阿克蘇某灌區(qū)節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

艾木都力·吾守爾

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于阿克蘇市喀拉塔勒鎮(zhèn)英克艾日克村，總面積1613.33 hm2，其中種植面積1353.33 hm2(規(guī)劃作物全部為棉花)。作為全市重要的糧棉生產(chǎn)基地，項(xiàng)目區(qū)目前還是以地面漫灌為主要灌溉形式，方法落后，管理粗放，造成灌區(qū)本來就缺乏的水資源浪費(fèi)過多，春季、秋季缺水問題一直得不到解決。本項(xiàng)目區(qū)實(shí)施的高效節(jié)水工程設(shè)計(jì)采用“渠水加壓滴灌”灌溉形式，總投資預(yù)算4469.96萬元，工程建設(shè)期約6個(gè)月。

2 滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 滴灌系統(tǒng)總體規(guī)劃

本項(xiàng)目采用的灌溉形式為：沉砂池→干管→分干管→支管→滴管帶。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有條田、渠系格局，共規(guī)劃11個(gè)沉砂池，一個(gè)沉砂池平均控制160 hm2灌溉面積，每個(gè)沉砂池布設(shè)2個(gè)獨(dú)立灌溉系統(tǒng)，一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)灌溉面積為80 hm2左右(滴灌規(guī)劃見表1)[1]。

表1 項(xiàng)目區(qū)滴灌規(guī)劃表(部分)

2.2 滴灌系統(tǒng)各分項(xiàng)工程設(shè)計(jì)分析

2.2.1 水源工程設(shè)計(jì)分析

項(xiàng)目區(qū)以地表水為水源，本滴灌系統(tǒng)水源工程包括：引水渠、節(jié)制分水閘、沉砂池三部分。

(1)引水渠設(shè)計(jì)

①設(shè)計(jì)流量。根據(jù)灌溉面積和時(shí)間，本項(xiàng)目一個(gè)沉砂池(兩個(gè)系統(tǒng))設(shè)計(jì)流量共計(jì)500 m3/h，以此作為引水渠的設(shè)計(jì)流量Q設(shè)計(jì)算依據(jù)，由式(1)[2]，得Q設(shè)=0.14 m3/s。

(1)

式中：Q設(shè)為引水渠設(shè)計(jì)流量，m3/s；Q為管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，500 m3/h；η為引水渠道水利用系數(shù)，取0.99；t為3600 s/h。

②結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)。按項(xiàng)目區(qū)地形條件及水力條件，渠道縱坡設(shè)計(jì)1/1000。橫斷面設(shè)計(jì)為梯形，現(xiàn)澆C20混凝土板襯砌，防滲標(biāo)號W6，抗凍標(biāo)號F150，下設(shè)砂礫墊層。邊坡系數(shù)1.50～1.75，渠深0.8 m，超高為0.3 m，糙率為0.017(結(jié)構(gòu)圖見圖1)。

為防止渠道凍脹破壞，本項(xiàng)目采用置換法處理，用砂礫石置換渠床土，邊坡和底板置換深度均取0.3 m。沿渠線每2.0 m設(shè)一條分逢，寬為2～3 cm，采用中密度苯板和聚氨酯填筑[3]。

圖1 引水渠結(jié)構(gòu)示意圖

(2)節(jié)制分水閘設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目節(jié)制分水閘設(shè)計(jì)采用C20現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)；閘門為平面鋼閘門，啟閉設(shè)備為手動(dòng)螺桿式啟閉機(jī)；工作橋采用預(yù)制C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷量箖鰳?biāo)號為F100、抗?jié)B標(biāo)號為W4，水泥選用普通硅酸鹽水泥。鑒于建筑物穩(wěn)定和防凍要求，砂礫石墊層設(shè)計(jì)厚度不小于30 cm。水閘過流凈寬b由式(2)計(jì)算[4]，經(jīng)計(jì)算b=0.8 m。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)分水閘為單孔，設(shè)計(jì)閘門尺寸(寬×長)：0.8 m×0.7 m。

(2)

式中：Q為過閘設(shè)計(jì)流量，0.14 m3/s；H0為閘前水深或堰頂水頭，計(jì)入行進(jìn)流速水頭，m；m為自由溢流的流量系數(shù)；n為閘孔孔數(shù)；σc為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；g為重力加速度，9.8 m/s2。

(3)沉砂池設(shè)計(jì)

目前，新疆各大灌區(qū)滴灌系統(tǒng)的灌水器流道孔徑一般為0.5～1.0 mm，要求過濾器攔截大于1/10的流道直徑泥沙，即0.05～0.10 mm。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用小于0.05 mm的泥沙粒徑作為沉砂池的沉砂標(biāo)準(zhǔn)。沉砂池包括沉淀區(qū)和出水區(qū)兩部分，具體設(shè)計(jì)如下：

①沉淀區(qū)。沉淀區(qū)為長條形，末端設(shè)C20鋼筋混凝土板隔墻，多孔墻上游設(shè)置攔污柵(鋼絲網(wǎng))，采用現(xiàn)澆C20混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)[5]。

②出水區(qū)。在沉淀區(qū)的多孔墻后接出水區(qū)，水泵從出水區(qū)取水，小部分水從多孔墻的孔口進(jìn)入出水區(qū)，采用C20現(xiàn)澆混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)(具體參數(shù)見表2)。

2.2.2 管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)分析

(1)管網(wǎng)總體布置設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目管網(wǎng)系統(tǒng)包括：干管、分干管、支管、毛管四級，總體布置方案采用“梳齒”型方式，具體如下(見圖2)：①前池布置在地塊中部高位處，干管為南北向布置，在分水口設(shè)置控制閥；②分干管均為東西向布置，首段設(shè)置控制閥門；③支管與作物種植方向垂直布置，首部設(shè)控制閥，地面鋪設(shè)；④毛管順作物種植方向與支管呈魚骨狀雙向鋪設(shè)[6]。

表2 沉砂池設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

圖2 管網(wǎng)總體布置方案示意圖

(2)管網(wǎng)材料設(shè)計(jì)

①干管、分干管材料。干管一般采用PVC管，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)干管、分干管均選擇PVC管材，具有價(jià)格便宜、安裝簡單、壽命長、能適應(yīng)一定程度不均勻沉降等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)干管和分干管的工作壓力分別為0.6 MPa、0.4 MPa，每段管長10 m，一端擴(kuò)口，兩管間采用承插方式連接，膠圈止水。

②支管材料。本項(xiàng)目支管設(shè)計(jì)選用低密度聚乙烯輸水軟管(非國標(biāo)管)，工作壓力0.25 MPa，由于支管采用低壓輸水軟管，收管方便，造價(jià)價(jià)格低廉。

③毛管材料。毛管間距設(shè)計(jì)為1.20 m，滴頭間距30 cm，選擇φ16 mm單翼迷宮式滴灌帶，其主要性能參數(shù)見表3。該產(chǎn)品為薄壁型，壽命為一個(gè)灌溉季節(jié)，之后廠家會(huì)有償回收。該產(chǎn)品滴頭與滴灌帶連成一體，結(jié)構(gòu)簡單，鋪設(shè)、安裝方便。

表3 單翼迷宮式滴灌帶性能參數(shù)

3 田間工程設(shè)計(jì)

3.1 田間基本參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)灌溉指標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)要求，本項(xiàng)目灌溉設(shè)計(jì)保證率要達(dá)到90%，灌溉水利用系數(shù)為0.9；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候及工程經(jīng)驗(yàn)，本灌區(qū)棉花設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度Ea=6.2 mm/d，種植模式采用“一膜兩帶灌八行”形式(見下圖3)。

圖3 項(xiàng)目區(qū)棉花種植模式示意圖(單位：cm)

(2)滴灌基本參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查項(xiàng)目區(qū)溝灌種植的棉花主根深度一般大于60 cm，但由于溝灌與滴灌的灌溉模式不同，主根根系發(fā)育情況也不同。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐及試驗(yàn)資料，最終濕潤層深度取50 cm。依據(jù)濕潤層深度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的滴灌系統(tǒng)基本參數(shù)見表4。

表4 滴灌系統(tǒng)基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 灌溉制度設(shè)計(jì)

(1)灌水定額

灌水定額m是最重要的灌溉參數(shù)，決定了灌溉水量、灌溉制度等，計(jì)算公式見式(3)，經(jīng)計(jì)算m=34.9 mm，等于349 m3/hm2。

m=Z·P·(θmax-θmin)/η

(3)

式中：Z為計(jì)劃土壤濕潤層深度，0.5 m；P為滴灌設(shè)計(jì)土壤濕潤比，取31.4%；θmax、θmin為適宜土壤含水率上、下限，分別取90%、70%；η為滴灌水利用率，取90%。

(2)灌溉運(yùn)行時(shí)間

在此以1條支管一次灌水延續(xù)時(shí)間t為分析對象，計(jì)算公式見式(4)，計(jì)算得t=4.65 h。設(shè)計(jì)系統(tǒng)1 d工作23.25 h，每天灌5輪，1個(gè)輪灌區(qū)5 d灌完，5 d為一個(gè)周期。本項(xiàng)目滴灌系統(tǒng)輪灌運(yùn)行時(shí)間設(shè)計(jì)見表5。

t=m·Se·Sr/qd

(4)

式中：Se為滴頭間距，0.3 m；Sr為滴灌帶間距，1.2 m；qd為設(shè)計(jì)滴頭流量，2.7 L/h。

表5 1-1號滴灌系統(tǒng)輪灌運(yùn)行表

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目區(qū)經(jīng)過節(jié)水灌溉工程實(shí)施后，從根本上解決了春秋季灌溉缺水問題，灌溉用水量較改造前減少約50%左右，單位面積棉花產(chǎn)量增加約10%，且自動(dòng)化程度高，大大減少了灌溉勞動(dòng)力，取得了很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，受到了項(xiàng)目區(qū)人們的廣泛好評。節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)要立足項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，不可盲目提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，做好建設(shè)成本控制。