宁夏高效节水灌溉配套蓄水池建设规模确定方法研究

刘学军，顾靖超，陆立国，王永平，周立华，雷 筱，朱 洁，武慧芳

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

近年来宁夏高效节水灌溉发展迅猛，截止2014年底发展高效节水灌溉面积13万hm2，其中喷灌2.4万hm2、滴灌8.2万hm2。为保证渠系供水过程与高效节水灌溉用水时间、空间的平衡与匹配，以黄河水为水源的高效节水灌溉工程均建设有调蓄水池，起灌溉水量时空调蓄、沉沙、净化水质作用。部分机井灌区也建设了调蓄水池，起调蓄水量和提高水温的作用。调蓄水池的建设规模与建设征地面积、建设投资、工程供水保证率等密切相关[1]。调蓄水池建设规模过大，征地面积增加、建设投资增大、工程运行维护费提高，造成工程浪费。调蓄水池建设规模过小、在供水保证率较低时，会造成供水与用水不匹配、供水保证率降低，影响供水区的适时灌溉和工程正常运行。因此合理确定高效节水灌溉工程调蓄水池的建设规模，成为高效节水灌溉工程建设、水资源平衡匹配、时空调节的关键[2-5]。

1 灌区蓄水池建设概况

宁夏建设的高效节水灌溉工程多配套有调蓄水池，现建成的调蓄水池达数百座，建设投资在20～40元/m3，单座调蓄水池容积0.05～380万m3，总容积达4 000万m3以上。最大的红寺堡鲁家窑、盐池杜窑沟、中卫香山、同心县下马关的蓄水池容积分别达到380、330、180、180万m3，多数蓄水池的容积在5～30 万m3。规划到2020年宁夏高效节水灌溉面积达到27万hm2，新增高效节水灌溉面积14万hm2，需新建各类调蓄水池总容积3 400万m3。

根据2015年对部分县区高效节水灌溉工程调研，扬黄灌区、引黄自流灌区的周边小型扬水区域, 为了满足一次性灌溉所需水量调蓄，配套调蓄水池规模较大，达到300 m3/hm2。在引黄自流灌区、供水有保证、调蓄水池规模较小，达到75 m3/hm2，主要是利用灌区沟道进行改造，实行边调蓄边灌。在南部山区机井、水库灌区，配套的调蓄水池达到45 m3/hm2左右。各县区建设单位灌溉面积配套的调蓄水池平均容积见表1。

表1 各县区不同灌溉面积配套调蓄水池平均容积 m3/hm2Tab.1 County district irrigation area supportingstorage pond average volume

2 调蓄水池调蓄容积确定方法

(1)调蓄方式。由于灌区渠系供水与高效节水灌溉用水时间上存在着流量、水量不匹配，高效节水灌溉工程建设需配套蓄水池调节。现灌区调蓄池调节方式依据供水特征，有边蓄边灌(短暂调蓄沉淀)、次灌水调节、阶段调节和年调节等类型。

(2)调蓄水池调节方式选择。根据用水时段，渠系供水保证程度(流量、水量)，选择蓄水池的调节方式。①在用水时段，供水流量、水量有保证、只是泥沙含量较高，选择边蓄边灌调节方式；②在用水时段，供水水量、供水流量不满足用水需求，根据调节时段的长短，选择次灌水调节或阶段调节方式；③满足多种用水目的、渠系非供水期有用水需求，蓄水池调节选择年调节方式。

(3)蓄水池有效调蓄容积确定方法。边蓄边灌调节：主要应用于引、扬黄自流灌区，供水流量、水量有保证，但黄河水泥沙含量较高，需进行短暂的调蓄，使得大部分泥沙能够在沉砂池、调蓄池进行沉淀，调蓄时间满足1～3 d用水量的需求，尽可能减少占用农田面积。

次灌水调节：主要应用在引黄灌区和部分供水有保证的扬黄灌区，但渠系供水与灌水时间不匹配，在1次灌水前，调蓄本次灌水所需水量，满足项目区1次灌溉水量的需要，调蓄水池的有效容积根据1次灌溉水量(灌溉面积×灌水定额)确定。

阶段调节：主要应用于扬水灌区，渠系供水流量和水量在某个时段不能满足适时供水需求，需错峰蓄水、进行时段调节(如调节2次、3次灌溉需水量)，蓄水池的有效容积根据项目区时段灌溉次数、灌水定额、控制灌溉面积确定。

年调节：主要应用于灌区周边新开发灌区、满足多种用水目的，供水流量和时段均不能满足作物适时灌溉需要，需通过错峰蓄水和老灌区灌溉间歇期蓄水，调蓄水池的有效容积需通过供水过程线、用水过程线调节计算确定。

(4)蓄水池有效容积计算。

①边蓄边灌调节蓄水池有效容积。调蓄水池的尺寸除了要满足正常运行及安全要求，同时应满足黄河水澄清所需的最小尺寸，调蓄水池起沉砂池作用。调蓄池的进水流量为Q,进入调蓄池水流的流速为：

Vx=2Q/(B1+B2)h0

(1)

式中：Vx为调蓄池水流平均流速，m/s；Q为调蓄池的进水流量，m3/s；B1为调蓄池底宽度，m；B2为调蓄池水面宽度，m；h0为调蓄池水深，m。

灌溉调蓄池的水流多为水平流动，池中水流的水平流速越大，则能沉淀的泥沙相应减少，池中平均水平流速一般应控制在0.5～2.0 cm/s。

泥沙颗粒在静水中的沉降速度称为水力沉速，颗粒愈粗水力沉速ω愈大，其沉降速度为：

ω=(ρs-ρgD2)/18ρv

(2)

式中：ω为泥沙自由沉降速度，m/s；g为重力加速度；ρs为泥沙密度，g/cm3；ρ为水的密度，g/cm3；D为拟沉降泥沙的粒径，mm；v为液体运动黏性系数。

泥沙颗粒在沉沙池中的沉降运动十分复杂，很难进行严格的泥沙沉降理论计算。现采用半经验性法，沉沙池长度为：

L=Vxh0/[ω-(Vx/η)]

(3)

式中：Vx是沉沙池中的水流平均速度；η为与水深有关的系数，见表2。

表2 不同水深系数η值Tab.2 Different water depth coefficient η values

在确定了沉砂池长度L、沉砂池水深h0、沉砂池水面宽度B1、底宽B2后，即可确定调蓄水池的有效容积。

②次灌水调节蓄水池有效容积。次灌水调节蓄水池的容积依据工程控制灌溉面积、作物类型、次最大灌水定额确定：

(4)

式中：W有效为满足1次灌溉调蓄水池的有效容积，m3；Ai为工程灌溉控制区域第i类作物的面积，hm2；Mi为第i类作物生育期最大灌水定额，m3/hm2。η为灌溉水有效利用率，高效节水灌溉取0.90～0.95。

③阶段调节蓄水池有效容积。蓄水池的有效容积根据灌溉控制区域灌溉面积、作物类型、调节时段灌溉次数、灌水定额确定：

(5)

式中：W有效为满足阶段调节调蓄水池的有效容积，m3；Mij为第i类作物、调节时段第j次的灌水定额，m3/hm2；i=1～n(灌溉区有n种作物)，j=1～m(调节阶段计划m次灌水)。

④年调节蓄水池有有效容积计算。年调节蓄水池多兼有数种用途，如为作物灌溉供水，为城市、农村生活供水等。在有效调节容积计算中，根据供水渠道供水时间、供水过程线以及调蓄水池供水区用水过程线，考虑蓄水池的蒸发、渗漏损失，从每年的供水开始日(多为4月1日)进行起调，在来年的(3月31日)截止，根据供水流量过程、用水过程流量计算调节容积，要求调节截止日期(3月31日)蓄水池内的存水达到零。调节过程中的供水渠道最大流量、用水过程最大流量、最大的累计容积分别为向调蓄水池供水泵站的设计流量、调蓄水池向受水区供水泵站设计流量和蓄水池的调节容积。调节容积计算公式：

(6)

∑Wi+1=Wi+1+∑Wi

(7)

W调节=max ∑Wi+1

(8)

式中：Wi为第i调节时段渠系供水与调蓄水池受水区用水、蓄水池蒸发、渗漏的差值，即第i时段调蓄的余缺水量，m3；Qi为第i调节时段渠系供水流量，m3/s;Ti为第i调节时段时间，s;Wij为第i调节时段，第j种作物灌溉需水量，m3，j=1～n(供水区有n种作物灌溉)；Vij为第i调节时段第j类型的需水量，如城镇供水、农村人饮供水，m3，j=1～m(供水区除灌溉以外还有m种类型的需水);Ei为第i调节时段蓄水池水面蒸发量，m3；Fi为第i调节时段蓄水池渗漏量，m3；∑Wi为第i调节时段，蓄水池累计调蓄的余缺水量，m3；W调节为蓄水池累计调蓄余缺水量的最大值，m3。

3 蓄水池总容积确定

宁夏建设的灌溉调蓄水池均为开敞式蓄水池，存在一定的蒸发、渗漏损失，由于黄河水含沙量大，必须考虑淤积容积；在蓄水过程中，也存在降雨补给，部分年调节蓄水池由于容积较大，多建设在局部洼地，还有一定的降雨径流汇入，同时蓄水池建设时，还要考虑一定的超高、风浪造成的爬坡。

W总=W有效+W淤积+W蒸发+W渗漏+W径流

(9)

式中：W有效为蓄水池调蓄灌溉及其他供水的容积，m3;W淤积为蓄水池清淤间隔期的泥沙淤积量，m3;W蒸发为蓄水池调节时段的水面蒸发量，m3;W渗漏为蓄水池调节时段的渗漏量，m3;W径流为蓄水池调节时段最大一次径流汇入量，m3。

(1)蓄水池泥沙淤积量W淤积。由于黄河水泥沙含量较高，一般在0.5～3.0 kg/m3，在蓄水池调蓄期间，95%以上的泥沙都会沉淀、淤积在蓄水池底部。在蓄水池的设计中，对小于1万m3的蓄水池淤积年限1 a，即1 a清淤1次；1～5万m3淤积年限2 a，5～10万m3淤积年限3 a，10～20万m3淤积年限5 a，>20万m3淤积年限5～10 a。

W淤积=0.001n∑WiCsi/γ沙

(10)

式中：W淤积为1 a内各调节时段淤积泥沙的体积，m3；Wi为1a内第i时段进入调蓄水池的水量，m3；Csi为第i时段进入调节蓄水池水中泥沙含量，kg/m3；γ沙为淤积泥沙密度，取淤积泥沙密度1.4 t/m3;n为设计清淤年限，a。

在调蓄池设计中不考虑清淤时，其淤积容积按淤积年限内泥沙总淤积量计算。2009-2011年黄河下河沿监测站泥沙含量监测结果见表3。

表3 黄河水逐月平均含沙量值(下河沿站) kg/m3Tab.3 The Yellow River water monthly average sediment concentration value (Xiaheyan station)

(2)蓄水池调蓄阶段水面蒸发量W蒸发。水面蒸发按照每月水面蒸发损失减去当月降雨量计算。水面蒸发损失量按照蓄水池月平均水面面积与当月平均蒸发强度(mm/d)计算确定，也可粗略按蓄水容积的6%～8%估算。

(11)

式中：Si为调节时段第i月蓄水池平均水面面积，m2；Ei为调节时段第i月蓄水池平均蒸发强度，mm/d;Ti为调节时段第i月天数，d。

宁夏扬黄灌区红寺堡多年平均水面蒸发量1 280 mm(E601)、同心县蒸发量1 350 mm(E601)。根据《水利水电工程水文计算规范》(SL278-2002)，计算大型蓄水池水面蒸发量时需对E601蒸发皿的蒸发量进行折算。宁夏扬黄灌区各月大型蓄水池水面蒸发量见表4。

表4 宁夏扬黄灌区大型蓄水池逐月水面蒸发量Tab.4 Large reservoir irrigation area in Ningxia monthly water surface evaporation

(3)蓄水池调蓄阶段渗漏量W渗漏。蓄水池渗漏损失主要包括池体、池基渗漏，调蓄水池的渗漏损失因防渗材料的不同差异较大，可按照实测资料进行计算。现宁夏建设的蓄水池多采用200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜进行池底、边坡防渗，正常情况下渗漏量很小。考虑施工质量等因素，通常按照蓄水池水面面积乘日渗漏量2 mm进行估算。

(4)蓄水池调蓄阶段一次性进入蓄水池的最大径流量W径流。部分大型蓄水池建设在地势低洼区域，存在径流入池现象。根据蓄水池建设具体情况、控制流域范围、设计洪水频率进行洪水调控演算，确定一次入池洪水量。

4 调蓄池设计

调蓄水池布局：根据水源类型、特点及水源与灌溉控制区的位置关系，调蓄池可布置于灌区内或灌区边缘、泵站压力管道出口处等。调蓄池布置应尽量利用天然地形条件，如天然沟壑、局部洼地等，尽量少占耕地，遵循节约耕地、节俭投资和安全方便的原则。调蓄池进、出水口的位置应尽量布置于短边两侧，以尽量增大流程，提高调蓄池的沉淀、澄清效果。

调蓄池形式：调蓄规模大于5万m3，采用沉淀与调蓄一体布置；调蓄规模小于5万m3，宜分开布置沉淀池与调蓄池。调蓄沉淀池一般采用长方形水池，根据地形、地质条件和地基处理要求合理确定水深[6]，一般为4～9 m，无明显地质问题取较大值。对调蓄规模小于10万m3的调蓄沉淀池，长度不小于100 m；对调蓄规模大于10万m3的调蓄沉淀池，长度不小于200 m。

超高：容积10万m3以下为0.8m，10～20万m3为1.0 m，20～50万m3为1.2 m，50万m3以上为1.5 m。

边坡系数：结合工程地质和水文地质条件，在边坡稳定计算基础上，可采用合理边坡值。采用卵膜结构的内边坡，边坡系数一般取1∶4～1∶6；采用板膜结构的内坡，边坡系数一般取1∶2.5～1∶3。

池底防渗结构：①复合土工膜+土料结构。具体规格为200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜+厚60～80 cm土料结构。土料可以为全土料，也可采用土石混合物。②复合土工膜+预制混凝土板(或现浇)混凝土板结构。具体规格为200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜及以上规格的二布一膜+6～8 cm厚预制混凝土板或厚12～16 cm现浇混凝土板。复合土工膜的幅宽为6～8 m。对大型、重要的蓄水池取偏上标准[7]。

内坡面防渗结构：①复合土工膜+砂砾石+预制混凝土板(或现浇)结构，由200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜+ 20～30 cm砂砾石+5～8 cm预制混凝土板或12 cm现浇混凝土板组成。②复合土工膜+卵砾石结构，由200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜+30～40 cm卵砾石组成。③复合土工膜+土料结构，由200 g/0.5 mm/200 g复合土工膜+40 cm土料结构组成。对于小型(小于5万m3蓄水池)、短期应用的蓄水池，可采用直接铺膜的方式，膜厚一般为0.5 mm，膜下为压实壤土。

管护道路：蓄水池管护路面一般宽为3～4 m，铺设12 cm厚的沙砾石。防护栏一般采用高速公路简易防护网。

5 典型工程应用实例

宁夏高效节水灌溉工程已建成调蓄水池200余座，调蓄总容积大4 000万m3以上。已建成的典型工程调蓄水池规模确定见表5。

表5给出了不同调节方式蓄水池调蓄容积确定的应用实 例。边蓄边灌调节、次调节、阶段调节蓄水池规模相对较小，年调节、特别是多用途的大型调蓄水池，如红寺堡鲁家窑调蓄工程，考虑30a淤积、蒸发、一次洪水入池等，增加调蓄容积较大。对淤积年限的确定，应进行经济对比分析，在保证供水可靠性的基础上有效降低调蓄水池容积、降低工程投资。

表5 调蓄水池规模确定典型工程实例Tab.5 The storage pool to determine the scale of typical engineering examples

6 结 语

调蓄水池的有效容积与工程的供水对象(灌溉、生活、工业)、控制灌溉面积、水源条件、供水规模、调节周期、调蓄方式密切相关，应该根据供水水源条件、工程建设供水对象，遵循调蓄方式确定原则，合理确定蓄水池的调节方式，选择采用边蓄边灌调节、次调节、阶段调节、年调节，通过满足供、用水过程平衡调配，确定调蓄水池的有效容积。综合考虑蒸发、渗漏、淤积年限、径流入池等，合理确定调蓄水池的总规模。蓄水池规模的确定，对降低工程投资、保证高效节水灌溉工程供水可靠性，提高工程运行经济效益意义重大。

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[1] 刘 荣.同心县高效节水灌溉项目规划设计关键技术及效益分析[J]. 宁夏农林科技，2012,(9):66-68.

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[6] 余侃柱.调蓄水池湿陷性黄土地基特性及处理措施[J]. 水利规划与设计，2013,(6):58-61.

[7] 薛塞光,刘 佳.宁夏中部干旱带调蓄水池设计与应用[J].人民黄河，2010,(10):93-94.