塘坝与泵站联合运用优化设计

王雷,张涛,张启振,邵英超

1.河海大学水利水电学院,江苏南京210098

2.山东省水利勘测设计院,山东济南250013

塘坝与泵站联合运用优化设计

王雷1,张涛2,张启振2,邵英超2

1.河海大学水利水电学院,江苏南京210098

2.山东省水利勘测设计院,山东济南250013

本文在适宜建设塘坝和泵站的地区，提出一种新的灌溉水源利用模式。在作物需水灌溉时段内由塘坝与泵站联合供水灌溉，在非灌溉时段内由泵站补充塘坝蓄水。给出塘坝与泵站联合运用模型的边界参数、联合运行算法以及适应条件；根据评价模型确定最优的泵站规模以及塘坝调蓄等主要参数。实例表明，在既定条件下，通过塘坝与泵站多水源联合运用优化设计，在保证作物灌溉需水要求的前提下，可以有效减小工程投资，从而获得较大效益。

塘坝与泵站;联合运用;优化设计

水源工程是农田水利建设的重点内容，目前在山丘区及丘陵区，普遍存在缺少灌溉水源的问题。因此，在适合建设中小型塘坝和泵站的地区，如何在保证作物灌溉需水的前提下，有效减小工程投资从而获得灌溉效益最大化是目前急需解决的现实课题。目前大型灌区水源利用优化设计相关研究较多，包括多水源利用、方案优化评价等都取得了一定的研究成果[1-5]。而在中小型农田水利水源利用优化设计方面研究尚较少。本文在既定条件下，提出一种新的灌溉水源利用模式，即在保证作物灌溉需水要求的前提下，进行塘坝与泵站联合运用优化设计，有效减小工程投资，从而获得较大效益。

1 塘坝与泵站联合运用模型设计

塘坝与泵站联合运用的设计思路为：作物灌溉时段内由塘坝和泵站联合供水灌溉，非灌溉时段内由泵站补充塘坝蓄水。通过泵站补充塘坝蓄水或直供田间灌溉，可以有效弥补塘坝自身集蓄水量不能满足灌溉用水需求的不足，从而减小塘坝规模；在非灌溉时间内通过塘坝调蓄泵站提水水量，可以减小泵站在作物灌溉时段内的直供田间灌溉供水量，从而减小管道及泵站规模。

1.1 边界参数

1.1.1 作物需水量塘坝与泵站的供水水量根据作物灌溉需水量确定。作物在其不同生长期阶段的需水量不同，不同作物对水分的需求量亦不同。根据作物生长需水高峰期的蒸腾能力、土壤含水量、土壤湿润程度等因素[6]，计算设计灌水定额：

式中：w净为设计灌水净定额（m3/亩）；Z为土壤湿润层深度（m）；γ为土壤容重（g/cm3）；β为田间持水率；θmax、θmin为适宜土壤含水率上、下限（占干土重的百分比）。

作物供给水量来源包括自然降雨和人工灌水，人工灌水需根据地区的气候条件和作物生长需水规律确定。在半湿润半干旱地区，一般年份一季作物人工灌水次数n为2～4次。为便于调算，并考虑到灌水方式影响，作物生长期各时段的灌水量视为相同值，均按设计灌水定额控制，则作物一次灌溉需水量W需为：

式中：A为灌溉面积（亩）；w毛为设计灌水毛定额（m3/亩）；η为灌溉水利用系数，根据输水损失及田间灌水损失确定，受漫灌、管灌、滴管等灌溉方式影响。

1.1.2 运用周期塘坝与泵站联合运用的一个运用周期为上次灌溉结束到本次灌溉结束，包含本次运用中的泵站停歇时间，运用次数即为灌水次数。假定每次运用时的泵站补充塘坝蓄水、直供田间灌溉的运行天数均相同，则有如下近似公式：

式中：T为作物生长周期（d）；n为运用次数；T停为泵站检修、停歇等停机时间（d）；T补、T灌分别为一个运行周期内泵站补充塘坝蓄水、直供田间灌溉的运行天数（d）,下同；T它主要包括作物收获前的最后灌溉时间间隔，以及其它不确定性时间。

1.1.3 塘坝库容及蓄水量根据塘坝流域面积降雨、产流等水文气象条件，坝址地质条件以及施工技术等要素[6,7]，确定可以开发利用的有效库容上限Vmax，以及死库容V死。初次运用前，塘坝由降水集蓄或由泵站补充蓄满；末次运用灌水结束时，塘坝基本腾空库容至死库容，以充分利用塘坝调蓄水量。

1.1.4 泵站供水能力根据河道水源情况确定泵站供水能力上限Qmax，灌溉供水保证率一般取50%～75%。泵站规模以泵站供水流量控制；管道规模以泵站供水流量等因素确定[6]，管径与流量成正相关。

1.1.5 其它假定作物由塘坝及泵站联合供水，不考虑调算时段内的降雨补给影响，主要针对旱季进行调节计算。

1.2 联合运行调算

根据作物灌水要求，自初次运用至末次运用结束进行塘坝与泵站联合运行调算。当塘坝有效库容V库给定后，确定联合运行的使用塘坝水量W用、补充塘坝水量W补等塘坝调节参数，以及泵站规模Q泵等共3个主要参数，调算如下：

1.2.1 第1次（j=1）运用灌溉初期时塘坝满蓄，蓄水量即为有效库容V库。拟订第1次灌溉使用塘坝水量为W用,i,1，作物其它灌溉水量由泵站供给，则泵站在灌溉时段的直供田间灌溉规模为：

式中：a为流量加大系数，主要考虑泵站停歇期间以及其它时段的不确定性水量损失，下同；t灌、t补分别为各运行周期内泵站直供田间灌溉、补充塘坝蓄水的每天运行时长（h），一般取16～24 h，下同。

式中：S(V)为单位时间内的平均渗漏损失量，根据塘坝库区地质勘测资料及库容确定；F(V)为塘坝水面面积；E—单位面积的平均时段水面蒸发量；T—时长。各参数单位根据计算情况进行相应量纲转化。1.2.2第j次（j＞1）运用泵站在非灌溉时段内为塘坝补充蓄水，拟订补充塘坝水量为W补,i,j，则泵站在非灌溉时段的补充塘坝蓄水规模为：

拟订此次灌溉使用塘坝水量为W用,i,j，作物其它灌溉水量由泵站供给，则泵站在灌溉时段的直供田间灌溉规模为：

为充分利用塘坝蓄水作用，末次灌溉结束时的塘坝水量为死库容，则有：

为简化计算，各个运用周期内假定泵站补充塘坝水量W补,i,j均相等，即为W补,i，则泵站补充塘坝蓄水规模Q补,i,j亦相等，即为Q补,i；假定使用塘坝水量W用,i,j均相等，即为W用,i，则泵站直供田间灌溉规模Q用,i,j亦相等，即为Q用,i。公式（10）简化为:

1.3 方案拟定

当给定塘坝有效库容V库，泵站规模最小为最优。同时满足泵站补充塘坝蓄水和直供田间灌溉的泵站规模为：

由公式（4）、（7）、（11）、（12）联立可求出最优的补充塘坝水量W补、塘坝使用水量W用，以及泵站规模Q泵等3个变量，此方案为塘坝库容既定条件下的最优方案。为便于对各方案进行比较，选取效益及投资等主要因素进行方案评价[2,5]。分别以效益投入比F1、效益投入产出F2两种评价方法进行评估，公式为：

式中：Fi,1为i方案的效益投入比；Fi,2为i方案的效益投入产出；Bi为i方案运行期内考虑效益分摊系数的总效益，主要计算作物灌溉效益；Pi为i方案运行期内的总投入，主要包括塘坝工、泵站及机电设备、输水管道等主体工程投资，以及运行维护费等。

1.4 适应条件

塘坝与泵站多水源联合运用模式适应于丘陵区、山区，区域内及附近具有建设塘坝、河道提水泵站的条件，规模以小型及中型为宜。塘坝宜建在小型河沟上，有效利用低洼区或河谷处的天然储水空间，以减少工程投资；泵站宜建在水源有保证的河道上，在塘坝自身集蓄水量不能满足作物灌溉需水要求时，由泵站提水通过输水管道补充塘坝蓄水；泵站输水管道沿线土层地质结构宜以壤土、砂壤土为主，以便于开槽铺设。

2 实例计算

项目区为临沂市浚河支流朱田河下游地带，属低丘陵地区。区内上层土层以沙壤土为主，局部区域裸露岩石。该区雨季时降雨较为充沛，而旱季干旱少雨，需进行人工灌溉。朱田河桩号4+600处具有建设塘坝的条件，该塘坝距离干流浚河取水处的直线距离约3.5 km，干流水量相对较丰，在旱季能保障项目区的灌溉供水需求。

2.1 主要参数

作物以花生为主，面积1.33×107m2。生育期140 d左右。经计算，灌水定额w净为0.054 m3/m2、w毛为0.083 m3/m2，每次灌水需水量为1.10×106m3。在旱季生长期内灌水4次，每次灌水周期15 d，采用漫灌。泵站输水管道长度3.5 km，其中泵站直供田间灌溉时间T灌取15 d、泵站补充塘坝蓄水时间T补取18 d、停歇时间T停取2 d，相应泵站的每天运行时间t灌、t补分别取18 h、20 h；流量加大系数取1.05；塘坝有效库容V库已确定为7.0×105m3、死库容为2.5×104m3，运用期间总蒸发及渗漏损失约1.13×105m3。

本次对旱季作物灌溉进行塘坝与泵站联合调算，根据前述公式求解既定条件下的最优泵站规模及塘坝调节参数，主要计算指标见表1。

2.2 评价指标

根据当地的灌溉试验以及工程造价估算主要评价指标，计算结果见表1。B为灌溉增产效益，每亩增产按190元计算，效益分摊系数取0.6。P为工程总投入，其中塘坝程投资按单方库容4.5元计算；泵站建筑及机电设备投资按2000元/kw计算；管材内径650～1100 m按1000～1750元/m计算；泵站年运行费根据每年耗电用量取费计算；经济运行年取25年。

表1 联合运用主要计算指标Table 1 Calculation of key indicators about the combined utilization

图1 V库=7.0×105m3下的泵站规模对照Fig.1 Comparison of pumping station scale under capacity of 7.0×105m3

图2 V库=7.0×105m3下的方案效益投入对照Fig.2 Comparison between benefit and investment under capacity of 7.0×105m3

2.3 方案分析

给定塘坝库容V库=7.0×105m3，使用塘坝水量与相应的泵站补充塘坝蓄水规模、直供田间灌溉规模对照见图1。随着使用塘坝水量的增大，泵站直供田间灌溉规模呈减小趋势；当使用塘坝水量W用≤1.4×105m3时，相应补充塘坝蓄水规模均为0，即各次的使用塘坝水量为塘坝自身的集蓄水量，不需要泵站补充蓄水，但此时的泵站直供田间灌溉规模较大。

表2 方案2联合运用水量调算过程Table 2 Water regulation process of combined utilization about 2 nd plan

当完全由泵站供水时，使用塘坝库容为0，即方案9，此方案的泵站及管道规模为最大、泵站运行费较高，工程投资最大；此方案的评价指标均为最劣。

满足补充塘坝蓄水规模与直供田间灌溉规模的泵站最小规模为1823 m3/h，即为方案2，使用塘坝水量W用=6.35×105m3、补充塘坝水量W补=6.6×105m3。此方案的效益投入比F1为2.0、效益投入产出F2为2.86×107元，各项效益指标均为最优，为既定塘坝库容下的最优方案。另外，对塘坝库容作为变量计算0～4.0×106m3相应库容下的最优方案，进行全局方案比较，此方案2亦为全局最优。

该方案的联合运用主要时段水量调算见表2，其中水量依次为塘坝蓄水量V塘、泵站补充塘坝水量W补、使用塘坝水量W用、泵站直供田间灌溉水量W灌、损失水量△W、作物需灌溉水量W需。水量平衡方程主要有：塘坝水量，作物灌溉需水量，j为当前时段序号（j≥2）。调算结束时塘坝库容为死库容，充分发挥塘坝的水量调蓄作用。

3 结论

（1）在适宜建设塘坝、河道提水泵站的区域，实施塘坝与泵站多水源联合运用优化设计，可以在保证作物灌溉需水要求的前提下，有效减小工程投资。通过泵站补充塘坝蓄水或直供田间灌溉，可以有效弥补塘坝自身集蓄水量不能满足灌溉用水需求的不足，从而减小塘坝规模；在非灌溉时间内通过塘坝调蓄泵站提水水量，可以减小泵站在作物灌溉时段内的直供田间灌溉供水水量，从而减小管道及泵站规模。

（2）本文在计算过程中进行了一系列条件假定及简化，另外，如何充分考虑作物生长期不同时段的需水强度及降雨补给差异，进行塘坝与泵站联合调节运算，以及建立更为全面、客观的评价体系，需要进一步研究和完善。

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The Optimal Design for Combined Utilization of Small Reservoir and Pumping Station

WANG Lei1,ZHANG Tao2,ZHANG Qi-zhen2,SHAO Ying-chao2
1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering of HoHai University,Nanjing 210098,China
2.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy,Jinan 250013,China

A new irrigation water-use model was proposed in the appropriate area with construction conditions of small reservoir and pumping station.Pumping station supplied water to a small reservoir in non-irrigation period and small reservoir and pumping station jointly provided irrigation water in crop irrigation period.Given the boundary parameters of combined utilization model,combined operation algorithm and adaptation conditions,the main regulating parameters of the optimal scale of pumping station and small reservoir were determined according to the evaluation criteria.The case showed that under the premise of ensuring crop irrigation water requirement,through optimization design of multi-water combined utilization with specific conditions could effectively reduce engineering investment,and get big benefit.

Small reservoir and pumping station;combined utilization;optimal design

S273

A

1000-2324(2015)03-0391-04

2014-11-10

2015-01-12

山东省科技发展计划基金资助项目(2011GGH21606)

王雷(1990-),男,山东济南人,硕士研究生,从事水利水电相关研究设计工作.E-mail:wangleillu@163.com