南疆干旱區“坎兒井”式輸配水系統模式研究

毛遠輝，劉 江，張魯魯

（1.新疆水利水電規劃設計管理局,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,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%。農業用水量364.1 億m3,占南疆用水總量的95.9%,生活、工業、城鎮及生態環境用水量占4.1%[1]。目前南疆可用水資源開發利用程度已達80%以上,特別是南疆經濟效益低,已成為水資源開發利用中最為突出的問題,在近期內沒有跨流域調水補給的情況下,統籌好南疆生產生活生態用水的難度很大,需要在提高現有水資源利用效率上下更大功夫[2]。

新疆具有發展自壓灌溉的天然優勢,山前平原地形坡度較大,灌區一般在河流的中下游處,地勢低,為建設管道化輸水提供了非常有利的自然條件,“山區水庫+管道輸配水+自壓滴灌系統”,可利用水源在高處的有利條件實現自壓輸水,在實現水資源高效利用的基礎上[3],還可大幅度節省能源,降低灌溉能耗和工程運行成本,實現灌區節能減排、生態可持續。

1 水源工程及供水模式

1.1 傳統供水模式

輸配水系統示意圖,見圖1。

圖1 輸配水系統示意圖

1.2 新時代“坎兒井”輸配水模式

新時代“坎兒井”輸水系統工程原理見圖2,充分利用水庫海拔高程、水資源調配能力等特點,對骨干輸水系統“明改暗”,配備必要的沉沙調節設施,田間輸配水系統管道化、標準化,形成深度節水的新時代“坎兒井”灌溉工程系統見圖3。該模式具備以下特點：一是在充分利用山區水庫調蓄的條件下,利用山前平原坡度大的特點,按照灌區分布在河流的中下游的特點,為管道化輸水提供了有利的自然條件。二是利用水庫調蓄河道水量后,水量充足穩定,充分利用水資源在高處的條件,實現管道自壓輸水,可有效減少水資源在輸配過程中的蒸發和滲漏損失,提高水資源的利用效率和效益。三是可大幅度的節省能源、降低灌溉運行成本,實現灌區生態的可持續發展。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,且輸水過程中不受洪水及風沙的影響。

圖2 新時代“坎兒井”輸配水立體示意圖

圖3 新時代“坎兒井”輸配水模式

2 山區水庫替代平原水庫

2.1 替換模式

（1）完全替換。該種模式主要針對存在安全隱患、功能比較簡單的平原水庫,通過山區水庫替代平原水庫功能的可行性分析及水資源配置等相關研究后,將平原水庫徹底廢棄,并進行銷號處理。

（2）部分替換。該種模式主要是針對某些功能比較復雜的平原水庫或者依據現有工程條件替代比較困難的平原水庫,通過山區水庫替代平原水庫功能的可行性分析及水資源配置研究后,部分替換平原水庫的功能,被替換的平原水庫做減少功能、削減規模處理。

（3）保留現狀。該種模式主要是針對重大平原水庫以及現狀工程條件下替換需要較大工程投資的平原水庫,建議經過與山區水庫做好聯合調度研究后采取保留現狀的方式。

2.2 平原水庫提升

（1）清淤。針對水庫淤積問題,目前理論上有工程減沙、水力減沙和機械清淤等方式,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的泄洪排沙建筑物將泥沙排出；機械清淤是借助機械設備將淤沙挖除。

（2）改擴建。對已建平原水庫進行加高,主要針對淤積較嚴重的水庫,清淤難度較大、或難以實施,在保持水庫原設計庫容不變的條件下,對水庫進行加高；在水庫引水系統上修建沉沙設施,將泥沙淤積在庫外,便于清淤。

（3）縮庫。南疆平原水庫中大型水庫居多,水庫水面面積大,水面淺、蒸發量大。為了減少蒸發損失量,可以采取縮庫措施,或是結合水面光伏發電減少水面蒸發。

（4）降等與報廢。對病險嚴重、功能萎縮,但除險加固技術上不可行、經濟上不合理的水庫實行降等或報廢處理,是解決水庫病險問題的有效途徑。同時,隨著水庫使用年限增長、水庫大壩安全管理要求和國民經濟發展需求的提高,新疆降等與報廢的水庫數量將不斷增加[4]。

2.3 阿爾塔什水庫替代下游平原水庫方案

葉爾羌河流域阿爾塔什水庫2019 年已建成發揮作用,水庫總庫容22.49 億m3,調節庫容12.6 億m3,具有不完全多年調節的有利條件；水庫具有較好的蓄水攔沙作用,不僅可以替代下游平原水庫調蓄功能,還可為發展新時代“坎兒井”供水系統創造有利的水源條件。通過實施廢棄東方紅上庫、色力勿衣水庫等8 座平原水庫,廢棄庫容1.46 億m3,可節約水量0.71 億m3；通過替代莎車縣蘇庫恰克水庫、依干其水庫等2 座平原水庫部分灌溉功能,替代灌溉庫容0.83 億m3,節約水量0.36 億m3,工程投資0.25 億元；通過替代兵團前進水庫、小海子水庫、永安壩南庫和永安壩北庫等4 座平原水庫部分灌溉功能,替代灌溉庫容2.68 億m3,減少蒸發滲漏面積150 km2,節約水量1.1 億m3,工程總投資19.3 億元。

3 南疆干旱區“坎兒井”式輸配水系統模式

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水建設畝均投資均在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,且運行管理方便,但節水量只有管道的50%左右。不同輸水型式的特性及控制灌溉面積見表1、表2。

表1 不同輸水型式對比分析表

表2 不同輸水型式控制灌溉面積對比表

3.2 骨干工程節水分析

南疆骨干渠系長度8.2 萬km,其中需要實施骨干渠系改造長度為3.63 萬km,按照單公里骨干渠系投資100 萬元～300 萬元匡算,實現骨干渠系全防滲需要工程投資約372.6 億元,渠系水利用系數可由0.62 提高到0.7,可實現農業節水約4.99 億m3,單方節水投資約70.5 元/m3。南疆五地州渠道防滲實施情況見表3。

表3 南疆五地州干、支、斗渠防滲改造及節水量分析表

3.3 南疆灌區骨干工程適應性分析

按照灌區的分布與地形條件、水源條件呈現出傍河條帶型灌區、出山口扇形灌區、平原樹枝型灌區、平原規矩型灌區型等特點。傍河條帶型灌區呈現出總體寬度較窄,長度較長的特點,如阿克蘇的木扎提灌區、和田河灌區下游區域,實施骨干工程管道化,具有主干管長、支干管短的特點,呈現出干、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,不適宜建設管道化輸水。

對于出山口扇形灌區、平原樹枝型灌區、平原規矩型灌區面積較大,均由多個渠首和多條輸水干渠引水,如噶爾河灌區、博斯騰灌區、葉爾羌河灌區、和田河灌區。采用管道輸水模式,對干支管進行改造,一方面存在管徑過大、排數過多、輸水調控復雜等技術難題,另一方面在工程建設過程中,工程建設用地、交叉建筑物改遷、林糧食間作的種植模式、土地碎片化等問題,集中連片的實施落實難度較大,因此需因地制宜的選擇灌區條件好的一部分進行管道化節水改造,當灌溉面積超過50 萬畝以上時,有待進一步研究。

3.4 不同模式節水效果分析

地表水庫+渠道節水效果：對東方紅水庫至灌區的骨干渠道進行防滲改造,總長度25.13 km,采用混凝土現澆板渠道。通過防滲改造,該片區骨干輸水系統渠系水利用系數由0.72提高到0.76,節水32.4 m3/畝,節約用水約4.1%。

地表水庫+管道節水效果：對東方紅水庫至灌區的原骨干明渠進行管道化改造。改造管網共28 條,總長98.92 km,控制灌溉面積6.31 萬畝,其中總干管1 條,長度20.63 km,設計流量4.9 m3/s,管材采用PCCP 管,管徑DN2000、DN1600；干管4 條,長7.83 km,設計流量0.52 m3/s～1.22 m3/s,管材采用PCCP 管,管徑DN1000；分干管23 條,長65.58 km,設計流量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由0.72 提高到0.86,節水109 m3/畝,節約用水約13.7%。

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

4 結論

通過將南疆骨干輸水系統“明改暗”示范分析,10 萬畝～30 萬畝的灌區,畝均節水約40 m3,渠系水利用系數可提高至0.78～0.81,畝均投資6000 元～10000 元。對于灌溉面積超過50 萬畝以上的大型灌區,因灌區的分布與地形條件、水源條件復雜,若采用管道輸水模式,存在管徑過大、排數過多、輸水調控復雜等技術難題,因此需進一步研究。