婁忠秋,肖鵬,李逸

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川崇州,611231;2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué),蘭州,730123)

1 灌區(qū)概況

米林縣派鎮(zhèn)索松村位于雅魯藏布江左岸,是一個以農(nóng)業(yè)為主、牧業(yè)為輔的半農(nóng)半牧縣。索松村現(xiàn)狀取水口屬人畜飲水共用水源地,并兼有灌溉作用。由于現(xiàn)有水源供水不足,水量過小,不能滿足人畜用水和灌溉用水,年耕種面積僅為56.6hm2,如圖1所示,現(xiàn)狀取水口和灌溉主渠已經(jīng)完全損壞。灌溉主渠采用素混凝土襯砌,未配置鋼筋,渠道邊墻出現(xiàn)垮塌、滲水現(xiàn)象,影響渠道沿線邊坡穩(wěn)定,因此急需對索松村居民飲水灌溉水源進行建設(shè)。

圖1 現(xiàn)狀已損壞的取水口和灌溉主渠

目前常用的農(nóng)田水利工程節(jié)水灌溉技術(shù)主要為渠道防滲技術(shù)、低壓管道輸水灌溉技術(shù)、噴灌、滴管、微灌和滲灌等[1],并輔以現(xiàn)代信息化技術(shù),逐步往智能化、自動化和精準化方向發(fā)展[2]。郭凱[3]分析了當前應(yīng)用的渠道防滲新技術(shù);張新貴[4]提出以低壓農(nóng)水管道傳輸解決輸水過程中大量滲漏和蒸發(fā)問題;耿正崢[5]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幫助農(nóng)民解決節(jié)水灌溉中出現(xiàn)的問題,實現(xiàn)了智慧化灌溉。基于目前使用的節(jié)水灌溉技術(shù),本文根據(jù)索松村自然條件,選取合適的灌溉制度,并分析和比選了節(jié)水灌溉技術(shù)方案。

2 灌溉方式選擇

2.1 灌溉方式及灌溉制度確定

此次索松村灌溉工程不僅需要為農(nóng)業(yè)灌溉提供用水需求,而且需要提高渠系水利用系數(shù)和灌溉保證率,改善生態(tài)環(huán)境,使灌溉水利工程達到安全運行、科學(xué)管理的目的。設(shè)計過程中,在確定合理的灌溉制度時,應(yīng)根據(jù)灌區(qū)自然條件等因素,認真進行調(diào)查研究,聽取受益群眾、地方政府和有關(guān)部門的意見和建議,使設(shè)計方案更符合實際。

農(nóng)作物的灌溉制度指播前及全生育期內(nèi)的灌水次數(shù)、灌水時間、灌水定額和灌溉定額,它隨作物種類、品種、自然條件、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施和灌水技術(shù)的不同而變化[6]。本次設(shè)計搜集了該地區(qū)及其他一些地區(qū)的灌溉實際資料,并根據(jù)當?shù)氐墓嗨?jīng)驗,按水量平衡原理對灌區(qū)的灌溉制度進行了認真細致的分析計算,充分論證灌區(qū)渠系水利用系數(shù)、灌溉定額、灌水率的合理性。

本工程設(shè)計總灌溉面積185.1hm2,其中耕地灌溉面積118.2hm2,林草地灌溉面積66.9hm2。耕地內(nèi)作物主要為冬小麥、青稞和油菜。根據(jù)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu),借鑒已經(jīng)實施的鄰近節(jié)水改造的灌區(qū)及已建的其他工程灌溉制度,結(jié)合灌區(qū)實際情況,初步擬定渠道輸水(續(xù)灌)和管道輸水(輪灌)兩種灌溉方式,下面對兩種灌溉方式進行比較選擇。

2.2 灌區(qū)灌水率

灌水率計算主要依據(jù)灌區(qū)內(nèi)各作物的灌溉制度、種植比例及作物灌水延續(xù)時間進行計算[7]。根據(jù)在當?shù)氐膶嶋H調(diào)查,結(jié)合灌區(qū)規(guī)模和灌水條件綜合分析,本次設(shè)計采用自流灌溉,主要作物的播前灌水延續(xù)時間取10d,生育期灌水延續(xù)時間取10d。灌水率計算公式為:

(1)

式中,mik、Tik、tik分別為第i種作物第k次灌水的灌溉定額、灌水持續(xù)時間、灌水一天的延續(xù)時間,單位分別為m3/hm2、d、h;αi為第i種作物的種植比例;其中,自流灌溉取tik=24h;輪灌取tik=8h。

2.3 灌溉水利用系數(shù)

對于混凝土渠道引水灌溉,干渠的水利用系數(shù)為:

(2)

Q凈=Q毛-△Q

(3)

式中,Q凈為渠道的出口凈流量,m3/s;Q毛為入口的毛流量,m3/s;△Q為渠道的輸水損失,與渠道的襯砌方式和渠道的長度有關(guān),m3/s。經(jīng)計算,采用渠道輸水(續(xù)灌)的渠道水利用系數(shù)η干為0.95,η支為0.75。則渠系水利用系數(shù)為:

η渠系=η干×η支

(4)

這里取田間水利用系數(shù)η田間為0.90,水田的利用系數(shù)甚至可達0.95,因此灌溉水利用系數(shù)計算公式為:

η灌溉水=η渠系×η田間

(5)

綜上,采用渠道輸水(續(xù)灌)的渠道灌溉水利用系數(shù)η灌溉水為0.64。

同理,對于管道輸水(輪灌)方式,同樣取田間水利用系數(shù)為0.90,管系水利用系數(shù)為0.94,則管道灌溉用系數(shù)η灌溉水=0.90×0.94=0.85。

在渠道實際運行過程中,可能會出現(xiàn)超過設(shè)計工況威脅渠道安全和其他未及預(yù)料的情況,在設(shè)計時應(yīng)加大渠道的輸水量。因此本次設(shè)計渠道加大流量系數(shù)取1.3,進行渠道的校核工作。

2.4 灌溉需水量

渠道設(shè)計時應(yīng)考慮灌溉實際的需水量,根據(jù)各作物規(guī)定的灌溉制度、渠道的灌水利用系數(shù)計算獲得,包括各種農(nóng)作物成長時所需的生長用水量、流經(jīng)渠道的損失水量及田間灌溉時的損失水量。通常以每月的各時段內(nèi)作物的灌水量乘以各作物的種植面積。而作物的需水量可通過試驗資料獲得。圖2繪制了兩種灌溉設(shè)計方式各月分時段的毛用水量。由圖可知,管道輸水(輪灌)的用水量明顯小于渠道輸水(續(xù)灌)方式,管道輸水用水量基本穩(wěn)定在2萬m3,兩種輸水方式平均差值為4.12萬m3,可以看出選擇管道輸水(輪灌)較合適。

2.5 水量供需平衡分析

水量供需平衡分析是指一定的用水地區(qū)在某些時期的可提供水量和需要水量之間的供求關(guān)系的分析,可深入理解該地區(qū)水資源總量的供需現(xiàn)狀和存在的問題。對于水資源供給分析,在本次設(shè)計中工程取水口可提供水量計算時,由于該設(shè)計流域無水文資料,且本工程取水口控制流域面積均較小,因此擬采用兩種方法來推求取水斷面處河道徑流,一為徑流深等值線法,二為水文比擬法。

2.5.1 徑流深等值線法

查閱該地區(qū)水文水資源勘測局繪制的多年平均徑流深等值線圖,可得到各工程取水口斷面年平均徑流深,根據(jù)如下計算公式:

(6)

根據(jù)公式(6)對現(xiàn)存的老取水口和擬建的新取水口進行供給平均流量計算,可得到工程取水口多年平均流量結(jié)果,如表1所示?？梢钥闯?擬建的新取水口可提供的年平均流量為0.55m3/s,遠大于現(xiàn)有老取水口的供水量。

表1 徑流深等值線法和水文比擬法計算工程取水口多年平均流量成果

2.5.2 水文比擬法

水文比擬法計算供水量的公式為:

Q取水口=(F取水口/F更)×(P取水口/P更)×Q更

(7)

式中,Q更為上游國家基本控制站更張站水文測驗資料中的多年平均流量,取480m3/s;F取水口為取水口以上流域面積,km2;F更為更張站的流域面積,取15600km2;P取水口為取水口以上流域的多年平均降水量,mm;P更為更張站以上流域的多年平均降水量,取1300mm。經(jīng)計算,采用水文比擬法得到工程取水口處多年平均流量成果如表1所示。

2.5.3 徑流成果合理性分析及選用

通過對以上兩種方法計算成果的比較,發(fā)現(xiàn)各取水口處多年平均徑流成果相差非常小,兩種方法起到了相互印證、相互比較的作用,原則上都可被采用?？紤]各取水口面積極小,與更張站面積相差太大,水文比擬法計算較為復(fù)雜,因此本次設(shè)計推薦采用徑流深等值線法計算結(jié)果作為各取水口多年平均流量的成果。

參照尼洋河流域觀測資料分析,結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗,設(shè)計流域內(nèi)徑流參數(shù)確定為:年徑流變差系數(shù)Cv值采用0.24,偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標準》[8],徑流頻率取P=50%、P=75%和P=95%,對應(yīng)KP=50%=0.98,KP=75%=0.83和KP=95%=0.64。

根據(jù)本次灌溉工程需要,主要對P=50%和P=75%代表年進行年內(nèi)分配。在更張站實測徑流資料中,P=50%選擇1993年、P=75%選擇1982年分別作為平水年、較枯水年的代表年,采用同倍比縮放,計算出取水口徑流年內(nèi)分配,如圖3所示。可以看出,新建的取水口大大增加了年內(nèi)徑流量,特別是夏季汛期的時候更為顯著,可滿足索松村農(nóng)業(yè)灌溉需求。

圖3 工程各取水口處設(shè)計頻率徑流年內(nèi)分配

2.5.4 水量供需平衡分析

根據(jù)上述計算的兩種灌溉方式需水量結(jié)果,以及新建取水口的年平均徑流供水量,可計算選取的兩種灌溉方式的水量供需平衡,圖4展示了P=75%下的取水樞紐與設(shè)計引用流量的年內(nèi)分布。可以看出,取水樞紐供水量在夏季汛期時遠大于設(shè)計引用流量,而在冬季枯水期大致滿足灌溉水需求,而且采用渠道輸水和管道輸水供需平衡差別不大。

圖4 兩種灌溉方式水量供需平衡結(jié)果

值得注意的是,索松村灌區(qū)采用渠道輸水灌溉方式,二月中旬需水5184m3,三月中旬需水864m3,灌區(qū)二月中旬和三月中旬取水口來水量不能滿足灌溉需求,供需水量差分別為-0.006m3/s和-0.001m3/s。采用管道輸水灌溉方式各月取水口來水量均能滿足灌溉需求。

通過以上數(shù)據(jù)分析,采用管道輸水(輪灌)方式每年可節(jié)約用水61萬m3,因此,為保證灌區(qū)各月用水量,提高水資源利用率,本階段推薦采用管道輸水(輪灌)方式進行灌溉。灌溉水利用系數(shù)為0.85,灌水模數(shù)為:Q輪灌=154.66(m3/s)/hm2。

3 結(jié)語

全面加強農(nóng)業(yè)灌溉工程建設(shè)和發(fā)展水利是完善水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高居民生活水平必不可少的一項重要舉措。本文針對索松村水資源供水不足問題,根據(jù)灌區(qū)自然條件和群眾意見,確定了合理的灌溉制度,并初步擬定了兩種灌溉方式,基于數(shù)個供需水量指標分析,最終推薦采用管道輸水(輪灌)方式進行灌溉,有利于提高灌溉水利用率,解決項目區(qū)灌溉用水供需矛盾,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供灌溉保障,對本地規(guī)?；l(fā)展節(jié)水灌溉工程起到示范帶動作用。