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雁同灌区节水灌溉技术与管理方案研究

2012-04-23曹继彦

山西水利科技 2012年3期
关键词:拦河闸水闸泵站

曹继彦

(水利部山西水利水电勘测设计研究院山西太原030024)

1 雁同灌区概述

山西省雁同灌区是山西省大同市唯一的一个大(2)型灌区,是山西大水网建设大同地区水网工程的重要组成部分。灌区位于大同市及其周边县区,由册田灌区、大同市十里河灌区、御河灌区及大同县的新增水浇地整合而成,灌区西起大同南郊,东至山西与河北省界,南起大同与朔州分界,北至阳高、天镇县北部山脚,整个灌区东西长约25~80 km,南北宽约35~65 km,地跨大同市及大同县,总灌溉面积51 880 hm2,为大(2)型灌区。灌区海拔高程950~1 250 m,高差近300 m,地形起伏较大。

雁同灌区包括南灌区、西灌区(含十里河分灌区和御河分灌区)和册田灌区(含东沙窝分灌区、杨庄分灌区、西册田分灌区、南干分灌区、北干分灌区及乱石分灌区六部分)三个单元组成,取水水源包括十里河、口泉河、甘河、万泉河和御河等河道,固定桥水闸、孤山水库、册田水库、乱石拦河坝等水利枢纽,灌溉方式自流灌溉和提水灌溉,灌水方式有引洪淤灌和清水灌溉,灌区共包括2个水库工程、6个拦河枢纽、13座提水泵站和48条长412.8 km的骨干渠道。本灌区工程统一由雁同灌区管理局调配管理。

灌区每年的灌溉水量包括十里河、口泉河及甘河河道水量1 268.6万m3,孤山水库、固定桥水闸和册田水库水量7 467.7万m3,区域内总水量0.874亿m3以及引黄供水0.5亿m3(入固定桥水闸),年度总用水量1.374亿m3。

南灌区设计灌溉面积2 400 hm2,由吉家庄取水泵站从固定桥水闸右岸提水灌溉;西灌区设计灌溉面积29 453 hm2,除4 740 hm2分别由口泉河、十里河和万泉河河道取水外,其余面积分别由孤山水库和固定桥水闸供水,其中孤山水库通过供水渠道向御河分灌区的西北部分3 933 hm2耕地供水,固定桥水闸由利仁皂提水工程沿线向西灌区各灌溉单元的20 787 hm2耕地给水;册田灌区设计灌溉面积20 027 hm2,由册田库区各取水泵站从册田水库提水或自流灌溉。

2 雁同灌区节水灌溉技术

雁同灌区是一个多水源、多取水方式、多灌溉模式和渠道多种衬砌型式的较为复杂的大(2)型灌区,本文对该灌区节水灌溉工程特点进行了总结。

2.1 水源的多样性及多种取水工程

灌区的水源有多条河道的清、洪及污水和2个水库库水,水源及各取水工程统计详见表1。

2.1.1 河道水源及取水工程

雁同灌区西灌区整合的十里河和御河分灌区均建于上世纪初期,灌溉方式为引区域内河道清、洪水灌溉,这种灌溉方式一直沿用到现在。灌区范围内主要有十里河、口泉河、甘河、御河和万泉河等河道,相应地通过取水闸等工程设施可保证灌区的一部分耕地利用河道清、洪水实现部分时段灌溉;还可通过拦河枢纽等工程实现大部分灌区的全阶段灌溉。

表1 雁同灌区水源及取水工程统计表

1)取水闸工程。口泉河系灌区共有11条干渠,干渠渠首沿口泉河河道布置,共设11座渠首取水闸,灌溉水源主要为河道清、洪水。渠首取水闸由引水堤和取水闸室组成,灌溉基本靠天吃饭,根据灌区多年实灌情况统计,河道灌溉水量只能保证部分灌溉时段用水,其余灌溉水量由固定桥拦河闸取水,通过利仁皂等泵站提水补充灌溉。

2)拦河取水枢纽工程。万泉河灌区设一条干渠,由渠首拦河闸取水自流灌溉。渠首拦河闸由河道6孔拦河闸和1孔取水闸组成,本灌区河道水量能够满足灌区灌溉要求。

十里河系灌区沿十里河河道共设3个渠首拦河闸,供王家园、跃进和大兴三条干渠取水,3座渠首拦河闸均由河道5孔拦河闸和6孔取水闸组成,由于河道干涸无水,河道水量也只能保证部分灌溉时段用水,其余灌溉水量由固定桥拦河闸取水,通过利仁皂等泵站提水补充灌溉。

固定桥拦河闸是设于大同市南郊、桑干河干流、固定桥上游约100 m处的一座大(2)型水闸工程,由10孔钢坝闸形成溢流泄洪闸。左岸由利仁皂取水泵站取水灌溉西灌区的御河分灌区和十里河分灌区(含口泉河系和十里河系),右岸由吉家庄取水泵站取水灌溉南灌区。灌溉水源一部分为河道水量,灌溉不足水量由引黄补充。

乱石拦河取水枢纽设于册田水库坝址下游约10 km处,枢纽为混凝土内包铅丝石笼干砌石大坝,大坝右岸设乱石干渠取水闸。本灌区河道水量由册田水库下泄,能够满足灌区灌溉要求。

2.1.2 水库水源工程

雁同灌区水库水源有2个,一是孤山水库,二是册田水库

1)孤山水库。孤山水库位于山西省大同市境内、雁同灌区北端,属海河流域永定河水系桑干河一级支流御河中上游的一座在建控制性工程,总库容520.4万m3,工程规模为小(1)型。孤山水库由孤山水库工程、万泉河引水工程、供水渠道工程及输水管道工程四部分联合运用。工程任务为城市供水、农业灌溉、防洪及生态用水。灌溉方式为水库蓄水通过供水渠道向下游至御河渠首再由总干渠向御河分灌区的西北部分3 933 hm2耕地供水。

2)册田水库。册田水库位于大同县境内,灌区东南端,为海河流域永定河水系桑干河干流上、山西省出境处的一座控制性工程,总库容5.8亿m3,工程规模为大(2)型,工程任务为城市供水、灌溉和防洪。灌溉方式水库蓄水通过各灌溉单元取水、提水泵站向20 027 hm2耕地供水。

册田水库于1958年开始修建,1960年拦洪,1970年进行二期扩建工程,至1976年完成了土坝和正常溢洪道的施工;2000年1月进行了册田水库震后应急工程,2004年进行了册田水库坝址区环境治理工程,2010年进行了册田水库除险加固工程。

2.1.3 引黄水源

长期以来,水资源短缺和配置不合理是制约山西经济社会发展的主要“瓶颈”之一。“煤都”大同情况更为严重;近年来,山西省持续干旱,水库来水量减少,导致灌区内灌溉面积减少,作物因浇不到关键水而减产。区域内的灌溉水量只有8 740万m3,灌溉总需水量为1.374亿m3,有约5 000万m3的水量短缺。

目前,山西省正在构建两纵十横、六河连通,纵贯南北、横跨东西,多源互补、保障供应,丰枯调剂、结构合理,稳定可靠、配置高效的“山西大水网”,大同市在“大水网”工程中处于“两纵十横”的第一横,即朔州——大同线,主要连通黄河、桑干河、册田水库。雁同灌区短缺的5 000万m3灌溉用水可由山西省北引黄工程通过桑干河河道补充。

2.2 灌溉方式的多样性

从水源上讲有引洪和清水灌溉两种方式,从运用上讲有自流和提水两种方式,从灌溉输水方式上讲有渠灌和管灌。

2.2.1 引洪和清水灌溉

西灌区的十里河分灌区和御河分灌区均为建于上世纪早期的老灌区,原来的灌溉模式多为洪水淤灌,特点是渠道断面大、灌溉保证率低;近期雁同灌区改扩建为其配备了固定桥拦河闸、利仁皂多级提水泵站等清水灌溉设施,并对渠道的清水过水断面进行了防渗配套;还对渠道设于河道岸边的洪水取水设施进行了修复,保留了这些灌区清洪双灌的运行方式。

2.2.2 自流和提水灌溉

灌溉渠道均为输水至渠首后进行自流灌溉,这里的提水和自流指渠首的取水方式。

孤山水库库水用自流方式输水至御河分灌区总干渠进行灌溉;册田灌区乱石分灌区由渠首取水闸自流取水。其它分灌区均由各提水泵站从固定桥水闸或册田水库提水灌溉,雁同灌区提水工程统计如表2,共计13座泵站。

表2 提水工程统计表

2.2.3 渠灌和管灌

灌区大部分面积为渠道输水灌溉,但在大同市南郊区口泉乡墙框堡村附近还发展了约6.67 hm2的高效节水园区,该部分也由雁同灌区管理局统一调配管理。

2.3 提水泵站的多样性

雁同灌区共计13座提水泵站,提水方式有多种:

2.3.1 糖葫芦串式的连续提水工程

如北干提水工程,由四级提水泵站组成,均为单级单管提水,即每级泵站数台机组合用一根压力管线顺序由地形低处向高处提水,由各级泵站出水池分别灌溉控制耕地。

2.3.2 一站多管式高低提水方式

利仁皂十口泵站共设7台机组,口泉河系灌区方向由2台机组并一根压力管线,设计扬程84 m;十里河系灌区方向由3台机组并管,设计扬程51 m;御河分灌区方向2台机组并管,设计扬程391 m。本泵站为一站三管式提水。

从册田水库取水的杨庄和西册田取水泵站则均设2根长短、粗细、压力均不相同的压力管线分别向所属灌区的2条干渠提水。

2.3.3 利用工业泵站进行农业灌溉的提水方式

册田水库引水工程的功能主要是从册田水库库区引水向大同市工业供水,由于近期大同市又考虑了其它的工业水源补充,加上文瀛湖水库的调蓄作用,使其短时内用于农业灌溉成为可能。考虑农业灌溉短时性,本着节约投资的原则,册田灌区东沙窝分灌区利用该工程的一、二级站联合调度,错时进行工业供水和农业灌溉。

2.4 泵站压力管线选择的合理性

雁同灌区利仁皂、十口等主要泵站压力管线直径为1.4~2.6 m,管线长度22~26 km,为大管径、长距离输水;经投资分析计算,泵站压力管线投资在工程直接投资中占的比例较大,所以,选择较大的管内流速,有效减小压力管线直径是节约工程投资的有效方法。但当选用较小的管径、管内流速达不足2.0 m/s时,整个管线的沿程水头损失几乎接近泵站的地形扬程或接近地形扬程的1/2~1/3,这个值是很大的;当泵站机组小流量运行时,管内流速又很小,相应地沿程水头损失也很小,该工况下水泵扬程的计算值和设计扬程势必相差较多,很难找到能在两种工况下均在高效区工作的水泵,为水泵选型造成困难。这种情况下如适当配置变频设备能够解决上述矛盾,但这时能够使泵站小流量工作时水泵在较合理的效率区工作,而在设计工况下反而不能保证水泵在较合理的效率区工作,加之变频设备投资较多,综合比较,合理确定压力管线直径是节约工程投资、保证泵站合理运行的关键。

2.5 多个工程的兼容性

1)工业泵站功能的兼容性。册田水库引水工程为独立的管理部门,用于农业灌溉时必须通过管理单位进行协调,相应地增加了工程运行管理的难度。

2)水库工程的兼容性。水源工程孤山水库和册田水库均由独立的单位管理,灌溉时必须提前做好协调调度,保证农业灌溉有效实施。

2.6 地域的广阔性和地形的的复杂性

雁同灌区整合了大同市区周边及大同县的大部分耕地和阳高县的部分耕地,灌区由东往西长约25~80 km,南北宽约35~65 km,桑干河由西向东横穿灌区将其分为南北两部分,口泉河、甘河、十里河、御河、坊城河等多条河流由北向南将灌区分割成数块,这就形成了灌区面积大而耕地分散的特点。

灌区耕地分布于大同盆地,西接朔州市,东临河北省,南、北均为陡峻山坡,灌区基本为两山夹一河展布,区域内地面高程950~1 250 m,高差近300 m,地形起伏较大,其中十里河和御河等分灌区地处大同市近郊,地形较平整,耕地较集中;而其它耕地基本为靠山分布,沟壑纵横。

2.7 渠道断面的多样性

雁同灌区整合的十里河灌区、御河灌区均兴建于上世纪初,多为引洪淤灌,干渠断面多为梯形,底宽5~10 m不等。本灌区整合时考虑了当地的灌溉模式,充分利用现有渠道,仅对洪水渠道的清水过水断面进行了防渗,防渗型式为浆砌石护坡。

大同市地处严寒地带,为减少渠道冻胀破坏,在总结当地几十年灌溉经验的基础上,新建渠道采用了浆砌石矩形断面。

对于断面底宽小于1.0 m的渠道,灌区则采用了U型混凝土断面。

2.8 渠系建筑物的全面性

灌区区域内地形复杂,沟壑纵横,渠道必须多次跨沟输水;区域内交通纵横,有省道和数条县级公路和村村通公路穿越,与渠道交叉在所难免。鉴于输水线路较长,沟道深浅不一,输水配套和交叉建筑物出现了多种型式,例如册田灌区的东四干渠,渠道长35 km,由大同县绵延阳高县,直至与河北省交界,输水配套和交叉建筑物除取水口外,倒虹吸、渡槽、陡坡、跌水、排洪涵洞、车(农)桥等一应俱全,且倒虹吸采用了斜坡式、竖井式等,渡槽和排洪涵洞采用了石拱式、排架式、肋拱式等多种形式。

2.9 工程管理的复杂性

灌区大、多、新、杂,自然给工程管理带来一定的难度,加之多种取水建筑物、多种灌溉模式、多种渠系建筑物和其它平行单位的交叉管理,相比其它大型灌区又增加了不小的协调难度。需结合本灌区的实际情况,制定出合理的管理方案。

2.10 其他

2.1 0.1拦河闸工程新颖性和功能的多样性

固定桥拦河闸主体为10孔孔宽30 m的溢流钢坝闸,钢坝闸作为景观设计,外观新颖别致,操作简便易行,已在多家工程中得到了应用;固定桥拦河闸工程规模为大(2)型,闸前水面宽约1.25 km,长约4.9 km,具有美丽、宽阔的水域资源;固定桥水闸工程处于大同近郊,距大同市区约26 km,具有很好的人文资源。所以钢坝闸不但可改善蓄水区环境,远期还可发展旅游,具有一定的其它经济效益。

2.1 0.2灌区自动化设计

为配合工程管理,使灌区工程管理科学化、现代化,灌区各取水枢纽、提水泵站和各干渠渠道取水设施均配置了自动化管理系统。

3 雁同灌区管理方案研究

3.1 灌区管理方案应解决的问题

1)灌区分散、渠线较长问题;

2)工程种类多、渠系建筑物多问题;

3)工程功能多样问题;

4)多单位的协调配合问题。

3.2 雁同灌区管理方案研究

3.2.1 管理机构设置

根据国家对水资源的统一管理原则,本工程管理单位为大同市雁同灌区管理局,管理机构设三级,由雁同灌区管理局对其进行统一管理,管理局下设固定桥水闸、西灌区和册田灌区3个管理分局,固定桥水闸管理分局负责固定桥水闸枢纽建筑物管理;西灌区管理分局负责西灌区各泵站和各分灌区的管理以及南灌区取水泵站和灌区的管理;册田灌区管理分局负责册田水库库区周边各取水泵站和各分灌区提水泵站及灌区的管理。西灌区管理分局又下设南灌区、利仁皂泵站、十口泵站、任家小村泵站、十里河分灌区和御河分灌区6个管理站,东灌区管理分局又下设杨庄、西册田、东沙窝、北干、南干、乱石6个管理站,按所辖范围进行划片管理。

3.2.2 管理人员岗位责任制

全灌区由山西省雁同灌区管理局统一领导,分级管理,主要负责各级泵站、各级干、支渠及其配套建筑物的建设、维修养护工作。斗渠及其以下渠道和建筑物地方配套工程由其所属村民委员会统一管理。

为了进一步适应社会主义市场经济要求,干、支渠管理按管理范围,实行分渠道、分渠段目标承包责任制,明确水的利用系数,明确职责、规范管理、优化调度、科学用水。同时健全各级管理制度,强化监督约束机制,增强节水意识,提高用水效益,使各项工作科学化、规范化、制度化。

3.2.3 水费计收制度

1)量水设施。灌区量水是实行计划用水、节约用水的一项必要措施。为了准确控制各级渠道的放水流量,避免配水不足或过多现象,利用量水记录,分析计算各级渠道输水能力和输水损失,统计计算各乡、村用水量和各种作物的灌溉定额,为计划用水和按水量征收水费提供必要数据和依据,灌区特配置量水设施,干渠在各交界处、支渠进口设置计量较准确的超声波流量计进行计量,斗口设置量水堰,科学计量,数据精确。

2)水费制度。水费管理应保持水价的透明度和遵循公开性原则,严禁供水人员直接收费,坚持财务人员现场收款,发放水票,即先缴款后供水的办法,灌溉科凭票供水,群众凭票用水,禁止无票供、用水。随着灌区群众对灌溉效益的逐步认识,随着田面工程的进一步完善,随着运行管理水平和灌区节水灌溉措施的进一步发展,逐步降低亩次灌溉用水量,达到节约用水,扩大灌溉面积,提高灌溉效益的目的,使水价逐步接近成本水价,实现灌区良性循环和持续发展。

4 结束语

雁同灌区是山西省大同市唯一的大水网工程,结合其大、多、新、杂等特点,提出了特有的工程管理模式,以资其它工程借鉴。

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