李向前,安 江
(甘肅省科學(xué)院后勤服務(wù)中心,甘肅 蘭州 730050)
蘭州市地處隴西黃土高原西北部的黃河河谷盆地內(nèi),正處于我國半干旱與半濕潤氣候的過渡地帶,是我國西北地區(qū)重要的通信、交通樞紐和工業(yè)重鎮(zhèn)。特殊地理位置、地形條件和氣象條件,加之工業(yè)污染源和生活污染源的大量排放,使得蘭州市曾經(jīng)被評(píng)為國內(nèi)外空氣污染最嚴(yán)重的城市之一[1-3]。受地理地形的影響,蘭州市干旱少雨,氣候干燥,年平均降水量只有328 mm,而年平均蒸發(fā)量卻高達(dá)1 468 mm[4]。常年干旱少雨使得蘭州市生態(tài)環(huán)境脆弱,風(fēng)沙肆虐,植被稀少,惡劣的自然環(huán)境制約著蘭州市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[5-9]。在這樣的環(huán)境條件下如果不使用灌溉,綠化樹木在自然條件下成活率很低。
自2007年蘭州市南北兩山綠化工程建成以來,城市空氣污染指數(shù)有明顯好轉(zhuǎn)[10-11],森林覆蓋率顯著提高,這對(duì)提高城市形象,改善投資環(huán)境具有重大意義[12-14]。甘肅省科學(xué)院在條件極其艱苦的情況下,克服重重困難,綠化初具規(guī)模,為兩山綠化工程做出了貢獻(xiàn)。甘肅省科學(xué)院綠化基地位于皋蘭山前坡面,蘭山故園上方,投影面積15.3 hm2。原供水系統(tǒng)接皋蘭山電力提灌黃河水,2005年以后,兩山進(jìn)行了滴灌改造,但由于資金短缺、管道破損等因素,綠化基地供水系統(tǒng)近幾年不能供水,綠化苗木面臨枯死的境地。基于這種情況,甘肅省科學(xué)院通過積極爭(zhēng)取,從兩山后五泉供水管道接水,鋪設(shè)管道,安裝成品玻璃鋼蓄水池一座,對(duì)綠化基地實(shí)施應(yīng)急綠化水利配套,不但解決綠化灌溉的問題,也為蘭州市生態(tài)環(huán)境的建設(shè)起到了示范作用。
(1) 地形地貌 甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)綠化基地的地勢(shì)總體上西高東低,從特征上看是隴西黃土高原的一部分,并且屬于黃土丘陵區(qū),故甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)綠化基地的基本地貌形態(tài)為黃土丘陵地貌和河谷平原地貌。由于黃土丘陵區(qū)地殼強(qiáng)烈上升,形成以黃河為軸線,溝谷由南或由北向軸線傾斜,多為南北向發(fā)育的橫向谷。黃河兩岸支溝發(fā)育,多數(shù)與主溝道近于直交。溝底均堆積有洪泄物,在支溝道和大支溝的下游地段一般較厚,由洪水沖刷夾帶洪積物,在較大溝口形成洪積扇,洪積扇面積0.1~0.3 km2,個(gè)別地段呈洪積裙。
河谷平原地貌系指流水地貌。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下,黃河谷地分布著各級(jí)河谷階地,其中Ⅰ級(jí)階地不發(fā)育,呈不連續(xù)狀分布于現(xiàn)代河床兩側(cè);Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地發(fā)育較為完整;Ⅳ級(jí)以上高階地多有破壞?,F(xiàn)地貌形態(tài)以臺(tái)地或低緩黃土丘陵為主。在河谷的溯源侵蝕和側(cè)向侵蝕作用下,河谷谷坡的穩(wěn)定性受到破壞,在河谷兩側(cè)形成了一系列滑坡、崩塌崖和倒石錐,在黃土及次生黃土分布地,形成了較多的黃土豎井、落水洞、漏斗及黃土碟等微地貌特征。
(2) 地層巖性 甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)內(nèi)出露的地層巖性主要為第三系地層及第四系松散堆積物,該地區(qū)的基底層,出露于溝道松散層下部及溝道兩側(cè)主體,巖層致密,具水平層理,屬軟巖。表層風(fēng)化層1.5~2.0 m,風(fēng)化層下為基巖層,裂隙較少且閉合,為不透水層。第三系地層及第四系松散堆積物整體披蓋于皋蘭山頂及附近Ⅲ級(jí)階地以上的各地貌單元,天然狀態(tài)下的風(fēng)積黃土層,土層粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%左右,粉粒占69%~72%,含細(xì)砂、極細(xì)砂15%左右,不含粒徑大于0.25 mm的顆粒。干密度為1.25~1.46 g/cm3,孔隙度為46.4%~54.2%,孔隙比0.866~1.184,塑性指數(shù)7.5~11.0,塑限16.6%~19.5%,液限26.1%~27.9%,壓縮系數(shù)0.05~0.15 MPa-1,濕陷系數(shù)0.017~0.125,自重濕陷系數(shù)小于0.067,地基承載力150 kPa,區(qū)域厚度30 m左右。第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)土壤層(Q4al-dl):較為松散,較均質(zhì),以粉質(zhì)土壤為主,呈黃色,較濕~軟塑狀,較疏松。該層土向下逐漸密實(shí),局部夾砂土薄層及透鏡體,具中等濕陷性及高壓縮性,厚8~12 m。人工填土層:黃色,干燥,松散狀,分布在場(chǎng)地表層及中部,不均質(zhì),主要成分為粉質(zhì)土壤,為風(fēng)積黃土經(jīng)人工改造而成,植物根孔及蟲孔發(fā)育,富含植物根系,含較多第三系泥巖碎屑,較濕~軟塑狀,較疏松,具大孔隙及高壓縮性、強(qiáng)濕陷性,層厚3.0~9.0 m。
(3) 水文地質(zhì)條件 甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)地處大陸腹地,屬內(nèi)陸性氣候,干旱少雨。多年平均氣溫9.3 ℃,多年平均降水量328 mm,年平均蒸發(fā)量1 468 mm,年平均日照時(shí)數(shù)2 497~2 933 h,多年平均風(fēng)速0.94 m/s,最大風(fēng)速21 m/s,歷年凍土層的最大深度為120 cm。區(qū)內(nèi)無地表水和地下水,有許多小型自然溝道,無常年徑流,僅在暴雨期間產(chǎn)生少量徑流,由排洪道流入黃河。
甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)無地下水,即使有少量大氣降水也被下滲或蒸發(fā),場(chǎng)地匯水面積不大,一般不形成地表徑流。場(chǎng)地土含少量毛細(xì)水,大多由場(chǎng)地水的下滲形成。場(chǎng)地土滲透系數(shù)為1.2×10-5~4.37×10-5cm/s,屬弱透水層。雨季溝道內(nèi)多有暫時(shí)性洪水,并夾雜有大量泥砂。
(4) 不良物理地質(zhì)現(xiàn)象 甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)位于皋蘭山北側(cè)坡面一滑坡體上,地勢(shì)較為陡峻,坡度40°~60°,地層巖性為第三系粘土巖及坡積物,存在的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為坡面的滑塌,第三系粘土巖遇水易產(chǎn)生滑坡。蓄水池場(chǎng)地位于黃土坡積區(qū)上部,地基層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土,層厚15 m以上,呈淡黃色,干燥稍濕,具大孔隙(孔徑1~3 mm)和垂直節(jié)理,易碎且偶有鼠洞,地表有較多植物根系,屬于中等壓縮性土層。地基巖性的物理力學(xué)指標(biāo):天然密度為1.47~1.61 g/cm3,天然含水量10.8%~16.5%,干密度為1.148~1.31 g/cm3,濕陷系數(shù)0.03~0.041,壓縮系數(shù)0.03~0.55 MPa-1。
(1) 工程任務(wù) 從兩山后五泉供水管道接水,敷設(shè)DN100鍍鋅鋼管管道1 230 m,DN50輸配水管道1 830 m,安裝108 m3成品玻璃鋼蓄水池一座,進(jìn)行噴灌配套,對(duì)投影面積為15.3 hm2的甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)綠化基地實(shí)施綠化水利配套。
(2) 工程規(guī)模 根據(jù)甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)種植的紅柳等樹木品種特點(diǎn)、地形地貌特征及水源條件,選擇噴灌的灌溉方式。蓄水池以下部分、水池附近水壓小的部分以及綠化基地上端部分采用溝窩灌。
工程設(shè)計(jì)灌溉面積15.3 hm2,根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)[15]規(guī)定,灌溉面積≤333.4 hm2的小型水庫為小(二)型工程。主要及次要建筑物均按5級(jí)設(shè)計(jì)。
根據(jù)1∶400萬《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[16],設(shè)防水準(zhǔn)為50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.15g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度,工程抗震設(shè)防為7度。
甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)灌溉面積共計(jì)15.3 hm2,灌溉系統(tǒng)的管道鋪設(shè)全部采用固定式,通過管道利用自然水頭自壓噴灌。從兩山后五泉供水管道接水,敷設(shè)DN100鍍鋅鋼管道沿皋蘭山北坡公路至綠化基地上方,再垂直山坡布設(shè)輸水管道至玻璃鋼蓄水池。
設(shè)計(jì)配套管網(wǎng)共分為干、支二級(jí),采用明設(shè)。工程共焊接安裝DN100引水壓力管道910 m,焊接安裝DN100輸配水壓力管道320 m,焊接安裝DN50輸配水壓力管道1 830 m;安裝DN100(Z41H-16C)閘閥7臺(tái),DN50(Z41H-25C)閘閥12臺(tái);噴灌及溝窩灌安裝DN32、DN25球閥及噴頭共計(jì)72套,末端DN40泄水閥21套。管道DN25泄水閥10套;配套溝窩灌DN25膠管280 m。
根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085-2007)[17]要求,以地下水為水源的噴灌工程其灌溉設(shè)計(jì)保證率不應(yīng)低于90%,其他情況下噴灌工程灌溉設(shè)計(jì)保證率不應(yīng)低于85%。本灌溉設(shè)計(jì)保證率取90%。
(1) 噴灌灌溉制度設(shè)計(jì)
(a) 設(shè)計(jì)灌水定額。根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085-2007)[1],噴灌工程設(shè)計(jì)灌水定額為
m=0.1γh(β1-β2),
(1)
其中:m為設(shè)計(jì)灌溉定額(mm);γ為土壤容重(g/cm3),土壤為壤土;β1、β2分別為土壤適宜含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限、下限;h為計(jì)劃濕潤層深度(cm)。經(jīng)計(jì)算,噴灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水定額m=36.43 mm=364.3 m3/hm2,結(jié)合當(dāng)?shù)貒姽鄬?shí)驗(yàn)結(jié)果,取設(shè)計(jì)灌水定額為364.3 m3/hm2。
(b) 設(shè)計(jì)灌水周期為
T=m/E,
(2)
其中:T為設(shè)計(jì)灌水周期(d);m為設(shè)計(jì)灌水定額,m=36 mm;E為日耗水強(qiáng)度,取6 mm/d。
計(jì)算得出灌水周期為6 d。
(c) 一次灌水延續(xù)時(shí)間為
t=m/q,
(3)
其中:t為次灌水延續(xù)時(shí)間(h);m為設(shè)計(jì)灌水定額(mm);q為組合噴灌強(qiáng)度(mm/h),灌區(qū)土壤主體為沙壤土,允許噴灌強(qiáng)度為15 mm/h,根據(jù)工程區(qū)地形坡度,取q=7.5 mm/h。計(jì)算得t=5 h。
(d) 灌溉制度。根據(jù)選擇的灌溉模式,按照作物生長需水時(shí)段安排綠化灌溉時(shí)間。經(jīng)計(jì)算,噴灌灌水定額358.2 m3/hm2,一次灌水時(shí)間6 d,每天灌水10 h,全年共灌水8次,灌溉定額2 865.7 m3/hm2,采用管道輸水,管道水利用系數(shù)取0.95,噴灑水利用系數(shù)取0.85,灌溉水利用系數(shù)取0.8,毛灌溉定額3 598 m3/hm2。噴灌灌溉制度見表1。
表1 噴灌灌溉制度
(2) 灌區(qū)供需水量平衡分析
(a) 供水量。本工程灌溉水源利用南北兩山指揮部后五泉綠化供水管道,設(shè)計(jì)流量0.043 m3/s,年供水量30萬m3。
(b) 用水量。根據(jù)設(shè)計(jì)灌溉制度、灌溉面積、作物種類等確定噴灌用水量。因作物種類單一,采用直接推算法進(jìn)行計(jì)算,其公式為
Wm=m×A/ηc,
(4)
其中:Wm為毛灌溉用水量;m為設(shè)計(jì)灌溉定額(m3/hm2);A為灌溉面積(hm2);ηc為灌溉水利用系數(shù),取0.80。計(jì)算得Wm=m×A/ηc=2 865.7×15.3/0.8=5.48萬m3。
(c) 水量平衡分析。根據(jù)制定的灌溉制度,計(jì)算綠化區(qū)年灌溉用水總量為5.48萬m3。后五泉供水管線主要為生態(tài)綠化提供水源,甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)屬于控制灌溉范圍,水源水量、水質(zhì)均滿足工程區(qū)灌溉用水需求。
(1) 噴頭選擇 根據(jù)甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)內(nèi)植物種類、土壤性質(zhì)、管道壓力水頭,設(shè)計(jì)選用全圓搖臂噴頭,型號(hào)為PY20,接頭形式為外螺接口,噴嘴直徑為7 mm,噴頭工作壓力為0.3~0.4 MPa,噴頭射程為19.0~20.5 m,進(jìn)水口直徑20 mm,噴灌強(qiáng)度為2.58~2.63 mm/h。
(2) 噴灑方式及組合形式 由于灌區(qū)以坡面灌溉為主,為保證灌溉質(zhì)量,采用固定式噴灌系統(tǒng),即除噴頭外其他灌溉設(shè)備均固定不動(dòng)。
噴頭的噴灑方式有全圓噴灑、扇形噴灑和帶狀噴灑。甘肅省科學(xué)院南山林場(chǎng)地形坡度30°,根據(jù)地塊形狀及風(fēng)力的大小,為保證噴灌均勻度,噴灑方式采用全圓噴灑,噴頭組合采用矩形組合。噴頭組合間距采用組合間距系數(shù)法確定,計(jì)算公式為
A=Ka×R,b=Kb×R。
(5)
支管垂直風(fēng)向布置,選用PY20型噴頭,噴灑半徑R取20.5 m,則噴頭間距a=20 m,支管間距b=25 m。單噴頭控制面積A=ab=20×25=500 m2。
(3) 噴灌強(qiáng)度 設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度計(jì)算公式為
ρ=1 000qη/A有效,
(6)
其中:ρ為設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度(mm/h);q為噴頭流量(m3/h),取設(shè)計(jì)壓力下的流量值2.96 m3/h;η為噴灌水有效利用率,取0.8;A有效為組合情況下,1個(gè)噴頭的平均控制面積(m2),一般為噴頭間距a與支管間距b的乘積。經(jīng)計(jì)算得,設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度為4.7 mm/h,小于允許噴灌強(qiáng)度7.2 mm/h,滿足規(guī)范要求。
(4) 水滴打擊強(qiáng)度校核 水滴打擊強(qiáng)度采用霧化指標(biāo)反映,其計(jì)算公式為
Wh=1 000hp/d,
(7)
其中:Wh為霧化指標(biāo);hp為噴頭工作壓力水頭(m);d為噴嘴直徑(mm)。計(jì)算得Wh=2 000,該噴頭滿足規(guī)范的霧化指標(biāo)允許值。
(5) 一次灌水延續(xù)時(shí)間校核
(a) 噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的噴灑時(shí)間計(jì)算公式為
t=mab/1 000q,
(8)
其中:m為設(shè)計(jì)灌水定額(mm);a為毛管上的噴頭間距(m);b為毛管間距(m);q為噴頭流量(m3/h);q1=2.96 m3/h。經(jīng)計(jì)算,t=mab/1 000q=36×25×20/(1 000×2.96)=6.0 h,與灌溉制度確定的一次灌水延續(xù)時(shí)間基本一致。
(b) 同時(shí)工作噴頭數(shù)計(jì)算公式為
N=At/(abTC),
(9)
其中:N為同時(shí)工作的噴頭數(shù);A為噴灌面積(m2);C為一天中噴灌系統(tǒng)的有效工作時(shí)間(h),取12 h。計(jì)算可得,各片區(qū)同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)為12個(gè)。
(6) 輪灌方案 根據(jù)上述計(jì)算出的同時(shí)噴灑噴頭數(shù),進(jìn)行輪灌編組。為減小支管管徑,同時(shí)工作的毛管為12條,每條支管上同時(shí)工作的噴點(diǎn)不大于2個(gè)。
(1) 管材選擇 該工程中配水管道為中小管徑,對(duì)鋼管、玻璃鋼管、PE管與UPVC管進(jìn)行對(duì)比分析,4種管材的性能對(duì)比見表2。
由表2可知,玻璃鋼夾砂管受外力影響易破壞,對(duì)管床要求高,而且材質(zhì)彈性低,與各類閥體連接時(shí)法蘭部分耐久性差。鋼管承壓強(qiáng)度高,承壓能力強(qiáng),耐久性較好,抗變形能力強(qiáng),但運(yùn)輸安裝不方便,耐腐蝕性差,內(nèi)外需做防腐處理,造價(jià)高。UPVC管材強(qiáng)度高,較鋼管運(yùn)輸安裝方便,造價(jià)低,但由于其脆性大,易導(dǎo)致破壞源的擴(kuò)展,發(fā)生快速開裂。PE管連接可靠性高、延展性好,抗震、抗不均勻沉降能力高,同壓力和同直徑條件下,PE管比UPVC管質(zhì)量小,造價(jià)介于UPVC管和鋼管之間。
表2 管材性能對(duì)比
根據(jù)工程實(shí)際情況,綜合考慮灌溉方式、管材性能及造價(jià)等因素,采取干、支管均為鋼管的方案。所用管材按實(shí)際要求必須為國標(biāo)熱鍍鋅管,與閘閥所連接的熱鍍鋅管內(nèi)徑≥50 mm時(shí)選擇軟密封。
(2) 干管引水流量計(jì)算 干管引水流量計(jì)算公式為
Q=DmA/Ttη,
(10)
其中:Q為引水流量(m3/s);D為種植比例最大值,取100%;m為灌溉定額,取358.2 m3/hm2;A為有效灌溉面積(hm2);T為輪灌期,取10 d;t為每天灌水時(shí)數(shù),取12 h;η為噴灑水利用系數(shù),取0.80。經(jīng)計(jì)算,綠化灌溉區(qū)設(shè)計(jì)流量為17.8 m3/h。
(3) 干管管徑確定 根據(jù)設(shè)計(jì)流量,干管管徑計(jì)算公式為
(11)
其中:D為干管經(jīng)濟(jì)管徑(mm);Q為計(jì)算管段設(shè)計(jì)流量(m3/h);V為管道流速(m/s),經(jīng)濟(jì)流速在1.5~2.5 m/s之間取值。干管管徑計(jì)算結(jié)果為60 mm,選擇管徑100 mm。
(4) 支管管徑確定 支管管徑按照輪灌分組確定的流量計(jì)算,根據(jù)工程布置,為了減小支管管徑,在輪灌分組時(shí)考慮同時(shí)工作支管數(shù)為2條,按照輪灌分組,每條支管同時(shí)工作的噴頭數(shù)為2個(gè),管道流量為2×3.41=6.82 m3/h。經(jīng)計(jì)算分析比較,毛管統(tǒng)一選擇DN50鋼管,壁厚3.5 mm。
對(duì)鎮(zhèn)支墩進(jìn)行設(shè)計(jì)。鎮(zhèn)墩質(zhì)量計(jì)算公式為
Kc=f(∑y+G)/∑x≥[Kc],
(12)
其中:Kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù);[Kc]為允許抗滑穩(wěn)定系數(shù),[Kc]=1.2;G為鎮(zhèn)墩自重(t);∑y為豎直向荷載(kN);∑x為水平向荷載(kN)。
該工程干、支管全部采用明設(shè),每個(gè)豎管下要求設(shè)一個(gè)尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m的鎮(zhèn)墩對(duì)其進(jìn)行固定,明設(shè)豎管高出鎮(zhèn)墩部分可利用廢棄豎管連接支撐并固定,其他管道在豎直轉(zhuǎn)角大于5°、水平轉(zhuǎn)角大于10°時(shí)設(shè)鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩采用現(xiàn)澆C20砼密閉式,外包厚度0.5 m,順?biāo)鞣较蜷L1.2 m。鎮(zhèn)墩地基原土翻夯0.5 m,要求壓實(shí)系數(shù)不小于0.95,10%水泥土墊層0.3 m。
為甘肅省科學(xué)院15.3 hm2綠化基地設(shè)計(jì)安裝108 m3蓄水池一座,敷設(shè)DN100鍍鋅鋼管管道1 230 m,DN50輸配水管道1 830 m,進(jìn)行噴灌配套。根據(jù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì),對(duì)灌溉制度、噴灌系統(tǒng)、配水管道和附屬建筑物進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,最終確定了灌溉制度為一次灌水時(shí)間6 d,每天灌水10 h,全年共灌8次,灌溉用水量共5.48萬m3;根據(jù)地形及風(fēng)力大小,設(shè)計(jì)噴灌系統(tǒng)為全圓噴灑矩形組合的方式,同時(shí)工作的毛管為12條,每條支管上同時(shí)工作的噴點(diǎn)不大于2個(gè);通過對(duì)配水管道管材進(jìn)行對(duì)比,干、支管選用國際熱鍍鋅管管材,根據(jù)干管引水流量計(jì)算得出干管管徑0.1 m、支管管徑0.05 m;干、支管全部采用明設(shè),根據(jù)要求設(shè)計(jì)用0.6 m×0.6 m×0.6 m的鎮(zhèn)墩作附屬建筑物固定每條豎管。該工程根據(jù)蓄水池工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),考慮皋蘭山的地形地貌及巖土特征而設(shè)計(jì),以期對(duì)蘭州市南北兩山的水土流失防治、水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)提供一定參考。