阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計

楊斌，莊健元

摘 要：自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計項目旨在通過實施灌區(qū)節(jié)水改造，將灌區(qū)當前的渠道輸水和大水漫灌改造為管道輸水和自壓管灌，提高輸水效率，緩解灌區(qū)水資源短缺問題和水資源供需予盾，降低農(nóng)業(yè)用水比重，以保證生態(tài)供水，遏制日益惡化的生態(tài)問題。

關(guān)鍵詞：紅柳灣灌區(qū);節(jié)水改造;自壓管灌

文章編號：1004-7026（2019）16-0077-04 ? ? ? ? 中國圖書分類號：S274 ? ? ? ?文獻標志碼：A

1 ?灌區(qū)概況

阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)位于阿克塞縣城北偏西方向約7 km處，平均海拔1 650 m，日照充足，是西北地區(qū)典型的荒漠綠洲灌溉牧業(yè)區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)有居民297戶，灌溉面積533 hm2，種植作物以玉米、紫花苜蓿、飼草及瓜菜為主。

2 ?目前存在的問題

紅柳灣灌區(qū)水利工程建于20世紀六七十年代，經(jīng)過幾十年的運行，灌區(qū)現(xiàn)存的主要問題有：①渠道輸水效率低，損失嚴重;②田間工程配套標準低，灌水技術(shù)落后，水資源浪費嚴重;③項目區(qū)水資源短缺，水資源供需矛盾突出。

灌區(qū)現(xiàn)有一條綠源水庫至紅柳灣灌區(qū)灌溉支渠，總長5.306 km，支渠前段3.09 km為砼無壓埋管，管徑0.8 m，埋管段管道接頭多處松動移位，滲漏嚴重，局部埋管裸露;支渠后段為砼預(yù)制“U”型渠，凍脹變形嚴重，渠道雜草叢生。支渠控制6條灌溉斗渠，從支渠分水后均由西南向東北行進，目前斗渠均為砼預(yù)制“U”形渠，凍脹破壞嚴重，預(yù)制塊接縫處雜草叢生。

3 ?工程任務(wù)及建設(shè)內(nèi)容

自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計項目為《敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護綜合規(guī)劃》的子項目（以下簡稱為《綜合規(guī)劃》）。旨在通過實施灌區(qū)節(jié)水改造，將灌區(qū)目前的渠道輸水和大水漫灌改為管道輸水和自壓管灌，提高輸水效率，改進灌水技術(shù)，緩解灌區(qū)水資源短缺問題和水資源供需予盾。項目實施后使紅柳灣灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)由目前的0.55提高到0.77，綜合毛節(jié)水量214萬m3，綜合凈節(jié)水量93萬m3。

根據(jù)《綜合規(guī)劃》及現(xiàn)場踏勘，確定阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)節(jié)水改造工程的主要建設(shè)內(nèi)容如下。①骨干工程。鋪設(shè)綠源水庫—紅柳灣灌區(qū)自壓輸水干管1條，長度為4.649 km，配套干管附屬建筑物15座，包括有壓進水前池1座，閘閥井5座，排水井5座，補、排氣閥井4座;鋪設(shè)分干管5條，總長15.43 km（5分干已改造）。②田間工程。配套自壓管灌533 hm2（5分干控制灌溉面積已改造為管灌，本工程設(shè)計負責與其對接）。

4 ?工程設(shè)計

4.1 ?工程總體設(shè)計

利用灌區(qū)水源點至灌溉地塊的高程落差，形成自壓輸水和管道灌溉，具有節(jié)水、節(jié)能、省地、省工、適應(yīng)性強、灌水成本低等優(yōu)點。綠源水庫是阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)的灌溉水源，灌區(qū)目前灌溉支渠是從綠源水庫取水，經(jīng)水力學(xué)推算，由于綠源水庫壩后灌溉支渠高程就能滿足有壓流輸水至灌溉地塊的水力條件，故本次設(shè)計考慮到水庫壩下新增設(shè)埋管取水對大壩的安全運行可能造成隱患。在取水高程滿足要求的前提下，直接在壩后灌溉支渠段設(shè)有壓進水前池，轉(zhuǎn)換明流為有壓流，輸水至田間地塊進行自壓管道灌溉[1-3]。

4.2 ?管道分級及布置

低壓管道灌溉工程技術(shù)管網(wǎng)布置原則為管道級數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)灌溉面積和經(jīng)濟條件等因素確定。旱作區(qū)，當系統(tǒng)流量小于30 m3/h時，可采用一級固定管道;系統(tǒng)流量在30～60 m3/h時，可采用干管、支管兩級固定管道;系統(tǒng)流量大于60 m3/h，可采用兩級或多級固定管道。按照上述管網(wǎng)工程布置及管道級別劃分原則，自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計流量為0.35 m3/s（1 256 m3/h），遠大于60 m3/h，輸水系統(tǒng)管道級別按照多級考慮。根據(jù)地塊形狀及工程布置，自壓管灌系統(tǒng)管網(wǎng)按照干管、分干管及支管3級布置。干管、分干管列入骨干工程，支管劃入田間工程進行設(shè)計。

紅柳灣灌區(qū)現(xiàn)在輸水支渠前段為無壓砼埋管（長約3.1 km），無壓管承壓值較低且管道破損嚴重，不能滿足有壓管道輸水要求，故設(shè)計考慮在原無壓管道一側(cè)平行原無壓管新鋪設(shè)有壓管道1條，因新鋪設(shè)有壓埋管占用的大多是荒灘地，征占地補償費用較低，同時原管道拆除工程量較大，為節(jié)約工程投資，且作為備用灌溉系統(tǒng)，故不拆除灌區(qū)原無壓灌溉支渠。

干管布置從技術(shù)經(jīng)濟角度考慮，需本著長度最短的原則直線布置，工程干管平行于灌溉支渠由東南向西北方向布置。干管下共布置有6條分干管，1分干、2分干、3分干、4分干、6分干為本工程建設(shè)內(nèi)容，均沿現(xiàn)有斗渠由西南向東北方向布置;5分干管及其下屬支管為已批復(fù)要實施的2011年度牧區(qū)節(jié)水灌溉示范項目建設(shè)內(nèi)容，本次設(shè)計不考慮5分干及其下屬支管配套改造，僅在干管5分干分水位置設(shè)控制分水閘閥。各分干管起始端設(shè)閘閥井安裝閘閥，控制干管向各分干管分水。管道埋設(shè)深度根據(jù)該灌區(qū)最大凍土深度確定，紅柳灣灌區(qū)歷年最大凍土深度為1.78 m，管道最小埋深取1.8 m。

4.3 ?干管、分干管設(shè)計流量推算

灌區(qū)干管、分干管為續(xù)灌，干管同時控制6根分干管進行灌溉（干管考慮給5分干管的供水流量，但不考慮5分干管及其下屬支渠的配套改造）。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50288—99）及干管控制灌溉面積，參照設(shè)計水平年的灌溉制度及有關(guān)參數(shù)，干管、分干管設(shè)計流量按下式進行計算。

Q=qA/η ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q為管道設(shè)計流量，m3/s;q為設(shè)計灌水率;η為灌溉水利用系數(shù)，取0.8;A為控制灌溉面積，取0.8。

經(jīng)計算，干管設(shè)計流量為0.35 m3/s，各分干管設(shè)計流量為0.055 m3/s。

4.4 ?管材、管徑選擇

4.4.1 ?管材選擇

根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)工作壓力[4]，按照經(jīng)濟可靠、運行安全、安裝方便的原則，在灌區(qū)多年實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，干管、分干管、支管均采用PVC-U管。

4.4.2 ?管徑選擇

管道管徑按照經(jīng)濟流速確定，參照《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203—2006），經(jīng)濟流速取V=1.2 m/s，管徑按下式計算。

D=18.8（Q/V）1/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：D為管道內(nèi)徑，mm;Q為設(shè)計流量，m3/h，取值為0.35 m3/s、0.055 m3/s;V為經(jīng)濟速度，m/s。

根據(jù)水力學(xué)計算和管材規(guī)格，確定干管管徑為φ560 mm;分干管管徑為φ250 mm。

4.5 ?管網(wǎng)水力計算

管網(wǎng)水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，分別按照下式計算[5-8]。

4.5.1沿程損失

沿程水頭損失計算采用下式計算。

hf=■fL ? ? ? ? ? ?（3）

式中：hf為沿程水頭損失，m;f為管材摩阻系數(shù)，取0.948×105;Q為流量，m3/h;D為管道內(nèi)徑，mm;L為管長，m;m為流量指數(shù)，取1.77;b為管徑指數(shù)，取4.77。

4.5.2 ?局部水頭損失

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算。阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)自壓管灌工程主要節(jié)點水力學(xué)計算示意圖見圖1，主要節(jié)點水力學(xué)計算見表1。

4.5.3 ?主要節(jié)點水頭計算

從計算表可以看出，各支管最遠端A2、B2、C2、D2、F2點自由水頭分別為8.5 m、5.8 m、7.3 m、6.3 m、2.0 m，滿足低壓管灌2 m出水水頭的要求。

4.6 ?附屬建筑物設(shè)計

本項目共建設(shè)各類干管附屬建筑物15座，其中有壓進水前池1座，閘閥井5座，排水井5座，補、排氣閥井4座。

4.6.1 ?有壓進水前池

為滿足有壓進水要求，在綠源水庫壩后灌溉支渠段新建有壓進水前池1座，擬定池長16.6 m、寬4 m、深3.9 m，采用現(xiàn)澆C20鋼筋砼，底板厚70 cm，側(cè)墻底端厚70 cm，側(cè)墻上端厚40 cm，前池進口端以1∶4邊坡接上游綠源水庫原無壓引水管，出水端預(yù)埋φ560 mm有壓輸水干管及溢流管，設(shè)閘閥控制。前池地基底面做夯實處理，置換60 cm厚砂礫石墊層。

4.6.2 ?閘閥井

本次改建在分干管首端安裝閘閥共5座。管道分水由閘閥控制，閘閥井為圓形，直徑1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂漿砌磚，厚24 cm，井蓋采用C20鋼筋砼預(yù)制件，厚6 cm。

4.6.3 ?排水井

分干管末端地勢低處設(shè)置排水井。排水井為圓形，直徑1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂漿砌磚，厚24 cm，井底設(shè)長×寬×深=30 cm×30 cm×60 cm滲水池，滲水池內(nèi)填粒徑10～30 mm碎石，井蓋采用C20鋼筋砼預(yù)制件，厚6 cm。

4.6.4 ?補、排氣閥井

主干管每隔1.0 km左右在管道凸起點設(shè)補、排氣閥井。補、排氣閥井為圓形，直徑1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂漿砌磚，厚24 cm，井蓋采用C20鋼筋砼預(yù)制件，厚6 cm。

4.6.5 ?建筑物地基處理設(shè)計

砂礫石地基：夯實相對密度不低于0.7、干密度不低于21 kN/m3且不小于天然干密度的1.05倍。

土類地基（砂壤土、粉質(zhì)壤土等）：表層置換0.5 m厚砂礫石墊層并對建基面進行表面夯實，壓實度大于0.93。

4.7 ?田間工程設(shè)計

灌溉支管垂直于分干管單側(cè)布置，與分干管成梳齒狀，支管間距約50 m，可根據(jù)地塊規(guī)格適當調(diào)整，支管上每隔約50 m設(shè)置出水栓，出水栓設(shè)置在地埂邊，便于控制灌溉，每個出水栓控制的灌溉面積約0.25 hm2。

5 ?運行管理

（1）運行時每條分干管上同時開啟3條支管，杜絕單管運行，每條支管開啟1個出水口。

（2）每次運行時，必須先打開出水口，不允許先開閥后開出水口;嚴格執(zhí)行先開后關(guān)的原則，即先開下一輪灌組的出水口，才能關(guān)閉上一輪灌組的出水口。

（3）秋季灌溉結(jié)束后，利用分干管及支管末端放空閥井及時將管道內(nèi)余水排干，防止凍冰[9]。

6 存在的不足及需改進的地方

自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計項目可以緩解灌區(qū)水資源短缺問題和水資源供需予盾，在實施、應(yīng)用過程中，需要注意以下方面。

（1）主干管按照設(shè)計流量給分干管平均分流實現(xiàn)較難。由于項目資金有限，未配備自動化控制裝置，通過手動閘閥較難實現(xiàn)主干管給各分干管的平均分流。

（2）較難實現(xiàn)控制出水栓按照設(shè)計輪灌組有序灌溉。應(yīng)通過培訓(xùn)，使灌區(qū)農(nóng)民熟練掌握自壓管灌灌水技術(shù)及運行管理規(guī)程。

參考文獻：

[1]曹貽佼，張燕，張洪偉.龍口市石門自壓管灌工程設(shè)計[J].山東水利，2013（10）：45-46.

[2]谷俊武.自壓管灌系統(tǒng)在陽武河灌區(qū)節(jié)水改造中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2006（3）：53-54.

[3]鄭淑榮，肖干，張芝萍.陽武河灌區(qū)發(fā)展自壓管灌系統(tǒng)可行性探討[J].山西水利，2001（S1）：13-14.

[4]蘇保國.山區(qū)自流灌區(qū)自壓管道灌溉技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008（2）：14-16.

[5]張晶晶，薛翠珍，呂升東.水庫自壓管灌及微噴灌技術(shù)研究[J].山東水利，2005（1）：48.

[6]朱愛慶.農(nóng)田低壓管道輸水灌溉節(jié)水技術(shù)[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，1996（7）：23-24.

[7]呂賢勝，袁兆志，周明君.利用山區(qū)水庫塘壩發(fā)展自壓管道灌溉[J].山東水利科技，1994（3）：60-61.

[8]趙元忠，胡想全.引黃灌區(qū)自壓“管灌”特點及幾個技術(shù)問題探討[J].甘肅水利水電技術(shù)，1995（1）：53-56.

[9]肖漢，朱海峰.自壓管道輸水灌溉技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用[J].科技促進發(fā)展，2010（8）：60.