白曉云

（晉中市太谷區(qū)水利局,山西 晉中 030800）

我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)田水利灌溉工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,而我國又屬于缺水大國,因此,合理規(guī)劃農(nóng)田水利灌溉工程、合理利用水資源就十分重要,本文以太谷區(qū)水資源置換項(xiàng)目為例,探討農(nóng)田水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1 工程區(qū)概況

工程區(qū)位于晉中市太谷區(qū),項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉范圍涉及北洸鄉(xiāng)、水秀鎮(zhèn)2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)22 個(gè)村莊,屬北暖溫帶重半干旱氣候,四季分明。年平均氣溫9.8℃,極端高溫達(dá)38℃。年平均降雨量為410 mm,區(qū)域內(nèi)不僅降雨較少,而且年內(nèi)分配很不均勻,降水主要集中在7、8、9 三個(gè)月,約占全年降雨總量的60%以上。多年平均無霜期為175 天,霜凍期為10 月中旬至次年4月中旬,標(biāo)準(zhǔn)凍土深度0.94 m。

近年來,受氣侯及其它因素影響,當(dāng)?shù)厮Y源量逐年減少,太谷區(qū)位于晉中市榆太祁中型孔隙地下水超采區(qū),超采區(qū)面積約為857 km2,其中嚴(yán)重超采區(qū)面積為234 km2。太谷區(qū)主要農(nóng)業(yè)用水區(qū)均屬于地下水嚴(yán)重超采區(qū)。

針對地下水超采情況,山西省各級部門做了大量的治理工作。通過地下水生態(tài)補(bǔ)水、關(guān)井壓采、關(guān)停和限制重點(diǎn)保護(hù)區(qū)礦產(chǎn)開采等措施,有效遏制了地下水位嚴(yán)重下降的勢頭。但是全省的地下水超采現(xiàn)象尚未得到根本治理。自2018 年起,在中央水利發(fā)展資金的支持下,山西省開始開展地下水超采綜合治理,全面貫徹中央“先建機(jī)制,后建工程”的部署和要求,立足山西省地下水超采實(shí)際,將汾河流域、桑干河流域、涑水河流域及重點(diǎn)巖溶泉域列入治理范圍,通過水源置換、關(guān)井壓采、巖溶泉域保護(hù)、地下水監(jiān)測站建設(shè)等工程措施系統(tǒng)性地治理地下水超采問題。目前項(xiàng)目區(qū)域農(nóng)田灌溉均為井灌,東山供水工程規(guī)劃向太谷區(qū)供水1630萬m3,目前東山供水工程及其調(diào)蓄水庫已基本建成。太谷區(qū)水利局經(jīng)過考察研究,提出通過正在建設(shè)的南山水庫利用東山供水工程來水置換北洸鄉(xiāng)、水秀鎮(zhèn)兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)灌溉地下水,同時(shí)關(guān)停用于農(nóng)業(yè)灌溉水井,達(dá)到在緩解地下水超采的同時(shí)保證該地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水[1]。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)任務(wù)的確定

依據(jù)太谷區(qū)現(xiàn)狀工農(nóng)業(yè)布局及規(guī)劃,實(shí)施系統(tǒng)的供水管網(wǎng)建設(shè)工程,將東山供水工程來水通過南山水庫調(diào)蓄后,合理、高效的輸送至受水區(qū),充分發(fā)揮東山供水工程效益,緩解受水區(qū)水資源短缺、地下水超采問題,為促進(jìn)太谷區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展,恢復(fù)或改善生態(tài)環(huán)境提供有力的水支撐、水保障。

本工程灌溉年引水總量450.3萬m3,年壓采地下水量450.3萬m3?？偭髁繛?.511 m3/s?？紤]太谷區(qū)規(guī)劃和南山水庫的建設(shè)任務(wù),供水管道規(guī)模按規(guī)劃工農(nóng)業(yè)用水量控制。南山水庫農(nóng)業(yè)供水量230萬m3,相應(yīng)農(nóng)業(yè)流量0.261 m3/s；工業(yè)供水量830萬m3,相應(yīng)工業(yè)平均流量0.263 m3/s,按照相關(guān)規(guī)范要求,輸送原水的管道設(shè)計(jì)流量按最高日平均時(shí)流量計(jì)算,供水日不均勻系數(shù)取1.2,因此供水管線設(shè)計(jì)流量為為0.577 m3/s。綜合確定本工程等別為Ⅴ等,主要建筑物級別為5級,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇。結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源條件、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)要求等綜合考慮,同時(shí)考慮到南山水庫為東山供水工程的調(diào)蓄水庫,水庫供水保證率應(yīng)與調(diào)入水源保證率一致,因此南山水庫與當(dāng)?shù)厮垂餐袚?dān)供水區(qū)的供水任務(wù),農(nóng)業(yè)灌溉保證率為75%[2]。

2.2 地質(zhì)條件的確定

該項(xiàng)目供水水源為太谷區(qū)南山水庫庫水,南山水庫位于太谷區(qū)北洸鄉(xiāng)白城村東南約3 km,西距山西省果樹研究所約1.5 km。庫壩區(qū)處于山前洪積傾斜平原,工程區(qū)沖溝發(fā)育,均為干溝,僅雨季有洪水。庫壩區(qū)地形平坦,高程840 m～869 m。水庫呈圍封狀,挖填結(jié)合而做。庫區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)育小南溝（烏馬河支流）及其支溝,小南溝位于庫區(qū)西北側(cè),斜穿而過,總體走向?yàn)?N50°E,其兩條支溝總體走向?yàn)镹35°W,穿庫區(qū)匯入小南溝。溝谷寬10 m～55 m,溝底高程約838 m～848 m,溝壑兩岸兩岸均為土質(zhì)岸坡,岸坡較陡,坡度一般為40°～65°,局部較陡。受岸坡卸荷及雨水沖刷淘蝕影響,地表溝壑縱橫,土體裂隙較發(fā)育,河谷斷面呈“U”型。供水線路總體走向從南到北,地面高程767 m～841 m。

2.3 供需水分析

太谷區(qū)關(guān)井壓采項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水利用南山水庫的來水。東山供水工程果樹園分水口向太谷區(qū)供水量經(jīng)南山水庫調(diào)蓄后,可向太谷區(qū)提供農(nóng)業(yè)灌溉用水230 萬m3,工業(yè)及生活用水830萬m3。因目前工業(yè)尚未達(dá)到規(guī)模,用水量僅41.5萬m3,工業(yè)供水量富余,則考慮利用工業(yè)富余水量用來農(nóng)田灌溉。南山水庫能調(diào)蓄農(nóng)業(yè)水量230萬m3,灌溉農(nóng)田1.03萬畝,不調(diào)蓄工業(yè)水量,因此只能利用工業(yè)供水的富余流量進(jìn)行農(nóng)田灌溉。由工業(yè)需水量及灌區(qū)灌溉制度分析可知,目前工業(yè)供水富余流量0.25 m3/s,可灌溉農(nóng)田0.99萬畝,用水量為220.3 萬m3。因此,在把工業(yè)富余流量用于農(nóng)業(yè)灌溉后,供水區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉面積可達(dá)2.02萬畝,灌溉用水量450.3萬m3。

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)總需水量450.3萬m3,南山水庫調(diào)蓄供水水量1060萬m3,可滿足項(xiàng)目區(qū)工農(nóng)業(yè)需水要求。

2.4 工程總體布置

該項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉田間配套已完善,僅需鋪設(shè)供水管網(wǎng),工程布置主管線1條,線路總長度19.94 km。根據(jù)擬關(guān)閉水井和用水戶的分布,主管道沿線布置農(nóng)業(yè)灌溉支管29 條,總長度26.9 km。管道沿線共設(shè)置排氣閥井36 座,排水閥井4 座,控制閥井11 座,檢修閥井5 座,減壓閥井32 座,支墩91 個(gè),流量計(jì)井46 座,穿河段1 處,穿公路99處、鐵路2處。

2.4.1 管線設(shè)計(jì)

考慮到工程管道規(guī)格較多,跨越區(qū)域不大,埋設(shè)情況較為簡單,采用DN700 及以下管徑,農(nóng)業(yè)供水主管選用球墨鑄鐵管,管徑DN300～700,農(nóng)業(yè)供水支管選用PE管,管徑DN110～250。

由于工程所處地區(qū)最大凍土深度為94 cm,為保證供水管線的安全,滿足其正常工作的要求,將輸水管線埋置于冰凍線以下,確定供水管線的管頂覆土厚度最小為1.0 m。

1）普通段管道埋設(shè)及防護(hù)

供水管道隨地勢鋪設(shè),管路穿過的地層多數(shù)為低液限性粘土和非自重濕陷性土。在土基上開挖管溝,開挖邊坡為1∶0.5。槽底開挖寬度根據(jù)管道外徑兩側(cè)各加0.3 m～0.4 m不等。球墨鑄鐵管、PE管底夯實(shí)后直接鋪設(shè)管道。管道鋪設(shè)完成后,將開挖土料作為回填料直接回填至原地面,回填要求土的壓實(shí)度不小于93%。

2）河道段管道埋設(shè)防護(hù)

管道穿越烏馬河采用明開挖方式進(jìn)行施工。穿河段采用深埋并加防護(hù)措施,盡量使管道埋設(shè)在沖刷深度以下。管頂以上0.5 m處設(shè)0.5 m厚格賓石籠防護(hù)層,然后再回填至原河床高程,回填要求與普通段相同。

2.4.2 關(guān)井措施

本工程中采取的關(guān)井措施按兩種情況進(jìn)行處理：①由南山水庫設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)供水量230 萬m3控制的灌溉面積58 眼水井永久關(guān)閉；②由暫借工業(yè)水量220.3萬m3控制的灌溉面積內(nèi)的94 眼水井封存?zhèn)溆谩?/p>

2.4.3 水力機(jī)械

為了控制各支線的供水水流,在支線的首端設(shè)置控制閥,控制閥后安裝傳力接頭,控制閥出水側(cè)安裝一只壓力變送器及壓力變送器用球閥,壓力變送器帶現(xiàn)場顯示功能,并能將壓力信號傳達(dá)至后臺信息化控制系統(tǒng)。為檢修方便,在沿線設(shè)置5 臺檢修閥。為了在事故段檢修時(shí)放空管道內(nèi)積水,管道沿線設(shè)置4 座排水閥。同時(shí)在整個(gè)工程沿線放置4 臺移動(dòng)式排污泵,排水井需要排水時(shí)使用就近管理點(diǎn)的移動(dòng)式排污泵排水。為了滿足管線系統(tǒng)在啟動(dòng)、檢修和正常運(yùn)行過程中的進(jìn)排氣要求,在管線縱向凸起點(diǎn)或間隔一定長度配置空氣閥,沿線共設(shè)置36 座空氣閥。為精確測量輸水管道供水流量,在支管線末端安裝測流量設(shè)備,與末端控制閥配套使用。本工程管線分水口較多,每個(gè)分水口的高程、流量各不相同。為利用原有田間管道,保證安全供水,在支線末端設(shè)置一臺在線式持壓減壓閥。減壓閥與安裝在末端的電磁流量計(jì)配套使用,用流量計(jì)所測流量調(diào)整減壓閥的開度,流量計(jì)與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),自動(dòng)監(jiān)控各測量點(diǎn)的流量及其變化。減壓閥前設(shè)置一臺手動(dòng)檢修閘閥和一臺Y 型過濾器,進(jìn)水側(cè)和出水側(cè)各安裝一臺空氣閥和一只壓力變送器及壓力變送器用球閥?？諝忾y采用復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥,壓力變送器帶現(xiàn)場顯示功能,并能將壓力信號傳達(dá)至后臺信息化控制系統(tǒng),其電源采用太陽能供電。

2.4.4 電氣及自動(dòng)化

本工程供電負(fù)荷主要為帶電裝頭的一體化智能控制閥,電源均取自附近低壓線路。閥井主要包括控制閥井和流量計(jì)閥井。監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端和外圍配套設(shè)備組成。外圍設(shè)備包括執(zhí)行器和各類型傳感器。監(jiān)測終端數(shù)量共計(jì)約56處,可實(shí)時(shí)采集配水管道的流量、壓力以及電動(dòng)閥的狀態(tài)等,通過4G/5G上傳至監(jiān)控中心,通過監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的分析處理下發(fā)正確的控制指令監(jiān)控終端控制執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上水。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括前端監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和中心設(shè)備。前端監(jiān)控設(shè)備包括高清攝像機(jī),供電系統(tǒng)以及一些輔助器材；傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用上圖無線網(wǎng)橋方式。中心配置交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)以及顯示設(shè)備。用戶可以通過監(jiān)控主機(jī)控制現(xiàn)場攝像機(jī)進(jìn)行無死角監(jiān)控,查看閥井的現(xiàn)場情況,掌握水位信息和外部人員非法進(jìn)入等情況。

3 結(jié)語

該工程的實(shí)施把東山供水工程地表水引入項(xiàng)目區(qū),關(guān)閉項(xiàng)目區(qū)水井152 眼,壓采地下水450.3 萬m3,有效緩解了太谷區(qū)地下水超采的現(xiàn)狀,同時(shí)為太谷區(qū)北洸鄉(xiāng)、水秀鎮(zhèn)兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)22 個(gè)村莊的農(nóng)田灌溉提供了可靠的水源。這為節(jié)約區(qū)域用水、遏制地下水超采、提升水源涵養(yǎng)能力起到積極推動(dòng)作用,同時(shí)促進(jìn)打造水資源友好的農(nóng)業(yè)灌溉工程,并對帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。