龔懿婧，徐烈輝，周 皞，房 凱，周明耀

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009； 2.宿遷市水務勘測設計研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800)

江蘇省現有大型灌區(qū)36個，總灌溉面積101.35 萬hm2，主要分布在蘇中、蘇北地區(qū)，其中國家南水北調東線沿大運河輸水線路上的大型灌區(qū)有22個[1]。大型灌區(qū)是江蘇發(fā)展節(jié)水農業(yè)的重要地區(qū)，這些灌區(qū)多通過四級以上的渠道輸送水，渠道斷面大，襯砌率低，灌溉工程老化、破損嚴重，配套不齊，導致水量浪費和灌溉水調度困難[2]。盡管前期通過幾輪續(xù)建配套與節(jié)水改造，骨干工程輸水調控條件有了顯著改善，但尚未涉及灌區(qū)尾部及田間工程。由于灌區(qū)生產管理勞動力緊缺，水稻泡田期灌水延續(xù)時間不斷縮短，灌區(qū)用水時間更為集中，短期需水強度大幅增加。同時，以南水北調東線輸水為水源的沿運大型灌區(qū)，用水許可受到嚴格限制，灌溉取水量不增反降，灌區(qū)灌溉用水供需矛盾依然存在且愈加尖銳，如何對大型渠灌區(qū)尾部進行節(jié)水改造、保證灌溉水資源高效利用和灌區(qū)持續(xù)發(fā)展，成為大型灌區(qū)當前需要解決的重要問題。

以往大型灌區(qū)節(jié)水改造研究中，多是針對灌區(qū)末級渠系提出的改造措施，主要包括對渠系進行襯砌防滲、改造配套建筑物、引進節(jié)水灌溉新技術、完善灌區(qū)管理體制等[3,4]。本文提出的大型灌區(qū)尾部進行節(jié)水改造技術方案，其中尾部不同于末級，是指離灌區(qū)灌溉水源較遠、灌溉難度最大的若干灌溉片區(qū)，最終給出的技術方案可供江蘇省類似大型灌區(qū)節(jié)水改造時參考。

1 典型區(qū)概況

以江蘇省宿遷市船行灌區(qū)為例，船行灌區(qū)位于宿遷市宿城區(qū)西南部，地處京杭大運河與徐洪河之間，是利用國家南水北調東線輸水線路京杭大運河作為灌溉水源的大型灌區(qū)之一，灌區(qū)總面積為325.1 km2，耕地面積2.13 萬hm2、有效灌溉面積2.09 萬hm2、設計灌溉面積2.13 萬hm2。船行灌區(qū)屬黃泛沖積平原，區(qū)內地勢較為平坦，自西北向東南傾斜，最高點高程24.7 m，最低點高程16.6 m。灌區(qū)土質為砂土，適宜種植水稻、小麥、油菜等多種作物。

船行灌區(qū)自1971年興建以來，經過四十多年的配套完善，國家從2005年開始到2010年對船行灌區(qū)共進行6次投資改造，目前船行灌區(qū)灌溉系統(tǒng)分為三部分，即東干渠片、西干渠片和陳集片。其中，西干渠片和陳集片為提水系統(tǒng)，東干渠片為自流系統(tǒng)。

灌區(qū)西干渠片的船行一站、干渠、支渠、節(jié)制閘、分水閘等工程大部分均經過更新和改造。船行一站設計流量為20.0 m3/s，船行二站設計流量為14.3 m3/s。西干渠片干渠長15.60 km，已全部采用混凝土襯砌，支渠共8條，其中一、二、三、四、六支渠也已全部混凝土襯砌，五支渠已混凝土襯砌2 km，其余支渠仍為土渠，渠道土壤砂性重，滲透性強，加之渠系配套建筑物年久失修，灌區(qū)灌溉水資源浪費嚴重，渠系水利用系數較低。近年來，隨著用水戶灌溉周期縮短，灌水集中的要求強烈，進一步增加了用水矛盾。

本次研究選取西干渠片作為改造范圍，其原因主要為：①西干渠片區(qū)的干渠及支渠控制的面積較大，存在輸水時間長，需要較長的灌水周期，用水矛盾突出。②西干渠片區(qū)的農業(yè)生產活動受到京杭大運河的取水許可及船行二站的提水流量及揚程的限制，已不能夠滿足尾部渠道的灌溉水量及水位需求，干渠及各支渠對尾部渠道的控制力減弱。③西干渠片區(qū)南部的小型河流、溝道較多，具有較好興建小型泵站提水，作為共同對大型灌區(qū)供水灌溉的補充水源，以滿足用水戶的灌水要求。

2 節(jié)水改造方案設計

大型渠灌區(qū)尾部節(jié)水改造研究建立在縮短灌溉周期、灌區(qū)首部取水有限制的背景下，根據船行灌區(qū)西干渠片現狀將灌溉渠系布置概化為如圖1所示，其中斗、農渠布置概化為如圖2所示。模擬不同襯砌條件，共提出可能的3種改造方案，具體如下：①不改變渠首泵站流量，渠首泵站無法滿足的尾部灌溉片采用內部建立小型提水泵站的方式，作為獨立的灌溉系統(tǒng)，原灌溉系統(tǒng)仍保持現狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級混凝土襯砌渠道和一級土渠的渠道輸水灌溉方式。②不改變渠首泵站流量，渠首泵站無法滿足的尾部灌溉片采用內部建立小型提水泵站的方式，作為獨立的灌溉系統(tǒng)原灌溉系統(tǒng)仍保持現狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級管道和一級土渠渠管結合的管道輸水灌溉方式。③不改變渠首泵站流量，渠首泵站無法滿足的尾部灌溉片采用內部建立小型提水泵站的方式，作為獨立的灌溉系統(tǒng)，原灌溉系統(tǒng)仍保持現狀渠道輸水灌溉不變，尾部灌溉系統(tǒng)改造為兩級混凝土襯砌渠道和一級土渠的渠道輸水灌溉與兩級管道和一級土渠渠管結合的管道輸水灌溉兼有的方式。改造方案示意圖如圖3所示。

圖1 西干渠片灌溉渠系布置概化圖

圖2 西干渠片斗、農渠布置概化圖

圖3 西干渠片改造方案示意圖

3 節(jié)水改造方案優(yōu)選

作為水源的京杭運河除承擔跨流域調水任務外，同時兼顧航運、生態(tài)補水等功能，對用于灌溉的取水量有限制，因此渠首泵站流量維持不變。以尾部泵站補水的方式滿足灌溉周期縮短下的全灌區(qū)灌溉用水量，不同渠系襯砌條件下，對渠道輸水、管道輸水、渠道與管道輸水兼有3種方式，進行工程費用計算[5]，根據費用計算結果確定節(jié)水改造的最優(yōu)技術方案。

3.1 工程費用函數

工程費用函數主要包括兩方面：一是工程投資函數，即灌溉系統(tǒng)在建設過程中所產生的費用；二是工程年運行費用函數，即灌溉系統(tǒng)在正常使用過程中所產生的費用。工程費用可按下式計算：

F總=F1+F2

(1)

式中：F總為工程總費用，元；F1為系統(tǒng)投資費用，元；F2為系統(tǒng)年運行費用，元。

(1)工程投資函數。工程投資主要由兩大部分組成，即：水源工程投資(泵站投資)、管網/渠系工程投資。

水源工程投資可用如下公式表示：

C1=KpWp

(2)

式中：C1為泵站總投資，元；Kp為泵站投資參數，元/kW；Wp為泵站裝機容量，kW[6]。

渠系投資可分為渠系的土方工程投資、襯砌工程投資、配套建筑物投資?？捎萌缦鹿奖硎荆?/p>

(3)

式中：M1i為第i級渠道土方開挖量單價，元/m3；V1i為第i級渠道土方開挖量，m3；M2i為第i級渠道土方回填量單價，元/m3；V2i為第i級渠道土方回填量，m3；M3i為第i級渠道襯砌單價，元/km；L3i為第i級渠道長度，km；Yi為第i種配套建筑物單價；Ni為第i種配套建筑物的數量；n為渠道等級數；m為配套建筑物種類數目。

管網投資可分為輸水管道投資、配水管道投資、附件(安全調控設備、給水栓等)及配套建筑物投資。在已知當地管道價格的情況下管網投資可用如下公式表示：

(4)

式中：Mj為第j類管道單價，元/m；Lj為第j類管道長度，m；n為管道種類數目；χ為配套附件投資占管網總投資的百分數；m為配套建筑物種類數目；Yj為第j種配套建筑物單價；Nj為第j種配套建筑物的數量[7]。

工程總投資為渠道灌溉系統(tǒng)工程投資和管道灌溉系統(tǒng)工程投資之和，可用下式表示：

F1=C11+C21+C12+C22

(5)

式中：C11為渠道灌溉系統(tǒng)泵站投資，元；C21為渠道灌溉系統(tǒng)渠系投資，元；C12為管道灌溉系統(tǒng)泵站投資，元；C22為管道灌溉系統(tǒng)管網投資，元。

(2)工程年運行費用函數。年運行費包括燃料動力費(電費)、維護費、管理費、管理人員工資、其他五部分，其中灌區(qū)維護費、管理費、管理人員工資會隨著工程總投資的增加而增加，可用占工程總投資的比例計算[8]。年運行費用可用下式表示為：

(6)

式中：Y1為渠道灌溉系統(tǒng)年運行動力費，元；Y2為管道灌溉系統(tǒng)年運行動力費，元；λ1、λ2均為比例系數。

綜上所述，由于將渠道改為管道輸水灌溉后帶來的節(jié)水效益明顯，因此在計算工程總費用時，需扣除管道灌溉系統(tǒng)帶來的效益B，總費用可最終表示為：

(7)

3.2 費用計算結果

對渠系進行不同情況的襯砌，可以得到不同的改造結果，3種改造技術方案的改造總費用結果如表1所示。其中，方案三對原灌溉系統(tǒng)無法滿足的尾部灌溉片，采用管道輸水灌溉方式的面積占尾部灌溉片面積分別取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%進行計算。方案一可以看作是管道輸水灌溉面積占比為0%的情況，方案二可以看作管道輸水灌溉面積占比100%的情況。

不同襯砌情況下，方案一、方案二、方案三可以看作不同管道輸水灌溉面積占比情況下對改造總費用的影響，其改造費用比較如圖4所示。

不同襯砌情況下，方案三(渠首流量不變+渠管兼有)結合了方案一(渠首流量不變+襯砌渠灌)和方案二(渠首流量不變+渠管結合)的方式，在灌區(qū)尾部既存在若干小型提水泵站+渠道輸水灌溉，又存在若干小型提水泵站管道輸水灌溉的方式。這兩種不同輸水灌溉方式所占的面積大小不同，影響著改造的總費用。結合表1及圖4可以看出，土渠、一級襯砌、二級襯砌、三級襯砌的情況下，都是采用方案一，尾部采用二級混凝土

表1 船行灌區(qū)西干渠片尾部節(jié)水改造費用計算結果表 萬元

圖4 不同襯砌情況下管道輸水灌溉面積 占比對改造費用的影響

襯砌和一級土渠的渠道輸水灌溉方式費用最省，不考慮發(fā)展管道輸水灌溉。四級襯砌(對總干渠、干渠、分干渠、支渠襯砌)時，可發(fā)展10%左右的管道輸水灌溉面積，其改造費用最省，五級襯砌(對總干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠襯砌)時，管道輸水灌溉面積可發(fā)展30%左右，其中發(fā)展20%左右的管道輸水灌溉面積改造費用最省，對渠道全襯砌時，管道輸水灌溉面積可發(fā)展80%左右，其中發(fā)展30%左右的管道輸水灌溉面積改造費用最省。由于襯砌數量越多，灌溉水利用系數提高，灌水損失減少，原泵站的流量能滿足的灌溉范圍擴大，需要內部新建小型提水泵站進行灌溉面積縮小，相應的尾部改造費用減少。尾部小范圍內進行渠道改管道，采用襯砌渠道輸水灌溉與渠管結合輸水灌溉兼有的方式，不會造成管道投入的急劇增加，同時渠管結合輸水灌溉方式會產生明顯的節(jié)水效益。

綜上所述，對于大型渠灌區(qū)，當原有系統(tǒng)無法滿足灌溉用水要求，灌區(qū)內部又存在較好水源條件時，可分離灌區(qū)尾部灌溉區(qū)域形成若干個獨立的小型提水灌溉系統(tǒng)。當原系統(tǒng)無法滿足灌溉的面積較大時，可采用內部小型提水泵站結合襯砌渠道輸水灌溉的方式，當無法滿足的灌溉面積較小時，可以采用“內部小型提水泵站+襯砌渠道輸水灌溉”與“內部小型提水泵站+渠管結合輸水灌溉”兼有的方式。

4 結 語

江蘇省大型渠灌區(qū)普遍存在尾部渠系配套率低，節(jié)水工程措施缺乏，存在灌溉用水供需矛盾的問題。灌區(qū)水稻泡田期用水集中，灌區(qū)渠首灌溉擴大取水受到嚴格限制的雙重壓力下，對灌區(qū)尾部進行節(jié)水改造顯得尤為必要。在灌區(qū)尾部尋找可利用水源，通過建設小型提水泵站，再結合襯砌渠道和渠管結合的輸水灌溉，不僅可以緩解用水集中的問題，提高灌溉效率，還能達到節(jié)水增效的效果。

管道輸水節(jié)水改造工程技術既有其節(jié)水明顯的優(yōu)越性，也存在管網系統(tǒng)投資較大的缺點，因此在對大型渠灌區(qū)尾部進行節(jié)水改造的過程中，需要綜合考慮灌區(qū)實際情況和當地的投入能力，對節(jié)水改造技術方案進行合理性評估。特別是江蘇省京杭大運河沿線的大型渠灌區(qū)，采用尾部節(jié)水改造方案三，即在尾部建設小型提水灌溉泵站，以渠道輸水灌溉和管道輸水灌溉兼有的技術方案，管道輸水灌溉的面積占尾部灌溉片面積10%～30%左右最為適宜。