寧夏東干渠冬季輸水可行性初探

楊永寧

（寧夏水務投資集團公司，750001，銀川）

一、基本情況

1.金積供水工程

金積工業園區位于吳忠市利通區金積鎮境內，是國家發改委、國土資源部審核批準的自治區十大省級工業園區之一，由穆斯林產業園、金積工業園、造紙化工循環經濟園和鎂合金產業園等4個特色產業園構成，規劃總面積120 km2，現已形成了清真食品、乳制品、生物科技等為主的工業體系，工業園的建設與發展對吳忠市的地域經濟發展、金積鎮的城鄉建設與民族經濟拉動起著非常重要的積極作用。金積供水工程是加快吳忠市金積工業園區及新農村建設，促進區域經濟社會實現跨越式發展的重要水利基礎設施。工程主要任務是解決工業園區造紙化工和鎂合金產業園企業生產用水，并兼顧園區及周邊2.7萬城鄉居民的生活用水。

工程以東干渠為供水水源，由水源工程、凈水工程和配水工程三部分組成。在東干渠16+814處新建進水閘和調蓄水池。進水閘設計流量為3.0 m3/s，調蓄水池分前池和后池布設，用隔堤分開，聯合調度運行，設計總容積79.2萬m3，圍堤為碾壓式均質土堤。凈水廠采用以折板絮凝斜管沉淀池為主體的凈水工藝，一期設計日處理能力6萬t。配水管道環狀布設，管徑 0.15～0.7 m。

2.東干渠現狀

東干渠屬河東灌區的一部分，干渠由青銅峽水利樞紐壩上引水，是青銅峽灌區部位最高的干渠，有高干渠之稱，也是寧夏興建的第一條采用混凝土全斷面砌護的大型渠道。該渠沿牛首山山麓傍山而行，全長54 km，設計流量54 m3/s，設計灌溉面積54.7萬畝 （3.65萬hm2)。目前干渠最大引水能力為45 m3/s，實際灌溉面積40萬畝（2.67 萬 hm2），年均引水 4.7 億 m3。

東干渠上段共有建筑物48座，其中斗口26座、退水閘3座、排洪渡槽3座、滾水堰 4座、橋梁 12座，另有小揚水17座（集中在右岸）。經過30多年的運行，雖然部分建筑物存在老化等問題，但秦漢渠管理處已在歷年的工程檢修中對其進行了維修和改善，對建筑物基礎部位進行了重點排查加固處理，目前不會影響到安全輸水。

東干渠是一條混凝土全斷面襯砌的大型渠道，上段17 km范圍內的襯砌混凝土板目前基本完好，個別滑坡段在歷年的工程檢修中已進行了檢修，暫不影響輸水安全。

干渠上段17 km范圍內的比降為1∶8900，經過多年運行，渠道過水條件良好。每年冬灌結束后，渠道右岸農田土壤中的地下浸水從坡腳滲入渠道，加之渠首進水閘封閉不嚴，渠道中始終有小股水在流淌，所以坡腳部位有凍融破壞的現象。據了解，東干渠自建成運行至今，這種狀況一直存在，即使冬季輸水，也不會對渠道有新的損害。

干渠沿線17座小揚水的進水管大部分是鋼管，其余是膠管，停水后用水戶都將膠管拆卸。鋼管安裝十分牢固，冬季行水不會對其造成較大的損壞。

二、冬季輸水總體思路

根據收集到的資料，吳忠地區近10年來1月份平均氣溫為-5.5℃，2月份平均氣溫-1.1℃。考慮到吳忠地區進入冬季后的氣溫變化，結合其他地區冬季渠道運行的相關經驗，在保證渠道輸水過程中不發生冰凍的前提下，提出如下冬季輸水的總體思路：根據具體需水量情況，通過調蓄水池進水閘門調節，將渠道水位抬升至一定高度 （稍高于正常需水量情況），使表面形成一層冰蓋，從而達到對渠水的密封和保溫作用，冰蓋形成后，調整渠首進水閘，達到供水量和補水量平衡后，長期連續進行補水運行。

三、存在的主要問題

根據分析，認為可能存在的主要問題有兩方面：

①主要是干渠17 km范圍內10座斗口和3座退水閘，易造成渠道輸水損失和凍脹破壞問題。

②在冰蓋未形成初期，由于天氣等原因，可能會出現流凌，繼而在局部出現“冰壩”，使水流造成擁堵，威脅渠道運行安全。

2010年12月28日—2011年2月26日，在區水利廳、秦漢渠管理處的協調配合下，對項目部調蓄水池進行了第一次冬季補水。這兩次補水為解決上述問題提供了很好的經驗。以下總結第一次冬季運行經驗并結合具體運行模式就解決上述問題進行探討。

四、運行方案及解決辦法

冬季輸水的核心思想是通過控制流量、流速，使水面形成穩定冰蓋，蓄水過程中水流長期從冰蓋下流動。

本著這樣的思路，2010年11月20日，秦漢渠管理處在調蓄水池進水閘后建起了土壩，并用同樣的方式將上游渠段的所有直開口、退水閘（全部在渠道北側）進行了封堵，為輸水做好了準備。

2010年12月28日，東干渠正式開始輸水，在輸水初期，整體流速控制在0.6 m3/s，東干渠平均水深約0.5 m，平均氣溫在-11℃左右，為形成冰蓋創造了很好的條件。大流量（0.6 m3/s左右）的輸水大約3天，渠道內平均水位約0.6 m，通過巡視，在整個渠道上形成了一層厚度約15 cm的穩定冰蓋。隨后，將流量調整到0.1 m3/s，流量調整后，整體冰蓋下降約0.3 m，通過對整個渠道的查看，水流全部在冰蓋下運行，基本達到了先前預想的運行模式。由于氣溫持續偏低，渠道冰蓋平均厚度為30～50 cm左右，為安全輸水提供了保障。從2010年12月28日開始進水到2011年2月26日停止進水，整個補水歷時55天，累計進水 100 萬 t。

根據國內北方地區明渠冬季冰蓋輸水的研究成果和取得的經驗以及 《水工建筑物抗冰凍設計規范》中的要求，渠道內水的流速宜控制在0.4～0.8 m3/s。 取流速為 0.5 m3/s，東干渠前16 km比降為1∶8000，邊坡系數為2，渠底寬9 m，按明渠恒定均勻流計算冰蓋下補水流量。

表1 各種供水規模下渠道輸水流量與水位

經過計算，水深在0.78 m左右時流速為4.12 m3/s。結合金積供水工程設計供水規模和近期供水量等情況，在各種供水規模下渠道輸水時所需流量及渠道內水位情況如表1。

通過多年對東干渠運行情況的了解，每年冬灌結束后，渠道右岸（南側，干渠17 km范圍內地勢較高，農田多采用從渠道用泵抽水灌溉的方式）農田土壤中的地下浸水從坡角滲入渠道，加之渠首進水閘封閉不嚴，渠道內始終有小股水在流淌，所以坡角部位始終存在凍融破壞的現象，自渠底起約1m高度，混凝土板渠道均有不同程度的滑落或斷裂，自建成運行至今，這種狀況一直存在。由于金積供水工程引水量不大，當達到金積供水設計供水規模時，渠道冬季補水長期保持水位在0.6 m左右，能夠控制在原有凍融破壞的1m范圍以內。因此，即使冬季輸水，也不會對渠道有新的破壞。

此外，對于東干渠左岸（北側）退水閘、斗口等設施，在2011年度的冬季行水前，通過現場查看、研討，由于渠道運行水位不高，最終確定了用“土壩”將退水閘、斗口等設施與渠道進行分隔的方式，杜絕運行過程中水流入退水閘和斗口，有效避免了退水閘及斗口設施“凍脹”破壞現象的發生，完全可以保證這些設施的安全。

流凌是渠道冬季運行過程中較為常見的一種現象，若處理不當，便會在渠道內形成“冰壩”，繼而使渠道過水面積變窄，抬高渠道運行水位，導致渠堤破壞。

為此，北方民族大學數值計算與工程應用研究所對東干渠冬季輸水冰蓋形成情形進行了數值模擬。渠道中水流的溫度變化與熱交換有直接關系，這些熱交換發生在大氣與水、冰與水以及水與渠道的接觸界面。根據模擬計算分析可知，當流量為1.55 m3/s時，在極端寒冷（-17.7℃）和正常寒冷（-10.57℃）天氣情況下，干渠結冰點的位置分別距渠首約2.0 km和2.9 km；當流量為10 m3/s時，在極端寒冷（-17.7℃）天氣情況下，干渠結冰點的位置距渠首約11.7 km。據此推算，當流量為4 m3/s時，在正常寒冷（-10.57℃）天氣情況下，干渠結冰點的位置距渠首約6～8 km，這是較為理想情況下出現的結果。通過2010—2011年度冬季運行情況來看，只要能形成穩定的冰蓋，讓水長期在冰蓋下運行，用冰蓋對水體起到保溫的作用，這樣出現流凌現象的概率就會大大降低，也就談不上產生“冰壩”這樣的危害了。此外，由于金積供水規模較小，冬季渠道運行水位較低，即使出現“冰壩”也不會對渠道安全造成太大影響。

五、結 論

綜上所述，筆者認為，在金積供水工程一期設計6萬m3/d供水規模下，冬季補水最大流量0.7m3/s，渠道運行水位保持在0.6m左右的情況下，利用東干渠進行補水是完全可行的。

當然，為了確保冬季輸水安全，還需做好以下工作：①加強協調、溝通，及時通報相關信息；②加強渠道沿線值班巡查工作，提高安全防范能力，能在第一時間發現問題并匯報處理；③研究制定較為全面、詳細的突發事件應急預案，未雨綢繆；④在運行過程中，加強調度管理，確保水量連續、穩定。

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