含沙水源低壓管道灌溉防淤措施研究

陳文猛，錢 鈞，袁 園，侯 麗，朱燕飛，邱婭柳

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017；2.南京市水務(wù)局，南京 210036；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210022；4.南京市水資源管理中心，南京 210008；5.南京市高淳區(qū)水務(wù)局，南京 211300)

按照節(jié)水優(yōu)先的治水理念，節(jié)約水資源,是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和緩解水資源供需矛盾的重要途徑。低壓管道灌溉可以將灌溉水利用率提高到90%左右，土地利用率提高2%左右，同時，用水效率和自動化程度的提高還可以節(jié)省能源和人工，是一種集多種優(yōu)點于一體的高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1]，目前低壓管道灌溉技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展的重點。

以往在低壓管道灌溉發(fā)展過程中，對低壓管道灌溉可能產(chǎn)生的問題認(rèn)識不足，特別是20世紀(jì)八九十年代建設(shè)的低壓管道灌溉工程存在經(jīng)驗不足、工程設(shè)計不夠完善、標(biāo)準(zhǔn)不高、資金和管理不到位等問題，常常造成管道淤堵，一些工程運行壽命短，群眾接受度不高，成為制約低壓管道輸水灌溉技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用和效益發(fā)揮的因素[2]。因此，對于水源含沙較多，可能造成管道淤積的灌區(qū)，必須考慮管道防淤減淤措施，保證系統(tǒng)的安全運行，這對充分發(fā)揮低壓管道灌溉工程效益，指導(dǎo)低壓管道灌溉技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 低壓管道灌溉臨界不淤流量

管網(wǎng)管徑、水源泥沙含量、泥沙顆粒級配、灌溉方式等都是影響低壓管道灌溉工程淤積與否的重要因素，對于一個特定的灌區(qū)而言，各級管道的管徑根據(jù)設(shè)計確定，水源的泥沙特征可以測定，因此，可以通過計算確定灌區(qū)系統(tǒng)運行的臨界不淤流量，作為管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的技術(shù)支撐。

采用B.C 科諾羅茲公式進(jìn)行臨界不淤流速和臨界不淤流量的計算[3,4]，B.C 科諾羅茲公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：d為泥沙平均粒徑，mm；VL為臨界不淤流速，m/s；β為相對密度修正系數(shù)，β=(ρg-1)/1.7；Cd為重量含沙量，%；D為管道內(nèi)徑，mm。

不同水源的含沙特征也不一樣，對于某一含沙水源，可以對其水沙特征進(jìn)行實測分析。比如長江水，根據(jù)長江泥沙公報2016年，長江大通站水沙特征為：多年平均年徑流量為8 931 億m3，年輸沙量為3.68 億t，年平均含沙量為0.414 kg/m3，年平均中值粒徑為0.01 mm。

根據(jù)長江水源水沙特征，采用B.C 科諾羅茲公式計算不同管徑情況下含沙量與臨界不淤流量的關(guān)系，作為管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃布置的技術(shù)依據(jù)，如圖1所示。

圖1 泥沙中值粒徑0.01 mm，不同管道管徑含沙量～臨界不淤流量關(guān)系圖

根據(jù)以上含沙量與臨界不淤流量計算，可以掌握管道臨界不淤流量并進(jìn)行控制。以水源泥沙含量0.414 kg/m3，中值粒徑為0.01 mm分析，干管管徑500 mm時，臨界不淤流量為281 m3/h，支管管徑200 mm時，臨界不淤流量為40 m3/h。不同水沙特征的水源對應(yīng)不同的臨界不淤流量，若某灌區(qū)水源泥沙含量為3 kg/m3，中值粒徑為0.01 mm，通過以上計算分析，干管管徑500 mm時，臨界不淤流量為413 m3/h，支管管徑200 mm時，臨界不淤流量為57 m3/h。臨界不淤流量的分析計算為低壓管道灌溉規(guī)劃、設(shè)計和運行管理提供了技術(shù)支撐。

2 低壓管道灌溉防淤措施

通過上文低壓管道灌溉臨界不淤流量計算分析表明：隨著泥沙含量的增加，管道臨界不淤流量增大，說明泥沙含量是影響臨界不淤流量的重要因素。同時，在相同泥沙含量情況下，臨界不淤流量隨輸水管徑的增加而加大，說明輸水管徑對臨界不淤流量有較大影響。

一般水庫、地下水水源泥沙含量少，而從河道取水的，水源含沙相對較多。水源泥沙含量及顆粒級配、管道輸水流量與管徑、灌溉方式與灌溉管理等因素都可能影響管道淤積[7]，可從以下方面進(jìn)行注意和預(yù)防。

(1)對水源的泥沙特征進(jìn)行觀測。根據(jù)管網(wǎng)臨界不淤流速控制管網(wǎng)運行流速，一般應(yīng)在0.7 m/s以上[5]。含沙量超過10 kg/m3的可通過沉池設(shè)施減少泥沙含量，灌水過程中，也可通過管道出水口的水樣測試來判斷管道中是否可能產(chǎn)生淤積。

(2)制定合理的灌溉工作制度，控制管道流量。在管道系統(tǒng)總流量一定情況下，灌溉工作制度決定了各級管道的流量，如果采用輪灌的管道系統(tǒng)改為續(xù)灌，將導(dǎo)致部分管段流量減少，引起淤積。因此，每次灌水時，管道系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格按照灌溉工作制度運行，保證管道流量超過臨界不淤流量。

(3)定期沖洗管網(wǎng)，先排沙后灌水。在管道淤積較少時及時清理，避免產(chǎn)生長時間的淤積積累。同時遵循先排沙后灌水的原則，沖洗管網(wǎng)后再進(jìn)行灌溉。

(4)對于早期建成的管網(wǎng)，不可避免產(chǎn)生淤積的，可以采用人工或機(jī)械清淤、高速水流清淤等方式盡量延長系統(tǒng)使用壽命，發(fā)揮工程效益。

3 結(jié) 語

低壓管道灌溉管道淤積的因素主要有水源含沙量及顆粒級配、管道流量、管徑、灌溉方式與運行管理等因素，通過分析不同管徑情況下含沙量與臨界不淤流量的關(guān)系，為低壓管道灌溉規(guī)劃、設(shè)計和運行管理提供了技術(shù)支撐。以長江水源泥沙含量0.414 kg/m3，中值粒徑為0.01 mm分析，干管管徑500 mm時，臨界不淤流量為281 m3/h，支管管徑200 mm時，臨界不淤流量為40 m3/h。而在水源泥沙含量為3 kg/m3，中值粒徑為0.01 mm情況下，干管管徑500 mm時，臨界不淤流量為413 m3/h，支管管徑200 mm時，臨界不淤流量為57 m3/h。隨著泥沙含量的增加，管道臨界不淤流量增大，說明泥沙含量是影響臨界不淤流量的重要因素。同時，在相同泥沙含量情況下，臨界不淤流量隨輸水管徑的增加而加大，輸水管徑對臨界不淤流量有較大影響。

在可能產(chǎn)生淤積的含沙水源地區(qū)規(guī)劃布置低壓管道灌溉工程，應(yīng)從水源的泥沙特征觀測、科學(xué)制定灌溉工作制度、控制管道流量、先排后灌沖洗管網(wǎng)、設(shè)置沉砂池、人工或機(jī)械清淤等方面進(jìn)行防淤減淤，保證工程安全運行，充分發(fā)揮工程效益。另外，影響低壓管道灌溉工程技術(shù)應(yīng)用的因素還有很多，要加強管道灌溉技術(shù)的宣傳引導(dǎo)，同時做好調(diào)查研究、規(guī)劃設(shè)計和建后管理，才能真正發(fā)揮管道灌溉的效益，同時取得群眾認(rèn)可，進(jìn)一步擴(kuò)大推廣應(yīng)用范圍。