慮到對工程最不利原則，該工程選擇盤州市氣象站2006年5月—2007年4月降雨資料作為保證率P=80%的典型年。根據(jù)枯流分析，采用P=95%最小月枯水模數(shù)作枯水控制。山塘逐月、逐旬徑流量分配見表2。

4 山塘供需平衡分析

4.1 山塘水位及庫容

山塘庫容采用公式（2）計算：

[ΔV=13×（F1+F2 +F1F2]）[×ΔZ]""""""""" （2）

式（2）中：ΔV為庫容，m3；F1、F2分別為上、下底面面積，m2；ΔZ為上底面與下底面的距離，m。

設(shè)計庫容計算成果如圖3所示。

根據(jù)山塘泥沙淤積高程和水工建筑物取水管高程布置的要求［8］，同時盡可能滿足灌區(qū)和供水自流的水位要求，綜合確定死水位。山塘流域內(nèi)無實測泥沙資料，根據(jù)《貴州省地表水資源》圖集中“懸移質(zhì)多年平均年侵蝕模數(shù)分區(qū)圖”查得，該流域內(nèi)多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為500～1 000 t/（km2·y）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，山塘集雨面積內(nèi)植被較好，輸沙模數(shù)綜合取600 t/（km2·y），推移質(zhì)按懸移質(zhì)20%考慮，入庫率取85%，泥沙容重r=1.3 t/m3，壩前淤沙高程采用水平淤積的2/3來確定，計算得出山塘運行30年后淤沙量為0.424萬m3。

采用式（3）預測山塘泥沙淤積量為：

V淤=M×1×（1-n） ×F / r""""""""""""""""""" （3）

式（3）中：M為多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)，t/（km2·y）；F為流域面積，km2；r為泥沙容重，t/m3。

地墨黑山塘壩址泥沙淤積計算成果見表3。

計算得到地墨黑山塘運行30年后，淤沙量為0.424萬m3，水平淤積高程為1 909.48 m，壩前淤積高程為1 908.65 m。綜合考慮泥沙淤積、水工布置要求等因素，并考慮取水口所需的淹沒深度，確定山塘死水位。地墨黑泵站在山塘內(nèi)取水，山塘取水泵站進水管管徑為DN 80，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265—2010），進水管喇叭口直徑宜等于或大于1.25倍進水管徑，此次設(shè)計取1.25倍，即喇叭口直徑D =0.08×1.25=0.1 m；進水管傾斜布置時，喇叭口中心的懸空高度宜?。?.8～1.0）D且喇叭口最低點懸空高度不應(yīng)小于0.5 m，喇叭口中心的淹沒深度宜大于（1.5～1.8）D。經(jīng)計算，喇叭口懸空高度為0.1 m，小于0.5 m，取0.5 m，淹沒深度為0.15～0.18 m，取0.15 m，故山塘死水位為1 908.65+0.5+0.15=1 909.30 m。

根據(jù)山塘現(xiàn)狀，確定山塘正常蓄水位為現(xiàn)狀壩頂高程1 911.5 m，對應(yīng)山塘正常庫容為1.47萬m3。山塘死水位為1909.3 m，查庫容曲線，對應(yīng)的死庫容為0.34萬m3，根據(jù)興利庫容=正常庫容-死庫容，計算得出山塘興利庫容為1.13萬m3。

4.2 山塘總用水量

山塘總用水量包括灌溉用水量和其他用水量，其他用水量包括水量損失和生態(tài)環(huán)境用水。水量損失主要為水面蒸發(fā)損失和滲漏損失，按正常蓄水位以下庫容的10%計算，下游生態(tài)環(huán)境年用水量按多年平均入庫徑流量的10%計算，得出山塘生態(tài)環(huán)境用水量為1.52萬m3。水量損失為0.147萬m3，年灌溉用水量為3.27萬m3，則總用水量為4.94萬m3。

4.3 興利庫容調(diào)節(jié)

根據(jù)山塘興利庫容調(diào)節(jié)，來水量-毛灌溉用水量-生態(tài)用水-蒸發(fā)滲漏損失用水=棄水+庫內(nèi)存水，計算成果合理。地墨黑山塘水量總量平衡滿足要求，同時興利調(diào)節(jié)計算從興利庫容的零庫容起調(diào)回到興利庫容零庫容。山塘逐月、逐旬興利調(diào)節(jié)過程見表4。

5 結(jié)束語

進行山塘供需水平衡分析旨在揭示缺水型灌區(qū)水資源供需關(guān)系的內(nèi)在規(guī)律和主要矛盾，通過分析其存在的主要問題，分析出灌區(qū)水資源開發(fā)利用潛力，從而實現(xiàn)灌區(qū)水資源供需平衡，為灌區(qū)的良好運行提供有力的保障。根據(jù)地墨黑山塘興利庫容調(diào)節(jié)，山塘供需平衡，可發(fā)揮較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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作者簡介：金龍超（1984—），男，本科，工程師，研究方向：水工建筑物、水土保持。