塘壩與泵站聯合運用優化設計

王雷,張濤,張啟振,邵英超

1.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098

2.山東省水利勘測設計院,山東濟南250013

塘壩與泵站聯合運用優化設計

王雷1,張濤2,張啟振2,邵英超2

1.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098

2.山東省水利勘測設計院,山東濟南250013

本文在適宜建設塘壩和泵站的地區，提出一種新的灌溉水源利用模式。在作物需水灌溉時段內由塘壩與泵站聯合供水灌溉，在非灌溉時段內由泵站補充塘壩蓄水。給出塘壩與泵站聯合運用模型的邊界參數、聯合運行算法以及適應條件；根據評價模型確定最優的泵站規模以及塘壩調蓄等主要參數。實例表明，在既定條件下，通過塘壩與泵站多水源聯合運用優化設計，在保證作物灌溉需水要求的前提下，可以有效減小工程投資，從而獲得較大效益。

塘壩與泵站;聯合運用;優化設計

水源工程是農田水利建設的重點內容，目前在山丘區及丘陵區，普遍存在缺少灌溉水源的問題。因此，在適合建設中小型塘壩和泵站的地區，如何在保證作物灌溉需水的前提下，有效減小工程投資從而獲得灌溉效益最大化是目前急需解決的現實課題。目前大型灌區水源利用優化設計相關研究較多，包括多水源利用、方案優化評價等都取得了一定的研究成果[1-5]。而在中小型農田水利水源利用優化設計方面研究尚較少。本文在既定條件下，提出一種新的灌溉水源利用模式，即在保證作物灌溉需水要求的前提下，進行塘壩與泵站聯合運用優化設計，有效減小工程投資，從而獲得較大效益。

1 塘壩與泵站聯合運用模型設計

塘壩與泵站聯合運用的設計思路為：作物灌溉時段內由塘壩和泵站聯合供水灌溉，非灌溉時段內由泵站補充塘壩蓄水。通過泵站補充塘壩蓄水或直供田間灌溉，可以有效彌補塘壩自身集蓄水量不能滿足灌溉用水需求的不足，從而減小塘壩規模；在非灌溉時間內通過塘壩調蓄泵站提水水量，可以減小泵站在作物灌溉時段內的直供田間灌溉供水量，從而減小管道及泵站規模。

1.1 邊界參數

1.1.1 作物需水量塘壩與泵站的供水水量根據作物灌溉需水量確定。作物在其不同生長期階段的需水量不同，不同作物對水分的需求量亦不同。根據作物生長需水高峰期的蒸騰能力、土壤含水量、土壤濕潤程度等因素[6]，計算設計灌水定額：

式中：w凈為設計灌水凈定額（m3/畝）；Z為土壤濕潤層深度（m）；γ為土壤容重（g/cm3）；β為田間持水率；θmax、θmin為適宜土壤含水率上、下限（占干土重的百分比）。

作物供給水量來源包括自然降雨和人工灌水，人工灌水需根據地區的氣候條件和作物生長需水規律確定。在半濕潤半干旱地區，一般年份一季作物人工灌水次數n為2～4次。為便于調算，并考慮到灌水方式影響，作物生長期各時段的灌水量視為相同值，均按設計灌水定額控制，則作物一次灌溉需水量W需為：

式中：A為灌溉面積（畝）；w毛為設計灌水毛定額（m3/畝）；η為灌溉水利用系數，根據輸水損失及田間灌水損失確定，受漫灌、管灌、滴管等灌溉方式影響。

1.1.2 運用周期塘壩與泵站聯合運用的一個運用周期為上次灌溉結束到本次灌溉結束，包含本次運用中的泵站停歇時間，運用次數即為灌水次數。假定每次運用時的泵站補充塘壩蓄水、直供田間灌溉的運行天數均相同，則有如下近似公式：

式中：T為作物生長周期（d）；n為運用次數；T停為泵站檢修、停歇等停機時間（d）；T補、T灌分別為一個運行周期內泵站補充塘壩蓄水、直供田間灌溉的運行天數（d）,下同；T它主要包括作物收獲前的最后灌溉時間間隔，以及其它不確定性時間。

1.1.3 塘壩庫容及蓄水量根據塘壩流域面積降雨、產流等水文氣象條件，壩址地質條件以及施工技術等要素[6,7]，確定可以開發利用的有效庫容上限Vmax，以及死庫容V死。初次運用前，塘壩由降水集蓄或由泵站補充蓄滿；末次運用灌水結束時，塘壩基本騰空庫容至死庫容，以充分利用塘壩調蓄水量。

1.1.4 泵站供水能力根據河道水源情況確定泵站供水能力上限Qmax，灌溉供水保證率一般取50%～75%。泵站規模以泵站供水流量控制；管道規模以泵站供水流量等因素確定[6]，管徑與流量成正相關。

1.1.5 其它假定作物由塘壩及泵站聯合供水，不考慮調算時段內的降雨補給影響，主要針對旱季進行調節計算。

1.2 聯合運行調算

根據作物灌水要求，自初次運用至末次運用結束進行塘壩與泵站聯合運行調算。當塘壩有效庫容V庫給定后，確定聯合運行的使用塘壩水量W用、補充塘壩水量W補等塘壩調節參數，以及泵站規模Q泵等共3個主要參數，調算如下：

1.2.1 第1次（j=1）運用灌溉初期時塘壩滿蓄，蓄水量即為有效庫容V庫。擬訂第1次灌溉使用塘壩水量為W用,i,1，作物其它灌溉水量由泵站供給，則泵站在灌溉時段的直供田間灌溉規模為：

式中：a為流量加大系數，主要考慮泵站停歇期間以及其它時段的不確定性水量損失，下同；t灌、t補分別為各運行周期內泵站直供田間灌溉、補充塘壩蓄水的每天運行時長（h），一般取16～24 h，下同。

式中：S(V)為單位時間內的平均滲漏損失量，根據塘壩庫區地質勘測資料及庫容確定；F(V)為塘壩水面面積；E—單位面積的平均時段水面蒸發量；T—時長。各參數單位根據計算情況進行相應量綱轉化。1.2.2第j次（j＞1）運用泵站在非灌溉時段內為塘壩補充蓄水，擬訂補充塘壩水量為W補,i,j，則泵站在非灌溉時段的補充塘壩蓄水規模為：

擬訂此次灌溉使用塘壩水量為W用,i,j，作物其它灌溉水量由泵站供給，則泵站在灌溉時段的直供田間灌溉規模為：

為充分利用塘壩蓄水作用，末次灌溉結束時的塘壩水量為死庫容，則有：

為簡化計算，各個運用周期內假定泵站補充塘壩水量W補,i,j均相等，即為W補,i，則泵站補充塘壩蓄水規模Q補,i,j亦相等，即為Q補,i；假定使用塘壩水量W用,i,j均相等，即為W用,i，則泵站直供田間灌溉規模Q用,i,j亦相等，即為Q用,i。公式（10）簡化為:

1.3 方案擬定

當給定塘壩有效庫容V庫，泵站規模最小為最優。同時滿足泵站補充塘壩蓄水和直供田間灌溉的泵站規模為：

由公式（4）、（7）、（11）、（12）聯立可求出最優的補充塘壩水量W補、塘壩使用水量W用，以及泵站規模Q泵等3個變量，此方案為塘壩庫容既定條件下的最優方案。為便于對各方案進行比較，選取效益及投資等主要因素進行方案評價[2,5]。分別以效益投入比F1、效益投入產出F2兩種評價方法進行評估，公式為：

式中：Fi,1為i方案的效益投入比；Fi,2為i方案的效益投入產出；Bi為i方案運行期內考慮效益分攤系數的總效益，主要計算作物灌溉效益；Pi為i方案運行期內的總投入，主要包括塘壩工、泵站及機電設備、輸水管道等主體工程投資，以及運行維護費等。

1.4 適應條件

塘壩與泵站多水源聯合運用模式適應于丘陵區、山區，區域內及附近具有建設塘壩、河道提水泵站的條件，規模以小型及中型為宜。塘壩宜建在小型河溝上，有效利用低洼區或河谷處的天然儲水空間，以減少工程投資；泵站宜建在水源有保證的河道上，在塘壩自身集蓄水量不能滿足作物灌溉需水要求時，由泵站提水通過輸水管道補充塘壩蓄水；泵站輸水管道沿線土層地質結構宜以壤土、砂壤土為主，以便于開槽鋪設。

2 實例計算

項目區為臨沂市浚河支流朱田河下游地帶，屬低丘陵地區。區內上層土層以沙壤土為主，局部區域裸露巖石。該區雨季時降雨較為充沛，而旱季干旱少雨，需進行人工灌溉。朱田河樁號4+600處具有建設塘壩的條件，該塘壩距離干流浚河取水處的直線距離約3.5 km，干流水量相對較豐，在旱季能保障項目區的灌溉供水需求。

2.1 主要參數

作物以花生為主，面積1.33×107m2。生育期140 d左右。經計算，灌水定額w凈為0.054 m3/m2、w毛為0.083 m3/m2，每次灌水需水量為1.10×106m3。在旱季生長期內灌水4次，每次灌水周期15 d，采用漫灌。泵站輸水管道長度3.5 km，其中泵站直供田間灌溉時間T灌取15 d、泵站補充塘壩蓄水時間T補取18 d、停歇時間T停取2 d，相應泵站的每天運行時間t灌、t補分別取18 h、20 h；流量加大系數取1.05；塘壩有效庫容V庫已確定為7.0×105m3、死庫容為2.5×104m3，運用期間總蒸發及滲漏損失約1.13×105m3。

本次對旱季作物灌溉進行塘壩與泵站聯合調算，根據前述公式求解既定條件下的最優泵站規模及塘壩調節參數，主要計算指標見表1。

2.2 評價指標

根據當地的灌溉試驗以及工程造價估算主要評價指標，計算結果見表1。B為灌溉增產效益，每畝增產按190元計算，效益分攤系數取0.6。P為工程總投入，其中塘壩程投資按單方庫容4.5元計算；泵站建筑及機電設備投資按2000元/kw計算；管材內徑650～1100 m按1000～1750元/m計算；泵站年運行費根據每年耗電用量取費計算；經濟運行年取25年。

表1 聯合運用主要計算指標Table 1 Calculation of key indicators about the combined utilization

圖1 V庫=7.0×105m3下的泵站規模對照Fig.1 Comparison of pumping station scale under capacity of 7.0×105m3

圖2 V庫=7.0×105m3下的方案效益投入對照Fig.2 Comparison between benefit and investment under capacity of 7.0×105m3

2.3 方案分析

給定塘壩庫容V庫=7.0×105m3，使用塘壩水量與相應的泵站補充塘壩蓄水規模、直供田間灌溉規模對照見圖1。隨著使用塘壩水量的增大，泵站直供田間灌溉規模呈減小趨勢；當使用塘壩水量W用≤1.4×105m3時，相應補充塘壩蓄水規模均為0，即各次的使用塘壩水量為塘壩自身的集蓄水量，不需要泵站補充蓄水，但此時的泵站直供田間灌溉規模較大。

表2 方案2聯合運用水量調算過程Table 2 Water regulation process of combined utilization about 2 nd plan

當完全由泵站供水時，使用塘壩庫容為0，即方案9，此方案的泵站及管道規模為最大、泵站運行費較高，工程投資最大；此方案的評價指標均為最劣。

滿足補充塘壩蓄水規模與直供田間灌溉規模的泵站最小規模為1823 m3/h，即為方案2，使用塘壩水量W用=6.35×105m3、補充塘壩水量W補=6.6×105m3。此方案的效益投入比F1為2.0、效益投入產出F2為2.86×107元，各項效益指標均為最優，為既定塘壩庫容下的最優方案。另外，對塘壩庫容作為變量計算0～4.0×106m3相應庫容下的最優方案，進行全局方案比較，此方案2亦為全局最優。

該方案的聯合運用主要時段水量調算見表2，其中水量依次為塘壩蓄水量V塘、泵站補充塘壩水量W補、使用塘壩水量W用、泵站直供田間灌溉水量W灌、損失水量△W、作物需灌溉水量W需。水量平衡方程主要有：塘壩水量，作物灌溉需水量，j為當前時段序號（j≥2）。調算結束時塘壩庫容為死庫容，充分發揮塘壩的水量調蓄作用。

3 結論

（1）在適宜建設塘壩、河道提水泵站的區域，實施塘壩與泵站多水源聯合運用優化設計，可以在保證作物灌溉需水要求的前提下，有效減小工程投資。通過泵站補充塘壩蓄水或直供田間灌溉，可以有效彌補塘壩自身集蓄水量不能滿足灌溉用水需求的不足，從而減小塘壩規模；在非灌溉時間內通過塘壩調蓄泵站提水水量，可以減小泵站在作物灌溉時段內的直供田間灌溉供水水量，從而減小管道及泵站規模。

（2）本文在計算過程中進行了一系列條件假定及簡化，另外，如何充分考慮作物生長期不同時段的需水強度及降雨補給差異，進行塘壩與泵站聯合調節運算，以及建立更為全面、客觀的評價體系，需要進一步研究和完善。

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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

山東省科技發展計劃基金資助項目(2011GGH21606)

王雷(1990-),男,山東濟南人,碩士研究生,從事水利水電相關研究設計工作.E-mail:wangleillu@163.com