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漏水乃水库建设之大忌。为了防止漏水,水利工程师不得不采用复杂的工程措施,例如小浪底大坝下面增设了深达70m的混凝土防渗墙,以阻断覆盖层中的渗漏。但在一定条件下,漏水也可能是一件好事。433年前陕西省子洲县一处因山体滑坡而形成的湿地,其堵口的天然坝坝高约60m,坝后已淤地近千亩,大雨后坝内积水很多,但两三天内就渗漏掉,不影响坝地作物生长。这一天然形成的漏水水库至少起着两个重要的作用,即淤地和滞洪。它给我们一个启示:能否人工修建漏水水库以达到兴利除害和增加水资源供给总量的目的?如果可能,这样的水库应如何规划、设计和修建?
二、漏水水库的特点
修建漏水水库的总目标是尽可能把水土资源拦蓄在陆地上,减少入海的水沙总量,从而增加水资源的总供给量。与普通水库相比,漏水水库具有以下特点:
①充分利用地下空间蓄水,不需要永久性地占用土地;
②避免了普通水库因水面蒸发造成的水量损耗;
③既拦水,又拦土拦肥,可以淤造出优良的农田;
④减少水土流失对下游河道水库的淤塞;
⑤补充了地下水,减轻因地下水位下降引起的地面沉降和海水入侵灾害。
另外,漏水水库也可以像普通水库一样起到临时拦洪作用。当然,它所拦蓄的水不能直接用于发电、灌溉和城填供水等,而只能通过抽取间接利用。
要说明的是,漏水水库并不等于水土流失地区通常修建的淤地坝工程,因为后者往往只拦泥,不拦水,起不到滞洪作用。而且淤地坝总是修建在山沟中,而漏水水库也可以修建在平原低洼地。
总之,漏水水库的基本功能是将地表水转化为地下水,因此,可定义为“促进地表水向地下水转化以增加水土资源供给量的水利工程”。
三、漏水水库的规划设计
1.地形地质条件
漏水水库地层中应有埋藏不深的强透水层,以便尽快地把漏下的水量输送到远处。透水的砂卵石层埋藏过深,无疑将增加漏水井的造价。在石质山区,河床往往就由砂卵石层组成,若在其上筑坝,由坝基潜流很快就会汇入下游河道中,达不到转化为地下水的目标,因而不宜修建漏水水库。
适宜修建漏水水库的地形条件原则上与普通水库一样,即山谷漏水水库宜修建在口小肚大的山谷中,而平原漏水水库则宜修建在河道两侧洼地中。
2.水文气象条件
漏水水库适宜于修建夏季降雨比较集中的半干旱地区,特别是地下水位降低过多的地区。这些地区要满足以下4个条件:①总体上水资源不足;②季节性水资源过剩,不得不排入海中;③蒸发量较大;④地下有足够的贮水空间。具体来说就是华北地区,包括华东北部、东北西部和河南及陕西部分地区。
3.漏水水库的布置
在山区小支流上可以布置出口控制型漏水水库,对于水量比较大的支流,则可以修建梯级拦蓄型漏水水库。漏水水库应当与淤地坝和普通水库综合规划,当地条件适合于建哪种工程就建哪种。
在平原地区,漏水水库可按长藤结瓜型布置,即沿河道两侧的低洼地修建。与一般滞洪区不同的是,漏水水库应当用堤坝围起来以增加蓄水的深度,从而达到较小淹没面积内尽可能多蓄水的目的。当然,水库内还要布置漏水井。
4.库容设计和运行控制
笔者认为,以千年一遇的洪水为标准,即能把千年一遇的洪水全部拦蓄起来的漏水水库为全拦型,低于此标准的为半拦型。在条件允许时,应尽可能增大库容,按全拦型设计,否则只能按半拦型设计。在山区,半拦型漏水水库实际上介于淤地坝和漏水水库之间,仍需要布置泄洪设施以便把超过蓄水能力的多余水量下泄到下游河道。
平原漏水水库的库容则应根据地形条件和淹没损失的情况确定。原则上水库围堤的顶高应与河堤的顶高一致,以便尽可能增大库容。漏水水库的运行方式可分多年一次分水型和每年分水型两类。前一种是遇到较大洪水时就分洪,例如按5年一次的频率计;后一种则每年汛期都要分水入库,以达到减少入海水量的目标。显然,后一种运行方式是以增加淹没损失为代价的。因为以每年两季收获为准,5年分洪一次的损失率为10%,而每年分洪一次的损失率则达到50%。当然,这是粗略估算。实际是每年一次的汛期水位不会太高,淹没区的范围当然要小一些。
漏水水库也可以保留一部分库容作为永久蓄水之用,以满足库区及周边地区用水的需求。
5.主要建筑物
①堤坝
漏水水库以中小型工程为主,且一般修建在覆盖层上,故挡水建筑物应以土质堤坝为主,一般可设计为均质土坝。鉴于漏水水库的特点,其建筑标准可以降低。首先是没有防渗要求,即使是砂卵石,也可以用来筑坝。其次是挡水时间短,一般不超过3个月,黏性土均质坝内不易形成浸润线,上游也没有水位突降问题,坝体的填筑密度及坝坡坡比要求均可以降低。所以,坝体可以采用比较快速低廉的定向爆破法或水力冲填法填筑。采用后一种方法时,可辅以真空抽水让填土加速固结。但是,为了保证渗透稳定性,仍要求采取措施防止产生管涌。
②漏水井
漏水井是漏水水库的关键设施,必须保证其长期运行而不被淤堵。它与土坝中为降低浸润线而设置的排水井不同,必须保证单井有足够的排水能力。单井排水量和井数应以100天内排干库区积水为准,以保证农田的淹没损失只限于秋季作物。井底端应当深入到砂卵石层,但进水口应如何设置,其高程是随库水位而变,还是固定在某一高程上,它的设计和布置方法,均有待进一步研究。
③分水建筑
平原漏水水库与河道之间需要修建分水闸坝。但是,它与常规意义上用于分洪区的分水闸不同,流入漏水水库的水量自动渗入地下,不必等洪水退去时反流入河道,因此它只须按单向流动进行设计即可。最简单的方案是采用混凝土滚水坝,上面用橡胶坝接高,甚至采用自溃式土质子埝加高。对于多年分洪一次的漏水水库,自溃式子埝可能是最简便有效的。
④泄洪建筑
如果受地形地质条件的限制,山区漏水水库不能把来水全部拦蓄而必须以半拦蓄方式运行时,就需要布置泄洪设施,例如,坝顶溢洪道或坝基泄洪洞。小型工程可采用坝顶溢洪加土工布防护的办法。中型工程如在两岸没有条件修建溢洪道,应考虑坝基埋设泄洪洞。如坝基有松软土层,为避免沉降而发生断裂,可以在坝体填筑完成后采用顶管方式修建。
四、需要研究的问题
除了前面提到的漏水井的设计需要进一步研究以外,下面几个问题也值得探讨。
1.已有水库和滞洪区改造成漏水水库
淤积严重而基本失去蓄水功能的山区水库,如有条件可以加设漏水井,使之成为漏水水库,以利用被淹没的土地资源。平原滞洪区,如不加围堤任其泛滥,淹没损失将会很大。如果把比较贫脊的低洼地围起来改造成漏水水库,虽然投资大一些,但可以放心地多次使用,可能还是合算的。
2.减淤和恢复库容
漏水水库也会像普通水库一样逐渐淤塞,有的最终可能要淤废。为了减轻淤积,延长水库的使用期,可以考虑以下措施:①坝底用顶管法加设排沙洞。②用淤积土加高堤坝或堤坝采用边拦蓄边加高的办法。这样,可减少堤坝工程一次性投资的费用。③人工挖泥,挖出的淤泥用于周边地区农田的改良。
五、结语
对于北方半干旱地区来说,增加水资源供给量的途径只可能有两条:一是从南方调水,即南水北调工程;二是立足于当地的降水,即多拦蓄、少蒸发。后一途径又可分为两种情况,即拦蓄雨水和拦蓄客水。笔者曾建议过采用“深挖槽”的办法拦蓄雨水。这里用“深槽”一词以区别于一般的水塘,目的是为了强调减小挖掘面积,增加蓄水深度,并减少蒸发量。本文提出的漏水水库则是为了拦蓄过境的弃水,并让它转入地下贮存起来。南水北调只能满足大城市的需求,对广大农村和小城镇来说,立足当地可能是惟一的出路。
移民扶持项目资金属补资金,在不强制地方财政配套,移民又无自筹能力的情况下,全市已实施的移民后扶项目平均单个项目投资不足15万元,后扶项目设计只能根据下拨项目资金控制项目规模。三是项目申报不科学、实施主体确定不规范。项目申报随意,编报年度项目建议计划不科学;有的县盲目实施招投标制,有的县却全部没有实行招投标制;在项目发包上,有的是县级移民管理机构,有的是移民村(组)。四是实行监理制难度大,项目质量控制不到位。水库移民扶持项目“多、小、杂”的特点导致项目实行监理制难度很大。五是资金拨付不及时,报账程序不够规范。移民扶持项目年度计划审查批复间隔长,跨年安排资金计划、资金拨付不及时,导致后扶项目实施严重滞后。县级报账程序不够规范,报账申请受理主体不明确。
原因分析
一是人力、财力不足。首先是移民管理机构专业管理人员缺乏,难以有效指导和监管项目实施。成立移民管理机构办公室的县,移民工作基本由新人管理,熟悉业务需要过程;在未成立移民管理机构办公室的县,移民工作由水利局1~2名工作人员兼职。面对越来越多的资金和项目,目前机构现有的人力资源显然满足不了需要。其次是工作经费不足。临汾市市县两级移民管理机构办公室主要依靠同级财政,都存在工作经费不足的问题。
二是制度建设滞后。为了加强和规范全省水库移民后期扶持项目资金管理,省财政厅、省水利厅联合制定了《山西省水库移民后期扶持项目资金使用管理暂行办法》(以下简称《暂行办法》),但随着移民工作的不断开展,各地实际情况千变万化,规定的项目审批、资金拨付、实施“三制”等方面与各地实际的实施情况不相适应,因而显得滞后了些。
三是扶持理念偏于保守。扶持项目没有特色,没有切实解决移民迫切需要解决的问题。纵观移民后期扶持“十一五”规划的实施,大多数为水利、交通项目。
这些项目或成为其他部门项目的整合资金,或是一些修修补补的项目,大多没有大的效果。
四是项目管理意识淡薄。项目申报按照由下而上的原则,部分县由于无力或无人监管,县级以上相关部门不能及时准确地掌握项目实施的具体情况。项目建成缺乏有效的管护,受益移民村(组)不能很好地履行项目运行管护职责,以致项目使用效率低下,更有甚者,由于不善管护,项目在短时间内被损坏废弃。
对策建议
1尽快出台相关制度
目前,《暂行办法》已经满足不了现行工作的需要,建议尽快全面修改和完善。一是明确在项目资金中提取一定的工作经费和项目管理费;二是应规范项目变更的原则、程序、数量和处罚措施;三是明确县级移民管理机构作为项目责任主体,负责项目的规划、设计、建设管理和技术指导,移民村(组)作为项目主体负责项目的建设和建成管护;四是褪去移民项目基建管理“本色”,移民扶持项目中不强制推行招投标制和监理制;五是规范县级报账程序,明确县级报账受理主体。
2加大资金投入力度,适时调整项目扶持方向
打破移民扶助项目资金补资金的特质,进一步明确移民扶持项目不寻求地方配套资金的原则,加大移民扶助资金年度投资规模。在全省两轮“五个全覆盖”工程的大背景下,在库区和移民安置区基础设施建设基本完成的情况下,适时地调整扶持方向,增加生产开发性扶助资金占有比,注重加大移民自我发展能力。
在工程规划设计中,随着计算机的广泛应用,多以长系列法进行兴利调节计算,但有时或因工作周期短,或因进行多方案比较,中小设计流域可能还受资料条件的限制等,典型年法还是有其独到的作用。在供水水库的兴利调节计算和水电站的水能计算中,由于供水过程是较为均匀的,典型年法和长系列法的成果较为接近,而对灌溉水库来说,由于其需水过程是不均匀的,有其相对的需水高峰,因此,选择不同的典型年份求得的灌溉库容与长系列成果可能差异较大。本文以贵州省遵义县水泊渡水库为例,说明典型年选择中应注意的问题。
2工程概况
遵义县水泊渡水库地处贵州省的北部,位于乌江的二级支流上,工程坝址以上集水面积241km2。流域多年平均降水量1040mm,多年平均径流量1.13亿m3,是一座以灌溉为主兼顾供水的中型水库,总库容6550万m3,设计灌溉面积11646.5hm2,城镇日供水4万t。灌区位于遵义县南部,是贵州的粮食主产区之一,作物组成以水稻为主,兼有小麦、油菜、玉米、茶园等粮食和经济作物,复种指数1.8~2.0,灌区多年平均干旱指数0.75,为一般干旱区,以夏旱为主,特别是伏旱影响最大。变化规律为三年一小旱,五年一中旱,十年一大旱。
流域属无资料地区,其径流计算以邻近的湘江站为参证站,采用水文比拟法结合降水修正来推求,用水过程则根据历年各种作物的设计节水灌溉定额推求。在所选用的1971~1996年资料系列中,丰平枯年份分别占9年、8年、9年,且包含了1975、1986、1993年等中等干旱年及1972、1981、1990年等大旱年,以及1977、1991年等丰水年,因此,其来、用水过程代表性较好,这为以下的分析研究打下了坚实基础。水库P=75%设计年来水量8840万m3,P=85%设计年来水量7800万m3。
3典型年比较
根据规范要求,该灌区位于南方多雨区,作物以水稻为主,其设计保证率的范围为75%~95%,本文主要针对P=75%和P=85%进行分析;调节性能的研究范围为不完全年调节至完全多年调节。灌区作物以种植中稻为主,并且以中稻的需水量为最大,其灌溉期为5~8月。根据湘江水文站水文年及(5~8)月平均流量系列,/%P=75%典型年选择1975、1979、1980、1993年进行比较,P=85%典型年选择1972、1981、1986、1990年进行比较,各典型年的年及(5~8)月平均流量和经验频率见表1、表2。
表1P=75%典型年比较表
ComparisonoftherunofffortypicalyearswithP=75%
--------------------------------------------------------------------------------
年径流
(5~8月)径流
年份
--------------------------------------------------------------------------------
Q(m3/s)
P(%)
Q(m3/s)
P(%)
--------------------------------------------------------------------------------
1975
7.41
74.07
12.4
62.96
1979
6.68
85.19
11.1
70.37
1980
7.65
66.67
10.4
77.78
1993
7.13
77.78
11.6
66.67
设计值
6.87
75.00
10.9
75.00
--------------------------------------------------------------------------------
表2P=85%典型年比较表
ComparisonoftherunofffortypicalyearswithP=85%
--------------------------------------------------------------------------------
年径流
(5~8月)径流
年份
--------------------------------------------------------------------------------
Q(m3/s)
P(%)
Q(m3/s)
P(%)
--------------------------------------------------------------------------------
1972
6.98
81.48
8.38
88.89
1981
5.17
92.59
8.13
92.59
1986
5.50
88.89
10.4
81.48
1990
4.03
96.30
5.83
96.30
设计值
6.09
85.00
9.14
85.00
--------------------------------------------------------------------------------
由表可见,对P=75%来说,1979年全年及(5~8)月实测流量与设计值最为接近,其它年份来水均比设计值丰沛;而对P=85%来说,1981、1990年的经验频率均高于设计频率,实测流量均小于设计值,1972、1986年的经验频率和实测流量与设计值相近,另外,1990年干旱是建国以来最严重的干旱,其重现期为50年一遇,1972年干旱排第二位。单从年和(5~8)月平均流量来说,P=75%典型年份选择1979年较好,P=85%典型年份选择1972年较好。
典型年年内径流分配过程以湘江水文站实测径流过程进行同频率修正,用水典型按长系列用水量进行选定,灌区P=75%年用水量6060万m3,P=85%年用水量6540万m3。为进行不同调节性能的比较,假定不同的年用水量放大系数(即表3、表4中的K),求得各个用水量相应的用水过程,进行长系列和典型年法兴利调节计算,长系列法求得的库容作为设计库容,成果见表3、表4。从表中可见:
(1)在P=75%的4个典型年中,以1975年为典型求得的库容与设计值最为接近,而以最理想的1979年为典型求得的库容为最小。各典型年年库容与设计库容的比值,最大为1.42倍,最婿为0.36倍。
(2)在P=85%的4个典型年中,以干旱最严重的1990年为典型求得的库容与设计值最为接近,而以比较干旱的1972年为典型求得的库容为最大,其它年份的库容均小于设计值,特别是年及(5~8)月平均流量的经验频率均达92.6%的1981年为典型求得的库容远小于设计值。各典型年年库容与设计库容的比值,最大为1.41倍,最婿为0.13倍。
表3P=75%不同典型年的年库容比较及年内亏水折算系数成果表
Comparisonofyearlystoragecapacityofeverytypicalyearand
conversioncoefficientofyearlydeficientwaterwithP=75%
--------------------------------------------------------------------------------
项目
K=0.54
K=1.00
K=1.08
K=1.28
K=1.46
K=1.58
K=1.67
K=1.76
--------------------------------------------------------------------------------
1975年
652
1599
1813
2376
2973
3452
3835
4176
1979年
240
821
936
1544
2320
2859
3293
3679
V年(万m3)
1980年
186
868
1029
1663
2439
2979
3413
3798
1993年
616
2037
2277
2915
3456
3832
4135
4403
--------------------------------------------------------------------------------
长系列V兴(万m3)
520
1435
1733
2434
3137
3788
4244
4635
--------------------------------------------------------------------------------
年内
亏水量
313
1107
1730
2288
亏水
库容折算系数
0.524
0.304
0.237
0.201
--------------------------------------------------------------------------------
调节性能
不完全
不完全
不完全
不完全
不完全
不完全
不完全
完全
年调节
年调节
年调节
年调节
多年调节
多年调节
多年调节
多年调节
--------------------------------------------------------------------------------
那么为什么不同的典型年求得的库容差异如此之大,而且与典型年选择的结论完全相悖呢?可以从历年的径流过程及灌区干旱特性来分析原因。虽然各个典型年的全年和(5~8)月的平均流量和经验频率与设计值较为接近,但其分配过程各异,因此,求得的库容千差万别。各典型年5~8月逐旬平均流量过程线见图1。图中可见:
表4P=85%不同典型年的年库容比较及年内亏水折算系数成果表
Comparisonofyearlystoragecapacityofeverytypicalyearandconversion
coefficientofyearlydeficientwaterwithP=85%
--------------------------------------------------------------------------------
项目
K=0.50
K=1.00
K=1.19
K=1.35
K=1.46
K=1.55
K=1.63
--------------------------------------------------------------------------------
V年(万m3)
1972年
877
2771
3498
4114
4542
4905
5231
1981年
86.6
1029
1993
2783
3332
3797
4214
1986年
443
954
1924
2714
3263
3728
4145
1990年
737
2040
2538
2959
3454
3919
4336
--------------------------------------------------------------------------------
长系列V兴(万m3)
646
1967
2731
3573
4336
5346
6473
--------------------------------------------------------------------------------
年内
亏水量
271
1389
2180
2877
3508
亏水
库容折算系数
0.714
0.443
0.404
0.496
0.609
--------------------------------------------------------------------------------
调节性能
不完全
不完全
不完全
不完全
不完全
不完全
完全
年调节
年调节
多年调节
多年调节
多年调节
多年调节
多年调节
--------------------------------------------------------------------------------
(1)P=75%:1975年属中等干旱年,6~8月较干旱;而1979年用水关键时期7~8月来水均匀;1980年干旱月份较少,6、7月份来水较丰沛;1993年径流分配过程较恶劣,5~7月来水较枯,其年库容为最大。因此,P=75%典型年选择1975年为宜。
(2)P=85%:1990年伏旱自7月份持续到8月底;而1972年的径流分配过程相当恶劣,5月下旬的径流量占(5~8)月径流总量的40%以上;1981年的来水丰枯交替出现,径流分配过程则较为均匀;1986年虽5月和8月来水较少,但5月份的用水也少。因此,P=85%典型年选择1990年为宜。
图1各典型年5~8月逐旬平均流量及均值过程线
Thetendaymeanflowdischargeanditsaveragevalueintheperiod
fromMaytoAugustineverytypicalyear
总之,由于典型年法要进行同频率修正,移用的是其径流分配率,因此,在选择典型年时,除了注意年、灌溉期实测流量和经验频率与设计值相近外,还应注意径流过程的代表性及灌区的干旱特性,可选择多个典型年分析、比较,以期选择最合适的典型年份,既经济又合理地确定水库规模。
4典型年法年内亏水的处理方法
当水库调节性能高于完全年调节时,当年来水不能满足需求,需进行多年调节。一般认为,水库的兴利库容由年库容和多年库容所组成。年库容由所选典型年推求;多年库容拦蓄丰水年的多余水量以补充枯水年的年水量的不足,多年库容一般用线解图法推求,这里提出一种较为简便的方法,就是将年内亏水按系数折算到兴利库容中。对于供水水库,年内亏水可全部作为兴利库容;对灌溉水库而言,因其用水过程不均匀,有相对集中的灌溉季节,水库可进行多回运用,因此不可能将年内亏水100%地计入库容,根据分析,从表3、表4可以看出,设计保证率愈高,年内亏水折算系数愈大,P=75%为0.20~0.50,P=85%为0.40~0.60;对于同一保证率来讲,以刚刚跨入多年调节时为最大。在省内其它地区,当流域的径流特性和灌区的作物组成、灌溉制度、复种指数等差别不大时,也可能存在着上述的变化规律。
另外,在现场踏勘或成果框算时,如果已知每亩田所需的灌溉库容,就能较快知道设计灌面所需的灌溉库容,从而确定水库的大致规模。对本灌区而言,P=75%时,完全年调节到完全多年调节每亩田所需的灌溉库容为190~240m3;P=85%时,则为210~360m3。当灌区的干旱特性及流域径流特性基本一致时,每亩田所需的灌溉库容相差不大。如:黔东灌区的道塘水库,P=85%每亩田所需的灌溉库容为220m3;独山南部灌区的谭尧水库,P=75%每亩田所需的灌溉库容为183m3(两库均属完全年调节性能)。
5几点结论
1.在灌溉水库的径流典型年选择中除了要求年、灌溉期径流实测值及经验频率与设计值相近外,同时径流的分配过程也要与设计保证率相匹配,可结合灌区的干旱特性选择多个典型年份进行分析、比较,以合理、准确地确定工程规模。