大屯水庫(kù)圍壩工程斜坡草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董衛(wèi)軍，黃 茜，任澤儉，呂寧江

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；3.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

1 水庫(kù)圍壩工程現(xiàn)狀

南水北調(diào)東線大屯水庫(kù)位于山東省德州市武城縣郝王莊鎮(zhèn)恩縣洼東側(cè)，主要向德州市德城區(qū)和武城縣城供水，主要建筑物包括圍壩、德州供水洞、武城供水洞及入庫(kù)泵站等。水庫(kù)庫(kù)底采用兩布一膜防滲，圍壩上游壩面采用復(fù)合土工膜防滲。水庫(kù)底高程19.15 m，圍壩軸線總長(zhǎng)8 913.99 m，壩頂高程32.30～32.65 m，壩頂?shù)缆穼?.5 m，下游壩坡坡比1∶2.5，壩后在27.6 m高程處設(shè)20 m寬壓重平臺(tái)。水庫(kù)南側(cè)和北村圍壩外設(shè)截滲溝，水庫(kù)西側(cè)利用利民河、東側(cè)利用六五河作為截（排）滲溝，使水庫(kù)周圍形成完整的排水體系。

水庫(kù)圍壩表層土以壤土為主，壩后上部斜坡全部種植草皮護(hù)坡，以狗牙根為主、高羊毛為輔。斜坡長(zhǎng)11.75～12.25 m，草坪總面積11.23 hm2，田間持水量23%，土壤容重1.35 g/cm3。壓重平臺(tái)寬度20 m，在壓重平臺(tái)以及外側(cè)套種白臘樹(shù)，面積52.8 hm2，種植間距3 m×3 m，樹(shù)高3～5 m、胸徑4～8 cm。工程投入運(yùn)行后，人工澆灌草坪和喬木不及時(shí)，部分護(hù)坡草皮及苗木干枯，起不到護(hù)坡的作用，造成圍壩水土流失。因此，為了防止壩坡不被雨水嚴(yán)重沖蝕，采用灌溉方式彌補(bǔ)自然降水在數(shù)量上不足和時(shí)空上的不均、保證適時(shí)適量地滿足草坪生長(zhǎng)所需水分的重要措施十分必要。

2 灌溉形式選定

草坪一般是采用噴灌或者微噴灌的灌溉形式。其中，微噴灌的灌溉水利用率和均勻度較高，但是對(duì)水質(zhì)要求也較高，灌溉水必須進(jìn)行過(guò)濾，且易受雜草、作物莖稈的阻擋而影響噴灑質(zhì)量，噴頭也需要布置很多，一次性投資較大。因此，本工程草坪灌溉采用噴灌形式。

噴灌系統(tǒng)類型主要包括固定式噴灌系統(tǒng)、移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)和半固定式噴灌系統(tǒng)[1]。其中，固定式噴灌系統(tǒng)需要大量管材，單位面積投資雖然高，但運(yùn)行管理方便，極為省工，運(yùn)行成本低，工程占地少，地形適應(yīng)性強(qiáng)，便于自動(dòng)化控制，灌溉效率高；移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)和半固定式噴灌系統(tǒng)設(shè)備利用率相對(duì)較高，可降低單位面積投資，操作也相對(duì)靈活，但與固定式噴灌系統(tǒng)相比管理強(qiáng)度大、用工多、工作時(shí)占地也較多。綜上分析，本工程采用了固定式噴灌系統(tǒng)方案。

3 壩后斜坡草坪噴灌設(shè)計(jì)

3.1 取水點(diǎn)設(shè)置

由于水庫(kù)內(nèi)的水質(zhì)比水庫(kù)周邊的截滲溝水質(zhì)好，而且水量也能得到保障，所以以水庫(kù)為水源地。根據(jù)德州、武城2個(gè)供水洞和入庫(kù)泵站布置情況，將取水點(diǎn)位置設(shè)為3處，同時(shí)將壩坡灌溉區(qū)域按照取水泵站的布置情況劃分為3片灌溉區(qū)域。其中，片區(qū)一在出水閘處新建1#泵站，控制樁號(hào)為0+000—0+986和7+650—8+913，灌溉壩后斜坡草坪面積2.83 hm2；片區(qū)二在武城供水洞壩后出水池處新建2#泵站，控制樁號(hào)為0+986—4+360，灌溉壩后斜坡草坪面積4.25 hm2；片區(qū)三在德州供水洞壩后出水池處新建3#泵站，控制樁號(hào)為4+360—7+650，灌溉壩后斜坡草坪面積4.15 hm2。

3.2 壩后斜坡草坪噴灌

3.2.1 基本情況

根據(jù)圍壩現(xiàn)狀、種植條件和當(dāng)?shù)卣舭l(fā)、降雨條件及參考文獻(xiàn)[2]的要求，壩后斜坡草坪噴灌主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值如下：草坪設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度為ETd=4.0 mm/d，土壤濕潤(rùn)比為p=100%，計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度為z=0.4 m，設(shè)計(jì)灌水均勻系數(shù)為Cu=98%，灌溉保證率為85%，草坪霧化指標(biāo)為2 000～3 000。

3.2.2 噴頭選型及組合布置

（1）噴頭選型。草坪抗水滴擊打強(qiáng)度高，所以選用中壓強(qiáng)度的PGP綠色大流量伸縮半圓形噴灑噴頭。該噴頭接口外徑為20 mm，工作壓力為300 kPa，噴水量為2.61 m3/h，射程為13.1 m。壩坡長(zhǎng)11.75～12.25 m，所以噴頭均布置于壩頂外側(cè)，采用等間距布置，間距為12.0 m。

（2）末級(jí)噴灌系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要構(gòu)件由3/4"PGP噴頭、3/4"千秋架、dn75×20PE異徑三通組成，如圖1所示。

圖1 PGP噴頭末級(jí)噴灌系統(tǒng)

3.2.3 管網(wǎng)系統(tǒng)布置

由于壩后灌溉區(qū)整體為環(huán)形區(qū)域，所以布置管道分為主干管、分干管、支管，所有管道均埋于地下，選用PE管材。其中，2條主干管（平行于壩軸線）沿壩體壓重平臺(tái)向兩側(cè)布置，分干管垂直于干管布置，支管垂直于分干管布置。該固定式噴灌區(qū)為帶狀，長(zhǎng)8 913 m，寬12.6 m；區(qū)內(nèi)布置分干管44條，每條分干管上布置2根支管，通過(guò)干管輸水。

4 灌溉制度設(shè)計(jì)

4.1 噴灌噴灑水利用系數(shù)

噴灌噴灑水利用系數(shù)可按下式確定：

式中：η為噴灑水利用系數(shù)；ηg為管道水利用系數(shù)，一般取0.95～0.98；ηp為田間噴灑水利用系數(shù)，武城地區(qū)是半干旱狀態(tài)，灌溉季節(jié)多年平均風(fēng)速低于3.4 m/s，故取為0.85。

經(jīng)計(jì)算，得到η=0.83。

4.2 噴灌制度確定

4.2.1 一次灌溉用水量

設(shè)計(jì)灌水定額可按下式確定：

式中：m為設(shè)計(jì)灌水定額（mm）；θmax，θmin分別為適宜土壤含水量上、下限（占干土重的百分比）；z為計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度（cm）；p為土壤濕潤(rùn)比；γ為土壤容重（g/cm3）。

經(jīng)計(jì)算，得到m=31.05 mm，即一次灌溉用水量為310.5 m3/hm2。

4.2.2 設(shè)計(jì)灌水周期

設(shè)計(jì)灌水周期可按下式確定：

式中：T為設(shè)計(jì)灌水周期（d）；ETd為草坪設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度（mm/d）；其余變量含義同上。

經(jīng)計(jì)算，得到T=7 d。

4.2.3 以片區(qū)二為例的噴灌設(shè)計(jì)流量

噴灌設(shè)計(jì)流量可按下式計(jì)算：

式中：Q為噴灌設(shè)計(jì)流量（m3/h）；A為灌溉控制面積（hm2）；t為一個(gè)工作位置的灌溉時(shí)間（h）；其余變量含義同上。

本噴灌系統(tǒng)從3處水源點(diǎn)取水，這里以最大控制面積片區(qū)二為例進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，得到Q=18.94 m3/h。

4.2.4 一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間

一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間按下式計(jì)算：

式中：a為噴頭間距（m）；b為支管間距（m），取12.0 m；qp為噴頭設(shè)計(jì)流量（m3/h），選用2.61 m3/h；其余變量含義同上。

經(jīng)計(jì)算，得到t=2.06 h。

4.2.5 最大輪灌組計(jì)算

最大輪灌組數(shù)量按下式計(jì)算：

式中：Nmax為輪灌組數(shù)量（個(gè)）；C為設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間（h），取12 h；其余變量含義同上。

經(jīng)計(jì)算，得到Nmax=40個(gè)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置情況，壩后斜坡采用1條主干管，草坪噴灌設(shè)計(jì)流量為18.94 m3/h，每個(gè)取水點(diǎn)控制面積內(nèi)的PGP噴頭共有248個(gè)，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行輪灌。灌溉中，采用輪流開(kāi)啟分干管的灌溉制度，結(jié)合工作水頭偏差率要求，每個(gè)輪灌組有2個(gè)分干管，每個(gè)分干管布置噴頭18個(gè)，所以每個(gè)輪灌組共有36個(gè)PGP噴頭，即輪灌組數(shù)為7個(gè)，小于最大輪灌組數(shù)。

5 管網(wǎng)水力計(jì)算

5.1 初選管徑

管網(wǎng)最不利的運(yùn)行狀態(tài)為位于分干管尾部支管工作狀態(tài)，現(xiàn)取分干管控制長(zhǎng)度為216 m的地塊進(jìn)行水力計(jì)算。

支管、分干管流量計(jì)算公式為：

式中：Q支為支管流量（m3/h）；Q分干為分干管流量（m3/h）；N為支管條數(shù)，取2條；其余變量含義同上。

經(jīng)計(jì)算，得到Q支=23.49 m3/h、Q分干=46.98 m3/h。

5.1.1 支管管徑

若按支管能量損失應(yīng)滿足hw≤0.2Hp=hf+hj的條件、支管局部水頭損失按hj支=10%hf估算，則hf=0.182Hf，通過(guò)沿程水頭損失計(jì)算式后，得到支管管徑計(jì)算公式為：

式中：d支為支管管徑（mm）；b為管徑指數(shù)，塑料管取4.77；f為摩阻系數(shù)，取0.948×105；m為流量指數(shù)，取1.77；Hp為噴頭工作水頭（m），取30 m；Q支為支管流量（m3/h）；F為多口系數(shù)，取0.387；L為支管長(zhǎng)度（m），取102 m。

經(jīng)計(jì)算，得到d支=53.97 mm。為此，支管選擇PE80-dn75-0.8 MPa管材。

5.1.2 分干管管徑

分干管管徑計(jì)算公式為：

式中：d分干為分干管管徑（mm）；v為管中流速（m/h）；Q分干為分干管流量（m3/h）。

經(jīng)計(jì)算，得到d分干=101.87 mm。為此，分干管選擇PE100-dn110-0.8 MPa管材。

5.1.3 干管管徑

由于主干管為2個(gè)干管，為保證灌溉均勻度，灌溉時(shí)一側(cè)干管開(kāi)啟同高程上相鄰2條分干管，依次輪灌。最不利工況下，干管流量Q干=93.96 m3/h，則干管管徑由式（10）計(jì)算得到d干=166.35 mm。

由于干管較長(zhǎng)，為減少水頭損失和保證輪灌組內(nèi)噴灌均勻度，干管選擇PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.1.4 主干管管徑

由于主干管流量Q主干=Q干=93.96 m3/h，所以主干管管徑亦由式（10）計(jì)算得到 d主干=166.35 mm。為此，主干管選擇PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.2 管網(wǎng)水頭損失

由文獻(xiàn)[2]中的公式計(jì)算支管、分干管、干管及主干管水頭損失，管網(wǎng)水頭損失按照最不利情況計(jì)算，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算。為此，支管按長(zhǎng)度102 m、分干管按長(zhǎng)度13 m、干管按長(zhǎng)度1 950 m、主干管按長(zhǎng)度30 m計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，得到hw支＝2.3 m、hw分干＝0.37 m、hw干＝10.8 m、hw主干＝0.17 m。綜上，管網(wǎng)總水頭損失hw總＝13.64 m。

5.3 機(jī)泵選型

系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算公式為：

式中：H總為噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的總揚(yáng)程（m）；hw總為輸水管道沿程水頭損失（m）；hf泵為水泵部分的沿程水頭損失（m）；hf首為首部樞紐部分的水頭損失（m），取7.29 m；△Z為典型噴點(diǎn)的地面與水源水面高程差（m）；hs為典型噴點(diǎn)的豎管高度（m），取0.2 m。

經(jīng)計(jì)算，得到H總=65.13 m。

根據(jù)灌溉管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[3，4]的建議，選用250QJ100-72潛水泵，其裝機(jī)功率為30 kW、配套變頻控制柜為37 kW。

6 結(jié)語(yǔ)

該噴灌工程設(shè)計(jì)科學(xué)，可以及時(shí)根據(jù)水庫(kù)圍壩草皮和喬木的需水量、季節(jié)氣候的變化和工程設(shè)計(jì)的灌水制度，適時(shí)適量進(jìn)行灌溉，也能節(jié)水、省工，充分發(fā)揮工程節(jié)水作用和圍壩草皮的護(hù)坡效果，從而有效減輕圍壩工程水土流失。

建議在運(yùn)行階段制定噴灌系統(tǒng)管理使用規(guī)定，加強(qiáng)噴灌系統(tǒng)管理，落實(shí)責(zé)任制，實(shí)行定班、定任務(wù)量、定責(zé)任、定報(bào)酬、定獎(jiǎng)懲制度，做到專人專機(jī)專用專管，確保噴灌機(jī)具設(shè)施的常年維護(hù)管理，保障噴灌及供水系統(tǒng)有較高完好率，使噴灌設(shè)備充分發(fā)揮效益。