低山丘陵區(qū)小型蓄水工程的優(yōu)化布局研究

孔祥勇李艷華常小燕

(1.山東明瑞土地工程技術(shù)有限公司，山東 泰安 271000；2.山東云景土地開發(fā)整理有限公司，山東 濟(jì)南 250102；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

低山丘陵區(qū)由于可利用水資源量少且水源呈點(diǎn)狀分布，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌水需求，各地都修建了不同形式的集雨蓄水工程，以蓄存雨季降水，解決工程性缺水，緩解旱季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水緊張的狀況。大量集雨蓄水工程設(shè)施的出現(xiàn)有助于幫助農(nóng)民灌溉農(nóng)田，但大型蓄水工程造價(jià)高，加之一些地區(qū)特殊的地形地貌條件和當(dāng)?shù)卣?cái)政預(yù)算資金的限制，很多地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為修建小型蓄水工程。小型蓄水工程投資少、形式靈活、施工簡(jiǎn)單、取水方便，既能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌水需求，又能減少工程實(shí)施與維護(hù)的成本，適用于中國(guó)“一家一戶”的分散經(jīng)營(yíng)種植模式。本文以泰安市高新區(qū)北集坡街道西旺村等5個(gè)村的土地整治項(xiàng)目為例，對(duì)小型蓄水工程的利用模式及規(guī)劃布局進(jìn)行研究，以期為低山丘陵區(qū)小型蓄水工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

泰安市高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目位于北集坡街道南部，涉及北集坡街道的西旺村、張家莊村、南官莊村、楊泉村、庵上村共5個(gè)行政村。

本項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷牡蜕角鹆陞^(qū)，海拔106.51～156.39m，地勢(shì)西北高，東南低。項(xiàng)目區(qū)主要以1°～8°的緩坡和8°～15°的中坡為主。該區(qū)域多年平均降水量約為670mm，年內(nèi)分配不均，具有明顯的季節(jié)性。由于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)田塊小而零散，且存在一定的高差，部分區(qū)域雨季容易發(fā)生水土流失。項(xiàng)目區(qū)地下水屬于寒武系中統(tǒng)，上統(tǒng)石灰?guī)r，裂隙熔巖水，地下水埋深8～50m；項(xiàng)目區(qū)緊鄰大汶河，且位于已建成的顏謝攔河壩上游，攔河壩攔蓄效果顯著，水利豐沛。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)現(xiàn)有可利用塘壩10座，興利庫容40萬m3，現(xiàn)有提水站1座，需要配套，農(nóng)民灌溉多使用自備柴油機(jī)泵進(jìn)行抽水，水資源利用率低。

2 丘陵區(qū)小型蓄水工程利用模式

2.1 雨水徑流集蓄利用模式

雨水徑流利用，是指將田塊、自然坡面、道路、溝渠等產(chǎn)生的徑流，經(jīng)沉淀處理而導(dǎo)入水池(窖)中蓄存，以供澆灌作物的一種利用雨水的方法[1]。此模式是利用雨水集流，通過截引蓄集工程，在地形適宜和有集水面的位置建池(窖)，使分散的農(nóng)田能夠就近用水，大大降低工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用，具有規(guī)模小、投資少、易推廣、見效快、技術(shù)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等特點(diǎn)。

2.2 溝道潛流攔蓄利用模式

溝道即自然沖溝，在低山丘陵區(qū)，降雨通過田面、自然坡面匯流或潛水下滲至溝道內(nèi)。通過在溝道平緩地段修建塘壩、大口井、蓄水池等攔蓄工程，能夠保證周邊農(nóng)田的灌溉用水。另外，雨季降水會(huì)造成水土流失并對(duì)溝道兩側(cè)的農(nóng)田造成破壞，因此，溝道地的攔蓄工程應(yīng)綜合考慮排蓄水措施[2,3]。

2.3 “以集為主、以提為輔”的綜合利用模式

在低山丘陵區(qū)，在耕作田塊、道路、排水溝旁開挖水池(窖)，大量收集雨水，澆灌作物，在溝道內(nèi)有潛流和長(zhǎng)流水的地方，修建塘壩(攔水壩)，并通過小型泵站，向上游各個(gè)水池(窖)內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充水源，使水池(窖)中時(shí)常儲(chǔ)存有水，作物能適時(shí)得到灌溉[4]。

本模式通過修建水池、塘壩和現(xiàn)有水庫，形成“小雨入池、中雨入塘、大雨入庫”的3級(jí)攔蓄體系，同時(shí)修建提水站將水庫和塘壩的水適時(shí)補(bǔ)充水池，打造低山丘陵區(qū)“灌排一體化”的水資源循環(huán)利用體系。

泰安市高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目區(qū)是典型的低山丘陵區(qū)，常年處于靠天吃飯的狀態(tài)，由于區(qū)域內(nèi)缺乏攔蓄灌溉設(shè)施，雨季形成的地表徑流及潛流得不到有效利用，是典型的工程性缺水區(qū)域。為了更好地利用雨季形成的地表水，根據(jù)現(xiàn)狀田塊、道路、排水溝的布置以及自然溝道的分布走向，建立階梯式攔水體系，充分截留地表徑流，打造水池(窖)、塘壩(攔水壩)和水庫3級(jí)蓄水體系。針對(duì)該區(qū)域遠(yuǎn)離村莊，電力匱乏的問題，配套光伏提水，建設(shè)“光伏泵站+PE管道+蓄水池”的自動(dòng)提水灌溉系統(tǒng)，真正的實(shí)現(xiàn)灌排一體化的地表水循環(huán)利用，如圖1所示。

3 丘陵區(qū)小型蓄水工程的優(yōu)化布局

3.1 項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀分析

泰安高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目屬低山丘陵地貌，受地形條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制，現(xiàn)有蓄水工程空間分布極不均勻，現(xiàn)狀有可利用塘壩10座，為周邊耕地提供灌溉水源。但大部分塘壩由于長(zhǎng)年使用欠維護(hù)，土質(zhì)壩體出現(xiàn)損壞、漏水、壩內(nèi)淤積等現(xiàn)象嚴(yán)重，使用現(xiàn)狀較差，塘壩的有效利用率較低，致使項(xiàng)目區(qū)內(nèi)大部分耕地處于有水不能用、靠天吃飯的狀態(tài)。

3.2 選址基本要求

丘陵區(qū)小型蓄水工程的選址需具備一定的條件。盡量選擇自然溝道或道路溝渠旁，上游具有一定的匯水面積，方便蓄水和保證足夠的蓄水量；盡量靠近地勢(shì)較高的農(nóng)田地塊，便于取水自流灌溉；需考慮地形地貌和工程地質(zhì)條件，以減少工程造價(jià)、容易施工和方便使用[5]。

3.3 工程布局

通過實(shí)地勘察，結(jié)合水資源的分布情況，項(xiàng)目區(qū)分為地表水和地下水2個(gè)灌區(qū)。其中，張家莊村東部，緊鄰大汶河，使用提水站并布設(shè)管道進(jìn)行灌溉；西旺西部、南官莊村西南部及張家莊村西南部，現(xiàn)有塘壩水量豐沛，同樣規(guī)劃提水站并布設(shè)管道進(jìn)行灌溉。根據(jù)該區(qū)域水文地質(zhì)情況分析，項(xiàng)目區(qū)屬地下貧水區(qū)，在張家莊村西部、楊泉村，西旺村北部、南部及南官莊村西北部，分布部分少量地下水，規(guī)劃在該區(qū)域新打機(jī)井、大口井，使用地下水進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。

提水站、農(nóng)用井周邊均布設(shè)管道，建立“泵站+低壓管道”的灌溉系統(tǒng)，提高項(xiàng)目區(qū)灌溉水利用率。同時(shí)，道路兩側(cè)、排水溝、自然沖溝處新建蓄水池或集水窖集蓄地表徑流，提水站或農(nóng)用井使用管道與之連接，進(jìn)一步保證水源。

項(xiàng)目區(qū)主干道兩側(cè)進(jìn)行排水溝清淤，以確保項(xiàng)目區(qū)排水通暢。

3.4 小型蓄水工程數(shù)量的確定

小型蓄水工程的數(shù)量依據(jù)所在區(qū)域的蓄水總量和種植農(nóng)作物的灌溉需水量來確定。蓄水總量是由所在地區(qū)的地表徑流量來確定，因此地表徑流量是影響小型蓄水工程數(shù)量的主要因素之一。地表徑流量除了與該地區(qū)的降雨量和降雨強(qiáng)度有直接關(guān)系，還受所在區(qū)域的地形、地質(zhì)條件的影響，同樣的降雨因地形、地質(zhì)條件不同所產(chǎn)生的地表徑流量也會(huì)不同，如土層較薄或基巖裂隙較少的區(qū)域，大部分降雨能夠轉(zhuǎn)化為地表徑流，而土層較厚或基巖裂隙較多的區(qū)域，大部分降雨則不能轉(zhuǎn)化為地表徑流。另外，為了保證工程建成后的使用效益，所修建的小型蓄水工程總蓄水量不得超過一般年份降水后所產(chǎn)生地表徑流量的1/3，一般地表徑流量以總降水量的30%計(jì)算[6]。如，該項(xiàng)目年均降水670mm，則集水區(qū)的地表徑流量為2000m3·hm-2左右，建成小型蓄水工程總蓄水量以小于660m3·hm-2為宜。再根據(jù)種植農(nóng)作物的灌溉需水量最終確定小型蓄水工程的建設(shè)數(shù)量。

3.5 小型蓄水工程的設(shè)計(jì)

小型蓄水工程的種類主要有蓄水池、塘壩、大口井、集水窖等，這些小型蓄水工程的建設(shè)非常有利于雨水資源的收集和分配利用，提高了農(nóng)業(yè)用水灌溉率，也促進(jìn)了低山丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[7]。泰安市高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目，主要小型蓄水工程是蓄水池、集水窖和塘壩(攔水壩)。

3.5.1 丘陵區(qū)蓄水池

3.5.1.1 蓄水池設(shè)計(jì)分析

在低山丘陵區(qū)，受不同地形地貌影響，項(xiàng)目區(qū)往往被分割成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的灌排區(qū)域，蓄水池需根據(jù)所處的不同區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。蓄水池的設(shè)計(jì)要兼顧灌溉和排水2個(gè)方面，蓄集雨水解決周邊農(nóng)田的灌水需求，蓄集坡面地表徑流，減少水土流失和防止雨季降水沖刷田塊破壞耕地。對(duì)于以農(nóng)田灌溉供水為主的蓄水池，選址高程偏低，水低田高，難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田自流灌溉，相應(yīng)的人工提水灌溉的成本也就越高[8]，因此，蓄水池對(duì)于高程的選址至關(guān)重要。

3.5.1.2 蓄水池規(guī)劃設(shè)計(jì)

泰安市高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目新建小型集雨設(shè)施19座；其中，新建蓄水池3座，新建集水窖16座。

根據(jù)泵站灌溉控制面積，蓄水池全部采用塊石砌筑，半地下結(jié)構(gòu)，蓄水容量分別為60m3、80m3、580m3；根據(jù)集水面和地形條件，集水窖全部采用塊石砌筑，全地下結(jié)構(gòu)，蓄水容量分別為50m3、200m3。

3.5.2 丘陵區(qū)塘壩

3.5.2.1 塘壩設(shè)計(jì)分析

塘壩是丘陵區(qū)常見的小型蓄水工程，相較于大型的水庫工程，在低山丘陵區(qū)的塘壩不僅具有低投速效和靈活方便的特點(diǎn)，而且可以很好地解決該區(qū)域內(nèi)年內(nèi)降雨分布不均引起的季節(jié)性水資源短缺問題，是低山丘陵區(qū)小流域灌排水系統(tǒng)循環(huán)中不可或缺的一環(huán)[9,10]。

3.5.2.2 塘壩規(guī)劃設(shè)計(jì)

泰安高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目新建小型塘壩2座，維修塘壩3座。

新建塘壩采用全斷面溢流式重力壩，用來攔蓄自然溝地表水，抬高地下水位，涵養(yǎng)水源。攔河壩壩身均采用漿砌塊石修筑，設(shè)現(xiàn)澆混凝土防滲墻，壩身下方修筑漿砌塊石消力池。消力池后部采用亂石拋填減少水流沖擊，起到消能作用。

維修塘壩現(xiàn)狀為土質(zhì)壩體，壩內(nèi)淤積嚴(yán)重，部分壩體損壞，出現(xiàn)壩體漏水和蓄水能力不足等問題，因此對(duì)壩體進(jìn)行維修、清淤，防止壩體漏水，恢復(fù)蓄水能力。

4 結(jié)語

本文以泰安高新區(qū)北集坡街道土地整治項(xiàng)目為例，對(duì)低山丘陵區(qū)小型蓄水工程進(jìn)行優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，解決了該地區(qū)工程性缺水的問題；通過項(xiàng)目的實(shí)施，既促進(jìn)了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，又在一定程度上提高了農(nóng)業(yè)用水灌溉率，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。