山區國家儲備林供水灌溉工程規劃設計與建設實踐
——以涼州區南部山區2022年國家儲備林灌溉工程為例

李鵬學，張 釗，陳元福

（1.涼州區河湖管理中心，甘肅 武威 733000；2.涼州區水電勘測設計隊，甘肅 武威 733000；3.武威市水利水電設計院有限公司，甘肅 武威 733000）

1 基本情況

涼州區南部山區2022 年國家儲備林灌溉工程位于涼州區謝河鎮，地處祁連山淺山區，地勢東南高西北低，區域內海拔1 890～2 100 m。工程區屬溫帶干旱半干旱區，年最高氣溫38.5 ℃，最低氣溫-29.5 ℃，多年平均降水量158.4 mm，蒸發量2 021 mm，最大凍土深142 cm。工程區規劃綠化面積692.2 hm2，栽植山杏、樟子松、云杉及沙棘等127.18 萬株。苗木種植田間布置為山杏、樟子松、云杉3.0 m×2.0 m，沙棘2.0 m×2.0 m。該區域降水稀少，蒸發強烈，作物非灌不殖，發展國家儲備林需全年通過工程措施供水灌溉。工程區可利用水源為黃羊水庫，附近有黃羊河引水渠首，可利用現有黃羊五干一支渠引水至工程區。

2 工程規劃與建設需解決的難題

2.1 供水管網和灌溉系統水壓力設計需考慮工程區地形起伏變化大的情況

工程區屬祁連山北坡淺山丘陵區，有二牛溝、板溝、灘溝、張林溝等5條山溝，地貌為丘陵溝壑，溝谷陡而深，相對高差10～50 m。塬面相對平緩，坡度20°左右，溝谷坡度75°左右，灌溉供水既存在壓力不足小管出流流量偏小，又存在管網壓力過大爆管情況，很難滿足正常恒壓供水[1]。

2.2 工程布局需系統考慮供水點與灌溉區域相對落差較大、管線長的情況

工程區供水水源為黃羊水庫，利用現有黃羊五干一支渠從黃羊河渠首取水至擬建調蓄水池，調蓄水池設計水位高程1 819.80 m，種植區最高高程2 036.7 m，相對落差216.9 m。種植區域最大長、寬分別為3 224 m、1926 m，地形坡度在1∶14～1∶7。由于地形落差大，供水管線長，工程布局需從供水首部和管網安全、運行管理方便等綜合考慮。

2.3 工程建筑物設計和灌溉管理需考慮工程區濕陷性黃土土質情況

工程區主要為第四系Q4不同成因的堆（沉）積物覆蓋，成因類型較復雜，主要有沖洪積、洪積、人工堆積等，具有典型的山前水文地質分帶特征。在大地構造上屬于河西走廊過渡帶的武威新凹陷盆地區，南側以斷裂帶與祁連山褶皺帶銜接，區域構造穩定性較差。工程區土質為濕陷性黃土，不利于修建蓄水建筑物。同時，種植區土質保水性較差，在水量較少的情況下苗木極易受旱，在灌水量較多時易造成局部地塊塌陷，形成溝壑，傾翻已栽植的樹木，常規溝灌、畦灌溉方式不適應，對灌溉要求相對較高。

3 工程規劃設計

3.1 工程總體布局

利用黃羊五干一支渠從黃羊渠首引水，在種植區坡腳、五干一支渠附近新建調蓄水池，通過高揚程水泵一次性加壓供水。結合地形和供水流量，設A、B、C 三個供水片區，分三路干管供水，涼州區南部山區2022 年國家儲備林灌溉供水工程總體平面布置（圖1）。供水干管向上沿山體垂直等高線布設，配水管道均呈“豐”字型布設分支管垂直干管布設，地面輔管垂直等高線。滴灌帶平行等高線、沿栽植樹木株行距布置，采用小管出流灌溉。分區域灌溉，A片區灌溉面積278 hm2，劃分25個灌水小區；B片區灌溉面積227.3 hm2，劃分24個灌水小區；C片區灌溉面積186.9 hm2，劃分23個灌水小區。

圖1 涼州區南部山區2022年國家儲備林灌溉供水工程總體平面布置

3.2 水源工程設計

根據工程區已建水利工程、區域地形、地貌、地質條件等，工程可供引用的灌溉水源為流經植樹區山腳的黃羊灌區五干渠一支渠末端地表水。五干渠從黃羊渠首西進水閘引水，流經13.5 km，從五干一支渠分水閘取水，渠長4.2 km，渠底最緩縱坡1∶1428，設計引水流量0.3 m3∕s，現灌溉周邊農田面積196.7 hm2。

3.3 調蓄水池設計

經核算工程區灌溉最大灌水率120 m3∕s·hm2，最小灌水率7.2 m3∕s·hm2，灌溉日用水量在987～16 373 m3，同時，供水渠道兼顧周邊農田灌溉，綜合考慮，蓄水池設計容積為10 000 m3，進行日調節供水。

調蓄水池布設在黃羊五干一支渠西側荒地，地層巖性上部為第四系上更新統風積（Q3eol）黃土，微具水平層理，弱粘結性，抗沖刷力差。池基主要地層巖性為砂礫卵石，厚度大于5 m，滲透系數為（1.6～2.1）×10-3cm∕s。經穩定復核計算，同時為便于施工，調蓄水池采用內壩坡比1∶2.75，外邊坡坡比1∶2.5。調蓄水池設計深度5 m，采取防滲措施。內池坡自下向上依次為1.5 m砂礫石換基夯實（壓實度≥0.96）、100 mm的壤土墊層（壓實度≥0.96）、250 g∕m2∕PE0.5 mm∕250 g∕m2復合防滲土工膜、50 mm 厚M10 水泥砂漿、粒徑<150 mm厚300 mm砂礫碎石壓重層。池底自下而上依次為原基夯實（壓實度≥0.96）、100 mm 的壤土墊層（壓實度≥0.96）、250 g∕m2-PE0.5 mm-250 g∕m2復合防滲土工膜、100 mm 的壤土墊層、粒徑<150 mm厚300 mm 砂礫碎石壓重層。池坡坡底設一道現澆C25砼固腳。調蓄水池典型斷面詳見圖2。

圖2 調蓄水池典型斷面圖

3.4 首部設計

泵站布置于調蓄水池西南側，地層巖性主要為風積黃土（Q3eol）及沖洪積砂礫卵石場地地基土，對普通混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性[2]，施工過程中可采取防微腐蝕措施。泵坑地基為砂礫卵石層，泵坑開挖邊坡比取1∶1.5。泵站地基需承受上部建筑物荷載和水泵震動，整平壓實相對密度達到Dr＞0.75。根據灌溉區域面積和高程，分別用三組水泵加壓供水，A區設計流量140 m3∕s，設計揚程120 m，B 區設計流量120 m3∕s，設計揚程185 m，C區設計流量110 m3∕s，設計揚程255 m，在充分考慮滿足深井泵高揚程、減小泵坑挖深、降低安裝難度的基礎上，參照同類已建工程，本工程三組水泵選用臥式深井潛水泵。考慮灌溉期水泵維修等因素，設計泵站內并排安裝水泵為4 臺（3 用1備），另儲備2 臺水泵放置于庫房，以備不時之需[3]。為滿足水泵安裝要求，水泵固定于臥式支架上，直接安裝于泵坑池底，水池最低運行水位高于水泵頂平面3 m。根據水泵及附屬設施占地情況，綜合考慮經濟合理，泵站管理房設計總面積264 m2。

供水系統首部樞紐設置在設備房內，包括逆止閥、排氣閥、閘閥、壓力表等。供水管道均需在管道出口設置手動閘閥，用以控制管道介質。為方便管道分水管理及維修檢查、排氣，在管道分段設置檢修閥，在管線低凹處設置放空閥以及放空管道。水泵出口安裝壓力表及壓力變送器，用以實時觀測水泵運行狀況。

3.5 管網設計

輸配水管網由主干管、分干管、地面輔管和滴灌管組成。

（1）主干管及分干管設計。為降低運行費用，方便管理操作，地塊與調蓄池位置、高程等，灌溉系統均按照“管路短、控制面積大”的布置原則，按“山”字形和“豐”字形布置干管和分干管。在干管和分干管最低處設置排水閥門，主干管與分干管交叉處設置閘閥井，同級管道盡量避免出現凸起，各系統不同流量干管特性見表1。

表1 各系統不同流量干管特性表

（2）干管防腐設計。綜合考慮施工方便、山區工程質量控制、管網壓力等因素，主干管及分干管均采用無縫鋼管，連接方式為法蘭連接。為有效控制鋼管腐蝕，延長使用年限，對壓力鋼管進行除銹防腐，等級不低于Sa2.5級。地埋管段內防腐采用熱熔結環氧粉末（EP）防腐，涂層厚度不小于400 μm。外防腐底層采用環氧富鋅（或無機富鋅）60 158 μm、中間層采用環氧云鐵100 μm，面層采用丙烯酸聚氨酯100 μm，與混凝土接觸部位鋼管外壁涂刷300～800 μm水泥漿做臨時防護。

（3）地面輔管和滴灌管管徑及管材選擇。由于本工程地形落差較大，輸配水管網承受動水、靜水壓力大，選擇管材時，應在安全、經濟的原則下，考慮選擇強度高、韌性好、安裝維護方便的材料。經比選，主干管、豎管及地面輔管均選用耐久性強、運行可靠且不易損壞的PE管。根據管網水力計算結果，承壓等級均選為1.6～1.0 MPa。滴灌管選用Φ16 mmPE管，壁厚e為1.2 mm，額定工作水頭為10 m，穩流器設計流量為6.0 L∕h，滴頭間距與種植間距相一致，一樹一滴頭[4]。

3.6 附屬建筑物設計

根據管道壓力情況，在管道沿線設置減壓閥井，井壁厚0.2 m，底板厚0.25 m，蓋板厚0.2 m，井深依管道埋深而定。為方便灌溉系統管網的配水、分水管理及維修檢查，在管道分水處均設置閘閥井，井內安裝閘閥，閘閥井井深2.0 m。井底由下向上依次為原土夯實，0.3 m 厚砂礫石墊層及0.1 m 厚現澆C20 砼圓形底板，直徑為1.5 m。管溝開挖時，為便于施工，斷面選用梯形斷面，邊坡1∶0.5，底寬0.6 m，填埋時，由于田間灌溉管道，冬季不運行，管頂以上需覆土1.5 m，保證管道不被凍漲破壞。由于工程相對落差較大，為保證管道穩定性，在管線拐彎處設置C25混凝土鎮墩。

3.7 灌溉制度設計

根據項目區水源保障和自然條件，灌溉設計保證率采用90%，土壤計劃濕潤層深度0.6 m，土壤濕潤比取30%，適宜土壤含水率田間最大持水率取24%，經分析計算，最大凈灌水定額15.12 mm。設計耗水強度取為2.5 mm∕d，設計供水強度2.49 mm∕d，經計算，設計灌水周期取6 d。設計凈灌水定額為15.12 mm（0.672 m3∕hm2），設計毛灌水定額為0.747 mm（11.2 m3∕hm2）。一次灌水延續時間16.8 h。考慮工程區控制灌溉面積較大，為確保系統安全運行，采用輪灌制度[5，各片區輪灌組劃分除應考慮安全外，還應盡量便于操作管理。A 區、B 區、C 區分為3 個系統，每個系統劃為8個輪灌組灌溉，每個輪灌組灌溉時間為16.8 h，每次灌溉定額為0.747 m3∕hm2。工程區設計水平年典型作物灌溉制度見表2。

表2 工程區設計水平年典型作物灌溉制度

4 運行情況

工程建成運行時，3 條主管（3 個片區）同時開啟，根據設計凈灌溉定額0.672 m3∕hm2，毛灌溉定額0.747 m3∕hm2，一次灌水時間16.8 h，每個灌溉周期6～8 d。各片區劃分為3 個分片區，每個分片區劃分為8 個輪灌組，每個輪灌組結合水泵供水能力和出水口布置確定控制灌溉面積，各滴灌片區輪灌情況見表3。

表3 各滴灌片區輪灌情況表

5 啟示

（1）供水灌溉區域內地勢復雜，山嶺溝壑交錯，最高供水點與水源點調和落差近220 m，灌溉區屬濕陷性黃土，不適宜修建調蓄工程設施。一方面揚程高，各區域壓力變幅較大，既存在壓力不足又存在壓力過大爆管情況，另一方面控制面積666 hm2以上，小管出流灌溉需要恒壓供水，容易造成相對提水點落差大的區域供水壓力不足，無法滿足正常恒壓供水。在本工程規劃設計時，確定采用一次加壓、分三個區域、三個系統供水的方案；水泵按照實際供水高程和流量定制，配套變頻調節設備；對所有管網進行水頭壓力計算，并設置降壓和排氣閥，適應了地形相對落差，保證了供水所需水壓，使灌溉更加均勻有效[6]。

（2）工程供水主管壓力要求在2.5 MPa 以上，選用鋼管。鋼管管徑為D200，總施工長度12.45 km，連接點共104個，因受地形條件約束，管道現場連接施工和運輸難度較大。在施工設計中，地形相對平緩區域采用現場焊接方式，山坡和溝壑區域采用法蘭連接。在初次試水中，焊接連接的漏水點占總焊接點的3%，主要集中在某一施工段；法蘭連接的漏水點占總法蘭連接點的2%，主要是螺栓有松動。實踐表明，這2種方式均能滿足供水要求，采用焊接連接時對施工人員技術要求較高，法蘭連接施工程序相對多，但后期維修方便。因地制宜選擇鋼管施工方法，可保證供水管道安全可靠[7]。

（3）為適應山區地形實際和壓力恒定的要求，滴灌帶沿等高線布設，可防止滴灌管壓力過大脫節或壓力過小滴頭不出水等問題。劃定了72 個輪灌組，并結合實際輪灌小組區域地塊地形，逐段通過水力計算確定滴灌帶長度，確保小管出流灌溉流量基本均衡，同時，在小管出流接口處配置穩流器，對個別流量不均勻的通過穩流器調節，實現小管出流灌溉水量基本均衡。

（4）工程區域土質為濕陷性黃土，土壤結構疏松穩定性差，不易保水。在灌溉過程中，適時進行觀測和土壤濕潤深度測定，結合樹木水量需求，適當縮短灌溉時間，增加灌水輪次，從而保證灌溉水不對土壤產生浸透濕陷。