大屯水庫圍壩工程斜坡草坪噴灌系統設計

董衛軍，黃 茜，任澤儉，呂寧江

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；3.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

1 水庫圍壩工程現狀

南水北調東線大屯水庫位于山東省德州市武城縣郝王莊鎮恩縣洼東側，主要向德州市德城區和武城縣城供水，主要建筑物包括圍壩、德州供水洞、武城供水洞及入庫泵站等。水庫庫底采用兩布一膜防滲，圍壩上游壩面采用復合土工膜防滲。水庫底高程19.15 m，圍壩軸線總長8 913.99 m，壩頂高程32.30～32.65 m，壩頂道路寬7.5 m，下游壩坡坡比1∶2.5，壩后在27.6 m高程處設20 m寬壓重平臺。水庫南側和北村圍壩外設截滲溝，水庫西側利用利民河、東側利用六五河作為截（排）滲溝，使水庫周圍形成完整的排水體系。

水庫圍壩表層土以壤土為主，壩后上部斜坡全部種植草皮護坡，以狗牙根為主、高羊毛為輔。斜坡長11.75～12.25 m，草坪總面積11.23 hm2，田間持水量23%，土壤容重1.35 g/cm3。壓重平臺寬度20 m，在壓重平臺以及外側套種白臘樹，面積52.8 hm2，種植間距3 m×3 m，樹高3～5 m、胸徑4～8 cm。工程投入運行后，人工澆灌草坪和喬木不及時，部分護坡草皮及苗木干枯，起不到護坡的作用，造成圍壩水土流失。因此，為了防止壩坡不被雨水嚴重沖蝕，采用灌溉方式彌補自然降水在數量上不足和時空上的不均、保證適時適量地滿足草坪生長所需水分的重要措施十分必要。

2 灌溉形式選定

草坪一般是采用噴灌或者微噴灌的灌溉形式。其中，微噴灌的灌溉水利用率和均勻度較高，但是對水質要求也較高，灌溉水必須進行過濾，且易受雜草、作物莖稈的阻擋而影響噴灑質量，噴頭也需要布置很多，一次性投資較大。因此，本工程草坪灌溉采用噴灌形式。

噴灌系統類型主要包括固定式噴灌系統、移動式噴灌系統和半固定式噴灌系統[1]。其中，固定式噴灌系統需要大量管材，單位面積投資雖然高，但運行管理方便，極為省工，運行成本低，工程占地少，地形適應性強，便于自動化控制，灌溉效率高；移動式噴灌系統和半固定式噴灌系統設備利用率相對較高，可降低單位面積投資，操作也相對靈活，但與固定式噴灌系統相比管理強度大、用工多、工作時占地也較多。綜上分析，本工程采用了固定式噴灌系統方案。

3 壩后斜坡草坪噴灌設計

3.1 取水點設置

由于水庫內的水質比水庫周邊的截滲溝水質好，而且水量也能得到保障，所以以水庫為水源地。根據德州、武城2個供水洞和入庫泵站布置情況，將取水點位置設為3處，同時將壩坡灌溉區域按照取水泵站的布置情況劃分為3片灌溉區域。其中，片區一在出水閘處新建1#泵站，控制樁號為0+000—0+986和7+650—8+913，灌溉壩后斜坡草坪面積2.83 hm2；片區二在武城供水洞壩后出水池處新建2#泵站，控制樁號為0+986—4+360，灌溉壩后斜坡草坪面積4.25 hm2；片區三在德州供水洞壩后出水池處新建3#泵站，控制樁號為4+360—7+650，灌溉壩后斜坡草坪面積4.15 hm2。

3.2 壩后斜坡草坪噴灌

3.2.1 基本情況

根據圍壩現狀、種植條件和當地蒸發、降雨條件及參考文獻[2]的要求，壩后斜坡草坪噴灌主要設計參數取值如下：草坪設計日耗水強度為ETd=4.0 mm/d，土壤濕潤比為p=100%，計劃濕潤土層深度為z=0.4 m，設計灌水均勻系數為Cu=98%，灌溉保證率為85%，草坪霧化指標為2 000～3 000。

3.2.2 噴頭選型及組合布置

（1）噴頭選型。草坪抗水滴擊打強度高，所以選用中壓強度的PGP綠色大流量伸縮半圓形噴灑噴頭。該噴頭接口外徑為20 mm，工作壓力為300 kPa，噴水量為2.61 m3/h，射程為13.1 m。壩坡長11.75～12.25 m，所以噴頭均布置于壩頂外側，采用等間距布置，間距為12.0 m。

（2）末級噴灌系統組成。系統主要構件由3/4"PGP噴頭、3/4"千秋架、dn75×20PE異徑三通組成，如圖1所示。

圖1 PGP噴頭末級噴灌系統

3.2.3 管網系統布置

由于壩后灌溉區整體為環形區域，所以布置管道分為主干管、分干管、支管，所有管道均埋于地下，選用PE管材。其中，2條主干管（平行于壩軸線）沿壩體壓重平臺向兩側布置，分干管垂直于干管布置，支管垂直于分干管布置。該固定式噴灌區為帶狀，長8 913 m，寬12.6 m；區內布置分干管44條，每條分干管上布置2根支管，通過干管輸水。

4 灌溉制度設計

4.1 噴灌噴灑水利用系數

噴灌噴灑水利用系數可按下式確定：

式中：η為噴灑水利用系數；ηg為管道水利用系數，一般取0.95～0.98；ηp為田間噴灑水利用系數，武城地區是半干旱狀態，灌溉季節多年平均風速低于3.4 m/s，故取為0.85。

經計算，得到η=0.83。

4.2 噴灌制度確定

4.2.1 一次灌溉用水量

設計灌水定額可按下式確定：

式中：m為設計灌水定額（mm）；θmax，θmin分別為適宜土壤含水量上、下限（占干土重的百分比）；z為計劃濕潤土層深度（cm）；p為土壤濕潤比；γ為土壤容重（g/cm3）。

經計算，得到m=31.05 mm，即一次灌溉用水量為310.5 m3/hm2。

4.2.2 設計灌水周期

設計灌水周期可按下式確定：

式中：T為設計灌水周期（d）；ETd為草坪設計日耗水強度（mm/d）；其余變量含義同上。

經計算，得到T=7 d。

4.2.3 以片區二為例的噴灌設計流量

噴灌設計流量可按下式計算：

式中：Q為噴灌設計流量（m3/h）；A為灌溉控制面積（hm2）；t為一個工作位置的灌溉時間（h）；其余變量含義同上。

本噴灌系統從3處水源點取水，這里以最大控制面積片區二為例進行計算。經計算，得到Q=18.94 m3/h。

4.2.4 一個工作位置的灌水時間

一個工作位置的灌水時間按下式計算：

式中：a為噴頭間距（m）；b為支管間距（m），取12.0 m；qp為噴頭設計流量（m3/h），選用2.61 m3/h；其余變量含義同上。

經計算，得到t=2.06 h。

4.2.5 最大輪灌組計算

最大輪灌組數量按下式計算：

式中：Nmax為輪灌組數量（個）；C為設計日灌水時間（h），取12 h；其余變量含義同上。

經計算，得到Nmax=40個。

結合現場布置情況，壩后斜坡采用1條主干管，草坪噴灌設計流量為18.94 m3/h，每個取水點控制面積內的PGP噴頭共有248個，對每個區域進行輪灌。灌溉中，采用輪流開啟分干管的灌溉制度，結合工作水頭偏差率要求，每個輪灌組有2個分干管，每個分干管布置噴頭18個，所以每個輪灌組共有36個PGP噴頭，即輪灌組數為7個，小于最大輪灌組數。

5 管網水力計算

5.1 初選管徑

管網最不利的運行狀態為位于分干管尾部支管工作狀態，現取分干管控制長度為216 m的地塊進行水力計算。

支管、分干管流量計算公式為：

式中：Q支為支管流量（m3/h）；Q分干為分干管流量（m3/h）；N為支管條數，取2條；其余變量含義同上。

經計算，得到Q支=23.49 m3/h、Q分干=46.98 m3/h。

5.1.1 支管管徑

若按支管能量損失應滿足hw≤0.2Hp=hf+hj的條件、支管局部水頭損失按hj支=10%hf估算，則hf=0.182Hf，通過沿程水頭損失計算式后，得到支管管徑計算公式為：

式中：d支為支管管徑（mm）；b為管徑指數，塑料管取4.77；f為摩阻系數，取0.948×105；m為流量指數，取1.77；Hp為噴頭工作水頭（m），取30 m；Q支為支管流量（m3/h）；F為多口系數，取0.387；L為支管長度（m），取102 m。

經計算，得到d支=53.97 mm。為此，支管選擇PE80-dn75-0.8 MPa管材。

5.1.2 分干管管徑

分干管管徑計算公式為：

式中：d分干為分干管管徑（mm）；v為管中流速（m/h）；Q分干為分干管流量（m3/h）。

經計算，得到d分干=101.87 mm。為此，分干管選擇PE100-dn110-0.8 MPa管材。

5.1.3 干管管徑

由于主干管為2個干管，為保證灌溉均勻度，灌溉時一側干管開啟同高程上相鄰2條分干管，依次輪灌。最不利工況下，干管流量Q干=93.96 m3/h，則干管管徑由式（10）計算得到d干=166.35 mm。

由于干管較長，為減少水頭損失和保證輪灌組內噴灌均勻度，干管選擇PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.1.4 主干管管徑

由于主干管流量Q主干=Q干=93.96 m3/h，所以主干管管徑亦由式（10）計算得到 d主干=166.35 mm。為此，主干管選擇PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.2 管網水頭損失

由文獻[2]中的公式計算支管、分干管、干管及主干管水頭損失，管網水頭損失按照最不利情況計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算。為此，支管按長度102 m、分干管按長度13 m、干管按長度1 950 m、主干管按長度30 m計算。

經計算，得到hw支＝2.3 m、hw分干＝0.37 m、hw干＝10.8 m、hw主干＝0.17 m。綜上，管網總水頭損失hw總＝13.64 m。

5.3 機泵選型

系統設計揚程計算公式為：

式中：H總為噴灌系統設計要求的總揚程（m）；hw總為輸水管道沿程水頭損失（m）；hf泵為水泵部分的沿程水頭損失（m）；hf首為首部樞紐部分的水頭損失（m），取7.29 m；△Z為典型噴點的地面與水源水面高程差（m）；hs為典型噴點的豎管高度（m），取0.2 m。

經計算，得到H總=65.13 m。

根據灌溉管網水力計算結果和文獻[3，4]的建議，選用250QJ100-72潛水泵，其裝機功率為30 kW、配套變頻控制柜為37 kW。

6 結語

該噴灌工程設計科學，可以及時根據水庫圍壩草皮和喬木的需水量、季節氣候的變化和工程設計的灌水制度，適時適量進行灌溉，也能節水、省工，充分發揮工程節水作用和圍壩草皮的護坡效果，從而有效減輕圍壩工程水土流失。

建議在運行階段制定噴灌系統管理使用規定，加強噴灌系統管理，落實責任制，實行定班、定任務量、定責任、定報酬、定獎懲制度，做到專人專機專用專管，確保噴灌機具設施的常年維護管理，保障噴灌及供水系統有較高完好率，使噴灌設備充分發揮效益。