王石灌区节水改造方案比选及实施效果研究_张亮.pdf

80 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）王石灌区节水改造方案比选及实施效果研究张 亮(辽宁省绥中县水利事务服务中心，辽宁 绥中 125205)摘 要：以王石灌区为例，通过比选渠道衬砌方案、断面型式和渠线布置方式，最终确定C20 现浇混凝土板衬砌、梯形断面型式和维持现有渠线布置的节水改造方案。经估算，节水改造工程的实施达到了农业增产增收的目的，灌溉效益达到 671 万元，作物增产量达到3463.24t，具有显著的生态和社会效益。关键词：节水改造；方案比选；实施效果；王石灌区中图分类号：S274文献标识码：B1 灌区概况1.1 基本情况王石灌区位于葫芦岛市绥中县境内，灌区内河流的径流大部分由天然降雨形成，小河流多为季节性河流。径流量在年内及年际变化较大。灌区内有六股河、王宝河、猫眼河、狗河、石河 5条面积超过 100km2的河流。多年平均过境水量为3.216 亿 m3，区内多年平均径流量 1.384 亿 m3，多年平均总径流量为 4.6 亿 m3。王石灌区总耕地面积2.68万hm2，设计灌溉2.08万 hm2，实际灌溉 1.4 万 hm2，其中水田 2667hm2，麦田 1333hm2，菜田 1667hm2，玉米 7333hm2，其它粮食作物 1000hm2。全灌区水源工程现有大风口、龙屯两座大（2）型水库，拦河引水工程有六股河、狼洞子、大官、长江、古塔、新开河、程家、选将、前朱共 9 处。渠系工程现有总干渠 2 条长 53.9km，建筑物 254 座，已衬砌长度 7.9km；干渠 17 条长113.94km，建筑物 422 座，已衬砌长度 16.88km；支渠 57 条长 114.5km，建筑物 1142 座。1.2 灌区现状王石灌区以六股河和大官拦河引水、大风口、龙屯两座大（2）型水库为骨干水源工程，灌区内7 处小型拦河引水工程为辅助水源工程。充分利用过境水量、区内径流量、灌区回归水量，初步形成了能够跨流域调水，梯级开发综合利用的供水网络。王石灌区建成于 1978 年底基本竣工，当时由于资金不足和社会因素的影响，工程设计标准较低，尾工大。如龙屯总干渠工程质量低劣，有些渠段不能正常使用，支渠及以下工程配套差，大部分输水渠道位于丘陵区，环山布设，土质为风化岩及砂壤土，渗漏严重，输水损失非常惊人。渠系建筑物经过多年运用，工程老化，破损严重，进出口沉陷，主体裂纹，个别建筑物带病运行，对灌区运行极为不利。早期曾对该灌区进行维修改造，使大部分渠道能正常供水，后期又投入部分资金用于建筑物维修和重要区段的防渗处理，因资金有限，不能彻底解决渠道渗漏和建筑物老化等一系列问题。例如，因渠系工程不配套，致使大部分土地不能灌溉，并造成水资源的严重浪费。另外，为满足 7333hm2玉米的农业灌溉要求，每年灌区内要提 3000 万 m3地下水，占可开采量的 80%，造成部分地区地下水位下降，原来用的离心泵不得不改用深井泵，况且渠系及建筑物受占地、地质、地形等多因素制约，年久收稿日期 2022-12-21作者简介 张亮（1982-），男，辽宁绥中人，高级工程师，研究方向为水利工程设计、农田水利、水土保持、水利工程施工、监理等。文章编号:1007-7596（2023）01-0080-03DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.019 81 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）失修，传统的单灌单排方式，工程永久占地面积大且交叉建筑物数量多，投资成本高。农田灌溉无法充分利用区间地表水，农户分摊渠首运行费较多，农户接受程度低。因此，必须彻底改变这种不合理的运行方式和渠系灌水状况1-3。2 灌区节水改造方案比选2.1 渠线布置方式通过调查分析及现场实地勘测，现有干支渠比较规整且布置合理。考虑到在已有渠道上改建存在一定难度，加之部分渠系已冲刷破坏、灌溉与施工矛盾等因素，比较分析两条渠线方案，如表 1所示。表 1 渠线布置方案项目缺点优点方案原渠道防渗改建的灌溉期与施工工期矛盾，为避开灌溉期施工或解决施工期向灌区输水问题，需要布设导流渠，工期较短经多年运行，渠基基础条件较好且总体达到稳定密实状态；在原渠道上实施防渗改造可以节约土地资源，可以有效治理原渠道水土流失，不会引起额外征地问题方案林带及耕地分布在渠道沿线上，需要砍伐大量林带和占用耕地，补偿费用高且征地难度大，土地资源利用率不高施工导流选用原渠道，施工用水方便且临时费用较低方案：保持原有布置不变，对渠线实施改造；方案新选一条渠线紧邻原渠线一侧，施工导流选用原渠道，旧渠堤一侧被新旧渠线共用。经长期运行，现有渠道整体非常稳定，并且农田高程、下级渠道和渠系建筑物的底高程已定，渠线布置合理可以满足实际灌溉需求，渠线两侧的条田、林带和巡渠的道路已形成，重新改线则很难实现土地资源的高效利用，具体的实施难度也较高。因此，本次干支渠改建工程建议选择方案：在原渠基上实施衬砌防渗、清淤、整治和改建。2.2 渠道断面型式目前，大中型渠道主要有梯形断面弧底梯形及弧形坡脚、梯形断面 3 种横断面型式。考虑到梯形断面渠道的水流条件与梯形断面弧形坡脚渠道相差不大，但坡脚处施工难度较大且施工放线不易，一般具有较高的施工质量要求，故本次设计可比选分析弧底梯形断面和梯形断面两种渠道横断面，具体如下：1）弧底梯形断面具有较高的施工质量要求，施工难度也高于梯形断面，渠底泥沙较为集中易出现集中磨损的问题，但渠底抗冻胀性能优于梯形断面。2）梯形断面渠底泥沙分散，施工简单，可以有效防止底板集中磨损现象的出现，渠道流量较小时坡脚处易产生淤积，其抗冻胀性能稍差。根据实际运行情况，虽然引水沉沙设施布设于渠道首段枢纽处，但考虑到属于傍山渠道的实际情况，沿渠泥沙进入渠道，泥沙在一定程度上磨损渠底，使得渠底使用年限明显减少，虽然弧底的抗冻胀效果优于平渠底，但利用砂砾石换填后能够有效解决平渠底抗冻胀问题4-6。总体而言，弧底梯形渠道受水流携带的泥沙磨损作用，渠底产生一定破坏，渠道使用年限大大缩短，这种渠系断面的施工难度也较高，故推荐选用梯形断面作为渠道横断面型式。2.3 断面衬砌方案对于基本渠道断面等不选用复合土工膜防渗的渠道，设计同一流量参数、同一纵坡进行方案比选，如表 2 所示。表 2 渠道衬砌方案项目方案方案方案材料获取粗细骨料充足粗细骨料充足卵石料量少且采集难度大施工难度灌溉期预制，非灌溉期铺装，技术要求一般，工期较短非灌溉期施工，技术要求一般，工期较短非灌溉期施工，技术要求一般，工期较长，工人难找，人工费用高且人工砌筑卵石慢质量控制易控制易控制不易控制抗冻胀性较好较好较好运行效果断面较小，糙率 0.016；抗冲流速较低小于2.5m/s；抗渗性能差，板缝多断面较小，糙率 0.016；抗冲流速较高305.0m/s；抗渗性能较好断面较大，糙率 0.025；抗冲流速较高 305.0m/s；抗渗性能较差使用寿命2030 年3050 年2540 年投资成本(元/m)150014001200方案：C20 预制板衬砌，板下铺设砂砾石垫层厚 40cm，边坡比 1:1.5，边坡选用厚 5cm 的 C20 82 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）预制板。方案：C20 现浇混凝土板衬砌，板下铺设砂砾石垫层厚度 40cm，边坡比 1:1.5，底板和边板厚均为 12cm，全断面防渗衬砌；方案：C20细石混凝土衬砌，砂砾石垫层厚40cm，边坡比1:1.5，砌石厚度 30cm，全断面防护衬砌。从投资成本、运行效果、抗冻胀性能、质量控制、施工期和建筑材料等角度，对比分析以上 3 个方案。结果显示，方案的防渗效果一般，人工费用高，很难保证砌筑质量且工期较长；方案具有投资较少、抗渗抗冲性好、草绿地、施工方便、原材料充足、所需工期短等优点；方案具有可提前预支、施工方便、糙率小、缩短空气、原材料充足等优点，但其板缝多，具有抗冲能力和防渗效果较差等特点。总体而言，考虑到渠系水流流速和渠道纵坡较大的实际情况，本次渠系改造工程推荐选用方案的衬砌型式，即 C20 现浇混凝土衬砌。3 灌区节水改造实施效果3.1 提高农产品产值和生产力工程实施后给当地农民带来了显著的经济效益，农作物种植面积 3535.33hm2，主要有油料、豆类、冬小麦、水稻、甜菜等农作物。其中，油料增产 800kg/hm2，豆类增产 650kg/hm2，小麦增产 1300kg/hm2，总增产量达到 3463.24t，总增产值达到 1862 万元，分摊系数取 0.36 则灌溉效益达到671 万元，如表 3 所示。表 3 新增农产品产值作物名称油料豆类冬小麦其他合计面积/hm21350345.161506.84333.333535.33单产/kg(hm2)-16200480051506000增产/kg(hm2)-18006501300600单价/元kg-19936增产量/t1080.00224.351958.89200.003463.24增产值/万元9722025881001862分摊系数0.360.360.360.36灌溉效益/万元35073212366713.2 改善农业生产条件通过建设实施以水利为重点的干支渠及其渠系建筑物等农业基础设施，维修改造灌区内骨干工程和田间工程，恢复工程灌排标准，完善节水设施与配套工程，改造后的渠系用水效率从原来的 0.52明显提高到当前的 0.68，有效解决了灌区内用水短缺的问题，大幅度增加的有效利用水量可用于恢复弃耕地和改良中低产田，实现灌区的持续运行和长效发展。3.3 生态和社会效益灌区节水改造后，为改善局地气候和促进生物量的增长提供了有利条件，耕地的实时适量灌溉势必会改良土壤类型，更好地促进农牧业生产发展；此外，项目实施后有效保证了灌溉水量，为逐步实施其他资金规划的水保项目提供保障，加强林网和人工草场的建设，防风固沙，大大提高植被覆盖度和农业生产环境质量，加快形成灌区林、农、渔、牧协调发展的生态环境。王石灌区属于畜牧产品及粮油生产基地，通过节水改造有利于减轻乡、镇和社会压力，提高农民经济收入，更好地维持社会稳定；通过对农田水利设施的进一步完善，有效解决了灌区内交通设施差、渠系灌排渗漏等问题；通过综合整治中低产田、荒地、林草和水域等，使当地生产条件及生态环境明显改善，大大提升了耕地质量和农业生产力，对增强农业发展后劲以及保证耕地总量动态平衡以及加快推进土地整治工作等具有模范示范作用。4 结 论本文比选了灌区衬砌方式、断面型式和曲线布置方案，最终选择使用 C20 现浇混凝土板衬砌、梯形断面型式、维持现有渠线布置的改造方案。灌区改造后，总增产量达到 3463.24t，总增产值达到1862 万元，灌溉效益达到 671 万元，达到了增产增收和改善农业生产条件、生态环境的目的。参考文献：1 王士杰灌排合一渠道在牡丹江基本农田保护示范区的应用J水利规划与设计，2013（09）：14-152 李佑亮赣抚平原灌区渠道整治设计分析 J.黑龙江水利科技，2014（08）：160-1623 马龙军兴凯湖灌区灌排合一渠道的实践浅析J黑龙江水利科技，2011（01）：263-2634 赵姜，龚晶，孟鹤发达国家农业节水生态补偿的实践与经验启示 J中国农村水利水电，2016（10）：56-585 汤慧，赵岩松，伊佳倩低压管灌系统在小型灌溉工程中的应用 J黑龙江水利科技，2014，42（01）：194-195