程海湖生態修復植物灌溉設施及水源設計

左安垠，趙 寅，孫曙鴻

（1.永勝縣林業和草原局紅星橋木材檢查站，云南麗江 674200；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明 650051；3.永勝縣天然林保護工程管理辦公室，云南麗江 674200）

1 論文背景

程海湖位于永勝縣中部，原屬金沙江水系并與金沙江連通，300年前與金沙江水系隔絕形成內陸封閉高原深水湖泊。是云南省九大高原湖泊之一，湖東、西、北三面環山，南北地勢平坦。流域面積318.3km2，多年平均入湖水量約1.62億m3，湖面海拔1 501m，南北長19 km，東西平均寬5.4 km，平均水深25.7m，最大水深35.1m。水面面積77.2 km2，蓄水量19.2億m3。

環湖截污、引水補水、生態修復是搶救性保護程海湖三大措施，如何通過生態修復的手段來改善與創造一個良好的生態環境，是近年來程海湖生態環境建設的重點和難點，在生態修復綠化過程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面臨的難題之一。2018年以來，實施了程海湖生態修復省級重大工程項目，包括植物工程、河門口治理工程、灌溉引水工程、生態管護廊道工程、防護網工程、土壤改良工程六大部分，其中二期灌溉引水工程工程范圍為灌溉區長度27.9km，寬度30m一級保護區條帶，水源工程設計范圍為灌區至取水點直線長度6km，經工程區現狀調查及分析研究，做出了科學設計。本文的項目設計、施工建設等內容可為類似生態修復工程設計提供參考。

2 項目區現狀分析

2.1 自然及土壤現狀

項目區處于低緯高原區，具有較獨特的高原山地季風氣候特點，干濕季分明，冬春多旱，旱季長達9-10個月，輻射強，蒸發量大。多年平均降雨量為935.4mm，蒸發量為2 173.6mm，多年平均氣溫13.5℃，極值最高32.3℃，最低-11.2℃，平均相對濕度68%，日照2 403.6h，多年平均風速2.5m/s，多年平均最大風速為11.3m/s，歷年最大為18.0m/s。受局部地形影響，年降雨量空間分布極不均勻，多集中于斷陷盆地四周的山坡一帶；降雨量時間分布不均勻，主要集中在夏季7-9月，降雨量約占全年降雨量的85%以上。土壤堿性、砂礫石含量高，保水性差。由于程海湖為堿性水且嚴禁取水，周邊無水源，水源缺乏。

2.2 引水高程、地形地貌等條件

水源點至供水點直線距離6km，取水點地面高程1 740m，高位水池地面高程1 740m，供水點灌區地面最高高程1 533.3m，最低高程1 501m。均為山地地貌。

3 設計策略

從能滿足供水需求的水庫引水灌溉；選擇高效節水灌溉方式；建高位水池、壓力調節池等解決海拔差大產生的管道高壓及蓄水滿足灌溉用水。

4 灌溉設施及水源工程設計

4.1 灌溉方式選擇

由于植物設計為喬、灌、草結合的自然式種植，采用節省用水量、提高水利用率、灌溉均勻的固定噴灌結合部分微灌的灌溉方式。

4.2 水源選擇

本工程以水庫作為水源，可利用水源有羊坪水庫、崀峨水庫和馬場坪水庫。

羊坪水庫總庫容3 997萬m3，興利庫容為3 247萬m3；崀峨水庫總庫容為1 220萬m3，興利庫容為1 085萬m3；馬場坪水庫總庫容598萬m3，興利庫容539萬m3。

根據項目需水量要求以及供水水源就近原則，選擇馬場坪水庫作為本項目供水水源。

4.3 設計標準確定

本項目的設計保證率取83%-95%；管道水利用系數取0.95；灌溉水利用系數0.85。

4.4 灌溉定額

生態修復條帶內種植灌木、喬木、草，種植比例為5∶4∶1。

4.4.1 最大灌水定額計算

（1）灌水定額計算公式

式中：mmax—最大灌水定額（mm）；γ—土壤容重（g/cm3）；z—土壤計劃濕潤層深度（cm）；p—土壤濕潤比（%）；θmax—適宜土壤含水率上限（重量百分比）（%）；θmin—適宜土壤含水率下限（重量百分比）（%）。

（2）灌水定額設計計算結果

灌水定額計算結果見表1。

表1 設計灌水定額表

4.4.2 設計灌水周期

（1）計算公式

Tmax=mmax/Ia；T＜Tmax

公式中：Ia—耗水強度；mmax—設計灌水定額；Tmax—最大灌水周期。

（2）計算設計結果

計算結果見表2。

表2 設計灌水周期計算表

4.4.3 設計灌水定額（m）

（1）設計灌水定額計算公式

m=T×Ia

m—設計灌水定額 T—灌水周期 Ia—日耗水量

（2）設計灌水定額計算結果

計算結果見表3。

4.4.4 灌溉制度設計

項目總灌溉面積1 250.4畝，根據灌區及周邊情況，沿灌溉條帶設置了10個灌溉水池。每個水池控制一個片區，水池出水管接至沿湖布設的灌溉支管，灌溉支管沿左右延伸，覆蓋經過區域的植物灌溉，接入點左右兩側各設置一個蝶閥。

4.5 灌溉系統設計流量

4.5.1 計算公式

灌溉系統設計流量由調整后的灌水率確定。

式中：Q—灌溉系統設計流量（m3/h）；ai—第i種作物種植比例；mi—第i種作物灌水定額；Ti—第i種作物灌溉周期；A—設計灌溉面積；td—系統日工作小時數；η—灌溉水利用系數；e—灌溉作物種類數。

表3 灌水定額計算表

4.5.2 計算結果

經計算得灌溉系統設計流量為329.35m3/h。項目范圍內種植喬木33 658株，灌木14 422株，藤本和地被植物293 831m2，原生地被培育470 115m2。經過計算每天總需水量為4 700m3。管護期用水量為423萬m3，（按照每年供水10個月計算）。

4.6 微噴灌設計

結合區域自然情況，固定噴灌能有效節省人工，提高灌水效率，選用固定噴灌結合部分微灌的灌溉方式。噴灌、微灌面積比為8∶2。

經過計算，使用WPX120-200旋轉微噴頭。噴頭噴嘴直徑6mm，工作壓力0.20MPa，射程4m，設計流量0.12m3/h。系統配水水干管采用焊接鋼管，耐壓不低于2.0MPa。支管采用符合國家相關規范的高密度聚乙烯（HDPE）或硬聚氯乙烯（PVC-U）管，耐壓不低于0.63MPa。經系統管網水力計算，確定干管、支管分別為DN150、DN32。噴頭連接豎管采用PVC-U管，管徑DN25mm（1.25MPa）。

4.7 灌溉系統總體方案布置

設計在壩箐河程海生態應急補水工程輸水渠道旁新建一座取水口，通過管道引水至高位水池。再從高位水池接輸水管引水至沿湖布設的調節水池。輸水主管至沿興仁村附近分別向東、西岸灌區輸水，東岸灌區引水主管從輸水主管旁接進入東1#減壓池，減壓后沿環境生態監測通道布設連通至一期管網，沿途分別輸水至東3#調節水池、東2#調節水池、東1#調節水池。西岸灌區引水主管從輸水主管旁接后沿環境生態監測通道布設至西1#減壓池，減壓后再沿湖布設連通至一期管網，沿途分別輸水至西7#調節水池、西6#調節水池、西5#調節水池、西4#調節水池、西3#調節水池、西2#調節水池、西1#調節水池。各個調節水池再設置一根出水管，出水管布置至湖邊后，與沿湖輸水主管平行布置向控制灌區供水，灌區內設置微噴灌系統。總體布置方案如圖1、圖2所示。

圖1 灌溉系統總體方案布置圖

圖2 灌溉系統總體方案布置圖

4.8 管道設計

4.8.1 管材選擇

根據現場地形地質條件、管道材料性能、接口性能，管道工作壓力及安全性等因素進行選擇，焊接鋼管施工靈活、方便，不受地形影響，承壓能力強，價格適中、質量穩定，運行維護方便，項目輸水主管采用Q235B焊接鋼管，配水主管采用Q235B焊接鋼管。

4.8.2 管徑選擇

（1）計算公式

式中 D—管道直徑（m）；Q—管道設計流量（m3/s）；V經—管道經濟流速（m/s）。

（2）管徑選擇計算結果

管徑選擇計算結果如表4所示。

表4 管徑選擇表

4.9 水力學計算

4.9.1 管道總水頭損失計算公式

式中：Hz—管道總水頭損失（m）；Hy—管道沿程水頭損失（m）；Hj—管道局部水頭損失（m）。

4.9.2 管道沿程水頭損失計算公式

式中：Hf—沿程水頭損失（m）；L—管道長度（m）；V—管內流速（m/s）；C—謝才系數，；R—水力半徑，對于圓管，R=D/4（m）；n—糙率，鋼管取0.012，PE管0.008；D—管道內徑（m）。

4.9.3 管道的局部水頭損失計算公式

式中：ζ—管道局部水頭損失系數。

4.9.4 計算結果

根據以上各式及參數對輸水管道進行水力學計算，計算結果如表5所示。

4.10 管道承壓計算

4.10.1 鋼管壁厚計算公式

式中：t—鋼管計算管壁厚度（mm）；P—設計內水壓力（N/mm2），包括凈水壓力與水擊壓力；[σ] —鋼管材料的允許應力（N/mm2），取0.55σs；σs—鋼材屈服點強度，當管壁厚度小于16mm時，σs=235N/mm2；當管壁厚度為16-40mm時，σs=225N/mm2；φ—焊縫系數，取0.9。

表5 鋼管分段水力計算

鋼管加工偏差按壁厚±10%計算，管壁抗腐蝕附加厚度取2mm。

鋼管管壁最小厚度，除滿足結構分析要求外，還需考慮制造工藝、安裝、運輸等要求，保證必需的剛度，因此鋼管最小厚度不應小于下式計算值。

t≥D/800+4

式中：D—鋼管直徑（mm）。

水擊壓力按下式計算：

△P=2σ/（2-σ）*Hγ

式中：σ=v0*L/gHT；v0—水擊發生前管道內的流速（m/s）；L—管道長度（m）；g—重力加速度（m/s2）；H—管道閥門處的靜水頭（m）；T—閥門關閉時間（s）；γ—水容重（T/m3）。

4.10.2 鋼管各分段及鋼管壁厚計算結果

鋼管各分段及鋼管壁厚計算結果如表6所示。

表6 鋼管分段壁厚計算

4.11 管道敷設

工程項目管道主要為淺埋管敷設，少部分管道采用深埋保護敷設。當輸水管線跨過現有道路溝渠時，管道全段采用鋼筋混凝土鎮墩全包裹，以保證管道能承受后期上部車輛或堆渣等荷載。埋設鋼管水平或豎直轉角超過15°時設置鎮墩。

4.11.1 鎮墩

鋼管在平面及立面轉彎點設置鎮墩，鎮墩主要承受水管改變方向而產生的軸向不平衡力，靠其自身重量保持穩定。鎮墩型式根據每個彎段轉彎點特性、地形地質條件進行設置，采用C25混凝土進行澆制，其體積根據鎮墩所受作用力按滿足鎮墩穩定條件進行推求，詳見下式：

式中：KC—鎮墩抗滑安全系數，一般取1.5；Fc—鎮墩與地基間摩擦系數，根據各鎮墩處地質條件進行取值，采用0.2-0.3；∑Y—作用于鎮墩上的垂直合力；∑X—作用于鎮墩上的水平合力；G—鎮墩自身重量（包括鎮墩內管道重量和水重）。

根據上述公式推求出所需鎮墩體積，根據鎮墩體積，再初擬鎮墩輪廓尺寸，進行鎮墩基底應力驗算。由于明鋪鋼管受溫度影響較大，因此兩鎮墩之間設置伸縮節，以減小鋼管因溫度變化引起的應力。為減小伸縮節的內水壓力和便于管道安裝，伸縮節布置在管道上游鎮墩下游側。

4.11.2 支墩

支墩設置在鎮墩之間，其作用主要是承受鋼管及水在豎向的分力，以減小鋼管軸向及切向應力，支墩允許鋼管在軸向自由移動，以保證鋼管應溫度變化自由伸縮。鋼管支墩間距根據鋼管應力進行分析求得。

4.11.3 管道連接

管道連接主要采用焊接連接。

4.11.4 管道防銹、防腐設計

工程所有管道均采用外防腐加強保護：明鋪管段，先進行表面除銹處理，刷紅丹防腐底漆一道，綠色醇酸磁漆兩道；埋地段鋼管外壁采用2布3油防腐處理，鋼管防腐先進行表面除銹處理，涂抹一層環氧煤瀝青漆后，纏裹一層玻纖布，然后再涂抹一層環氧煤瀝青漆。待干后，再涂抹一層環氧煤瀝青漆，纏裹一層玻纖布，表面再均勻完整的涂抹一層環氧煤瀝青漆。

4.11.5 輸水管閥門設置

輸水管道低凹處設置泄水、沖砂閘閥，管道隆起處設置排氣閥。泄水、沖砂閘閥直徑為管道直徑的1/4-1/5，排氣閥直徑為管道直徑的1/8-1/10。輸水主管高差間隔100m設置減壓閥，每個水池進水管末端設置減壓閥。

4.12 水池設計

根據現場踏勘及工程布置情況，取水口處設置一座高位水池，管道沿線每個村建一個水池，共10個，滿足附近區域灌溉用水，水池參數見表7。

表7 水池特性表

5 示范段管道試壓及結果

5.1 示范段管道試壓方法

（1）水壓試驗壓力為各段輸水管線設計工作壓力+0.5MPa，且不低于1.0MPa。

（2）預試驗階段：將管道內水壓緩緩地升至試驗壓力并穩壓30min。期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力；檢查管道接口、配件等處有無漏水、損壞現象；有漏水、損壞現象時應及時停止試壓，查明原因并采取相應措施后重新試壓。

（3）主試驗階段：停止注水補壓，穩定15min；當15min 后壓力下降不超過0，將試驗壓力降至工作壓力并保持恒壓30min，進行外觀檢查若無漏水現象，則水壓試驗合格。

（4）管道升壓時，管道的氣體應排除；升壓過程中，發現彈簧壓力計表針擺動、不穩，且升壓較慢時，應重新排氣后再升壓。

（5）分級升壓，每升一級應檢查后背、支墩、管身及接口，無異常現象時再繼續升壓。

（6）水壓試驗過程中，后背頂撐、管道兩端嚴禁站人。

（7）水壓試驗時，嚴禁修補缺陷；遇有缺陷時，應做出標記，卸壓后修補。

5.2 示范段管道試壓結果

根據相關規范要求對試驗段管線進行管道試壓實驗，結果表明本項目輸水管道設計值與實際運行工況相符，管道試壓結果詳見表8所示。

表8 示范段管道試壓結果

6 結論

（1）對程海湖生態修復項目（二期）一級保護區寬30m、長27.8km灌區及至取水點6km，灌溉管網制安、高位水池、調節池等設計，主要是確保工程區內植物正常生長，攔截污染、改善入湖水質具有重要的作用和意義。

（2）通過程海湖生態修復項目（二期）灌溉引水工程現場現狀調查分析，根據灌溉系統總體方案布置設計及各引水管道起點至終點地面高程、流量等計算，做出了設計策略，選擇了灌溉方式及水源、總體方案布置，確定了設計標準，根據灌溉方式及水源、總體方案布置、設計標準，通過灌溉定額、灌水周期、灌水制度、水流量、水力學、管道承壓、鎮墩承壓等計算，得出管道敷設、管徑選擇、管道壁厚、減壓池設置等結論及設計。

（3）示范段成果試壓結果表明：管道設計承壓與試壓承壓一致，示范段灌區經使用無爆管管網損毀、無灌溉水源不足現象。