陽谷縣高效節(jié)水管道灌溉工程設(shè)計(jì)初探

任國勇，侯玉霞，牛文斌，賈麗君

(山東省陽谷縣水務(wù)局，山東 陽谷 252300)

1 概況

1.1 地理位置

陽谷縣地處山東省西部，項(xiàng)目區(qū)位于陽谷縣張秋鎮(zhèn)北部。轄區(qū)總面積53 km2，總?cè)丝?萬人。項(xiàng)目區(qū)共涉及24個村，人口20 773人，耕地面積3.33萬畝。

1.2 項(xiàng)目區(qū)地形、地貌

項(xiàng)目區(qū)地勢由西南向東北緩傾，平均坡降為1/6 000～1/7 000之間。歷史上黃河曾多次在境內(nèi)泛濫，改道，沖決，泥沙淤積，逐漸形成了微度起伏的緩崗、緩平坡地、淺平洼地三種微地貌類型相間的現(xiàn)代平原地形。

1.3 水文氣象

項(xiàng)目區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫13.3℃。

1.4 工程設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)本縣項(xiàng)目區(qū)的工程實(shí)際，進(jìn)行河渠提水管道灌溉高效節(jié)水工程典型設(shè)計(jì)

根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》SL207－98和《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50288—99，本次規(guī)劃依據(jù)以下主要技術(shù)指標(biāo):

①項(xiàng)目區(qū)內(nèi)灌溉水利用系數(shù)不低于0.85。

②田間水利用系數(shù)不低于0.85。

③管道輸水灌溉應(yīng)滿足:固定管道每畝不低于6 m長，支管間距單向布置不大于75 m，雙向布置不大于150 m，出口間距不大于50 m。

④實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉后，項(xiàng)目區(qū)糧食產(chǎn)量增加10.5%以上，棉花增產(chǎn)10%以上，糧食灌溉水分生產(chǎn)率達(dá)到1.20 kg/m3以上。節(jié)水灌溉項(xiàng)目效益費(fèi)用比應(yīng)大于1.2。

2 高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)

2.1 基本資料

河渠提水管道工程典型項(xiàng)目位于張秋鎮(zhèn)西部，包括西沙、花園等村部分耕地，該區(qū)域地勢較高，北干渠來水量較大，群眾多使用小白龍輸水，為提高農(nóng)田灌溉集約化水平，減少群眾投資和農(nóng)田灌溉大量的投工，推進(jìn)灌區(qū)管理“三位一體”模式的發(fā)展，可以通過建設(shè)提水泵站和輸水管網(wǎng)，滿足群眾農(nóng)業(yè)灌溉的需要，促進(jìn)農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)豐收。項(xiàng)目區(qū)域面積東西長1 400 m，南北寬700 m，耕地面積1 469畝，溝渠來水為陶城鋪灌區(qū)北干渠，灌溉季節(jié)水量較充足。經(jīng)化驗(yàn)分析，北干渠水質(zhì)符合農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目區(qū)西邊界緊靠南運(yùn)西溝，東邊界為井陽崗二期工程，南邊為北干渠，區(qū)內(nèi)有田間路與排水農(nóng)溝貫穿其中。該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植小麥、玉米作物為主，一年兩季，南北向種植。

2.2 灌溉制度的確定

2.2.1 作物需水量的確定

根據(jù)小麥、玉米的需水規(guī)律，其需水高峰期在小麥灌漿期，平均需水強(qiáng)度 Ea=5.7 mm/d。

2.2.2 設(shè)計(jì)灌水定額及灌水周期

1)設(shè)計(jì)灌水定額。

區(qū)內(nèi)作物為一年兩作，小麥?zhǔn)切杷看蟮淖魑?而玉米生長期正逢雨季，適時(shí)灌水即可;蔬菜需水量大，灌水次數(shù)多，但次定額小，且面積小，因此設(shè)計(jì)時(shí)以小麥月需水量最高灌漿期確定灌水定額。即:

式中:m為設(shè)計(jì)灌水定額(mm);γ為土壤容重(g/cm3)，取 γ=1.45;h為計(jì)劃濕潤層深度，取 h=0.60 m;P1、P2為土層適宜含水率的上限、下限(占干土重%)，分別取田間持水率的95%和65%;η田為田間水利用系數(shù)，取 η田=0.85。取田間持水量為22%，則:

2)灌水周期

式中:T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期(d);W為最大平均需水強(qiáng)度(mm/d)，取W=5.7 mm/d;其他符號意義同前。

2.2.3 工程總體布置

依據(jù)地形、地塊、道路等情況布置管道系統(tǒng)，使管線最短，控制面積最大，便于機(jī)耕，管理方便。并盡可能雙向分水，方便澆地、節(jié)水，長畦改短。

在1 090 m×490 m的典型地塊內(nèi)，水源位于地塊西北方向的路邊處，管道采用干管、支管分片控制相結(jié)合。為運(yùn)行管理方便，從泵站布置干管一條，長度為660 m，支管沿東西方向垂直于干管布置，共布置支管12條，總長8 400 m，給水栓沿支管布置，間距50 m，全地塊共布置168個地面給水栓。給水栓雙向分水控制灌溉，給水栓上可連接移動式輸水軟管代替田間毛渠灌溉。

詳見高效節(jié)水管灌管網(wǎng)布置圖

沿地塊南邊緣修田間路一條，北邊緣開挖疏浚排水溝。田間積水排向毛溝，再由毛溝排入斗溝。

2.2.4 灌溉設(shè)計(jì)流量的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天工作的時(shí)間，按下式計(jì)算確定系統(tǒng)灌溉設(shè)計(jì)流量。

式中:Q為管道系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)流量，m3/h;η為灌溉水利用系數(shù)，取0.85;A為控制面積，畝;m為灌水定額，mm;T為灌水周期，d，取10 d;t為灌水時(shí)間，h，取20 h;其他符號意義同前。

2.2.5 高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)工作制度確定

管道灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為389.34 m3/h，系統(tǒng)工作采用最優(yōu)灌溉的輪灌制度。

每個給水栓的出水量30 m3，因此，以6條支管為一個輪灌組，每條支管同時(shí)開2個給水栓。

1)毛灌水定額

經(jīng)計(jì)算得:m毛=53.01 m3/畝

2)一次灌水時(shí)間

式中:A0為單口控制灌溉面積，畝;由管網(wǎng)布置知，A0=1 469/168=8.74畝;q0為單口流量，m3/h;每次開口1個，q0=30 m3/h，則:t次 =16 h

3)輪灌制度

輪灌組數(shù)N計(jì)算如下:

式中:N為輪灌組數(shù)目;C為每天能工作的時(shí)間，小時(shí);取C=20 h;t為一次灌水延續(xù)時(shí)間，小時(shí);取t=16 h;T為灌水周期，天;取T=10 d;計(jì)算得:N=12.5取N=13

2.3 管道灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算

2.3.1 管材及管徑選擇

固定管道包括干管、支管，均埋于地下，采用UPVC塑料管材。

按經(jīng)濟(jì)流速法確定各級管徑:

式中:d為管內(nèi)徑，mm;Q為流量，m3/h;V為經(jīng)濟(jì)流速，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288－99)V=1.0～1.5 m/s，取 1.5 m/s;

干管最大流量為389.34 m3/h，支管流量為60 m3/h

經(jīng)計(jì)算得:干管選用Ф315的UPVC塑料管材、支管選用Ф125的UPVC塑料管材。

2.3.2 管網(wǎng)水力計(jì)算

以系統(tǒng)最不利運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)來進(jìn)行系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算，此時(shí)固定管長1 360 m，其中:干管長660 m，支管長700 m，2個給水栓運(yùn)行。

沿程水頭損失計(jì)算:

式中:hf為管道沿程水頭損失，m;f為摩阻系數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，f=0.948×105;m為流量指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，m=1.77;b為管徑指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，b=4.77;L為計(jì)算管道長度，m;Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h;d為管道內(nèi)徑，mm。

固定管道沿程水頭損失:

局部水頭損失按總沿程水頭損失的10%計(jì)。

設(shè)移動軟管水流出口水壓為0.2 m，軟管出口與進(jìn)水管口高差相同，則管網(wǎng)所需水壓力為

2.3.3 設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定與水泵的選擇

設(shè)計(jì)揚(yáng)程 H=h凈+hg+h泵=2.5+13.60+1.0=17.10(m)

式中:h凈為渠道正常水位到管網(wǎng)進(jìn)水口的高度，m;hg為輸水管網(wǎng)需要的壓力水頭，m;h泵為水泵管路損失，m。

2.3.4 水泵選型

根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)揚(yáng)程17.10 m和系統(tǒng)流量389.34 m3/h，參考水泵資料，擬配水泵:1臺套200 HW－12s型潛水泵，配套功率18.5 kW。

2.4 首部樞紐及管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管網(wǎng)首部包括進(jìn)排氣閥、閘閥、逆止閥、水表等設(shè)施。另外，在管網(wǎng)系統(tǒng)每500m設(shè)進(jìn)氣閥一套。在管道拐彎處或直管段超過30m設(shè)置鎮(zhèn)墩。

為防止管管系統(tǒng)管網(wǎng)泥沙淤積，解決冬天系統(tǒng)的防凍漲問題，在系統(tǒng)管網(wǎng)的最低處設(shè)排水閥。

管道灌溉區(qū)干管1條，Ф315UPVC管，長度660 m;支管12條，Ф125UPVC管，長度8 400 m;共布置管道長度9 060 m，給水栓168個;每條支管進(jìn)口處設(shè)閘閥，支管末端設(shè)排水閥。

3 效益分析

項(xiàng)目完成后，不僅節(jié)約灌溉用水量、增加農(nóng)田灌溉面積、增加地方農(nóng)民收入、改善人民生活、為我縣農(nóng)業(yè)的后續(xù)發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)為我縣農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施日益完善及其功能、效益的發(fā)展方向提供技術(shù)支持和引領(lǐng)導(dǎo)航作用。同時(shí)，具有良好的生態(tài)與環(huán)境效益。將有效地減少農(nóng)業(yè)灌溉用水，可使田間肥力得到保護(hù)，有利于地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，改善了田間小氣候，防止了畦田沖刷，起到了水土保持效果。具有顯著的生態(tài)及環(huán)境效益。

項(xiàng)目實(shí)施后，特別是高效節(jié)水灌溉工程的建設(shè)，有限度地開采地下水，使地下水得以涵養(yǎng)，使人與自然和諧相處，有利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 河道提水管道工程典型布置圖

［1］SL207—98.節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范

［2］GB－50288－99.灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范.

［3］SL/T153－95.低壓管道輸水灌溉技術(shù)規(guī)范.

［4］GB5084—92.農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

［5］SDJ72—94.水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)規(guī)范.