南疆干旱区“坎儿井”式输配水系统模式研究

毛远辉，刘 江，张鲁鲁

（1.新疆水利水电规划设计管理局,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

南疆用水总量379.8 亿m3,占南疆水资源可利用量的81.33%。农业用水量364.1 亿m3,占南疆用水总量的95.9%,生活、工业、城镇及生态环境用水量占4.1%[1]。目前南疆可用水资源开发利用程度已达80%以上,特别是南疆经济效益低,已成为水资源开发利用中最为突出的问题,在近期内没有跨流域调水补给的情况下,统筹好南疆生产生活生态用水的难度很大,需要在提高现有水资源利用效率上下更大功夫[2]。

新疆具有发展自压灌溉的天然优势,山前平原地形坡度较大,灌区一般在河流的中下游处,地势低,为建设管道化输水提供了非常有利的自然条件,“山区水库+管道输配水+自压滴灌系统”,可利用水源在高处的有利条件实现自压输水,在实现水资源高效利用的基础上[3],还可大幅度节省能源,降低灌溉能耗和工程运行成本,实现灌区节能减排、生态可持续。

1 水源工程及供水模式

1.1 传统供水模式

输配水系统示意图,见图1。

图1 输配水系统示意图

1.2 新时代“坎儿井”输配水模式

新时代“坎儿井”输水系统工程原理见图2,充分利用水库海拔高程、水资源调配能力等特点,对骨干输水系统“明改暗”,配备必要的沉沙调节设施,田间输配水系统管道化、标准化,形成深度节水的新时代“坎儿井”灌溉工程系统见图3。该模式具备以下特点：一是在充分利用山区水库调蓄的条件下,利用山前平原坡度大的特点,按照灌区分布在河流的中下游的特点,为管道化输水提供了有利的自然条件。二是利用水库调蓄河道水量后,水量充足稳定,充分利用水资源在高处的条件,实现管道自压输水,可有效减少水资源在输配过程中的蒸发和渗漏损失,提高水资源的利用效率和效益。三是可大幅度的节省能源、降低灌溉运行成本,实现灌区生态的可持续发展。四是输水易控制,输水快,输水效率高,管道埋入地下,占地面积少,且输水过程中不受洪水及风沙的影响。

图2 新时代“坎儿井”输配水立体示意图

图3 新时代“坎儿井”输配水模式

2 山区水库替代平原水库

2.1 替换模式

（1）完全替换。该种模式主要针对存在安全隐患、功能比较简单的平原水库,通过山区水库替代平原水库功能的可行性分析及水资源配置等相关研究后,将平原水库彻底废弃,并进行销号处理。

（2）部分替换。该种模式主要是针对某些功能比较复杂的平原水库或者依据现有工程条件替代比较困难的平原水库,通过山区水库替代平原水库功能的可行性分析及水资源配置研究后,部分替换平原水库的功能,被替换的平原水库做减少功能、削减规模处理。

（3）保留现状。该种模式主要是针对重大平原水库以及现状工程条件下替换需要较大工程投资的平原水库,建议经过与山区水库做好联合调度研究后采取保留现状的方式。

2.2 平原水库提升

（1）清淤。针对水库淤积问题,目前理论上有工程减沙、水力减沙和机械清淤等方式,其中工程减沙需要新建工程,如冲砂池、引洪渠等；水力减沙是充分利用水库的泄洪排沙建筑物将泥沙排出；机械清淤是借助机械设备将淤沙挖除。

（2）改扩建。对已建平原水库进行加高,主要针对淤积较严重的水库,清淤难度较大、或难以实施,在保持水库原设计库容不变的条件下,对水库进行加高；在水库引水系统上修建沉沙设施,将泥沙淤积在库外,便于清淤。

（3）缩库。南疆平原水库中大型水库居多,水库水面面积大,水面浅、蒸发量大。为了减少蒸发损失量,可以采取缩库措施,或是结合水面光伏发电减少水面蒸发。

（4）降等与报废。对病险严重、功能萎缩,但除险加固技术上不可行、经济上不合理的水库实行降等或报废处理,是解决水库病险问题的有效途径。同时,随着水库使用年限增长、水库大坝安全管理要求和国民经济发展需求的提高,新疆降等与报废的水库数量将不断增加[4]。

2.3 阿尔塔什水库替代下游平原水库方案

叶尔羌河流域阿尔塔什水库2019 年已建成发挥作用,水库总库容22.49 亿m3,调节库容12.6 亿m3,具有不完全多年调节的有利条件；水库具有较好的蓄水拦沙作用,不仅可以替代下游平原水库调蓄功能,还可为发展新时代“坎儿井”供水系统创造有利的水源条件。通过实施废弃东方红上库、色力勿衣水库等8 座平原水库,废弃库容1.46 亿m3,可节约水量0.71 亿m3；通过替代莎车县苏库恰克水库、依干其水库等2 座平原水库部分灌溉功能,替代灌溉库容0.83 亿m3,节约水量0.36 亿m3,工程投资0.25 亿元；通过替代兵团前进水库、小海子水库、永安坝南库和永安坝北库等4 座平原水库部分灌溉功能,替代灌溉库容2.68 亿m3,减少蒸发渗漏面积150 km2,节约水量1.1 亿m3,工程总投资19.3 亿元。

3 南疆干旱区“坎儿井”式输配水系统模式

3.1 不同输水方式初步比选

在工程投资方面,渠系防渗改建及田间高效节水建设亩均投资均在5000 元左右,管道输水投资亩均在10000 元左右。渠道输水与管道输水相比,投资较少,且运行管理方便,但节水量只有管道的50%左右。不同输水型式的特性及控制灌溉面积见表1、表2。

表1 不同输水型式对比分析表

表2 不同输水型式控制灌溉面积对比表

3.2 骨干工程节水分析

南疆骨干渠系长度8.2 万km,其中需要实施骨干渠系改造长度为3.63 万km,按照单公里骨干渠系投资100 万元～300 万元匡算,实现骨干渠系全防渗需要工程投资约372.6 亿元,渠系水利用系数可由0.62 提高到0.7,可实现农业节水约4.99 亿m3,单方节水投资约70.5 元/m3。南疆五地州渠道防渗实施情况见表3。

表3 南疆五地州干、支、斗渠防渗改造及节水量分析表

3.3 南疆灌区骨干工程适应性分析

按照灌区的分布与地形条件、水源条件呈现出傍河条带型灌区、出山口扇形灌区、平原树枝型灌区、平原规矩型灌区型等特点。傍河条带型灌区呈现出总体宽度较窄,长度较长的特点,如阿克苏的木扎提灌区、和田河灌区下游区域,实施骨干工程管道化,具有主干管长、支干管短的特点,呈现出干、支管倒挂的情况,造成工程投资较大,单方水投资大,这种形状的灌区,不适宜建设管道化输水。

对于出山口扇形灌区、平原树枝型灌区、平原规矩型灌区面积较大,均由多个渠首和多条输水干渠引水,如噶尔河灌区、博斯腾灌区、叶尔羌河灌区、和田河灌区。采用管道输水模式,对干支管进行改造,一方面存在管径过大、排数过多、输水调控复杂等技术难题,另一方面在工程建设过程中,工程建设用地、交叉建筑物改迁、林粮食间作的种植模式、土地碎片化等问题,集中连片的实施落实难度较大,因此需因地制宜的选择灌区条件好的一部分进行管道化节水改造,当灌溉面积超过50 万亩以上时,有待进一步研究。

3.4 不同模式节水效果分析

地表水库+渠道节水效果：对东方红水库至灌区的骨干渠道进行防渗改造,总长度25.13 km,采用混凝土现浇板渠道。通过防渗改造,该片区骨干输水系统渠系水利用系数由0.72提高到0.76,节水32.4 m3/亩,节约用水约4.1%。

地表水库+管道节水效果：对东方红水库至灌区的原骨干明渠进行管道化改造。改造管网共28 条,总长98.92 km,控制灌溉面积6.31 万亩,其中总干管1 条,长度20.63 km,设计流量4.9 m3/s,管材采用PCCP 管,管径DN2000、DN1600；干管4 条,长7.83 km,设计流量0.52 m3/s～1.22 m3/s,管材采用PCCP 管,管径DN1000；分干管23 条,长65.58 km,设计流量0.05 m3/s～0.35 m3/s,管材采用HDPE 管,管径DN400 及DN600。改造后渠系水利用系数由0.72 提高到0.86,节水109 m3/亩,节约用水约13.7%。

管道输水方式渠系水利用系数有较大程度提高,节水效益更高。管道输水方式比渠道输水方式每亩多节水76.3 m3,节水量比例提高9.6%,可有效减少灌溉输水过程中的渗漏与蒸发损失。

4 结论

通过将南疆骨干输水系统“明改暗”示范分析,10 万亩～30 万亩的灌区,亩均节水约40 m3,渠系水利用系数可提高至0.78～0.81,亩均投资6000 元～10000 元。对于灌溉面积超过50 万亩以上的大型灌区,因灌区的分布与地形条件、水源条件复杂,若采用管道输水模式,存在管径过大、排数过多、输水调控复杂等技术难题,因此需进一步研究。