某泵站更新改造中需水預測及平衡分析

薄盛潔

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某更新改造泵站工程是1976年修建，1980年建成運行，工程從北塬西二支干渠樁號8+222.1引水，在西二支干西側由東向西沿馮家尕塬梁脊設五級泵站提水至墩子山，五級泵站對應設計引水流量分別為0.65 m3/s、0.65 m3/s、0.6 m3/s、0.5 m3/s和0.4 m3/s，控制灌溉面積12630畝，五級泵站提水總揚程292 m，總裝機3360 kW。泵站建筑物主要由引水渠、攔污柵、前池、主副廠房、管理房、壓力管道和出水池組成。電灌工程經過多年的運行，一方面機泵和電氣設備長期得不到及時到位的維修和更新，部分已成淘汰產品，主機組、電氣設備老化嚴重，壓力管道銹蝕、腐蝕，爆管事故經常發生；另一方面工程設施損壞嚴重，廠房等嚴重破損，混凝土碳化，鋼筋銹蝕，強度嚴重下降。長期以來，投入不足，致使泵站效率不斷下降，能耗嚴重超標，工程效益逐年降低，運營成本不斷增加，管理費用不斷增長，機電設備事故增多，事故頻繁發生，安全運行沒有保證，嚴重影響了泵站效益的發揮。綜合分析，泵站各項運用指標無法達到設計標準，建筑物存在嚴重安全問題，需進行泵站更新改造建設，并考慮站改造與灌區改造同步進行，提高灌溉水利用系數，優化并調整灌區灌溉制度，重新確定灌水率及引水流量，實現高效節水、工程規模適當、設備配套運行[1]。

2 工程需水預測

2.1 灌溉用水量

2.1.1 灌區灌溉面積確定

泵站所在灌區范圍東起西二支干渠，西止上韓家溝，北起殷家山，南至馬家山，東西寬5 km，南北長8 km，總面積40 km2，耕地面積12630畝，其中塬地3453畝，坡地9177畝。本次泵站改造旨在提高水利用率，充分利用水資源發展區域經濟，遵從泵站規劃要求，恢復至原設計總灌溉面積[2]。各級泵站控制灌溉面積見表1。

表1 各級泵站控制灌溉面積統計表

2.1.2 灌溉設計保證率

灌區位于黃土高原區，屬于大陸性半干旱氣候，蒸發量大，灌區內主要種植小麥、玉米、洋芋，根據灌區所處位置及種植作物種類，結合《灌溉與排水工程設計標準》《微灌工程技術規范》中有關規定，以及工程區的水文氣象條件、水土資源因素、農作物組成、灌區規模大小、灌水制度、方法及工程經濟效益等因素確定灌溉設計保證率，本次泵站復核分析計算時采用灌溉保證率為80%。

2.1.3 現狀灌溉制度及灌水率

該灌區屬老灌區，基本形成了自有的灌溉方式，本次本著計劃配水，節水灌溉的原則，對灌溉制度進行了補充工作，現狀灌溉制度見表2。灌區現狀灌溉定額分別為蔬菜310 m3/畝、瓜類230 m3/畝、洋芋190 m3/畝、小麥230 m3/畝、玉米270 m3/畝、經濟林150 m3/畝。綜合凈灌水定額240 m3/畝。按照灌區原設計和現狀運行情況，機組每日運行21 h，灌區現狀綜合灌水率為0.370 m3/(s·萬畝)，見圖1。

表2 灌區現狀灌溉制度

圖1 泵站灌區現狀灌水率圖

2.1.4 設計灌溉制度及灌水率

(1)設計灌溉制度

泵站所在灌區是一個運行多年的老灌區，也是一個典型的農業灌區，種植歷來以農作物為主，種植結構和灌溉模式在未來會有變化，但不會發生很大的變化，因此，現狀灌溉制度和設計灌溉制度相比，僅在種植比例、灌溉面積和灌溉需水量等方面稍有變化。本次設計灌溉制度的擬定以原有灌溉制度為基礎，根據實際調查的種植種類和種植比例，按不同的作物生長期內的各時段的需水量制定。

灌區灌溉面積1.263萬畝，其中蔬菜3157.5畝、瓜類2526畝、洋芋2526畝、小麥1263畝、玉米1894.5畝、經濟林1263畝，灌區設計灌溉定額分別為蔬菜280 m3/畝、瓜類210 m3/畝、洋芋190 m3/畝、小麥265 m3/畝、玉米210 m3/畝、經濟林120 m3/畝。綜合凈灌水定額220 m3/畝，設計灌溉制度見表3。

(2)設計灌水率

根據灌區內灌溉制度，主要作物的種植結構與種植比例、灌水次數、灌水定額及灌水時間等各項因素，機組每日運行21 h，求得不同作物、不同灌水時段設計凈灌水率，繪制凈灌水率圖，求得灌區設計綜合灌水率。計算公式如下：

qi=aimi/0.36Titi

(1)

表3 灌區泵站更新改造后灌溉制度

式中：qi為灌區內某種作物某次灌水的凈灌水模數，m3/(s·萬畝)；mi為某種作物某次灌水的凈灌水定額，m3/畝；αi為某種作物種植比例，%；ti為每天灌水的小時數，機組每日運行21 h；Ti為某種作物某次灌水的延續時間，d。

灌區各時段、各類作物凈灌水率計算結果見表3，根據擬定的作物灌溉制度，將作物各次灌水率根據灌水時間迭加，計算各時段綜合凈灌水率計算結果見表4，并做一定的修正后，繪制設計凈灌水率圖2。求得灌區設計綜合灌水率為0.324 m3/(s·萬畝)。

圖2 灌區泵站更新改造后設計灌水率圖表4 綜合灌水率計算表

序號開始日期終止日期天數/d綜合灌水率q/(m3/(s·萬畝))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 設計流量

(1)灌溉方式

根據本《灌溉與排水工程設計規范》中相關要求、灌區原初步設計資料及本灌區實際情況，確定本灌區各級渠道均采用續灌方式，渠系水利用系數采用0.70，田間灌溉水利用系數取0.9，計算得到灌溉水利用系數為0.63。

(2)渠道設計流量確定

根據《灌溉與排水工程設計標準》，續灌渠道的設計流量按下式確定：

(2)

式中：Qs為續灌渠道設計流量，m3/s；qs為設計灌水率，m3/(s·萬畝)；As為該渠道灌溉面積，萬畝；ηs為該續灌渠道至田間的灌溉水利用系數。

根據以上計算方法及確定原則，得各泵站控制段灌溉所需渠道流量見表5。

表5 各級泵站控制灌溉面積、流量統計表

3 水量平衡分析

該泵站改造工程維持現有灌溉面積，取水點位置不變，工程建設只改造建筑物及設備，提高水資源利用率，水量平衡分析從現狀用水和泵站改造后用水比較進行[3]。

3.1 灌溉需水量

根據現狀灌溉制度及灌溉方式、工程運行計算得灌區現狀年灌溉用水量為481.14萬 m3/s，灌區設計年灌溉用水量為441.05萬 m3/s。需水過程見表6。

3.2 水量平衡分析

灌區現狀和泵站改造設計后，灌區各月灌溉需水過程見圖3。泵站改造后月用水量基本小于現狀用水量，用水時間基本維持不變，年灌溉用水總量減小40.10萬m3，即水資源量滿足工程需求。

圖3 灌區泵站改造前后灌溉需水過程線

該泵站灌溉面積1.263萬畝，工程屬Ⅳ等小(1)型，主要建筑物為4級，次要建筑物和臨時建筑物按5級設計，泵站工程為Ⅲ等中型，灌溉保證率為80%，灌區各級渠道均采用續灌方式，水源點引水流量為0.65 m3/s，一級泵站設計流量0.65 m3/s，年灌溉需水量441.05萬m3，泵站改造后年灌溉用水總量減小40.10萬m3，即水資源量滿足工程需求。

表6 灌區現狀灌溉需水量表

4 結論及建議

本次泵站更新改造工程在解決當地農業旱災、保護糧食生產安全、改善生態環境、提供人民最基本的生存權方面發揮著極為重要的作用，也是區域國民經濟持續發展和全面服務于小康社會的建設中重要的民生水利工程，也是該泵站工程受益區不可替代的重要農業基礎設施。本文通過工程需水量計算以及水量平衡分析，為泵站更新改造設計、施工提供了基礎和保障。