吳 剛

(北京中水新華灌溉技術(shù)有限公司，北京 100054)

“長藤結(jié)瓜”式高效灌溉系統(tǒng)在輸水管道上連接有池塘、水池和水窖等調(diào)蓄工程。系統(tǒng)中的管道像瓜藤，池塘、水池和水窖像藤上的瓜，故稱“長藤結(jié)瓜”式高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)。一般由三部分組成: (1)首部引水工程。 (2)輸水、配水管道系統(tǒng)( 稱之為藤)。 (3)灌區(qū)內(nèi)部的小型池塘、水池和水窖( 稱之為瓜)[1]。

1 工程概況

系統(tǒng)建設(shè)地位于攀枝花市鹽邊縣紅果鄉(xiāng)花椒箐村，系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃面積218.93 hm2，種植作物為核桃。整個灌溉面積成北高南低之勢，灌溉面積最高處海拔2121 m，最低處海拔1700 m，地形落差421 m。灌溉水源利用上游山溪水，根據(jù)水文計算，上游山溪水在85%保證率下年徑流量為0.139 m3/s，系統(tǒng)在用水高峰期所需流量為0.03 m3/s，水量滿足要求。

2 工程總體布置

根據(jù)灌區(qū)的實際情況，從灌溉面積最高處開始到灌溉面積最低處布置7口調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池主要滿足兩方面的功能，一是滿足蓄水的功能，二是起減壓的功能。取水口和7口調(diào)節(jié)池以及連接管道網(wǎng)作為一個連接的系統(tǒng)工作，每個水池及田間管網(wǎng)作為一個子系統(tǒng)工作。根據(jù)實際現(xiàn)場勘查，取水口位于上游溝道高程2220 m位置，取水口至第一個調(diào)節(jié)池及各調(diào)節(jié)池采用管網(wǎng)連接輸水。輸水管網(wǎng)的管徑和壓力等級以及調(diào)節(jié)池容積的確定需要通過計算確定。調(diào)節(jié)池布置見圖1。

圖1 調(diào)節(jié)池布置示意圖(單位：m3/h)

3 水池位置的確定

水源地取水點0點高程為Z0=2220 m，第一個調(diào)節(jié)池高程為Z池1，第二個調(diào)節(jié)池高程為Z池2，……第七個調(diào)節(jié)池高程為Z池7，設(shè)管道的允許壓力水頭為H1=160 m，則第一個調(diào)節(jié)池至第七個調(diào)

節(jié)池計算高程公式如式(1)、式(2)所示：

Z池1=Z0-〔H1〕

(1)

Z池7=Z池6-〔H7〕

(2)

帶入數(shù)據(jù)，可得每個調(diào)節(jié)池合理的設(shè)置高程位置，根據(jù)現(xiàn)場地形調(diào)查，一般選取的調(diào)節(jié)池位置都比計算的數(shù)據(jù)偏大些，這樣保證有一定的安全冗余度，計算結(jié)果及調(diào)節(jié)池實際布置高程見表1。

表1 水池高程計算

4 輸水管道水力計算

4.1 輸水管道流量的計算

根據(jù)系統(tǒng)布置，輸水管道被調(diào)節(jié)池隔開，共分為7段，每段管道為下游調(diào)節(jié)池供水，即池6—池7管段為池7供水，流量為Q7，控灌面積為3.93 hm2；池5—池6管段為池6和池7供水，供水流量為Q6，控灌面積為10.26 hm2；池4—池5管段為池5、池6和池7供水，供水流量為Q5，控灌面積為46.13 hm2；池3—池4管段為池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q4，控灌面積為76.0 hm2；池2—池3管段為池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q3，控灌面積為116.93 hm2；池1—池2管段為池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q2，控灌面積為182.73 hm2；取水口—池1管段為池1、池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量為Q1，控灌面積為218.93 hm2。

系統(tǒng)輸水管道流量由公式(3)計算確定。

(3)

式中：Q為輸水管道流量，Q1～Q7,m3/h；A為每級輸水管控制灌溉的面積,hm2；Ia為設(shè)計供水強度，取0.81 mm/d；C為日供水小時數(shù)，輸水管道按24 h計；η灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

根據(jù)公式(3)可計算得出每段輸水管流量，計算結(jié)果見表2中第2列。

4.2 輸水管道經(jīng)濟管徑計算

由于管道采用自壓供水，水力坡度和管道坡度一致時的管徑即為經(jīng)濟管徑[2]，可以采用公式(4)計算確定管徑。

(4)

式中：D為經(jīng)濟管徑， mm；Q為管段的流量,m3/h；I為沿管道坡度，一般為地形坡度；f為摩阻系數(shù)，取94 800；m為流量指數(shù)，取1.77；b為管徑指數(shù)，取4.77。

帶入數(shù)據(jù)，計算得輸水管道至下而上的經(jīng)濟管徑內(nèi)徑為20 mm、29 mm、45 mm、64 mm、90 mm、98 mm、125 mm，選用PE100級PE管道，對應(yīng)選取的管道公稱外徑分別為32 mm、40 mm、63 mm、75 mm、110 mm、11 mm、160 mm，見表2中的第6、7列。其中dn32管和db40管公稱壓力為1.6 MPa，dn63管和db75管公稱壓力為1.25 MPa，dn110管公稱壓力為1.0 MPa，dn160管公稱壓力為1.6 MPa。

4.3 輸水管道壓力計算

管道輸水損失按式(5)～式(7)進行計算。

h=hf+hj

(5)

(6)

hj=0.1hf

(7)

式中：hf為管道沿程水頭損失,m；hj為管道局部水頭損失,m，按沿程水頭損失的10%估算；L為管道長度,m;其余符號同前。

根據(jù)式(5)～式(7)計算可確定每段輸水管道的水頭損失，由此可確定管道的水壓線高程，計算結(jié)果見表2中第8、9列，根據(jù)計算成果繪制管道縱斷面成果，見圖2，從圖2中可以看出：各輸水管段管道坡度和管道水壓線坡度比較一致，說明選取的管徑比較接近經(jīng)濟管徑。

表2 輸水管道水力計算表

圖2 管線縱斷面圖

5 調(diào)節(jié)池容積的確定

調(diào)節(jié)池容積計算按日調(diào)節(jié)和多日調(diào)節(jié)計算的方法，在灌溉面積小的情況下可按日調(diào)節(jié)公式(8)進行計算[3]。

V=M(Q用-Q來)t

(8)

式中：V為計算的水池容積,m3；M為擴大系數(shù)，

一般取1.1；Q用為水池的放水流量,m3/s，可用式(3)計算確定，與輸水管道計算流量不同的是，水池放水工作時間一般按12 h考慮；Q來為子系統(tǒng)的來水流量，等于系統(tǒng)上級輸水管道流量減去下級輸水管道流量；t為臨界用水時間，h為水池的放水時間，即12 h。帶入公式可計算確定水池容積。

表3 調(diào)節(jié)池容積計算表

6 結(jié) 語

根據(jù)所選管道承壓等級和地形條件確定調(diào)節(jié)池的位置，或根據(jù)已有山塘或水池確定輸水管道的壓力等級。通過計算確定輸水管網(wǎng)的流量，采用重力輸水的方式，充分利用地形落差選擇最經(jīng)濟管徑。根據(jù)來水和用水之間流量和供用水之間的對比關(guān)系，采用日調(diào)節(jié)的方法確定調(diào)節(jié)水池的容積。調(diào)節(jié)池起兩方面的作用，一方面起減壓的作用，另一方面起調(diào)節(jié)水量的作用。通過設(shè)計，可最大限度利用地形的落差優(yōu)勢滿足灌溉需求。