宁夏东干渠冬季输水可行性初探

2011-04-25杨永宁

中国水利 2011年14期

杨永宁

（宁夏水务投资集团公司，750001，银川）

一、基本情况

1.金积供水工程

金积工业园区位于吴忠市利通区金积镇境内，是国家发改委、国土资源部审核批准的自治区十大省级工业园区之一，由穆斯林产业园、金积工业园、造纸化工循环经济园和镁合金产业园等4个特色产业园构成，规划总面积120 km2，现已形成了清真食品、乳制品、生物科技等为主的工业体系，工业园的建设与发展对吴忠市的地域经济发展、金积镇的城乡建设与民族经济拉动起着非常重要的积极作用。金积供水工程是加快吴忠市金积工业园区及新农村建设，促进区域经济社会实现跨越式发展的重要水利基础设施。工程主要任务是解决工业园区造纸化工和镁合金产业园企业生产用水，并兼顾园区及周边2.7万城乡居民的生活用水。

工程以东干渠为供水水源，由水源工程、净水工程和配水工程三部分组成。在东干渠16+814处新建进水闸和调蓄水池。进水闸设计流量为3.0 m3/s，调蓄水池分前池和后池布设，用隔堤分开，联合调度运行，设计总容积79.2万m3，围堤为碾压式均质土堤。净水厂采用以折板絮凝斜管沉淀池为主体的净水工艺，一期设计日处理能力6万t。配水管道环状布设，管径 0.15～0.7 m。

2.东干渠现状

东干渠属河东灌区的一部分，干渠由青铜峡水利枢纽坝上引水，是青铜峡灌区部位最高的干渠，有高干渠之称，也是宁夏兴建的第一条采用混凝土全断面砌护的大型渠道。该渠沿牛首山山麓傍山而行，全长54 km，设计流量54 m3/s，设计灌溉面积54.7万亩（3.65万hm2)。目前干渠最大引水能力为45 m3/s，实际灌溉面积40万亩（2.67 万 hm2），年均引水 4.7 亿 m3。

东干渠上段共有建筑物48座，其中斗口26座、退水闸3座、排洪渡槽3座、滚水堰 4座、桥梁 12座，另有小扬水17座（集中在右岸）。经过30多年的运行，虽然部分建筑物存在老化等问题，但秦汉渠管理处已在历年的工程检修中对其进行了维修和改善，对建筑物基础部位进行了重点排查加固处理，目前不会影响到安全输水。

东干渠是一条混凝土全断面衬砌的大型渠道，上段17 km范围内的衬砌混凝土板目前基本完好，个别滑坡段在历年的工程检修中已进行了检修，暂不影响输水安全。

干渠上段17 km范围内的比降为1∶8900，经过多年运行，渠道过水条件良好。每年冬灌结束后，渠道右岸农田土壤中的地下浸水从坡脚渗入渠道，加之渠首进水闸封闭不严，渠道中始终有小股水在流淌，所以坡脚部位有冻融破坏的现象。据了解，东干渠自建成运行至今，这种状况一直存在，即使冬季输水，也不会对渠道有新的损害。

干渠沿线17座小扬水的进水管大部分是钢管，其余是胶管，停水后用水户都将胶管拆卸。钢管安装十分牢固，冬季行水不会对其造成较大的损坏。

二、冬季输水总体思路

根据收集到的资料，吴忠地区近10年来1月份平均气温为-5.5℃，2月份平均气温-1.1℃。考虑到吴忠地区进入冬季后的气温变化，结合其他地区冬季渠道运行的相关经验，在保证渠道输水过程中不发生冰冻的前提下，提出如下冬季输水的总体思路：根据具体需水量情况，通过调蓄水池进水闸门调节，将渠道水位抬升至一定高度（稍高于正常需水量情况），使表面形成一层冰盖，从而达到对渠水的密封和保温作用，冰盖形成后，调整渠首进水闸，达到供水量和补水量平衡后，长期连续进行补水运行。

三、存在的主要问题

根据分析，认为可能存在的主要问题有两方面：

①主要是干渠17 km范围内10座斗口和3座退水闸，易造成渠道输水损失和冻胀破坏问题。

②在冰盖未形成初期，由于天气等原因，可能会出现流凌，继而在局部出现“冰坝”，使水流造成拥堵，威胁渠道运行安全。

2010年12月28日—2011年2月26日，在区水利厅、秦汉渠管理处的协调配合下，对项目部调蓄水池进行了第一次冬季补水。这两次补水为解决上述问题提供了很好的经验。以下总结第一次冬季运行经验并结合具体运行模式就解决上述问题进行探讨。

四、运行方案及解决办法

冬季输水的核心思想是通过控制流量、流速，使水面形成稳定冰盖，蓄水过程中水流长期从冰盖下流动。

本着这样的思路，2010年11月20日，秦汉渠管理处在调蓄水池进水闸后建起了土坝，并用同样的方式将上游渠段的所有直开口、退水闸（全部在渠道北侧）进行了封堵，为输水做好了准备。

2010年12月28日，东干渠正式开始输水，在输水初期，整体流速控制在0.6 m3/s，东干渠平均水深约0.5 m，平均气温在-11℃左右，为形成冰盖创造了很好的条件。大流量（0.6 m3/s左右）的输水大约3天，渠道内平均水位约0.6 m，通过巡视，在整个渠道上形成了一层厚度约15 cm的稳定冰盖。随后，将流量调整到0.1 m3/s，流量调整后，整体冰盖下降约0.3 m，通过对整个渠道的查看，水流全部在冰盖下运行，基本达到了先前预想的运行模式。由于气温持续偏低，渠道冰盖平均厚度为30～50 cm左右，为安全输水提供了保障。从2010年12月28日开始进水到2011年2月26日停止进水，整个补水历时55天，累计进水 100 万 t。

根据国内北方地区明渠冬季冰盖输水的研究成果和取得的经验以及《水工建筑物抗冰冻设计规范》中的要求，渠道内水的流速宜控制在0.4～0.8 m3/s。取流速为 0.5 m3/s，东干渠前16 km比降为1∶8000，边坡系数为2，渠底宽9 m，按明渠恒定均匀流计算冰盖下补水流量。

表1 各种供水规模下渠道输水流量与水位

经过计算，水深在0.78 m左右时流速为4.12 m3/s。结合金积供水工程设计供水规模和近期供水量等情况，在各种供水规模下渠道输水时所需流量及渠道内水位情况如表1。

通过多年对东干渠运行情况的了解，每年冬灌结束后，渠道右岸（南侧，干渠17 km范围内地势较高，农田多采用从渠道用泵抽水灌溉的方式）农田土壤中的地下浸水从坡角渗入渠道，加之渠首进水闸封闭不严，渠道内始终有小股水在流淌，所以坡角部位始终存在冻融破坏的现象，自渠底起约1m高度，混凝土板渠道均有不同程度的滑落或断裂，自建成运行至今，这种状况一直存在。由于金积供水工程引水量不大，当达到金积供水设计供水规模时，渠道冬季补水长期保持水位在0.6 m左右，能够控制在原有冻融破坏的1m范围以内。因此，即使冬季输水，也不会对渠道有新的破坏。

此外，对于东干渠左岸（北侧）退水闸、斗口等设施，在2011年度的冬季行水前，通过现场查看、研讨，由于渠道运行水位不高，最终确定了用“土坝”将退水闸、斗口等设施与渠道进行分隔的方式，杜绝运行过程中水流入退水闸和斗口，有效避免了退水闸及斗口设施“冻胀”破坏现象的发生，完全可以保证这些设施的安全。

流凌是渠道冬季运行过程中较为常见的一种现象，若处理不当，便会在渠道内形成“冰坝”，继而使渠道过水面积变窄，抬高渠道运行水位，导致渠堤破坏。

为此，北方民族大学数值计算与工程应用研究所对东干渠冬季输水冰盖形成情形进行了数值模拟。渠道中水流的温度变化与热交换有直接关系，这些热交换发生在大气与水、冰与水以及水与渠道的接触界面。根据模拟计算分析可知，当流量为1.55 m3/s时，在极端寒冷（-17.7℃）和正常寒冷（-10.57℃）天气情况下，干渠结冰点的位置分别距渠首约2.0 km和2.9 km；当流量为10 m3/s时，在极端寒冷（-17.7℃）天气情况下，干渠结冰点的位置距渠首约11.7 km。据此推算，当流量为4 m3/s时，在正常寒冷（-10.57℃）天气情况下，干渠结冰点的位置距渠首约6～8 km，这是较为理想情况下出现的结果。通过2010—2011年度冬季运行情况来看，只要能形成稳定的冰盖，让水长期在冰盖下运行，用冰盖对水体起到保温的作用，这样出现流凌现象的概率就会大大降低，也就谈不上产生“冰坝”这样的危害了。此外，由于金积供水规模较小，冬季渠道运行水位较低，即使出现“冰坝”也不会对渠道安全造成太大影响。