阿克塞縣紅柳灣灌區自壓管灌系統設計

楊斌，莊健元

摘 要：自壓管灌系統設計項目旨在通過實施灌區節水改造，將灌區當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，緩解灌區水資源短缺問題和水資源供需予盾，降低農業用水比重，以保證生態供水，遏制日益惡化的生態問題。

關鍵詞：紅柳灣灌區;節水改造;自壓管灌

文章編號：1004-7026（2019）16-0077-04 ? ? ? ? 中國圖書分類號：S274 ? ? ? ?文獻標志碼：A

1 ?灌區概況

阿克塞縣紅柳灣灌區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，是西北地區典型的荒漠綠洲灌溉牧業區。灌區現有居民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

紅柳灣灌區水利工程建于20世紀六七十年代，經過幾十年的運行，灌區現存的主要問題有：①渠道輸水效率低，損失嚴重;②田間工程配套標準低，灌水技術落后，水資源浪費嚴重;③項目區水資源短缺，水資源供需矛盾突出。

灌區現有一條綠源水庫至紅柳灣灌區灌溉支渠，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移位，滲漏嚴重，局部埋管裸露;支渠后段為砼預制“U”型渠，凍脹變形嚴重，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，目前斗渠均為砼預制“U”形渠，凍脹破壞嚴重，預制塊接縫處雜草叢生。

3 ?工程任務及建設內容

自壓管灌系統設計項目為《敦煌水資源合理利用與生態保護綜合規劃》的子項目（以下簡稱為《綜合規劃》）。旨在通過實施灌區節水改造，將灌區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，改進灌水技術，緩解灌區水資源短缺問題和水資源供需予盾。項目實施后使紅柳灣灌區的灌溉水利用系數由目前的0.55提高到0.77，綜合毛節水量214萬m3，綜合凈節水量93萬m3。

根據《綜合規劃》及現場踏勘，確定阿克塞縣紅柳灣灌區節水改造工程的主要建設內容如下。①骨干工程。鋪設綠源水庫—紅柳灣灌區自壓輸水干管1條，長度為4.649 km，配套干管附屬建筑物15座，包括有壓進水前池1座，閘閥井5座，排水井5座，補、排氣閥井4座;鋪設分干管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，本工程設計負責與其對接）。

4 ?工程設計

4.1 ?工程總體設計

利用灌區水源點至灌溉地塊的高程落差，形成自壓輸水和管道灌溉，具有節水、節能、省地、省工、適應性強、灌水成本低等優點。綠源水庫是阿克塞縣紅柳灣灌區的灌溉水源，灌區目前灌溉支渠是從綠源水庫取水，經水力學推算，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，故本次設計考慮到水庫壩下新增設埋管取水對大壩的安全運行可能造成隱患。在取水高程滿足要求的前提下，直接在壩后灌溉支渠段設有壓進水前池，轉換明流為有壓流，輸水至田間地塊進行自壓管道灌溉[1-3]。

4.2 ?管道分級及布置

低壓管道灌溉工程技術管網布置原則為管道級數應根據系統灌溉面積和經濟條件等因素確定。旱作區，當系統流量小于30 m3/h時，可采用一級固定管道;系統流量在30～60 m3/h時，可采用干管、支管兩級固定管道;系統流量大于60 m3/h，可采用兩級或多級固定管道。按照上述管網工程布置及管道級別劃分原則，自壓管灌系統設計流量為0.35 m3/s（1 256 m3/h），遠大于60 m3/h，輸水系統管道級別按照多級考慮。根據地塊形狀及工程布置，自壓管灌系統管網按照干管、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行設計。

紅柳灣灌區現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重，不能滿足有壓管道輸水要求，故設計考慮在原無壓管道一側平行原無壓管新鋪設有壓管道1條，因新鋪設有壓埋管占用的大多是荒灘地，征占地補償費用較低，同時原管道拆除工程量較大，為節約工程投資，且作為備用灌溉系統，故不拆除灌區原無壓灌溉支渠。

干管布置從技術經濟角度考慮，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分干為本工程建設內容，均沿現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要實施的2011年度牧區節水灌溉示范項目建設內容，本次設計不考慮5分干及其下屬支管配套改造，僅在干管5分干分水位置設控制分水閘閥。各分干管起始端設閘閥井安裝閘閥，控制干管向各分干管分水。管道埋設深度根據該灌區最大凍土深度確定，紅柳灣灌區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、分干管設計流量推算

灌區干管、分干管為續灌，干管同時控制6根分干管進行灌溉（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《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288—99）及干管控制灌溉面積，參照設計水平年的灌溉制度及有關參數，干管、分干管設計流量按下式進行計算。

Q=qA/η ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q為管道設計流量，m3/s;q為設計灌水率;η為灌溉水利用系數，取0.8;A為控制灌溉面積，取0.8。

經計算，干管設計流量為0.35 m3/s，各分干管設計流量為0.055 m3/s。

4.4 ?管材、管徑選擇

4.4.1 ?管材選擇

根據管網系統工作壓力[4]，按照經濟可靠、運行安全、安裝方便的原則，在灌區多年實踐經驗的基礎上，干管、分干管、支管均采用PVC-U管。

4.4.2 ?管徑選擇

管道管徑按照經濟流速確定，參照《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T 20203—2006），經濟流速取V=1.2 m/s，管徑按下式計算。

D=18.8（Q/V）1/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：D為管道內徑，mm;Q為設計流量，m3/h，取值為0.35 m3/s、0.055 m3/s;V為經濟速度，m/s。

根據水力學計算和管材規格，確定干管管徑為φ560 mm;分干管管徑為φ250 mm。

4.5 ?管網水力計算

管網水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，分別按照下式計算[5-8]。

4.5.1沿程損失

沿程水頭損失計算采用下式計算。

hf=■fL ? ? ? ? ? ?（3）

式中：hf為沿程水頭損失，m;f為管材摩阻系數，取0.948×105;Q為流量，m3/h;D為管道內徑，mm;L為管長，m;m為流量指數，取1.77;b為管徑指數，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%計算。阿克塞縣紅柳灣灌區自壓管灌工程主要節點水力學計算示意圖見圖1，主要節點水力學計算見表1。

4.5.3 ?主要節點水頭計算

從計算表可以看出，各支管最遠端A2、B2、C2、D2、F2點自由水頭分別為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 ?附屬建筑物設計

本項目共建設各類干管附屬建筑物15座，其中有壓進水前池1座，閘閥井5座，排水井5座，補、排氣閥井4座。

4.6.1 ?有壓進水前池

為滿足有壓進水要求，在綠源水庫壩后灌溉支渠段新建有壓進水前池1座，擬定池長16.6 m、寬4 m、深3.9 m，采用現澆C20鋼筋砼，底板厚70 cm，側墻底端厚70 cm，側墻上端厚40 cm，前池進口端以1∶4邊坡接上游綠源水庫原無壓引水管，出水端預埋φ560 mm有壓輸水干管及溢流管，設閘閥控制。前池地基底面做夯實處理，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鋼筋砼預制件，厚6 cm。

4.6.3 ?排水井

分干管末端地勢低處設置排水井。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，井底設長×寬×深=30 cm×30 cm×60 cm滲水池，滲水池內填粒徑10～30 mm碎石，井蓋采用C20鋼筋砼預制件，厚6 cm。

4.6.4 ?補、排氣閥井

主干管每隔1.0 km左右在管道凸起點設補、排氣閥井。補、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鋼筋砼預制件，厚6 cm。

4.6.5 ?建筑物地基處理設計

砂礫石地基：夯實相對密度不低于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、粉質壤土等）：表層置換0.5 m厚砂礫石墊層并對建基面進行表面夯實，壓實度大于0.93。

4.7 ?田間工程設計

灌溉支管垂直于分干管單側布置，與分干管成梳齒狀，支管間距約50 m，可根據地塊規格適當調整，支管上每隔約50 m設置出水栓，出水栓設置在地埂邊，便于控制灌溉，每個出水栓控制的灌溉面積約0.25 hm2。

5 ?運行管理

（1）運行時每條分干管上同時開啟3條支管，杜絕單管運行，每條支管開啟1個出水口。

（2）每次運行時，必須先打開出水口，不允許先開閥后開出水口;嚴格執行先開后關的原則，即先開下一輪灌組的出水口，才能關閉上一輪灌組的出水口。

（3）秋季灌溉結束后，利用分干管及支管末端放空閥井及時將管道內余水排干，防止凍冰[9]。

6 存在的不足及需改進的地方

自壓管灌系統設計項目可以緩解灌區水資源短缺問題和水資源供需予盾，在實施、應用過程中，需要注意以下方面。

（1）主干管按照設計流量給分干管平均分流實現較難。由于項目資金有限，未配備自動化控制裝置，通過手動閘閥較難實現主干管給各分干管的平均分流。

（2）較難實現控制出水栓按照設計輪灌組有序灌溉。應通過培訓，使灌區農民熟練掌握自壓管灌灌水技術及運行管理規程。

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