“当家塘”整治方案研究——以吴家过塘为例.pdf

86 研 究 探 讨中国农业文摘农业工程 2023年第5期引言本文以吴家过塘“当家塘”的工程设计为例，分析了该“当家塘”现状和存在的问题，提出了设计方案，使“当家塘”存在的问题得到解决，保证其正常工作，使“当家塘”小水面发挥大效益。1“当家塘”的重要性老百姓家门口的池塘，虽不起眼，但却和村民的生活生产息息相关，下雨时，雨水可以汇入到塘中存储起来，池塘中的水可以用于群众洗衣洗菜、牲畜饮水、浇田灌溉、调蓄雨水、消防灭火等；旱季，可从塘口引渠或用抽水机抽水，用于农业生产灌溉，解决部分灌溉用水。这样蓄水救田的塘，被村民称为“当家塘”。“当家塘”不但承担着各村百姓人畜禽、庄稼用水和地表污水接纳净化，还兼备“蓄水库”“大水缸”“沐浴场”和“湿地”的综合功能。可随着时间流逝，许多“当家塘”年久失修，管护机制不健全，塘内淤泥越积越厚，再加上环境的破坏，“当家塘”不再当家，变成了臭水塘。同时周围水渠也因年久失修而杂草丛生、破损严重，遇到暴雨，塘坝沟渠就漫溢，旱情发生时，有塘无水，“当家塘”发挥不了其灌溉作用，使周边农田灌溉用水矛盾十分突出。因此对“当家塘”进行整治，让“当家塘”重新当家，迫在眉睫。众所周知，“当家塘”是农村水利的重要组成部分，“当家塘”一直以来都是农村农田灌溉、生活、生产的重要水源，村民日常生产生活都离不开它。当前我国面临日益严峻的水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题，我们在建设农村水利工程时应该更加重视农村“当家塘”的兴修，使其真正“当家”。下文以凤阳县小溪河镇前洪村中的一个普通的“当家塘”吴家过塘整治工程为例，简单分析其现状和存在的问题，并提出了设计方案，使“当家塘”存在的问题得到解决，保证其正常工作，使“当家塘”小水面发挥大效益1。2吴家过塘概况吴家过塘位于安徽省滁州市凤阳县小溪河镇前洪村，是老百姓家门口的一个不起眼的池塘之一。总塘容8.12万m3，现有放水涵管进出口位于坝头西侧部，是坝下素砼涵管，直径约200mm，平面上呈直线布置，长度约10m。目前本塘存在淤积严重、塘埂渗漏、水质污染等问题，同时放水涵损坏严重，涵基漏水，缺失闸门控制，大水年份漫顶溢洪，基本上丧失了蓄水功能。本次对吴家过塘进行整治，包括“当家塘”清淤、按设计断面对塘埂进行加高培厚，增设溢洪道、拆除重建放水涵。3“当家塘”整治工程针对吴家过塘的现状，由于水塘所在河流目前没有设立水文站，邻近流域也没有实测流量资料，所以本次按无资料地区设计洪水计算办法，由设计暴雨间接推求设计洪水，首先根据水塘地形特性分析流域特征参数，之后按安徽省暴雨参数等值线图、山丘作者简介：杨志玲，硕士研究生，水利水电中级工程师，主要从事水文规划、水资源咨询、水库安全鉴定、农田水利规划等。“当家塘”整治方案研究以吴家过塘为例杨志玲（安徽沃特水务科技有限公司，安徽合肥 230000）摘要：【目的】为了让农村“当家塘”发挥应有的作用，使其真正“当家”。【方法】主要根据水塘地形特性及降雨分析入塘洪水，再通过调洪计算，设计相应方案对“当家塘”进行整治，使水塘在蓄水、灌溉、拦洪的同时本身下泄流量能安全通过下游渠道。【结果】“当家塘”整治有效地改善了水塘调蓄和抗旱能力。【结论】“当家塘”整治达到了减少旱、涝损失的效果，提高农民经济收入，可以进行推广。关键词：“当家塘”；农田灌溉；整治；调洪演算；大效益87研 究 探 讨中国农业文摘农业工程 2023年第5期区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法分析入塘洪水过程。在10年一遇设计标准，20年一遇校核标准下，根据设计人塘洪水过程线、水塘地形特性资料、拟定的泄洪建筑物型式的尺寸、调洪方式，通过调洪计算，推求出水塘出流过程、最大下泄流量和水塘相应的最高洪水位。设计相应工程方案对“当家塘”进行整治，通过设计使水塘在蓄水灌溉，同时拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，下泄流量能安全通过下游河道。只有对吴家过塘进行整治后，才能加倍蓄水，不浪费水资源，满足生活、养殖、灌溉以及生态用水，才能确保汛期的安全，保护周边居民财产以及人身安全，减少因灾害造成的不必要损失，进而实现兴利的目的4。3.1汇水区特性水塘的蓄水量要根据汇水面积和地区降水量确定，而流域特征差异又直接影响洪水成果，所以必须认真在110 000或150 000地形图上量算各项流域几何特征值。本次首先要确定吴家过塘的汇水面积，先在110000地形图勾绘水塘的汇水面积。汇水范围是由一系列的分水线和塘坝围成的区域。吴家过塘在洼地处，雨水从山脊两侧分流，等高线经过山脊会改变方向凸向低处，将地形图上向低处凸的凸点连成线就是雨水分流的山脊线也叫分水线，山脊线与等高线垂直，并不断改变方向。山脊线与塘坝围成的闭合区域就是水塘的汇水面积，量算为0.51km2。河道长度指自河源沿河道至河口的长度5，为0.61km。河道平均坡度指出口断面至河源之间的河道平均坡度5，本次采用公式式中：h0hn自下游到上游沿程高程变化较大的各转折点河底高程，m；L1Ln相邻两点间的水平距离，m；L河段的全长，m。河道平均坡度计算得22.17。流域长度即以吴家过塘的溢洪道为中心作同心圆，在同心圆与流域分水线相交处绘出许多割线，各割线中点的连线即为流域长度，为1.15km。吴家过塘的汇水区特性详见表1。表1 汇水区特性塘名集水面积（km2）河道长度（km）河道平均坡度（m/km）流域长度（km）流域平均宽度（km）吴家过塘0.510.6122.171.150.443.2设计标准及洪水计算现状的塘坝塘容量较小，本塘坝防洪标准取10年一遇设计，校核标准采用20年一遇。塘坝的汇水面积较小，水塘所在河流目前没有设立水文站，邻近流域也没有实测流量资料，考虑流域气候与自然地理条件、地区洪水特性等，按无资料地区设计洪水计算办法由设计暴雨间接推求设计洪水2。故采用安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法（以下简称“84年办法”）进行设计洪水计算。本水塘流域面积较小，设计暴雨采用等值线图查算成果进行计算。根据84年办法，从附图1-4上查读项目区H24、H1、CV24、CV1及10年一遇、20年一遇最大24小时设计暴雨，详见表2。表2 项目区等值线图查处最大24h暴雨成果位置H1（mm）H24（mm）CV1CV2410年一遇Kp2420年一遇Kp2410年一遇最大24h雨量（mm）20年一遇最大24h雨量（mm）项目区491000.500.601.772.20177220本区域属丘陵区，最大一天降雨损失与地下水量取80mm，再据P1/P24由表查得各频率的n值，并根据已复核的流域特征值F、J，F/J21由下式计算k值：320.34()0.120.2421.13()()30FJRFkJ=式中：F集水面积，km2；J河道平均坡度，；88 研 究 探 讨中国农业文摘农业工程 2023年第5期R3各频率下3h的面净雨量，mm；按采用的n和k瞬时单位线参数，选择相应的洪水流量模过程线，对其峰值进行修正，用修正后的洪水流量模过程线，逐项乘以，分别求得各种频率的设计洪水过程线，10年一遇设计洪峰流量6.67m3/s，20年一遇设计洪峰流量16.55m3/s，各重现期设计洪水过程线见图1。图1 洪水过程线3.3调洪演算3.3.1水位-库容关系曲线吴家过塘的库容可以根据在地形图上量得各层等高线所包围的面积进行计算。本次拟简化计算库容，按平均面积法计算，即按如下公式依次计算两相邻等高线间的体积，然后再累加求和，即得水塘库容。V=（A1+A2）*h/2式中：A1、A2分别为相邻等高线所围成的平面面积，m2；h两等高线间的间距，m。地形图等高距h越小，等高线围成的平面面积精度越高3，本次选用等高距h为0.5m的地形图，使相邻层的体积误差减小，从而提高库容的计算精度。图2 吴家过塘水位-库容关系图3.3.2泄流能力计算吴家过塘来水主要是塘区降雨汇水，本次拟新建宽顶堰溢洪道，堰顶高程按吴家过塘现状塘坝运用情况确定为56.0m，流量系数取0.34，堰顶宽根据附近田面高程确定为3m。本 次采用下式计算溢洪道不同堰流水深时的下泄流量。式中：Q流量，m3/s；m流量系数；侧收缩系数；B溢流堰净宽，m；g重力加速度，m/s2；H0计入流速水头的堰上总水头，m。3.3.3调洪演算方法及成果本次根据水塘现状防汛控制运用原则、新建溢洪道泄流能力曲线和水塘现状水位库容曲线，以及水塘水量平衡基本方程，采用水塘坝址洪水静库容法，假定塘内流速趋近于零，塘水面为水平的，即塘容与坝前水位成单值函数关系，忽略动力方程对调洪的影响，将连续方程写成有限差的水量平衡方程并建立水库下泄流量与水库蓄水量之间的关系5。吴家过塘起调水位采用56.0m，初步拟定溢洪道宽3m，对各频率设计洪水进行调洪演算。水库调洪演算方程式如下：12212122VVtqqtQQ=+式中：Q1、Q2为时段 始、末入库流量，m3/s；q1、q2为时段 始、末出库流量，m3/s：V1、V2为时段 始、末的水库库容，m3。经调洪演算，10年一遇设计水位为56.73m，相应库容5.93万m3；20年一遇校核水位为57.45m，相应库容8.12万m3，调洪结果详见表3。表3 吴家过塘调洪成果汇总表重现期（年）51020最大入库流量（m3/s）3.796.6716.55最大下泄流量（m3/s）1.502.957.94最高库水位（m）56.4756.7357.45相应库容（万m3）5.165.938.12溢流堰宽（m）3.089研 究 探 讨中国农业文摘农业工程 2023年第5期行计算，计算断面选取堤身下埋深最大的断面。作用于涵身荷载主要有：垂直土压力、内水压力、外水压力、侧向土压力、扬压力、汽车荷载、涵身自重和地基反力、水锤压力等，具体荷载见表4。表4 荷载及荷载组合计算情况荷 载垂直土侧向地基自重内水 外水扬压力汽车压力土压力反力压力 压力荷载完建期防洪期（3）泄槽段、消能设计a.泄槽段设计底板由泄水槽水平向长度根据落差确定，底板采用400mm厚C25钢筋混凝土，垫层为100mm厚C15素砼；末端高程降同消力池高程，坡比为14，后将水导向消力池；根据计算结果，陡坡底板加固后抗冲允许流速为25m/s，满足20年一遇洪水条件下最大泄洪要求，经计算能满足设计要求。b.泄槽边墙新建泄槽段挡墙，采用C20毛石混凝土结构。边墙高度应按下式计算：H墙=h掺气+h超高式中：h掺气掺气后的水深，m；h超高边墙的安全超高，m。由于陡坡段边墙局部为自然边坡，其安全超高取为0.3m，结合地形，本次加固挡墙高度为1.0-1.85m。经计算挡墙高度满足要求。c.消力池设计消能防冲，采用溢洪道设计规范（SL 253-2018）公式计算。消力池池深、池长按下式计算：式中：d消力池池深，m；水跃淹没系数，取=1.05；hc跃后水深，m；3.4整治方案3.4.1“当家塘”清淤结合现场勘测资料，现状塘底高程在54-55m之间，本次设计要求将该塘黑色流塑状淤泥质土全部清除，最终确定塘底设计高程取53.50m，清淤深度为1.5m。3.4.2塘埂进行加高培厚工程塘埂设计顶高程应考虑波浪爬高和安全加高等因素，埂顶超高按设计水位加1.1m，塘埂设计顶高程为57.83m，取57.85m。根据现状，设计埂顶宽度4.0m，上、下游边坡分别为13.0、12.5。为防止坡面遭受水蚀，拟在塘埂上、下游坡面均采用草皮护坡。本次采用瑞典圆弧法对塘埂稳定进行分析，利用河海大学开发的水工结构有限元分析系统Autobank7.7，在微机上完成计算。计算结果显示，塘埂的上游坝坡在正常蓄水位运行期大于小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范（SL189-2013）规定的最小值1.02，上游塘埂稳定性满足规范要求，在完建期下最小抗滑稳定系数均大于规范规定的最小值1.05，上游塘埂稳定满足规范要求。3.4.3新建溢洪道（1）总体布置根据调洪成果确定的溢洪道堰坝设计堰顶高程为56.00m，宽3.0m，堰顶顺水流方向宽为4m。为结合塘埂交通，本次采用箱涵结构，箱涵孔径为3m1.35m（宽高），壁厚均为0.5m，上游连接段顺水流长6.5m，扩散角14度；两侧挡墙为C20毛石砼，挡墙顶宽0.4m，顶高程高设计堰顶高程5cm，泄水陡槽边坡14，陡槽底板厚0.4m，两侧挡墙为C20毛石砼重力式挡土墙，挡墙顶宽0.4m，顶高程高设计堰顶高程5cm；下游接消力池，消力池为矩形，消力池底高程为51.5m，宽为3m，长为8.0m，消力池下游设长度为8.5m的砼海漫，底板厚0.3m，下设10cm厚碎石垫层。（2）箱涵结构计算本次溢洪道堰顶箱涵为钢筋砼结构。该穿堤箱涵尺寸为3.001.35m（宽高）。涵洞底板高程56.00m，长4m。涵洞上游端接进水连接段，涵洞出口接泄洪陡槽。涵身结构计算选取完建期控制工况进90 研 究 探 讨中国农业文摘农业工程 2023年第5期hs出池河床水深，m；Z出池落差，m；水流动能校正系数，可采用1.0-1.05；q过闸单宽流量，m2/s；消力出口段流速系数，取=0.95；Lk消力池池长，m；Ls消力池斜坡段水平投影长度，m；水跃长度校正系数，可采用0.7-0.8；Lj水跃长度，m。消力池底板厚度按下式计算：1Hqkt=式中：t消力池底板始端厚度，m；k1消力池底板计算系数，可采用0.150.20；H 泄水时上、下游水位差，m。为消除水流剩余能量，保护下游渠道，消力池后部布置干砌石海漫。海漫长度按下式计算：HqkLsp=式中：Lp海漫长度，m；q消力池末端单宽流量，m3/s；ks海漫长度计算系数，根据渠底土质特性，取ks=8。根据计算成果取消力池长为8m，深为0.5m，底板厚0.3m，海漫长8.5m。3.4.4灌溉放水涵设计为便于下游梯田自流灌溉放水，新建放水涵1座，设计涵底高程同塘底设计高程。涵身考虑施工方便、强度及下游引水要求等，选用300mm，长29m管；上游设进水连接段，扩散角。放水涵用浆砌石闸首，设主门槽1道，闸门采用砼闸门，闸首长1.6m，设置排架式启闭机台，配手摇螺杆式启闭机。进、出口八字墙采用浆砌块石重力式挡土墙结构，八字墙上、下游采用浆砌块石护砌护底、护坡，护砌段长1-3m。4“当家塘”整治效益“当家塘”整治工程是为秋收及来年的春耕工作服务，是保证农田水利工程能更有效运行的基础，为来年的防汛工作奠定基础。农村“当家塘”与农民群众的生产生活息息相关，“当家塘”整治工程并不起眼，整体功能却非常明显，必须做好做活“当家塘”整治，才能真正打通“小农水”“最后一公里”，使“当家塘”小水面发挥大效益。“当家塘”整治完成后能显著改善各村的水量调蓄能力和抗旱能力，提高农田灌溉能力，提高农田灌溉的灌溉保证率及防洪标准，减少旱、涝损失，增大了各村种粮的积极性，促进了项目区农民人口的稳定，缓和或减少了农民用水的矛盾，保障农村经济社会的稳定发展和人民正常的生活生产秩序，促进城乡统筹发展。“当家塘”的整治是当前小型农田水利工程的一部分，可以更好改善农村的水利条件，确保农民增产、农业增收、促进项目区农村经济可持续发展。当“当家塘”成了村头小公园的“风景塘”、自然村的“消防塘”、牲畜饮用的“净水塘”、旱涝保收的“丰收塘”时，环境美了，乡村靓了，村民的幸福指数也大大提升。参考文献1 李金昌.泾县当家塘的建设及作用J.江淮水利科技，2009（6）：45-46.2 刘新钧.南陵县七星河治理工程水文分析J.江淮水利科技，2019（1），46-48.3 付红娟.关于水库库容计算方法探析C.第八届东北三省测绘学术与信息交流会论文集，2005（8）：326-328.4 叶晓斌.中小型水库除险加固工程设计要点分析J.中国水运（下半月），2013，13（9）：191-192.5 叶守泽.水文水利计算M.北京：中国水利水电出版社，2005.