楊斌，莊健元

摘 要：自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目旨在通過(guò)實(shí)施灌區(qū)節(jié)水改造，將灌區(qū)當(dāng)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(wèn)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(wèn)題。

關(guān)鍵詞：紅柳灣灌區(qū);節(jié)水改造;自壓管灌

文章編號(hào)：1004-7026（2019）16-0077-04 ? ? ? ? 中國(guó)圖書分類號(hào)：S274 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(wèn)題

紅柳灣灌區(qū)水利工程建于20世紀(jì)六七十年代，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，灌區(qū)現(xiàn)存的主要問(wèn)題有：①渠道輸水效率低，損失嚴(yán)重;②田間工程配套標(biāo)準(zhǔn)低，灌水技術(shù)落后，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重;③項(xiàng)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(kù)至紅柳灣灌區(qū)灌溉支渠，總長(zhǎng)5.306 km，支渠前段3.09 km為砼無(wú)壓埋管，管徑0.8 m，埋管段管道接頭多處松動(dòng)移位，滲漏嚴(yán)重，局部埋管裸露;支渠后段為砼預(yù)制“U”型渠，凍脹變形嚴(yán)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(jìn)，目前斗渠均為砼預(yù)制“U”形渠，凍脹破壞嚴(yán)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(jì)項(xiàng)目為《敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃》的子項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱為《綜合規(guī)劃》）。旨在通過(guò)實(shí)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(jìn)灌水技術(shù)，緩解灌區(qū)水資源短缺問(wèn)題和水資源供需予盾。項(xiàng)目實(shí)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(wàn)m3，綜合凈節(jié)水量93萬(wàn)m3。

根據(jù)《綜合規(guī)劃》及現(xiàn)場(chǎng)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(kù)—紅柳灣灌區(qū)自壓輸水干管1條，長(zhǎng)度為4.649 km，配套干管附屬建筑物15座，包括有壓進(jìn)水前池1座，閘閥井5座，排水井5座，補(bǔ)、排氣閥井4座;鋪設(shè)分干管5條，總長(zhǎng)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(jì)負(fù)責(zé)與其對(duì)接）。

4 ?工程設(shè)計(jì)

4.1 ?工程總體設(shè)計(jì)

利用灌區(qū)水源點(diǎn)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(qiáng)、灌水成本低等優(yōu)點(diǎn)。綠源水庫(kù)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(kù)取水，經(jīng)水力學(xué)推算，由于綠源水庫(kù)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(jì)考慮到水庫(kù)壩下新增設(shè)埋管取水對(duì)大壩的安全運(yùn)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(jìn)水前池，轉(zhuǎn)換明流為有壓流，輸水至田間地塊進(jìn)行自壓管道灌溉[1-3]。

4.2 ?管道分級(jí)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(jí)數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)灌溉面積和經(jīng)濟(jì)條件等因素確定。旱作區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)流量小于30 m3/h時(shí)，可采用一級(jí)固定管道;系統(tǒng)流量在30～60 m3/h時(shí)，可采用干管、支管兩級(jí)固定管道;系統(tǒng)流量大于60 m3/h，可采用兩級(jí)或多級(jí)固定管道。按照上述管網(wǎng)工程布置及管道級(jí)別劃分原則，自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為0.35 m3/s（1 256 m3/h），遠(yuǎn)大于60 m3/h，輸水系統(tǒng)管道級(jí)別按照多級(jí)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(jí)布置。干管、分干管列入骨干工程，支管劃入田間工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

紅柳灣灌區(qū)現(xiàn)在輸水支渠前段為無(wú)壓砼埋管（長(zhǎng)約3.1 km），無(wú)壓管承壓值較低且管道破損嚴(yán)重，不能滿足有壓管道輸水要求，故設(shè)計(jì)考慮在原無(wú)壓管道一側(cè)平行原無(wú)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(bǔ)償費(fèi)用較低，同時(shí)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(wú)壓灌溉支渠。

干管布置從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，需本著長(zhǎng)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(shí)施的2011年度牧區(qū)節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容，本次設(shè)計(jì)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(jì)流量推算

灌區(qū)干管、分干管為續(xù)灌，干管同時(shí)控制6根分干管進(jìn)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(jì)規(guī)范》（GB 50288—99）及干管控制灌溉面積，參照設(shè)計(jì)水平年的灌溉制度及有關(guān)參數(shù)，干管、分干管設(shè)計(jì)流量按下式進(jìn)行計(jì)算。

Q=qA/η ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/s;q為設(shè)計(jì)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(jì)算，干管設(shè)計(jì)流量為0.35 m3/s，各分干管設(shè)計(jì)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(jì)可靠、運(yùn)行安全、安裝方便的原則，在灌區(qū)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)流速取V=1.2 m/s，管徑按下式計(jì)算。

D=18.8（Q/V）1/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

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

根據(jù)水力學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)算[5-8]。

4.5.1沿程損失

沿程水頭損失計(jì)算采用下式計(jì)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(zhǎng)，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(jì)算。阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)自壓管灌工程主要節(jié)點(diǎn)水力學(xué)計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1，主要節(jié)點(diǎn)水力學(xué)計(jì)算見(jiàn)表1。

4.5.3 ?主要節(jié)點(diǎn)水頭計(jì)算

從計(jì)算表可以看出，各支管最遠(yuǎn)端A2、B2、C2、D2、F2點(diǎn)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(jì)

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

4.6.1 ?有壓進(jìn)水前池

為滿足有壓進(jìn)水要求，在綠源水庫(kù)壩后灌溉支渠段新建有壓進(jìn)水前池1座，擬定池長(zhǎng)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(jìn)口端以1∶4邊坡接上游綠源水庫(kù)原無(wú)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(shí)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(shì)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(zhǎng)×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(bǔ)、排氣閥井

主干管每隔1.0 km左右在管道凸起點(diǎn)設(shè)補(bǔ)、排氣閥井。補(bǔ)、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(jì)

砂礫石地基：夯實(shí)相對(duì)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(duì)建基面進(jìn)行表面夯實(shí)，壓實(shí)度大于0.93。

4.7 ?田間工程設(shè)計(jì)

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(dāng)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(gè)出水栓控制的灌溉面積約0.25 hm2。

5 ?運(yùn)行管理

（1）運(yùn)行時(shí)每條分干管上同時(shí)開(kāi)啟3條支管，杜絕單管運(yùn)行，每條支管開(kāi)啟1個(gè)出水口。

（2）每次運(yùn)行時(shí)，必須先打開(kāi)出水口，不允許先開(kāi)閥后開(kāi)出水口;嚴(yán)格執(zhí)行先開(kāi)后關(guān)的原則，即先開(kāi)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(shí)將管道內(nèi)余水排干，防止凍冰[9]。

6 存在的不足及需改進(jìn)的地方

自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目可以緩解灌區(qū)水資源短缺問(wèn)題和水資源供需予盾，在實(shí)施、應(yīng)用過(guò)程中，需要注意以下方面。

（1）主干管按照設(shè)計(jì)流量給分干管平均分流實(shí)現(xiàn)較難。由于項(xiàng)目資金有限，未配備自動(dòng)化控制裝置，通過(guò)手動(dòng)閘閥較難實(shí)現(xiàn)主干管給各分干管的平均分流。

（2）較難實(shí)現(xiàn)控制出水栓按照設(shè)計(jì)輪灌組有序灌溉。應(yīng)通過(guò)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(yùn)行管理規(guī)程。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]谷俊武.自壓管灌系統(tǒng)在陽(yáng)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(yáng)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(guó).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(guó)農(nóng)村水利水電，2008（2）：14-16.

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

[6]朱愛(ài)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(jì)與科技，1996（7）：23-24.

[7]呂賢勝，袁兆志，周明君.利用山區(qū)水庫(kù)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(diǎn)及幾個(gè)技術(shù)問(wèn)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(jìn)發(fā)展，2010（8）：60.