山区骨干坝配套工程设计方案及要点

闫维恒

（宁夏固原市原州区水务局，宁夏固原756000）

山区骨干坝配套工程设计方案及要点

闫维恒

（宁夏固原市原州区水务局，宁夏固原756000）

偏远山区骨干坝配套工程规模小，投资低，其勘测设计往往不被一些设计院接受，而工程建设对改善山区农村生产和生活十分必要，文中简化并优化了骨干坝配套小高抽及低压管道节水灌溉技术设计，供山区水利设计工作者参考。

骨干坝；小高抽；低压管道；节水灌溉

近年来随着国家对西部地区水利基础设施建设的投入力度加强，骨干坝在山区建设规模越来越大，在蓄水保水，防治水土流失，减少入黄泥沙，改变山区农业生产条件，促进退耕还林还草和封山禁牧，改善生态环境等方面发挥着越来越大的作用。但是由于大部分骨干坝建在较偏远的山沟，地势低洼，所蓄水量不能被周围或下游田地利用，造成干旱山区农业生产防御自然灾害的能力低，群众生产生活条件差。因此实施骨干坝配套小高抽建设项目，在有条件的山地发展水浇地，充分提高水资源利用率，将实现水资源的合理开发利用和优化配置，实现山区退耕还林退得下，稳得住，不反弹，退耕而不减产的目的，确保国家和地方粮食安全。要搞好骨干坝配套小高抽及微小型灌区建设，必须结合各骨干坝特点及山区地形地貌进行合理的规划布局和设计。由于山区骨干坝配套工程规模小，投资低，勘测设计任务往往不被有资质的部门接受，本文以具有代表性的典型骨干坝即宁夏固原市原州区张洪3#骨干坝配套工程设计为例，介绍了骨干坝配套小高抽及低压管道节水灌溉设计要点和相关技术，供山区水利设计工作者参考。

1 工程概况

张洪3#骨干坝配套工程位于宁夏固原市原州区清河镇张洪村，属黄土丘陵区，原州区境内茹河流域。多年平均气温5.4℃，多年平均降水量450m m，主要集中在7～9三个月，约占全年总降水量的65%，多年平均水面蒸发量980m m，最大冻土层深度1.5m。当地干旱、风沙等自然灾害频繁，农业生产条件差。

张洪3#骨干坝2005年建成，控制流域面积3.3km2，最大坝高26.5m，总库容50万m3，有效库容27万m3。保证率为75%时，年径流量为5.35万m3。该坝左坝肩东面较高处有370亩可扬水灌溉的规则的梯田（约30m一个层梯），其中小麦占种植总面积的60%以上，油料经济类作物占10%。秋粮作物（玉米、洋芋、糜谷等）占种植总面积的30%，本次规划以现状土地利用方式及作物种植结构进行370亩耕地旱改水规划设计。

2 工程规划设计方案及布局

通过初步勘察，规划灌溉区在骨干坝左岸东面，主沟道北面，地势北高南低，最大地面高程1711.4m。左岸地质条件相对较好，规划在左岸一缓坡地建小型泵房1座，内安装水泵机电设备，并配有居住设施。在左岸较高处（地面高程为1720m）地势相对较平缓的地方建高位调蓄池1座。在骨干坝水表面设浮筒式取水装置（偏左岸），水泵绑扎在浮筒下面，便于取水，水泵通过防水电缆与泵房机电设施相连，在泵房控制操作水泵运行，水泵进水口设拦污栅，出水管用塑胶软管，软管靠岸端与固定预埋钢管连接，钢管另一端与地埋P V C扬水管道连接，钢管与P V C扬水管相接处设闸阀井，内安装控制阀和逆止阀。水通过水泵和扬水管道将水扬至高位调蓄池，再利用自由水压，通过低压管道输水管网将水输送至田间灌溉。

低压管道灌溉系统规划布置：灌溉系统选择占用耕地少，实施简单，运行操作及管理方便的低压管道节水灌溉技术。低压管道按干支两级管道布设，干支管均为地埋固定P V C管道，输水干管基本平行等高线由西向东布置，支管沿干管基本垂直等高线布置，干支管接合处设闸阀井。根据地形情况，除第一、二支管间距较大外，其余支管间距约150m，共设6条支管，沿支管每隔30m左右设垂直地面竖管，竖管部分设给水装置，竖管出露地面部分通过管口给水栓及出水口进行灌溉。干支管道采用0.6MP a的P V C塑料管，与之配套的三通等管材管件也用P V C。支管尾端设退水管等附属设施以防管道积水冻坏。

灌溉结束后，可将浮筒、水泵及出水软管、电缆等拆卸，一并放入泵房管理。

工程总体规划布置见图1。

3 工程设计要点

3.1 灌溉制度设计

3.1.1 灌溉设计标准

根据《灌溉与排水工程设计规范》（G B 50288-99），灌溉设计保证率取75%，以此作为灌溉设计标准。

3.1.2 田间灌溉技术

项目区的农田为较规则的梯田，为了充分利用水资源，保证灌水均匀度，田间灌水方式规划采用较先进的小畦节水灌溉，小畦田块面积0.2亩左右；畦长20～30m，畦宽4～5m；畦田坡度在1/200～1/500；入畦单宽流量2～3L/s·m，实行浅浇快轮，以满足作物不同生育期的需水要求，降低田间渗漏损失。

3.1.3 设计灌溉定额

理论设计灌溉定额M净=作物总需水量-有效降水量

作物总需水量E采用以规划作物产量为参数的需水系数法（即K值法）计算，计算公式为：E =K·Y（m3/亩），Y为规划作物产量（kg/亩），K为作物需水系数。

有效降水量：P0=σ·P，P为75%保证率时降水量（m m），σ为降水有效利用系数，折合单位面积降水量为P0=σ×P×666.7/1000（m3/亩）。

利用上式计算灌溉区各种作物每亩净需水量，再通过面积加权平均值计算综合净灌溉定额，计算结果为M净=175m3/亩。

灌溉区采用两级低压管道输水，灌溉水利用系数取0.80，则毛需水量（毛灌溉定额）为：M毛=M净/η=175/0.80=219（m3/亩）

为简化计算，直接利用宁夏水利厅制定的“宁夏不同灌区各种作物田间灌溉定额表”中南部山区各种作物灌溉定额，利用面积加权平均值，计算出灌区综合净灌溉定额为173m3/亩，与理论计算值基本相等。

3.1.4 灌溉工作制度

干管续灌，支管分组轮灌，共分3个轮灌组，各轮灌组面积基本接近，各轮灌组为2个支管，每次同时开启2条支管上2个给水栓进行灌溉（同一层梯田2个给水栓尽量同时开启）。田间灌溉方式全部为小畦灌溉。由于山区农户每年换地倒茬和气候变化等因素，作物灌溉工作制度表不适合多变的种植情况，忽略。

3.2 水量平衡计算

张洪3#骨干坝控制流域面积3.3km2，根据宁夏《地表水资源》查得，该流域平均径流深37m m，年径流量为12.21万m3。流域重心处CV=0.62，由《水文手册》查得CS=3.5CV时KP=0.54，故在P=75%保证率的年径流量为：WP=KP·W=0.54×12.21=6.59万m3，扣除15%的蒸发渗漏损失，年可供灌溉水量为5.6万m3。项目区设计灌溉面积370亩，作物灌溉定额219m3/亩，则灌区年需水量为5.67万m3，与年可供灌溉水量基本接近，因此灌溉区灌溉水源水量有保证。

图1 工程布置平面图

3.3 机泵选型及配套

3.3.1 设计流量

机泵设计流量按公式Q=m A α/T t η确定。

式中：Q—设计流量（m3/h）；m—净灌水定额（m3/亩），本设计取45m3/亩；A—灌溉面积（亩），本设计为370亩；α—主要作物种植比例，取α= 0.7；T—轮灌周期（d），取10d；t—机泵每天工作时间（h），本设计取18h；η—管灌系统水的利用系数，本设计取0.8。

3.3.2 设计扬程

（1）管径的确定

管径计算根据经济流速公式d=1.13（Q/V）1/2进行计算，按相关技术规定：塑料管道经济流速V =1.2m3/s，通过计算，初步选定水泵出水管及输水干管管径为Φ180m m，支管管径为Φ110m m，垂直地面竖管管径为Φ90m m。

（2）管道水头损失计算

管道水头损失包括管段的沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失按下式计算：

式中：Q—流量（m3/s），d—管径（m），L—管长（m）。

在管道水力计算时局部水头损失按沿程水头损失的10%计，同时管径应按照所选管材内径计算，实际流速由流量和内径确定。

水泵设计流量为80.92m3/h，水泵接塑胶软管及钢管总长30m，钢管后接的地埋P V C扬水管长180m，为方便计算，水泵扬水管线水头损失按210m长Φ180m m P V C塑料管计算。

输水管线水头损失计算选择最不利供水点计算，根据灌溉工作制度：干管续灌，设计流量为80.92m3/h，各支管设计流量约为40.46m3/h，竖管及给水栓流量为26.23m3/h。输水干管长1200m，支管长150m，竖管太短水头损失忽略不计算。

水泵扬水管道及输水干、支管道水力计算成果详见表1。

（3）设计扬程的确定

机泵设计扬程按公式H设=hf+hj+△h+0.2进行计算

式中：扬水管线沿程水头损失hf=0.82m，局部水头损失hj=0.08m，△h=1720-1682=38（m），计算得：H设=39.10m。

灌溉区最不利点为输水干管末端支管第一个给水装置处，地面高程为1711.4m，干管最大水头损失5.17m，给水栓的工作水头取2m，则满足最不利点灌溉所需最小扬程为1718.57m，设计蓄水池出水管中心高程1718.6m，池底高程1718m，蓄水池地面高程1720m。

3.3.3 机泵选型

根据设计流量Q=80.92m3/h和设计扬程H设=39.10m，选用1台SL W125-200B型水泵，水泵技术数据详见表2。

表1 水泵扬程管、输水干、支管水力计算成果表

表2 80-50-250型离心泵参数表

3.4 灌溉管网和管道设计

灌溉管网设计结合管道布置平面图，根据各级管道设计流量、管径、管长和水头损失逐级推算出管道各节点流量和水压，从而规划出整个管网设计图。根据设计结果，可以反馈管道布设不合理处，进行适当调整，得出更合理的灌溉管网设计图。

根据管道实测地面高程、管长、各测点水头来设计管道纵断面图，包括设计水压线，管道中心线，地面线。一般要求地面线高于管道中心线，水压线高于管道中心线，这样为合理设计。

P V C硬塑料管采用溶剂粘合承插连接法进行连接，为了防止冬季管道冻裂，管道埋设在最大冻土层以下，设计管沟开挖深1.5m，底宽0.4m，口宽1.3m，边坡1∶0.3，在管道的转弯处或起伏变化较大处设80c m×80c m×80c m的混凝土镇墩，要求管道以上填土必须夯实，以便稳定管道。

3.5 建筑物及其附属设施

（1）泵房

泵房选择在左岸岸坡土质坚硬处，泵房建筑面积12m2，为砖混结构，主要存放电机设备和其他设施，并居住管理人员。

（2）浮筒式取水装置

为充分利用水源，并使水泵取水不受水位变化影响，在骨干坝水表面，将浮筒和水泵绑扎在一起组成取水装置，取水装置按其总重不大于其所受浮力来设计。与水泵相连的浸水部分的出水管采用塑胶软管，其长度根据最低水位时灌溉取水所需长度设计。

（3）调蓄池

蓄水池位置选择除了考虑地形条件，还要使其高程能满足全灌溉区灌溉所需高程。设计要求蓄水池出水管中心高程大于灌溉区最不利地面高程加上管道总水头损失。为此，调蓄池选择在地面高程1720m的缓坡处，容积为300m3。设计调蓄池为圆台型，为半挖半填类型，设计池底高程1718m，池底内半径为2m，上口内半径9.5m，上顶宽2.0m，池深3.0m，正常水深2.7m，内边坡1∶2.5，外边坡1∶2。在失陷性黄土地建蓄水池，池底地基用1∶9灰土换基0.5m处理，整个蓄水池土模成型后，铺设土工布（规格400g/m2）防渗，其上用10c m厚砂滤料作垫层，然后池底现浇10c m厚C 15混凝土，池侧壁衬砌C 15砼板。在池壁设踏步和溢流管，池子周围设防护栏，池底埋设进水管和出水管，设计出水管中心高程1718.6m。

（4）闸阀井设计

闸阀井主要设在干支管交接处，井内安装水表及支管控制阀和节制阀等设备。闸阀井为砖砌体圆形结构，底部内径1.5m，中部到顶部内径渐变成0.7m，井深1.8m。

（5）给水装置

给水装置由三通、竖管、混凝土套管和给水栓四部分组成，三通连接支管和竖管，竖管外设混凝土套管，长1.8m，外径40c m，内径28c m，竖管与套管内壁之间填筑粗砂以稳定套管，套管出露地面侧壁处开出水口，顶部预留开启给水栓钥匙孔。

4 结语

山区骨干坝配套工程具有工程规模小，地形地貌复杂，小面积作物种植区种植结构复杂多变特点，结合这些特点，设计时进行了简化和优化设计。

（1）在计算作物灌溉定额时采用规划作物产量为参数的需水系数法（即K值法）和直接采用地方规定的各种作物灌溉定额，再利用面积加权平均值法进行计算，相对简单且合理；

（2）设计浮筒式取水装置，实现取水不随水位变化影响，充分利用坝体水资源；

（3）水泵和泵房分离搁置，克服了由于泵房距离水体远而取水不便问题；另外：田间采用固定低压管道和给水装置进行节水灌溉，实现偏远山地灌溉管理方便，灌区持久运行，发挥效益目的。

该工程设计方案合理可行，通过省、市级水利设计部门专家一致认可，具有较强的科学性和实用性，可供山区县级水务局设计和建设参考。

［1］G B 50288-99.《灌溉与排水工程设计规范》［S］.

［2］SL/T 153-95.《低压管道输水灌溉工程技术规范（井灌区部分）》［S］.

T V 93

A

1672-2469（2015）06-0083-04

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.029

闫维恒（1969年—），男，高级工程师。