阿克塞縣紅柳灣灌區(qū)自壓管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)問題。

關(guān)鍵詞：紅柳灣灌區(qū);節(jié)水改造;自壓管灌

文章編號：1004-7026（2019）16-0077-04 ? ? ? ? 中國圖書分類號：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)過幾十年的運(yùn)行，灌區(qū)現(xiàn)存的主要問題有：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)有一條綠源水庫至紅柳灣灌區(qū)灌溉支渠，總長5.306 km，支渠前段3.09 km為砼無壓埋管，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（以下簡稱為《綜合規(guī)劃》）。旨在通過實(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m3，綜合凈節(jié)水量93萬m3。

根據(jù)《綜合規(guī)劃》及現(xiàn)場踏勘，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—紅柳灣灌區(qū)自壓輸水干管1條，長度為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取水，經(jīng)水力學(xué)推算，由于綠源水庫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)考慮到水庫壩下新增設(shè)埋管取水對大壩的安全運(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、支管兩級固定管道;系統(tǒng)流量大于60 m3/h，可采用兩級或多級固定管道。按照上述管網(wǎng)工程布置及管道級別劃分原則，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)管道級別按照多級考慮。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壓砼埋管（長約3.1 km），無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)考慮在原無壓管道一側(cè)平行原無壓管新鋪設(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，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)算示意圖見圖1，主要節(jié)點(diǎn)水力學(xué)計(jì)算見表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，在綠源水庫壩后灌溉支渠段新建有壓進(jìn)水前池1座，擬定池長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原無壓引水管，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×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)開啟3條支管，杜絕單管運(yùn)行，每條支管開啟1個(gè)出水口。

（2）每次運(yùn)行時(shí)，必須先打開出水口，不允許先開閥后開出水口;嚴(yán)格執(zhí)行先開后關(guān)的原則，即先開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)水資源短缺問題和水資源供需予盾，在實(shí)施、應(yīng)用過程中，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。

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