“长藤结瓜”式在山区高效节水灌溉系统中的应用

吴 刚

(北京中水新华灌溉技术有限公司，北京 100054)

“长藤结瓜”式高效灌溉系统在输水管道上连接有池塘、水池和水窖等调蓄工程。系统中的管道像瓜藤，池塘、水池和水窖像藤上的瓜，故称“长藤结瓜”式高效节水灌溉系统。一般由三部分组成: (1)首部引水工程。 (2)输水、配水管道系统( 称之为藤)。 (3)灌区内部的小型池塘、水池和水窖( 称之为瓜)[1]。

1 工程概况

系统建设地位于攀枝花市盐边县红果乡花椒箐村，系统建设规划面积218.93 hm2，种植作物为核桃。整个灌溉面积成北高南低之势，灌溉面积最高处海拔2121 m，最低处海拔1700 m，地形落差421 m。灌溉水源利用上游山溪水，根据水文计算，上游山溪水在85%保证率下年径流量为0.139 m3/s，系统在用水高峰期所需流量为0.03 m3/s，水量满足要求。

2 工程总体布置

根据灌区的实际情况，从灌溉面积最高处开始到灌溉面积最低处布置7口调节池。调节池主要满足两方面的功能，一是满足蓄水的功能，二是起减压的功能。取水口和7口调节池以及连接管道网作为一个连接的系统工作，每个水池及田间管网作为一个子系统工作。根据实际现场勘查，取水口位于上游沟道高程2220 m位置，取水口至第一个调节池及各调节池采用管网连接输水。输水管网的管径和压力等级以及调节池容积的确定需要通过计算确定。调节池布置见图1。

图1 调节池布置示意图(单位：m3/h)

3 水池位置的确定

水源地取水点0点高程为Z0=2220 m，第一个调节池高程为Z池1，第二个调节池高程为Z池2，……第七个调节池高程为Z池7，设管道的允许压力水头为H1=160 m，则第一个调节池至第七个调

节池计算高程公式如式(1)、式(2)所示：

Z池1=Z0-〔H1〕

(1)

Z池7=Z池6-〔H7〕

(2)

带入数据，可得每个调节池合理的设置高程位置，根据现场地形调查，一般选取的调节池位置都比计算的数据偏大些，这样保证有一定的安全冗余度，计算结果及调节池实际布置高程见表1。

表1 水池高程计算

4 输水管道水力计算

4.1 输水管道流量的计算

根据系统布置，输水管道被调节池隔开，共分为7段，每段管道为下游调节池供水，即池6—池7管段为池7供水，流量为Q7，控灌面积为3.93 hm2；池5—池6管段为池6和池7供水，供水流量为Q6，控灌面积为10.26 hm2；池4—池5管段为池5、池6和池7供水，供水流量为Q5，控灌面积为46.13 hm2；池3—池4管段为池4、池5、池6和池7供水，供水流量为Q4，控灌面积为76.0 hm2；池2—池3管段为池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量为Q3，控灌面积为116.93 hm2；池1—池2管段为池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量为Q2，控灌面积为182.73 hm2；取水口—池1管段为池1、池2、池3、池4、池5、池6和池7供水，供水流量为Q1，控灌面积为218.93 hm2。

系统输水管道流量由公式(3)计算确定。

(3)

式中：Q为输水管道流量，Q1～Q7,m3/h；A为每级输水管控制灌溉的面积,hm2；Ia为设计供水强度，取0.81 mm/d；C为日供水小时数，输水管道按24 h计；η灌溉水利用系数，取0.9。

根据公式(3)可计算得出每段输水管流量，计算结果见表2中第2列。

4.2 输水管道经济管径计算

由于管道采用自压供水，水力坡度和管道坡度一致时的管径即为经济管径[2]，可以采用公式(4)计算确定管径。

(4)

式中：D为经济管径， mm；Q为管段的流量,m3/h；I为沿管道坡度，一般为地形坡度；f为摩阻系数，取94 800；m为流量指数，取1.77；b为管径指数，取4.77。

带入数据，计算得输水管道至下而上的经济管径内径为20 mm、29 mm、45 mm、64 mm、90 mm、98 mm、125 mm，选用PE100级PE管道，对应选取的管道公称外径分别为32 mm、40 mm、63 mm、75 mm、110 mm、11 mm、160 mm，见表2中的第6、7列。其中dn32管和db40管公称压力为1.6 MPa，dn63管和db75管公称压力为1.25 MPa，dn110管公称压力为1.0 MPa，dn160管公称压力为1.6 MPa。

4.3 输水管道压力计算

管道输水损失按式(5)～式(7)进行计算。

h=hf+hj

(5)

(6)

hj=0.1hf

(7)

式中：hf为管道沿程水头损失,m；hj为管道局部水头损失,m，按沿程水头损失的10%估算；L为管道长度,m;其余符号同前。

根据式(5)～式(7)计算可确定每段输水管道的水头损失，由此可确定管道的水压线高程，计算结果见表2中第8、9列，根据计算成果绘制管道纵断面成果，见图2，从图2中可以看出：各输水管段管道坡度和管道水压线坡度比较一致，说明选取的管径比较接近经济管径。

表2 输水管道水力计算表

图2 管线纵断面图

5 调节池容积的确定

调节池容积计算按日调节和多日调节计算的方法，在灌溉面积小的情况下可按日调节公式(8)进行计算[3]。

V=M(Q用-Q来)t

(8)

式中：V为计算的水池容积,m3；M为扩大系数，

一般取1.1；Q用为水池的放水流量,m3/s，可用式(3)计算确定，与输水管道计算流量不同的是，水池放水工作时间一般按12 h考虑；Q来为子系统的来水流量，等于系统上级输水管道流量减去下级输水管道流量；t为临界用水时间，h为水池的放水时间，即12 h。带入公式可计算确定水池容积。

表3 调节池容积计算表

6 结 语

根据所选管道承压等级和地形条件确定调节池的位置，或根据已有山塘或水池确定输水管道的压力等级。通过计算确定输水管网的流量，采用重力输水的方式，充分利用地形落差选择最经济管径。根据来水和用水之间流量和供用水之间的对比关系，采用日调节的方法确定调节水池的容积。调节池起两方面的作用，一方面起减压的作用，另一方面起调节水量的作用。通过设计，可最大限度利用地形的落差优势满足灌溉需求。