楊永寧

（寧夏水務(wù)投資集團(tuán)公司，750001，銀川）

一、基本情況

1.金積供水工程

金積工業(yè)園區(qū)位于吳忠市利通區(qū)金積鎮(zhèn)境內(nèi)，是國(guó)家發(fā)改委、國(guó)土資源部審核批準(zhǔn)的自治區(qū)十大省級(jí)工業(yè)園區(qū)之一，由穆斯林產(chǎn)業(yè)園、金積工業(yè)園、造紙化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)園和鎂合金產(chǎn)業(yè)園等4個(gè)特色產(chǎn)業(yè)園構(gòu)成，規(guī)劃總面積120 km2，現(xiàn)已形成了清真食品、乳制品、生物科技等為主的工業(yè)體系，工業(yè)園的建設(shè)與發(fā)展對(duì)吳忠市的地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、金積鎮(zhèn)的城鄉(xiāng)建設(shè)與民族經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)起著非常重要的積極作用。金積供水工程是加快吳忠市金積工業(yè)園區(qū)及新農(nóng)村建設(shè)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。工程主要任務(wù)是解決工業(yè)園區(qū)造紙化工和鎂合金產(chǎn)業(yè)園企業(yè)生產(chǎn)用水，并兼顧園區(qū)及周邊2.7萬(wàn)城鄉(xiāng)居民的生活用水。

工程以東干渠為供水水源，由水源工程、凈水工程和配水工程三部分組成。在東干渠16+814處新建進(jìn)水閘和調(diào)蓄水池。進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量為3.0 m3/s，調(diào)蓄水池分前池和后池布設(shè)，用隔堤分開，聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，設(shè)計(jì)總?cè)莘e79.2萬(wàn)m3，圍堤為碾壓式均質(zhì)土堤。凈水廠采用以折板絮凝斜管沉淀池為主體的凈水工藝，一期設(shè)計(jì)日處理能力6萬(wàn)t。配水管道環(huán)狀布設(shè)，管徑 0.15～0.7 m。

2.東干渠現(xiàn)狀

東干渠屬河?xùn)|灌區(qū)的一部分，干渠由青銅峽水利樞紐壩上引水，是青銅峽灌區(qū)部位最高的干渠，有高干渠之稱，也是寧夏興建的第一條采用混凝土全斷面砌護(hù)的大型渠道。該渠沿牛首山山麓傍山而行，全長(zhǎng)54 km，設(shè)計(jì)流量54 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積54.7萬(wàn)畝 （3.65萬(wàn)hm2)。目前干渠最大引水能力為45 m3/s，實(shí)際灌溉面積40萬(wàn)畝（2.67 萬(wàn) hm2），年均引水 4.7 億 m3。

東干渠上段共有建筑物48座，其中斗口26座、退水閘3座、排洪渡槽3座、滾水堰 4座、橋梁 12座，另有小揚(yáng)水17座（集中在右岸）。經(jīng)過(guò)30多年的運(yùn)行，雖然部分建筑物存在老化等問(wèn)題，但秦漢渠管理處已在歷年的工程檢修中對(duì)其進(jìn)行了維修和改善，對(duì)建筑物基礎(chǔ)部位進(jìn)行了重點(diǎn)排查加固處理，目前不會(huì)影響到安全輸水。

東干渠是一條混凝土全斷面襯砌的大型渠道，上段17 km范圍內(nèi)的襯砌混凝土板目前基本完好，個(gè)別滑坡段在歷年的工程檢修中已進(jìn)行了檢修，暫不影響輸水安全。

干渠上段17 km范圍內(nèi)的比降為1∶8900，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，渠道過(guò)水條件良好。每年冬灌結(jié)束后，渠道右岸農(nóng)田土壤中的地下浸水從坡腳滲入渠道，加之渠首進(jìn)水閘封閉不嚴(yán)，渠道中始終有小股水在流淌，所以坡腳部位有凍融破壞的現(xiàn)象。據(jù)了解，東干渠自建成運(yùn)行至今，這種狀況一直存在，即使冬季輸水，也不會(huì)對(duì)渠道有新的損害。

干渠沿線17座小揚(yáng)水的進(jìn)水管大部分是鋼管，其余是膠管，停水后用水戶都將膠管拆卸。鋼管安裝十分牢固，冬季行水不會(huì)對(duì)其造成較大的損壞。

二、冬季輸水總體思路

根據(jù)收集到的資料，吳忠地區(qū)近10年來(lái)1月份平均氣溫為-5.5℃，2月份平均氣溫-1.1℃。考慮到吳忠地區(qū)進(jìn)入冬季后的氣溫變化，結(jié)合其他地區(qū)冬季渠道運(yùn)行的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在保證渠道輸水過(guò)程中不發(fā)生冰凍的前提下，提出如下冬季輸水的總體思路：根據(jù)具體需水量情況，通過(guò)調(diào)蓄水池進(jìn)水閘門調(diào)節(jié)，將渠道水位抬升至一定高度 （稍高于正常需水量情況），使表面形成一層冰蓋，從而達(dá)到對(duì)渠水的密封和保溫作用，冰蓋形成后，調(diào)整渠首進(jìn)水閘，達(dá)到供水量和補(bǔ)水量平衡后，長(zhǎng)期連續(xù)進(jìn)行補(bǔ)水運(yùn)行。

三、存在的主要問(wèn)題

根據(jù)分析，認(rèn)為可能存在的主要問(wèn)題有兩方面：

①主要是干渠17 km范圍內(nèi)10座斗口和3座退水閘，易造成渠道輸水損失和凍脹破壞問(wèn)題。

②在冰蓋未形成初期，由于天氣等原因，可能會(huì)出現(xiàn)流凌，繼而在局部出現(xiàn)“冰壩”，使水流造成擁堵，威脅渠道運(yùn)行安全。

2010年12月28日—2011年2月26日，在區(qū)水利廳、秦漢渠管理處的協(xié)調(diào)配合下，對(duì)項(xiàng)目部調(diào)蓄水池進(jìn)行了第一次冬季補(bǔ)水。這兩次補(bǔ)水為解決上述問(wèn)題提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。以下總結(jié)第一次冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合具體運(yùn)行模式就解決上述問(wèn)題進(jìn)行探討。

四、運(yùn)行方案及解決辦法

冬季輸水的核心思想是通過(guò)控制流量、流速，使水面形成穩(wěn)定冰蓋，蓄水過(guò)程中水流長(zhǎng)期從冰蓋下流動(dòng)。

本著這樣的思路，2010年11月20日，秦漢渠管理處在調(diào)蓄水池進(jìn)水閘后建起了土壩，并用同樣的方式將上游渠段的所有直開口、退水閘（全部在渠道北側(cè)）進(jìn)行了封堵，為輸水做好了準(zhǔn)備。

2010年12月28日，東干渠正式開始輸水，在輸水初期，整體流速控制在0.6 m3/s，東干渠平均水深約0.5 m，平均氣溫在-11℃左右，為形成冰蓋創(chuàng)造了很好的條件。大流量（0.6 m3/s左右）的輸水大約3天，渠道內(nèi)平均水位約0.6 m，通過(guò)巡視，在整個(gè)渠道上形成了一層厚度約15 cm的穩(wěn)定冰蓋。隨后，將流量調(diào)整到0.1 m3/s，流量調(diào)整后，整體冰蓋下降約0.3 m，通過(guò)對(duì)整個(gè)渠道的查看，水流全部在冰蓋下運(yùn)行，基本達(dá)到了先前預(yù)想的運(yùn)行模式。由于氣溫持續(xù)偏低，渠道冰蓋平均厚度為30～50 cm左右，為安全輸水提供了保障。從2010年12月28日開始進(jìn)水到2011年2月26日停止進(jìn)水，整個(gè)補(bǔ)水歷時(shí)55天，累計(jì)進(jìn)水 100 萬(wàn) t。

根據(jù)國(guó)內(nèi)北方地區(qū)明渠冬季冰蓋輸水的研究成果和取得的經(jīng)驗(yàn)以及 《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，渠道內(nèi)水的流速宜控制在0.4～0.8 m3/s。 取流速為 0.5 m3/s，東干渠前16 km比降為1∶8000，邊坡系數(shù)為2，渠底寬9 m，按明渠恒定均勻流計(jì)算冰蓋下補(bǔ)水流量。

表1 各種供水規(guī)模下渠道輸水流量與水位

經(jīng)過(guò)計(jì)算，水深在0.78 m左右時(shí)流速為4.12 m3/s。結(jié)合金積供水工程設(shè)計(jì)供水規(guī)模和近期供水量等情況，在各種供水規(guī)模下渠道輸水時(shí)所需流量及渠道內(nèi)水位情況如表1。

通過(guò)多年對(duì)東干渠運(yùn)行情況的了解，每年冬灌結(jié)束后，渠道右岸（南側(cè)，干渠17 km范圍內(nèi)地勢(shì)較高，農(nóng)田多采用從渠道用泵抽水灌溉的方式）農(nóng)田土壤中的地下浸水從坡角滲入渠道，加之渠首進(jìn)水閘封閉不嚴(yán)，渠道內(nèi)始終有小股水在流淌，所以坡角部位始終存在凍融破壞的現(xiàn)象，自渠底起約1m高度，混凝土板渠道均有不同程度的滑落或斷裂，自建成運(yùn)行至今，這種狀況一直存在。由于金積供水工程引水量不大，當(dāng)達(dá)到金積供水設(shè)計(jì)供水規(guī)模時(shí)，渠道冬季補(bǔ)水長(zhǎng)期保持水位在0.6 m左右，能夠控制在原有凍融破壞的1m范圍以內(nèi)。因此，即使冬季輸水，也不會(huì)對(duì)渠道有新的破壞。

此外，對(duì)于東干渠左岸（北側(cè)）退水閘、斗口等設(shè)施，在2011年度的冬季行水前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看、研討，由于渠道運(yùn)行水位不高，最終確定了用“土壩”將退水閘、斗口等設(shè)施與渠道進(jìn)行分隔的方式，杜絕運(yùn)行過(guò)程中水流入退水閘和斗口，有效避免了退水閘及斗口設(shè)施“凍脹”破壞現(xiàn)象的發(fā)生，完全可以保證這些設(shè)施的安全。

流凌是渠道冬季運(yùn)行過(guò)程中較為常見的一種現(xiàn)象，若處理不當(dāng)，便會(huì)在渠道內(nèi)形成“冰壩”，繼而使渠道過(guò)水面積變窄，抬高渠道運(yùn)行水位，導(dǎo)致渠堤破壞。

為此，北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所對(duì)東干渠冬季輸水冰蓋形成情形進(jìn)行了數(shù)值模擬。渠道中水流的溫度變化與熱交換有直接關(guān)系，這些熱交換發(fā)生在大氣與水、冰與水以及水與渠道的接觸界面。根據(jù)模擬計(jì)算分析可知，當(dāng)流量為1.55 m3/s時(shí)，在極端寒冷（-17.7℃）和正常寒冷（-10.57℃）天氣情況下，干渠結(jié)冰點(diǎn)的位置分別距渠首約2.0 km和2.9 km；當(dāng)流量為10 m3/s時(shí)，在極端寒冷（-17.7℃）天氣情況下，干渠結(jié)冰點(diǎn)的位置距渠首約11.7 km。據(jù)此推算，當(dāng)流量為4 m3/s時(shí)，在正常寒冷（-10.57℃）天氣情況下，干渠結(jié)冰點(diǎn)的位置距渠首約6～8 km，這是較為理想情況下出現(xiàn)的結(jié)果。通過(guò)2010—2011年度冬季運(yùn)行情況來(lái)看，只要能形成穩(wěn)定的冰蓋，讓水長(zhǎng)期在冰蓋下運(yùn)行，用冰蓋對(duì)水體起到保溫的作用，這樣出現(xiàn)流凌現(xiàn)象的概率就會(huì)大大降低，也就談不上產(chǎn)生“冰壩”這樣的危害了。此外，由于金積供水規(guī)模較小，冬季渠道運(yùn)行水位較低，即使出現(xiàn)“冰壩”也不會(huì)對(duì)渠道安全造成太大影響。

五、結(jié) 論

綜上所述，筆者認(rèn)為，在金積供水工程一期設(shè)計(jì)6萬(wàn)m3/d供水規(guī)模下，冬季補(bǔ)水最大流量0.7m3/s，渠道運(yùn)行水位保持在0.6m左右的情況下，利用東干渠進(jìn)行補(bǔ)水是完全可行的。

當(dāng)然，為了確保冬季輸水安全，還需做好以下工作：①加強(qiáng)協(xié)調(diào)、溝通，及時(shí)通報(bào)相關(guān)信息；②加強(qiáng)渠道沿線值班巡查工作，提高安全防范能力，能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并匯報(bào)處理；③研究制定較為全面、詳細(xì)的突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，未雨綢繆；④在運(yùn)行過(guò)程中，加強(qiáng)調(diào)度管理，確保水量連續(xù)、穩(wěn)定。

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