地墨黑山塘改造供需水平衡分析

摘 要：随着农民生活生产方式的变化及农业种植结构的调整，灌溉水源供给与农业灌溉用水需求之间的矛盾日益显著。因此，在实施项目时需要对灌区的供、需水量进行平衡分析。基于项目概述，在评估项目区域需水量的基础上，采用供需水平衡方法，对项目区的来水量进行了核算，并通过兴利库容调节实现了山塘的供需平衡。经过调节，山塘的水量总量达到了平衡的要求。

关键词：山塘；需水量；径流量；供需平衡

中图分类号：TV698.1 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）9-140-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.09.032

0 引言

山塘作为山丘地区小型或微型水利基础设施［1］，承担着灌溉、用水、防洪等任务，但很多山塘由于投入少，设计标准较低等因素，一直存在带病运行的情况［2-3］。因此，加强山塘整治设计与改造具有重要意义［4］。同时，农业用水作为我国的第一大用水领域，由于水资源短缺及地区经济发展对水的需求不断增加，灌区水资源供需矛盾不断加剧。因此，优化多种水源配置，通过多种工程措施与非工程措施来缓解农业水资源供需平衡矛盾具有重要的现实意义［5-6］。为此，此研究以地墨黑山塘改造为例，探讨灌区水资源的供需平衡问题。

1 概况

地墨黑山塘位于盘州市普古乡地墨黑村，处于北盘江支流淤泥河支沟流域，属珠江流域北盘江水系。地墨黑山塘的主要功能是灌溉，坝址以上集雨面积为0.30 km2，河长为0.71 km，平均坡降为98.0‰。大坝为均质土坝，由当地村民自行修建完成，工程枢纽建筑物主要包括大坝等部分，大坝填筑质量较差，最大坝高度为6.07 m，坝顶宽度为6.31 m，坝轴线总长为52.38 m，坝顶高程为1 911.50 m，坝底高程为1 905.53 m。大坝上游坝坡平均坡比为1∶1.22，下游坝坡坡比为1∶1.55，上、下游坝面未设任何护坡，下游坝脚未设置排水棱体。山塘没有专门的溢洪道，仅有一条冲沟作为临时泄水通道，冲沟底板高程为1 909.72 m，冲沟位于左坝肩，平均宽度为1.0 m，冲沟总长度为16.0 m，山塘无放水设施。目前，大坝冲沟处常年过水，在洪水期存在洪水翻坝的可能，存在安全隐患。山塘坝体填筑质量有待提高，上下游坝坡过陡，原坝基清基不彻底，目前，坝体、坝基与基岩接触面存在分散性渗漏，影响大坝安全运行，大坝现状如图1和图2所示。

2 需水量计算

地墨黑山塘改造完成后主要作为灌溉水源，设计新增灌面积为33.33 hm2，恢复原设计灌面积为13.33 hm2。灌溉区域均用于种植果树，并采用管道灌溉。根据果树在P=80%下的灌溉定额为600 m3/hm2，灌溉水利用系数取0.855，计算得出灌溉需水量为3.27万m3。采用典型年逐月进行兴利调节，山塘逐月灌溉用水量计算成果见表1。

3 来水量计算

3.1 山塘径流量计算

根据山塘径流深和集雨面积，山塘径流量采用式（1）计算：

W=0.1×H×F                            （1）

式（1）中：W为径流量，m3；H为径流深，mm；F为集雨面积，km2。

山塘坝址以上集雨面积为0.30 km2，年径流深为507 mm，计算得出山塘多年平均径流量为15.21万m3，径流变差系数Cv取0.31，Cs/Cv为2，则P=80%年径流量为11.10万m3，P=90%年径流量为9.58万m3。

3.2 最小月枯水模数

地墨黑山塘改造项目采用典型年法进行兴利调节，山塘月来水量根据P=95%最小月枯水模数进行径流分配控制。查“贵州省河流P=50%最枯月枯水模数等值线图”，工程所在流域P=50%最小月枯水模数为3～4 L/（s·km2），此次项目区取4.0 L/（s·km2）。蓄水工程按P=95%最小月枯水流量控制全年基流量。P=95%最小月枯水模数根据经验Cv值进行Kp模比系数换算。取最小月径流量Cv比年径流量Cv大0.03～0.05；结合地区径流变化规律，考虑项目所在流域岩溶发育良好，植被状况较好，取枯流变差系数Cv比年经流Cv大0.05，Cs=2.5Cv。那么，地墨黑山塘Cv=0.36，Cs=2.5Cv，换算为P=95%最小月枯水模数为2.04 L/（s·km2）。

3.3 逐月、逐旬径流量分配

山塘采用典型年法进行兴利调节［7］，来水量年内分配采用典型年同倍比法推求一年内月径流量大小，同时结合《贵州省河流枯水调查与统计分析》等值线图对汛枯季月枯水量进行修正。结合项目区情况，考虑到对工程最不利原则，该工程选择盘州市气象站2006年5月—2007年4月降雨资料作为保证率P=80%的典型年。根据枯流分析，采用P=95%最小月枯水模数作枯水控制。山塘逐月、逐旬径流量分配见表2。

4 山塘供需平衡分析

4.1 山塘水位及库容

山塘库容采用公式（2）计算：

[ΔV=13×（F1+F2 +F1F2]）[×ΔZ]          （2）

式（2）中：ΔV为库容，m3；F1、F2分别为上、下底面面积，m2；ΔZ为上底面与下底面的距离，m。

设计库容计算成果如图3所示。

根据山塘泥沙淤积高程和水工建筑物取水管高程布置的要求［8］，同时尽可能满足灌区和供水自流的水位要求，综合确定死水位。山塘流域内无实测泥沙资料，根据《贵州省地表水资源》图集中“悬移质多年平均年侵蚀模数分区图”查得，该流域内多年平均悬移质输沙模数为500～1 000 t/（km2·y）。根据现场调查，山塘集雨面积内植被较好，输沙模数综合取600 t/（km2·y），推移质按悬移质20%考虑，入库率取85%，泥沙容重r=1.3 t/m3，坝前淤沙高程采用水平淤积的2/3来确定，计算得出山塘运行30年后淤沙量为0.424万m3。

采用式（3）预测山塘泥沙淤积量为：

V淤=M×1×（1-n） ×F / r                    （3）

式（3）中：M为多年平均悬移质输沙模数，t/（km2·y）；F为流域面积，km2；r为泥沙容重，t/m3。

地墨黑山塘坝址泥沙淤积计算成果见表3。

计算得到地墨黑山塘运行30年后，淤沙量为0.424万m3，水平淤积高程为1 909.48 m，坝前淤积高程为1 908.65 m。综合考虑泥沙淤积、水工布置要求等因素，并考虑取水口所需的淹没深度，确定山塘死水位。地墨黑泵站在山塘内取水，山塘取水泵站进水管管径为DN 80，根据《泵站设计规范》（GB 50265—2010），进水管喇叭口直径宜等于或大于1.25倍进水管径，此次设计取1.25倍，即喇叭口直径D =0.08×1.25=0.1 m；进水管倾斜布置时，喇叭口中心的悬空高度宜取（0.8～1.0）D且喇叭口最低点悬空高度不应小于0.5 m，喇叭口中心的淹没深度宜大于（1.5～1.8）D。经计算，喇叭口悬空高度为0.1 m，小于0.5 m，取0.5 m，淹没深度为0.15～0.18 m，取0.15 m，故山塘死水位为1 908.65+0.5+0.15=1 909.30 m。

根据山塘现状，确定山塘正常蓄水位为现状坝顶高程1 911.5 m，对应山塘正常库容为1.47万m3。山塘死水位为1909.3 m，查库容曲线，对应的死库容为0.34万m3，根据兴利库容=正常库容-死库容，计算得出山塘兴利库容为1.13万m3。

4.2 山塘总用水量

山塘总用水量包括灌溉用水量和其他用水量，其他用水量包括水量损失和生态环境用水。水量损失主要为水面蒸发损失和渗漏损失，按正常蓄水位以下库容的10%计算，下游生态环境年用水量按多年平均入库径流量的10%计算，得出山塘生态环境用水量为1.52万m3。水量损失为0.147万m3，年灌溉用水量为3.27万m3，则总用水量为4.94万m3。

4.3 兴利库容调节

根据山塘兴利库容调节，来水量-毛灌溉用水量-生态用水-蒸发渗漏损失用水=弃水+库内存水，计算成果合理。地墨黑山塘水量总量平衡满足要求，同时兴利调节计算从兴利库容的零库容起调回到兴利库容零库容。山塘逐月、逐旬兴利调节过程见表4。

5 结束语

进行山塘供需水平衡分析旨在揭示缺水型灌区水资源供需关系的内在规律和主要矛盾，通过分析其存在的主要问题，分析出灌区水资源开发利用潜力，从而实现灌区水资源供需平衡，为灌区的良好运行提供有力的保障。根据地墨黑山塘兴利库容调节，山塘供需平衡，可发挥较好的社会效益和经济效益。

参考文献：

［1］黎晓龙，李长生.贵州省务川县清水塘山塘整治设计［J］.陕西水利，2017（S1）：78-79.

［2］梁宏.山塘整治工程存在的主要问题及建设对策［J］.大科技，2016（10）：120-121.

［3］程孝昆.小山塘整治库区水文及地质参数分析［J］.陕西水利，2017（S1）：69-71.

［4］湘潭县委党校第十五期青干班第一调研小组.湘潭县山塘建设管理调查与思考［J］.湖南水利水电，2012（4）：32-34.

［5］严雪琴.新疆洛浦县供需水平衡分析［J］.陕西水利，2014（S1）：221-223.

［6］徐虎强.西凉灌区高效节水灌溉工程供需水平衡分析［J］.云南水力发电，2024，40（4）：17-19.

［7］吴剑，鲁天明.赋石水库兴利调节计算［J］.广东科技，2012，21（5）：73，75.

［8］王永.用水量平衡法率定水库库容曲线并推算淤积量［J］.黑龙江水利科技，2011，39（5）：65-66.

作者简介：金龙超（1984—），男，本科，工程师，研究方向：水工建筑物、水土保持。