阜新市節水灌溉工程管網設計及應用探析

□文經緯(阜新市水利勘測設計研究院）

1 工程建設必要性和可行性

阜新市在農業生產過程中，由于當地水資源嚴重短缺，并且農業灌溉系統不科學、不合理，造成灌溉過程中出現大水漫灌的情況，造成了水資源的嚴重浪費，不利于阜新市農業生產科學化、可持續性發展要求。而且，在浪費水資源的同時，農業灌溉效果不佳，得不到較好的經濟效益。

水利工程建設特別是農業灌溉工程的實踐表明，工程在取得良好的效益后，會產生巨大的示范作用和附加效益[4-3]。阜新市節水灌溉項目實施后，有顯著的節水效益和經濟效益，對附近的區縣節水灌溉都有較好的示范帶頭作用，對推動阜新市節水灌溉發展也是十分必要的。

2 工程概況

阜新市節水灌溉示范工程以細河區黃家溝為示范區，距阜新市區約6 km，距下游四合水庫約1.40 km。細河流域及繞陽河流域屬溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量511.40mm，黃家溝村多年來一直以傳統農業種植業為主，主要作物是玉米和花生。黃家溝分區現有水源工程3處，一處為位于項目區北側的塘壩，深9m，總庫容6萬m3，巴斯營子河截潛流通過混凝土輸水管線與塘壩相連，近幾年截潛工程向塘壩的年輸水量均穩定在100萬m3以上，平均日輸水量2740m3/d；另兩處位于項目區西側緊鄰四官營子河西支的方塘和緊鄰高速公路項目區南側方塘，長120m，寬35m，深9m，方塘出水量按近似大口井出水量計算約為1908m3/d。

3 節水灌溉工程管網布置

3.1 灌溉管網布置

黃家溝分區節水灌溉面積194 hm2，采用涌泉灌（小管出流）的灌溉方式，灌溉管網工程建筑物級別為5級。根據黃家溝分區水文、地質、地形條件特點，將黃家溝分區分為4個小區，4個小區分別通過泵房中的提水泵加壓輸送到灌溉管網，直接通過田間配水系統，由小管出流的方式流到果樹根部。管網采用干管、分干管、支管、毛管四級配置，輸水干管沿小區邊東西布置，毛管沿作物行向布置，各級管路相互垂直，干管、分干管、支管埋入地下1.70m。管網布置平面圖見圖1（黃家溝Ⅱ區典型區）。

圖1 管網布置平面圖

3.2 輪灌控制面積

黃家溝4個分區按照灌溉面積不同，采取差異化輪灌。Ⅰ區根據系統工作制度，共分2個輪灌組，每個輪灌小區平均控制灌溉面積5.43 hm2，設計流量68.19m3/h；Ⅱ區共分22個輪灌組，每個輪灌小區平均控制灌溉面積2.58 hm2，設計流量132.19m3/h；Ⅲ區共分6個輪灌組，每個輪灌小區平均控制灌溉面積11.80hm2，設計流量136.42m3/h；Ⅳ區共分6個輪灌組，每個輪灌小區平均控制灌溉面積9.28 hm2，設計流量68.19m3/h，見表1。

4 節水灌溉工程管道設計

節水灌溉工程管網設計以Ⅱ區為典型區進行計算和優化設計，其他3個區可按同樣方法得出結果。

表1 黃家溝分區輪灌控制設計參數表

4.1 管道流量計算

根據灌溉制度和灌溉方式確定主干管的設計流量132.19m3/h；分干管的設計流量66.10m3/h；支管（雙向布置）的設計流量66.10m3/h；豎管的設計流量1.84m3/h，毛管（雙向布置）的設計流量1.84m3/h；灌溉小管出流量18 L/h；灌溉小管底部穩流器流量18 L/h。

4.2 管材、管徑選擇

通過對鑄鐵管、PVC管材、PP管材、PE管材施工工藝難易程度、價格、運輸等因素的綜合考慮，確定選擇施工方便、價格合理的PE管材。采用熱熔連接。

式中：Q—設計流量，m3/h；v—經濟流速，1.00～1.50m/s。

根據以上公式，分析計算主干管管徑為φ200mm，壓力等級0.60MPa；分干管管徑φ125mm，壓力等級0.60MPa；支管管徑為φ125mm，壓力等級0.60MPa；豎管管徑為φ50mm，壓力等級0.60MPa；毛管管徑為φ25mm，壓力等級0.25MPa；灌溉小管管徑為φ4mm，壓力等級0.25MPa。管件壓力等級應與管材一致。

4.3 極限孔數

式中：Nm—毛管極限分流孔數目；INT—實數取整；△h2—水頭允許偏差，[△h2]=β2[△h]；△h—允許工作水頭范圍，灌水器允許工作水頭范圍，△h=hd=20m；β2—允許水頭偏差分配給毛管的比例，β2=1-β1；β1—允許水頭偏差分配給支管的比例，β1=1/[1+L2(α1n1)/L1]0.29；L1—支管距離，L1=142m；L2—毛管距離，L2=40.40m；α1—毛管分布系數；n1—單側毛管數，n1=36；d—毛管內徑，d=20.40mm；K—水頭損失擴大系數，取K=1.10；S—分流孔距離，S=0.80m；qd—毛管上單孔設計流量，qd=18L/h。

經計算得毛管極限孔數Nm=139孔。

按分流孔間距0.80m計算，均勻地形毛管最長可鋪設174m，如超過了此長度，均勻度就會較差。根據小區地塊形狀，為了使輪灌便于控制，設計毛管鋪設長度為40.40m。同理，可求得支管的極限孔數為85孔，均勻地形毛管最長可鋪設340m，設計支管鋪設長度為74m。

4.4 水力計算

管網水力計算選擇最遠處代表性位置進行典型管路水力計算。

毛管進口水頭計算按照以下公式：h0毛=hd+hf+hj

式中：h0毛—毛管進口水頭，m；hd—小管工作水頭，hd=20m；hf—沿程損失，hf=fLQm/db×F；f—水頭損失計算的系數，按聚乙烯管，D>8mm取f=0.51；m—水頭損失計算指數，m=1.75；b—水頭損失計算指數，b=4.75；L—長度，40.40m；Q—毛管設計流量，918 L/h；d—管內徑，20.40mm；hj—毛管局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計算；F—多孔系數,查表0.37。

經計算毛管設計進口水頭損失為20.79m。

同樣計算方式下，可以得出支管、分干管以及干管的進口水頭損失。經計算得，支管設計進口水頭損失為22.32m，分干管設計進口水頭損失為26.38m，干管設計進口水頭損失為49.36m。

由以上分析，另外過濾器經查得8m，其它管件水頭損失取2m，方塘深9m，首部損失h首＝19m。

Ⅱ區總揚程為H=h0干+h首=68.36m。

根據Ⅱ區計算公式，可得Ⅰ區總揚程為H=h0干+h首=76.72m；Ⅲ區總揚程為H=h0干+h首=63.35m；Ⅳ區總揚程為H=h0干+h首=59.40m。

4.5 水泵選型

根據水源型式、管網設計流量及水力計算等情況，選用維修和使用方便的潛水泵。泵型選擇如表2。

表2 水泵型號及參數表

5 結語

通過阜新市項目區節水灌溉工程管網設計，有力地推進了節水灌溉工程的順利推進和實施，在工程產生良好經濟效益的同時，也產生了較好的社會效益和生態效益，農民收入得到大幅提高，水資源利用率也得到了較大提升。同時，耕地土壤結構得到改觀，避免了土壤的次生鹽漬化和耕地養分流失，提高了耕地利用效率，有力地解決了農業生產與水資源短缺的矛盾，提高了項目區農作物產量和質量，也為阜新市今后節水灌溉工程的發展起到了很好的示范作用。

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