阿克塞县红柳湾灌区自压管灌系统设计

杨斌，庄健元

摘 要：自压管灌系统设计项目旨在通过实施灌区节水改造，将灌区当前的渠道输水和大水漫灌改造为管道输水和自压管灌，提高输水效率，缓解灌区水资源短缺问题和水资源供需予盾，降低农业用水比重，以保证生态供水，遏制日益恶化的生态问题。

关键词：红柳湾灌区;节水改造;自压管灌

文章编号：1004-7026（2019）16-0077-04         中国图书分类号：S274        文献标志码：A

1  灌区概况

阿克塞县红柳湾灌区位于阿克塞县城北偏西方向约7 km处，平均海拔1 650 m，日照充足，是西北地区典型的荒漠绿洲灌溉牧业区。灌区现有居民297户，灌溉面积533 hm2，种植作物以玉米、紫花苜蓿、饲草及瓜菜为主。

2  目前存在的问题

红柳湾灌区水利工程建于20世纪六七十年代，经过几十年的运行，灌区现存的主要问题有：①渠道输水效率低，损失严重;②田间工程配套标准低，灌水技术落后，水资源浪费严重;③项目区水资源短缺，水资源供需矛盾突出。

灌区现有一条绿源水库至红柳湾灌区灌溉支渠，总长5.306 km，支渠前段3.09 km为砼无压埋管，管径0.8 m，埋管段管道接头多处松动移位，渗漏严重，局部埋管裸露;支渠后段为砼预制“U”型渠，冻胀变形严重，渠道杂草丛生。支渠控制6条灌溉斗渠，从支渠分水后均由西南向东北行进，目前斗渠均为砼预制“U”形渠，冻胀破坏严重，预制块接缝处杂草丛生。

3  工程任务及建设内容

自压管灌系统设计项目为《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》的子项目（以下简称为《综合规划》）。旨在通过实施灌区节水改造，将灌区目前的渠道输水和大水漫灌改为管道输水和自压管灌，提高输水效率，改进灌水技术，缓解灌区水资源短缺问题和水资源供需予盾。项目实施后使红柳湾灌区的灌溉水利用系数由目前的0.55提高到0.77，综合毛节水量214万m3，综合净节水量93万m3。

根据《综合规划》及现场踏勘，确定阿克塞县红柳湾灌区节水改造工程的主要建设内容如下。①骨干工程。铺设绿源水库—红柳湾灌区自压输水干管1条，长度为4.649 km，配套干管附属建筑物15座，包括有压进水前池1座，閘阀井5座，排水井5座，补、排气阀井4座;铺设分干管5条，总长15.43 km（5分干已改造）。②田间工程。配套自压管灌533 hm2（5分干控制灌溉面积已改造为管灌，本工程设计负责与其对接）。

4  工程设计

4.1  工程总体设计

利用灌区水源点至灌溉地块的高程落差，形成自压输水和管道灌溉，具有节水、节能、省地、省工、适应性强、灌水成本低等优点。绿源水库是阿克塞县红柳湾灌区的灌溉水源，灌区目前灌溉支渠是从绿源水库取水，经水力学推算，由于绿源水库坝后灌溉支渠高程就能满足有压流输水至灌溉地块的水力条件，故本次设计考虑到水库坝下新增设埋管取水对大坝的安全运行可能造成隐患。在取水高程满足要求的前提下，直接在坝后灌溉支渠段设有压进水前池，转换明流为有压流，输水至田间地块进行自压管道灌溉[1-3]。

4.2  管道分级及布置

低压管道灌溉工程技术管网布置原则为管道级数应根据系统灌溉面积和经济条件等因素确定。旱作区，当系统流量小于30 m3/h时，可采用一级固定管道;系统流量在30～60 m3/h时，可采用干管、支管两级固定管道;系统流量大于60 m3/h，可采用两级或多级固定管道。按照上述管网工程布置及管道级别划分原则，自压管灌系统设计流量为0.35 m3/s（1 256 m3/h），远大于60 m3/h，输水系统管道级别按照多级考虑。根据地块形状及工程布置，自压管灌系统管网按照干管、分干管及支管3级布置。干管、分干管列入骨干工程，支管划入田间工程进行设计。

红柳湾灌区现在输水支渠前段为无压砼埋管（长约3.1 km），无压管承压值较低且管道破损严重，不能满足有压管道输水要求，故设计考虑在原无压管道一侧平行原无压管新铺设有压管道1条，因新铺设有压埋管占用的大多是荒滩地，征占地补偿费用较低，同时原管道拆除工程量较大，为节约工程投资，且作为备用灌溉系统，故不拆除灌区原无压灌溉支渠。

干管布置从技术经济角度考虑，需本着长度最短的原则直线布置，工程干管平行于灌溉支渠由东南向西北方向布置。干管下共布置有6条分干管，1分干、2分干、3分干、4分干、6分干为本工程建设内容，均沿现有斗渠由西南向东北方向布置;5分干管及其下属支管为已批复要实施的2011年度牧区节水灌溉示范项目建设内容，本次设计不考虑5分干及其下属支管配套改造，仅在干管5分干分水位置设控制分水闸阀。各分干管起始端设闸阀井安装闸阀，控制干管向各分干管分水。管道埋设深度根据该灌区最大冻土深度确定，红柳湾灌区历年最大冻土深度为1.78 m，管道最小埋深取1.8 m。

4.3  干管、分干管设计流量推算

灌区干管、分干管为续灌，干管同时控制6根分干管进行灌溉（干管考虑给5分干管的供水流量，但不考虑5分干管及其下属支渠的配套改造）。

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）及干管控制灌溉面积，参照设计水平年的灌溉制度及有关参数，干管、分干管设计流量按下式进行计算。

Q=qA/η                        （1）

式中：Q为管道设计流量，m3/s;q为设计灌水率;η为灌溉水利用系数，取0.8;A为控制灌溉面积，取0.8。

经计算，干管设计流量为0.35 m3/s，各分干管设计流量为0.055 m3/s。

4.4  管材、管径选择

4.4.1  管材选择

根据管网系统工作压力[4]，按照经济可靠、运行安全、安装方便的原则，在灌区多年实践经验的基础上，干管、分干管、支管均采用PVC-U管。

4.4.2  管径选择

管道管径按照经济流速确定，参照《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203—2006），经济流速取V=1.2 m/s，管径按下式计算。

D=18.8（Q/V）1/2                  （2）

式中：D为管道内径，mm;Q为设计流量，m3/h，取值为0.35 m3/s、0.055 m3/s;V为经济速度，m/s。

根据水力学计算和管材规格，确定干管管径为φ560 mm;分干管管径为φ250 mm。

4.5  管网水力计算

管网水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，分别按照下式计算[5-8]。

4.5.1沿程损失

沿程水头损失计算采用下式计算。

hf=■fL            （3）

式中：hf为沿程水头损失，m;f为管材摩阻系数，取0.948×105;Q为流量，m3/h;D为管道内径，mm;L为管长，m;m为流量指数，取1.77;b为管径指数，取4.77。

4.5.2  局部水头损失

局部水头损失按沿程水头损失的10%计算。阿克塞县红柳湾灌区自压管灌工程主要节点水力学计算示意图见图1，主要节点水力学计算见表1。

4.5.3  主要节点水头计算

从计算表可以看出，各支管最远端A2、B2、C2、D2、F2点自由水头分别为8.5 m、5.8 m、7.3 m、6.3 m、2.0 m，满足低压管灌2 m出水水头的要求。

4.6  附属建筑物设计

本项目共建设各类干管附属建筑物15座，其中有压进水前池1座，闸阀井5座，排水井5座，补、排气阀井4座。

4.6.1  有压进水前池

为满足有压进水要求，在绿源水库坝后灌溉支渠段新建有压进水前池1座，拟定池长16.6 m、宽4 m、深3.9 m，采用现浇C20钢筋砼，底板厚70 cm，侧墙底端厚70 cm，侧墙上端厚40 cm，前池进口端以1∶4边坡接上游绿源水库原无压引水管，出水端预埋φ560 mm有压输水干管及溢流管，设闸阀控制。前池地基底面做夯实处理，置换60 cm厚砂砾石垫层。

4.6.2  闸阀井

本次改建在分干管首端安装闸阀共5座。管道分水由闸阀控制，闸阀井为圆形，直径1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂浆砌砖，厚24 cm，井盖采用C20钢筋砼预制件，厚6 cm。

4.6.3  排水井

分干管末端地势低处设置排水井。排水井为圆形，直径1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂浆砌砖，厚24 cm，井底设长×宽×深=30 cm×30 cm×60 cm渗水池，渗水池内填粒径10～30 mm碎石，井盖采用C20钢筋砼预制件，厚6 cm。

4.6.4  补、排气阀井

主干管每隔1.0 km左右在管道凸起点设补、排气阀井。补、排气阀井为圆形，直径1.7 m、深2.5 m，井壁采用M10水泥砂浆砌砖，厚24 cm，井盖采用C20钢筋砼预制件，厚6 cm。

4.6.5  建筑物地基處理设计

砂砾石地基：夯实相对密度不低于0.7、干密度不低于21 kN/m3且不小于天然干密度的1.05倍。

土类地基（砂壤土、粉质壤土等）：表层置换0.5 m厚砂砾石垫层并对建基面进行表面夯实，压实度大于0.93。

4.7  田间工程设计

灌溉支管垂直于分干管单侧布置，与分干管成梳齿状，支管间距约50 m，可根据地块规格适当调整，支管上每隔约50 m设置出水栓，出水栓设置在地埂边，便于控制灌溉，每个出水栓控制的灌溉面积约0.25 hm2。

5  运行管理

（1）运行时每条分干管上同时开启3条支管，杜绝单管运行，每条支管开启1个出水口。

（2）每次运行时，必须先打开出水口，不允许先开阀后开出水口;严格执行先开后关的原则，即先开下一轮灌组的出水口，才能关闭上一轮灌组的出水口。

（3）秋季灌溉结束后，利用分干管及支管末端放空阀井及时将管道内余水排干，防止冻冰[9]。

6 存在的不足及需改进的地方

自压管灌系统设计项目可以缓解灌区水资源短缺问题和水资源供需予盾，在实施、应用过程中，需要注意以下方面。

（1）主干管按照设计流量给分干管平均分流实现较难。由于项目资金有限，未配备自动化控制装置，通过手动闸阀较难实现主干管给各分干管的平均分流。

（2）较难实现控制出水栓按照设计轮灌组有序灌溉。应通过培训，使灌区农民熟练掌握自压管灌灌水技术及运行管理规程。

参考文献：

[1]曹贻佼，张燕，张洪伟.龙口市石门自压管灌工程设计[J].山东水利，2013（10）：45-46.

[2]谷俊武.自压管灌系统在阳武河灌区节水改造中的应用[J].节水灌溉，2006（3）：53-54.

[3]郑淑荣，肖干，张芝萍.阳武河灌区发展自压管灌系统可行性探讨[J].山西水利，2001（S1）：13-14.

[4]苏保国.山区自流灌区自压管道灌溉技术应用研究[J].中国农村水利水电，2008（2）：14-16.

[5]张晶晶，薛翠珍，吕升东.水库自压管灌及微喷灌技术研究[J].山东水利，2005（1）：48.

[6]朱爱庆.农田低压管道输水灌溉节水技术[J].农村经济与科技，1996（7）：23-24.

[7]吕贤胜，袁兆志，周明君.利用山区水库塘坝发展自压管道灌溉[J].山东水利科技，1994（3）：60-61.

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[9]肖汉，朱海峰.自压管道输水灌溉技术在节水灌溉工程中的应用[J].科技促进发展，2010（8）：60.