寧夏高效節水灌溉配套蓄水池建設規模確定方法研究

劉學軍，顧靖超，陸立國，王永平，周立華，雷 筱，朱 潔，武慧芳

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

近年來寧夏高效節水灌溉發展迅猛，截止2014年底發展高效節水灌溉面積13萬hm2，其中噴灌2.4萬hm2、滴灌8.2萬hm2。為保證渠系供水過程與高效節水灌溉用水時間、空間的平衡與匹配，以黃河水為水源的高效節水灌溉工程均建設有調蓄水池，起灌溉水量時空調蓄、沉沙、凈化水質作用。部分機井灌區也建設了調蓄水池，起調蓄水量和提高水溫的作用。調蓄水池的建設規模與建設征地面積、建設投資、工程供水保證率等密切相關[1]。調蓄水池建設規模過大，征地面積增加、建設投資增大、工程運行維護費提高，造成工程浪費。調蓄水池建設規模過小、在供水保證率較低時，會造成供水與用水不匹配、供水保證率降低，影響供水區的適時灌溉和工程正常運行。因此合理確定高效節水灌溉工程調蓄水池的建設規模，成為高效節水灌溉工程建設、水資源平衡匹配、時空調節的關鍵[2-5]。

1 灌區蓄水池建設概況

寧夏建設的高效節水灌溉工程多配套有調蓄水池，現建成的調蓄水池達數百座，建設投資在20～40元/m3，單座調蓄水池容積0.05～380萬m3，總容積達4 000萬m3以上。最大的紅寺堡魯家窯、鹽池杜窯溝、中衛香山、同心縣下馬關的蓄水池容積分別達到380、330、180、180萬m3，多數蓄水池的容積在5～30 萬m3。規劃到2020年寧夏高效節水灌溉面積達到27萬hm2，新增高效節水灌溉面積14萬hm2，需新建各類調蓄水池總容積3 400萬m3。

根據2015年對部分縣區高效節水灌溉工程調研，揚黃灌區、引黃自流灌區的周邊小型揚水區域, 為了滿足一次性灌溉所需水量調蓄，配套調蓄水池規模較大，達到300 m3/hm2。在引黃自流灌區、供水有保證、調蓄水池規模較小，達到75 m3/hm2，主要是利用灌區溝道進行改造，實行邊調蓄邊灌。在南部山區機井、水庫灌區，配套的調蓄水池達到45 m3/hm2左右。各縣區建設單位灌溉面積配套的調蓄水池平均容積見表1。

表1 各縣區不同灌溉面積配套調蓄水池平均容積 m3/hm2Tab.1 County district irrigation area supportingstorage pond average volume

2 調蓄水池調蓄容積確定方法

(1)調蓄方式。由于灌區渠系供水與高效節水灌溉用水時間上存在著流量、水量不匹配，高效節水灌溉工程建設需配套蓄水池調節。現灌區調蓄池調節方式依據供水特征，有邊蓄邊灌(短暫調蓄沉淀)、次灌水調節、階段調節和年調節等類型。

(2)調蓄水池調節方式選擇。根據用水時段，渠系供水保證程度(流量、水量)，選擇蓄水池的調節方式。①在用水時段，供水流量、水量有保證、只是泥沙含量較高，選擇邊蓄邊灌調節方式；②在用水時段，供水水量、供水流量不滿足用水需求，根據調節時段的長短，選擇次灌水調節或階段調節方式；③滿足多種用水目的、渠系非供水期有用水需求，蓄水池調節選擇年調節方式。

(3)蓄水池有效調蓄容積確定方法。邊蓄邊灌調節：主要應用于引、揚黃自流灌區，供水流量、水量有保證，但黃河水泥沙含量較高，需進行短暫的調蓄，使得大部分泥沙能夠在沉砂池、調蓄池進行沉淀，調蓄時間滿足1～3 d用水量的需求，盡可能減少占用農田面積。

次灌水調節：主要應用在引黃灌區和部分供水有保證的揚黃灌區，但渠系供水與灌水時間不匹配，在1次灌水前，調蓄本次灌水所需水量，滿足項目區1次灌溉水量的需要，調蓄水池的有效容積根據1次灌溉水量(灌溉面積×灌水定額)確定。

階段調節：主要應用于揚水灌區，渠系供水流量和水量在某個時段不能滿足適時供水需求，需錯峰蓄水、進行時段調節(如調節2次、3次灌溉需水量)，蓄水池的有效容積根據項目區時段灌溉次數、灌水定額、控制灌溉面積確定。

年調節：主要應用于灌區周邊新開發灌區、滿足多種用水目的，供水流量和時段均不能滿足作物適時灌溉需要，需通過錯峰蓄水和老灌區灌溉間歇期蓄水，調蓄水池的有效容積需通過供水過程線、用水過程線調節計算確定。

(4)蓄水池有效容積計算。

①邊蓄邊灌調節蓄水池有效容積。調蓄水池的尺寸除了要滿足正常運行及安全要求，同時應滿足黃河水澄清所需的最小尺寸，調蓄水池起沉砂池作用。調蓄池的進水流量為Q,進入調蓄池水流的流速為：

Vx=2Q/(B1+B2)h0

(1)

式中：Vx為調蓄池水流平均流速，m/s；Q為調蓄池的進水流量，m3/s；B1為調蓄池底寬度，m；B2為調蓄池水面寬度，m；h0為調蓄池水深，m。

灌溉調蓄池的水流多為水平流動，池中水流的水平流速越大，則能沉淀的泥沙相應減少，池中平均水平流速一般應控制在0.5～2.0 cm/s。

泥沙顆粒在靜水中的沉降速度稱為水力沉速，顆粒愈粗水力沉速ω愈大，其沉降速度為：

ω=(ρs-ρgD2)/18ρv

(2)

式中：ω為泥沙自由沉降速度，m/s；g為重力加速度；ρs為泥沙密度，g/cm3；ρ為水的密度，g/cm3；D為擬沉降泥沙的粒徑，mm；v為液體運動黏性系數。

泥沙顆粒在沉沙池中的沉降運動十分復雜，很難進行嚴格的泥沙沉降理論計算。現采用半經驗性法，沉沙池長度為：

L=Vxh0/[ω-(Vx/η)]

(3)

式中：Vx是沉沙池中的水流平均速度；η為與水深有關的系數，見表2。

表2 不同水深系數η值Tab.2 Different water depth coefficient η values

在確定了沉砂池長度L、沉砂池水深h0、沉砂池水面寬度B1、底寬B2后，即可確定調蓄水池的有效容積。

②次灌水調節蓄水池有效容積。次灌水調節蓄水池的容積依據工程控制灌溉面積、作物類型、次最大灌水定額確定：

(4)

式中：W有效為滿足1次灌溉調蓄水池的有效容積，m3；Ai為工程灌溉控制區域第i類作物的面積，hm2；Mi為第i類作物生育期最大灌水定額，m3/hm2。η為灌溉水有效利用率，高效節水灌溉取0.90～0.95。

③階段調節蓄水池有效容積。蓄水池的有效容積根據灌溉控制區域灌溉面積、作物類型、調節時段灌溉次數、灌水定額確定：

(5)

式中：W有效為滿足階段調節調蓄水池的有效容積，m3；Mij為第i類作物、調節時段第j次的灌水定額，m3/hm2；i=1～n(灌溉區有n種作物)，j=1～m(調節階段計劃m次灌水)。

④年調節蓄水池有有效容積計算。年調節蓄水池多兼有數種用途，如為作物灌溉供水，為城市、農村生活供水等。在有效調節容積計算中，根據供水渠道供水時間、供水過程線以及調蓄水池供水區用水過程線，考慮蓄水池的蒸發、滲漏損失，從每年的供水開始日(多為4月1日)進行起調，在來年的(3月31日)截止，根據供水流量過程、用水過程流量計算調節容積，要求調節截止日期(3月31日)蓄水池內的存水達到零。調節過程中的供水渠道最大流量、用水過程最大流量、最大的累計容積分別為向調蓄水池供水泵站的設計流量、調蓄水池向受水區供水泵站設計流量和蓄水池的調節容積。調節容積計算公式：

(6)

∑Wi+1=Wi+1+∑Wi

(7)

W調節=max ∑Wi+1

(8)

式中：Wi為第i調節時段渠系供水與調蓄水池受水區用水、蓄水池蒸發、滲漏的差值，即第i時段調蓄的余缺水量，m3；Qi為第i調節時段渠系供水流量，m3/s;Ti為第i調節時段時間，s;Wij為第i調節時段，第j種作物灌溉需水量，m3，j=1～n(供水區有n種作物灌溉)；Vij為第i調節時段第j類型的需水量，如城鎮供水、農村人飲供水，m3，j=1～m(供水區除灌溉以外還有m種類型的需水);Ei為第i調節時段蓄水池水面蒸發量，m3；Fi為第i調節時段蓄水池滲漏量，m3；∑Wi為第i調節時段，蓄水池累計調蓄的余缺水量，m3；W調節為蓄水池累計調蓄余缺水量的最大值，m3。

3 蓄水池總容積確定

寧夏建設的灌溉調蓄水池均為開敞式蓄水池，存在一定的蒸發、滲漏損失，由于黃河水含沙量大，必須考慮淤積容積；在蓄水過程中，也存在降雨補給，部分年調節蓄水池由于容積較大，多建設在局部洼地，還有一定的降雨徑流匯入，同時蓄水池建設時，還要考慮一定的超高、風浪造成的爬坡。

W總=W有效+W淤積+W蒸發+W滲漏+W徑流

(9)

式中：W有效為蓄水池調蓄灌溉及其他供水的容積，m3;W淤積為蓄水池清淤間隔期的泥沙淤積量，m3;W蒸發為蓄水池調節時段的水面蒸發量，m3;W滲漏為蓄水池調節時段的滲漏量，m3;W徑流為蓄水池調節時段最大一次徑流匯入量，m3。

(1)蓄水池泥沙淤積量W淤積。由于黃河水泥沙含量較高，一般在0.5～3.0 kg/m3，在蓄水池調蓄期間，95%以上的泥沙都會沉淀、淤積在蓄水池底部。在蓄水池的設計中，對小于1萬m3的蓄水池淤積年限1 a，即1 a清淤1次；1～5萬m3淤積年限2 a，5～10萬m3淤積年限3 a，10～20萬m3淤積年限5 a，>20萬m3淤積年限5～10 a。

W淤積=0.001n∑WiCsi/γ沙

(10)

式中：W淤積為1 a內各調節時段淤積泥沙的體積，m3；Wi為1a內第i時段進入調蓄水池的水量，m3；Csi為第i時段進入調節蓄水池水中泥沙含量，kg/m3；γ沙為淤積泥沙密度，取淤積泥沙密度1.4 t/m3;n為設計清淤年限，a。

在調蓄池設計中不考慮清淤時，其淤積容積按淤積年限內泥沙總淤積量計算。2009-2011年黃河下河沿監測站泥沙含量監測結果見表3。

表3 黃河水逐月平均含沙量值(下河沿站) kg/m3Tab.3 The Yellow River water monthly average sediment concentration value (Xiaheyan station)

(2)蓄水池調蓄階段水面蒸發量W蒸發。水面蒸發按照每月水面蒸發損失減去當月降雨量計算。水面蒸發損失量按照蓄水池月平均水面面積與當月平均蒸發強度(mm/d)計算確定，也可粗略按蓄水容積的6%～8%估算。

(11)

式中：Si為調節時段第i月蓄水池平均水面面積，m2；Ei為調節時段第i月蓄水池平均蒸發強度，mm/d;Ti為調節時段第i月天數，d。

寧夏揚黃灌區紅寺堡多年平均水面蒸發量1 280 mm(E601)、同心縣蒸發量1 350 mm(E601)。根據《水利水電工程水文計算規范》(SL278-2002)，計算大型蓄水池水面蒸發量時需對E601蒸發皿的蒸發量進行折算。寧夏揚黃灌區各月大型蓄水池水面蒸發量見表4。

表4 寧夏揚黃灌區大型蓄水池逐月水面蒸發量Tab.4 Large reservoir irrigation area in Ningxia monthly water surface evaporation

(3)蓄水池調蓄階段滲漏量W滲漏。蓄水池滲漏損失主要包括池體、池基滲漏，調蓄水池的滲漏損失因防滲材料的不同差異較大，可按照實測資料進行計算。現寧夏建設的蓄水池多采用200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜進行池底、邊坡防滲，正常情況下滲漏量很小。考慮施工質量等因素，通常按照蓄水池水面面積乘日滲漏量2 mm進行估算。

(4)蓄水池調蓄階段一次性進入蓄水池的最大徑流量W徑流。部分大型蓄水池建設在地勢低洼區域，存在徑流入池現象。根據蓄水池建設具體情況、控制流域范圍、設計洪水頻率進行洪水調控演算，確定一次入池洪水量。

4 調蓄池設計

調蓄水池布局：根據水源類型、特點及水源與灌溉控制區的位置關系，調蓄池可布置于灌區內或灌區邊緣、泵站壓力管道出口處等。調蓄池布置應盡量利用天然地形條件，如天然溝壑、局部洼地等，盡量少占耕地，遵循節約耕地、節儉投資和安全方便的原則。調蓄池進、出水口的位置應盡量布置于短邊兩側，以盡量增大流程，提高調蓄池的沉淀、澄清效果。

調蓄池形式：調蓄規模大于5萬m3，采用沉淀與調蓄一體布置；調蓄規模小于5萬m3，宜分開布置沉淀池與調蓄池。調蓄沉淀池一般采用長方形水池，根據地形、地質條件和地基處理要求合理確定水深[6]，一般為4～9 m，無明顯地質問題取較大值。對調蓄規模小于10萬m3的調蓄沉淀池，長度不小于100 m；對調蓄規模大于10萬m3的調蓄沉淀池，長度不小于200 m。

超高：容積10萬m3以下為0.8m，10～20萬m3為1.0 m，20～50萬m3為1.2 m，50萬m3以上為1.5 m。

邊坡系數：結合工程地質和水文地質條件，在邊坡穩定計算基礎上，可采用合理邊坡值。采用卵膜結構的內邊坡，邊坡系數一般取1∶4～1∶6；采用板膜結構的內坡，邊坡系數一般取1∶2.5～1∶3。

池底防滲結構：①復合土工膜+土料結構。具體規格為200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜+厚60～80 cm土料結構。土料可以為全土料，也可采用土石混合物。②復合土工膜+預制混凝土板(或現澆)混凝土板結構。具體規格為200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜及以上規格的二布一膜+6～8 cm厚預制混凝土板或厚12～16 cm現澆混凝土板。復合土工膜的幅寬為6～8 m。對大型、重要的蓄水池取偏上標準[7]。

內坡面防滲結構：①復合土工膜+砂礫石+預制混凝土板(或現澆)結構，由200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜+ 20～30 cm砂礫石+5～8 cm預制混凝土板或12 cm現澆混凝土板組成。②復合土工膜+卵礫石結構，由200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜+30～40 cm卵礫石組成。③復合土工膜+土料結構，由200 g/0.5 mm/200 g復合土工膜+40 cm土料結構組成。對于小型(小于5萬m3蓄水池)、短期應用的蓄水池，可采用直接鋪膜的方式，膜厚一般為0.5 mm，膜下為壓實壤土。

管護道路：蓄水池管護路面一般寬為3～4 m，鋪設12 cm厚的沙礫石。防護欄一般采用高速公路簡易防護網。

5 典型工程應用實例

寧夏高效節水灌溉工程已建成調蓄水池200余座，調蓄總容積大4 000萬m3以上。已建成的典型工程調蓄水池規模確定見表5。

表5給出了不同調節方式蓄水池調蓄容積確定的應用實 例。邊蓄邊灌調節、次調節、階段調節蓄水池規模相對較小，年調節、特別是多用途的大型調蓄水池，如紅寺堡魯家窯調蓄工程，考慮30a淤積、蒸發、一次洪水入池等，增加調蓄容積較大。對淤積年限的確定，應進行經濟對比分析，在保證供水可靠性的基礎上有效降低調蓄水池容積、降低工程投資。

表5 調蓄水池規模確定典型工程實例Tab.5 The storage pool to determine the scale of typical engineering examples

6 結 語

調蓄水池的有效容積與工程的供水對象(灌溉、生活、工業)、控制灌溉面積、水源條件、供水規模、調節周期、調蓄方式密切相關，應該根據供水水源條件、工程建設供水對象，遵循調蓄方式確定原則，合理確定蓄水池的調節方式，選擇采用邊蓄邊灌調節、次調節、階段調節、年調節，通過滿足供、用水過程平衡調配，確定調蓄水池的有效容積。綜合考慮蒸發、滲漏、淤積年限、徑流入池等，合理確定調蓄水池的總規模。蓄水池規模的確定，對降低工程投資、保證高效節水灌溉工程供水可靠性，提高工程運行經濟效益意義重大。

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[1] 劉 榮.同心縣高效節水灌溉項目規劃設計關鍵技術及效益分析[J]. 寧夏農林科技，2012,(9):66-68.

[2] 李 帆.農村飲水安全工程調蓄水池設計[J].甘肅水利水電技術，2011,(12):40-42.

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[6] 余侃柱.調蓄水池濕陷性黃土地基特性及處理措施[J]. 水利規劃與設計，2013,(6):58-61.

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