某泵站更新改造中需水预测及平衡分析

薄盛洁

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

某更新改造泵站工程是1976年修建，1980年建成运行，工程从北塬西二支干渠桩号8+222.1引水，在西二支干西侧由东向西沿冯家尕塬梁脊设五级泵站提水至墩子山，五级泵站对应设计引水流量分别为0.65 m3/s、0.65 m3/s、0.6 m3/s、0.5 m3/s和0.4 m3/s，控制灌溉面积12630亩，五级泵站提水总扬程292 m，总装机3360 kW。泵站建筑物主要由引水渠、拦污栅、前池、主副厂房、管理房、压力管道和出水池组成。电灌工程经过多年的运行，一方面机泵和电气设备长期得不到及时到位的维修和更新，部分已成淘汰产品，主机组、电气设备老化严重，压力管道锈蚀、腐蚀，爆管事故经常发生；另一方面工程设施损坏严重，厂房等严重破损，混凝土碳化，钢筋锈蚀，强度严重下降。长期以来，投入不足，致使泵站效率不断下降，能耗严重超标，工程效益逐年降低，运营成本不断增加，管理费用不断增长，机电设备事故增多，事故频繁发生，安全运行没有保证，严重影响了泵站效益的发挥。综合分析，泵站各项运用指标无法达到设计标准，建筑物存在严重安全问题，需进行泵站更新改造建设，并考虑站改造与灌区改造同步进行，提高灌溉水利用系数，优化并调整灌区灌溉制度，重新确定灌水率及引水流量，实现高效节水、工程规模适当、设备配套运行[1]。

2 工程需水预测

2.1 灌溉用水量

2.1.1 灌区灌溉面积确定

泵站所在灌区范围东起西二支干渠，西止上韩家沟，北起殷家山，南至马家山，东西宽5 km，南北长8 km，总面积40 km2，耕地面积12630亩，其中塬地3453亩，坡地9177亩。本次泵站改造旨在提高水利用率，充分利用水资源发展区域经济，遵从泵站规划要求，恢复至原设计总灌溉面积[2]。各级泵站控制灌溉面积见表1。

表1 各级泵站控制灌溉面积统计表

2.1.2 灌溉设计保证率

灌区位于黄土高原区，属于大陆性半干旱气候，蒸发量大，灌区内主要种植小麦、玉米、洋芋，根据灌区所处位置及种植作物种类，结合《灌溉与排水工程设计标准》《微灌工程技术规范》中有关规定，以及工程区的水文气象条件、水土资源因素、农作物组成、灌区规模大小、灌水制度、方法及工程经济效益等因素确定灌溉设计保证率，本次泵站复核分析计算时采用灌溉保证率为80%。

2.1.3 现状灌溉制度及灌水率

该灌区属老灌区，基本形成了自有的灌溉方式，本次本着计划配水，节水灌溉的原则，对灌溉制度进行了补充工作，现状灌溉制度见表2。灌区现状灌溉定额分别为蔬菜310 m3/亩、瓜类230 m3/亩、洋芋190 m3/亩、小麦230 m3/亩、玉米270 m3/亩、经济林150 m3/亩。综合净灌水定额240 m3/亩。按照灌区原设计和现状运行情况，机组每日运行21 h，灌区现状综合灌水率为0.370 m3/(s·万亩)，见图1。

表2 灌区现状灌溉制度

图1 泵站灌区现状灌水率图

2.1.4 设计灌溉制度及灌水率

(1)设计灌溉制度

泵站所在灌区是一个运行多年的老灌区，也是一个典型的农业灌区，种植历来以农作物为主，种植结构和灌溉模式在未来会有变化，但不会发生很大的变化，因此，现状灌溉制度和设计灌溉制度相比，仅在种植比例、灌溉面积和灌溉需水量等方面稍有变化。本次设计灌溉制度的拟定以原有灌溉制度为基础，根据实际调查的种植种类和种植比例，按不同的作物生长期内的各时段的需水量制定。

灌区灌溉面积1.263万亩，其中蔬菜3157.5亩、瓜类2526亩、洋芋2526亩、小麦1263亩、玉米1894.5亩、经济林1263亩，灌区设计灌溉定额分别为蔬菜280 m3/亩、瓜类210 m3/亩、洋芋190 m3/亩、小麦265 m3/亩、玉米210 m3/亩、经济林120 m3/亩。综合净灌水定额220 m3/亩，设计灌溉制度见表3。

(2)设计灌水率

根据灌区内灌溉制度，主要作物的种植结构与种植比例、灌水次数、灌水定额及灌水时间等各项因素，机组每日运行21 h，求得不同作物、不同灌水时段设计净灌水率，绘制净灌水率图，求得灌区设计综合灌水率。计算公式如下：

qi=aimi/0.36Titi

(1)

表3 灌区泵站更新改造后灌溉制度

式中：qi为灌区内某种作物某次灌水的净灌水模数，m3/(s·万亩)；mi为某种作物某次灌水的净灌水定额，m3/亩；αi为某种作物种植比例，%；ti为每天灌水的小时数，机组每日运行21 h；Ti为某种作物某次灌水的延续时间，d。

灌区各时段、各类作物净灌水率计算结果见表3，根据拟定的作物灌溉制度，将作物各次灌水率根据灌水时间迭加，计算各时段综合净灌水率计算结果见表4，并做一定的修正后，绘制设计净灌水率图2。求得灌区设计综合灌水率为0.324 m3/(s·万亩)。

图2 灌区泵站更新改造后设计灌水率图表4 综合灌水率计算表

序号开始日期终止日期天数/d综合灌水率q/(m3/(s·万亩))13.63.25120.13623.264.6120.03335.015.15150.26245.165.30150.23655.316.14150.32466.156.29150.16576.307.14150.23887.157.29150.104910.2111.15250.283

2.1.5 设计流量

(1)灌溉方式

根据本《灌溉与排水工程设计规范》中相关要求、灌区原初步设计资料及本灌区实际情况，确定本灌区各级渠道均采用续灌方式，渠系水利用系数采用0.70，田间灌溉水利用系数取0.9，计算得到灌溉水利用系数为0.63。

(2)渠道设计流量确定

根据《灌溉与排水工程设计标准》，续灌渠道的设计流量按下式确定：

(2)

式中：Qs为续灌渠道设计流量，m3/s；qs为设计灌水率，m3/(s·万亩)；As为该渠道灌溉面积，万亩；ηs为该续灌渠道至田间的灌溉水利用系数。

根据以上计算方法及确定原则，得各泵站控制段灌溉所需渠道流量见表5。

表5 各级泵站控制灌溉面积、流量统计表

3 水量平衡分析

该泵站改造工程维持现有灌溉面积，取水点位置不变，工程建设只改造建筑物及设备，提高水资源利用率，水量平衡分析从现状用水和泵站改造后用水比较进行[3]。

3.1 灌溉需水量

根据现状灌溉制度及灌溉方式、工程运行计算得灌区现状年灌溉用水量为481.14万 m3/s，灌区设计年灌溉用水量为441.05万 m3/s。需水过程见表6。

3.2 水量平衡分析

灌区现状和泵站改造设计后，灌区各月灌溉需水过程见图3。泵站改造后月用水量基本小于现状用水量，用水时间基本维持不变，年灌溉用水总量减小40.10万m3，即水资源量满足工程需求。

图3 灌区泵站改造前后灌溉需水过程线

该泵站灌溉面积1.263万亩，工程属Ⅳ等小(1)型，主要建筑物为4级，次要建筑物和临时建筑物按5级设计，泵站工程为Ⅲ等中型，灌溉保证率为80%，灌区各级渠道均采用续灌方式，水源点引水流量为0.65 m3/s，一级泵站设计流量0.65 m3/s，年灌溉需水量441.05万m3，泵站改造后年灌溉用水总量减小40.10万m3，即水资源量满足工程需求。

表6 灌区现状灌溉需水量表

4 结论及建议

本次泵站更新改造工程在解决当地农业旱灾、保护粮食生产安全、改善生态环境、提供人民最基本的生存权方面发挥着极为重要的作用，也是区域国民经济持续发展和全面服务于小康社会的建设中重要的民生水利工程，也是该泵站工程受益区不可替代的重要农业基础设施。本文通过工程需水量计算以及水量平衡分析，为泵站更新改造设计、施工提供了基础和保障。