“長藤結瓜”式在山區高效節水灌溉系統中的應用

吳 剛

(北京中水新華灌溉技術有限公司，北京 100054)

“長藤結瓜”式高效灌溉系統在輸水管道上連接有池塘、水池和水窖等調蓄工程。系統中的管道像瓜藤，池塘、水池和水窖像藤上的瓜，故稱“長藤結瓜”式高效節水灌溉系統。一般由三部分組成: (1)首部引水工程。 (2)輸水、配水管道系統( 稱之為藤)。 (3)灌區內部的小型池塘、水池和水窖( 稱之為瓜)[1]。

1 工程概況

系統建設地位于攀枝花市鹽邊縣紅果鄉花椒箐村，系統建設規劃面積218.93 hm2，種植作物為核桃。整個灌溉面積成北高南低之勢，灌溉面積最高處海拔2121 m，最低處海拔1700 m，地形落差421 m。灌溉水源利用上游山溪水，根據水文計算，上游山溪水在85%保證率下年徑流量為0.139 m3/s，系統在用水高峰期所需流量為0.03 m3/s，水量滿足要求。

2 工程總體布置

根據灌區的實際情況，從灌溉面積最高處開始到灌溉面積最低處布置7口調節池。調節池主要滿足兩方面的功能，一是滿足蓄水的功能，二是起減壓的功能。取水口和7口調節池以及連接管道網作為一個連接的系統工作，每個水池及田間管網作為一個子系統工作。根據實際現場勘查，取水口位于上游溝道高程2220 m位置，取水口至第一個調節池及各調節池采用管網連接輸水。輸水管網的管徑和壓力等級以及調節池容積的確定需要通過計算確定。調節池布置見圖1。

圖1 調節池布置示意圖(單位：m3/h)

3 水池位置的確定

水源地取水點0點高程為Z0=2220 m，第一個調節池高程為Z池1，第二個調節池高程為Z池2，……第七個調節池高程為Z池7，設管道的允許壓力水頭為H1=160 m，則第一個調節池至第七個調

節池計算高程公式如式(1)、式(2)所示：

Z池1=Z0-〔H1〕

(1)

Z池7=Z池6-〔H7〕

(2)

帶入數據，可得每個調節池合理的設置高程位置，根據現場地形調查，一般選取的調節池位置都比計算的數據偏大些，這樣保證有一定的安全冗余度，計算結果及調節池實際布置高程見表1。

表1 水池高程計算

4 輸水管道水力計算

4.1 輸水管道流量的計算

根據系統布置，輸水管道被調節池隔開，共分為7段，每段管道為下游調節池供水，即池6—池7管段為池7供水，流量為Q7，控灌面積為3.93 hm2；池5—池6管段為池6和池7供水，供水流量為Q6，控灌面積為10.26 hm2；池4—池5管段為池5、池6和池7供水，供水流量為Q5，控灌面積為46.13 hm2；池3—池4管段為池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q4，控灌面積為76.0 hm2；池2—池3管段為池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q3，控灌面積為116.93 hm2；池1—池2管段為池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q2，控灌面積為182.73 hm2；取水口—池1管段為池1、池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q1，控灌面積為218.93 hm2。

系統輸水管道流量由公式(3)計算確定。

(3)

式中：Q為輸水管道流量，Q1～Q7,m3/h；A為每級輸水管控制灌溉的面積,hm2；Ia為設計供水強度，取0.81 mm/d；C為日供水小時數，輸水管道按24 h計；η灌溉水利用系數，取0.9。

根據公式(3)可計算得出每段輸水管流量，計算結果見表2中第2列。

4.2 輸水管道經濟管徑計算

由于管道采用自壓供水，水力坡度和管道坡度一致時的管徑即為經濟管徑[2]，可以采用公式(4)計算確定管徑。

(4)

式中：D為經濟管徑， mm；Q為管段的流量,m3/h；I為沿管道坡度，一般為地形坡度；f為摩阻系數，取94 800；m為流量指數，取1.77；b為管徑指數，取4.77。

帶入數據，計算得輸水管道至下而上的經濟管徑內徑為20 mm、29 mm、45 mm、64 mm、90 mm、98 mm、125 mm，選用PE100級PE管道，對應選取的管道公稱外徑分別為32 mm、40 mm、63 mm、75 mm、110 mm、11 mm、160 mm，見表2中的第6、7列。其中dn32管和db40管公稱壓力為1.6 MPa，dn63管和db75管公稱壓力為1.25 MPa，dn110管公稱壓力為1.0 MPa，dn160管公稱壓力為1.6 MPa。

4.3 輸水管道壓力計算

管道輸水損失按式(5)～式(7)進行計算。

h=hf+hj

(5)

(6)

hj=0.1hf

(7)

式中：hf為管道沿程水頭損失,m；hj為管道局部水頭損失,m，按沿程水頭損失的10%估算；L為管道長度,m;其余符號同前。

根據式(5)～式(7)計算可確定每段輸水管道的水頭損失，由此可確定管道的水壓線高程，計算結果見表2中第8、9列，根據計算成果繪制管道縱斷面成果，見圖2，從圖2中可以看出：各輸水管段管道坡度和管道水壓線坡度比較一致，說明選取的管徑比較接近經濟管徑。

表2 輸水管道水力計算表

圖2 管線縱斷面圖

5 調節池容積的確定

調節池容積計算按日調節和多日調節計算的方法，在灌溉面積小的情況下可按日調節公式(8)進行計算[3]。

V=M(Q用-Q來)t

(8)

式中：V為計算的水池容積,m3；M為擴大系數，

一般取1.1；Q用為水池的放水流量,m3/s，可用式(3)計算確定，與輸水管道計算流量不同的是，水池放水工作時間一般按12 h考慮；Q來為子系統的來水流量，等于系統上級輸水管道流量減去下級輸水管道流量；t為臨界用水時間，h為水池的放水時間，即12 h。帶入公式可計算確定水池容積。

表3 調節池容積計算表

6 結 語

根據所選管道承壓等級和地形條件確定調節池的位置，或根據已有山塘或水池確定輸水管道的壓力等級。通過計算確定輸水管網的流量，采用重力輸水的方式，充分利用地形落差選擇最經濟管徑。根據來水和用水之間流量和供用水之間的對比關系，采用日調節的方法確定調節水池的容積。調節池起兩方面的作用，一方面起減壓的作用，另一方面起調節水量的作用。通過設計，可最大限度利用地形的落差優勢滿足灌溉需求。