張亞瓊

(河北省康保縣水務(wù)局，河北 張家口 076650)

京津風(fēng)沙源節(jié)水工程半固定噴灌設(shè)計(jì)研究

張亞瓊

(河北省康保縣水務(wù)局，河北 張家口 076650)

擴(kuò)大壩上地區(qū)植被面積有利于京津風(fēng)沙源治理，近年來(lái)國(guó)家投入大量資金以降低風(fēng)沙危害和阻止水土流失、改善北京及天津周邊地區(qū)生態(tài)狀況。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤概況、地下水資源的分析，對(duì)節(jié)水工程半固定噴管系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算了機(jī)井參數(shù)、灌水定額、管網(wǎng)水力等，并確定了管網(wǎng)布置方案，希望對(duì)風(fēng)沙源地區(qū)節(jié)水改造工程提供幫助。

風(fēng)沙源;節(jié)水改造;半固定;噴灌

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.030

京津風(fēng)沙源小流域治理二期工程水源節(jié)水工程，涉及1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全部位于屯墾鎮(zhèn)小六棚村北部林地。項(xiàng)目區(qū)位于康?？h城東北32km左右，屬河北省西北部張家口壩上高原地區(qū)，東徑114°11′～114°56′，北緯41°25′′～42°08′。項(xiàng)目區(qū)處于內(nèi)蒙古高原的南緣，地勢(shì)較平坦，視野開(kāi)闊，在低洼積水處，湖泊呈淺碟形分布，屬波狀平原區(qū)。由于地勢(shì)平緩，切割微弱，相對(duì)高差不超過(guò)50m，土地坡度組成均為15～25°之間。水源工程共10處，即新打機(jī)井5眼，配套5座井房，總投資為30萬(wàn)元。其中節(jié)水工程25處，規(guī)模擬定1125畝，采用半固定噴灌灌溉模式，利用新打機(jī)井5眼，安裝首部5套，鋪設(shè)PVC輸水干管5040m，挖填土方1835m3，工程總投資75萬(wàn)元。

1 工程概況

該地區(qū)基本屬于第四系松散孔隙水，單位涌水量大于5m3/h，地下水礦化度在0.3～1g/L之間，適宜林地灌溉，屬于富水區(qū)。當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有機(jī)井2眼，井深75m，出水量30m3/h。目前地下水資源滿足開(kāi)采需要。

工程分為水源工程和節(jié)水工程兩部分。

2013年水源工程10處，共打機(jī)井5眼，井深75m，每眼井及其配套設(shè)施折合水源工程2處。建設(shè)地點(diǎn)為康保縣屯墾鎮(zhèn)小流域治理工程區(qū)內(nèi)的北部的緩坡地帶，全部為小流域治理工程服務(wù)。配200QJ30-120/11水泵5臺(tái)，建3m×3m×2.5m井房5座。機(jī)井出水量20t左右，完全可以保證每眼機(jī)井的有效灌溉面積。

節(jié)水工程共25處，采用半固定噴灌節(jié)水灌溉形式，共規(guī)劃噴灌面積75km2(1125畝)，應(yīng)用的水源為新建的20處水源工程。建設(shè)地點(diǎn)為康保縣屯墾鎮(zhèn)小流域治理工程區(qū)內(nèi)，全部為小流域治理工程服務(wù)。按實(shí)地測(cè)量結(jié)果共鋪設(shè)φ110PVC主管道6237m;按每15畝地鋪設(shè)一條支管道計(jì)算，共φ63支管道9000m(每條支管道長(zhǎng)120m);支管為多口管道，每條支管共7個(gè)噴頭;在高處設(shè)排氣閥，共計(jì)8個(gè);在地處設(shè)排水井，共計(jì)20個(gè)。

2 半固定噴灌設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)井參數(shù)

該地區(qū)地下15～25m為風(fēng)化巖碎石，含水層巖性弱，基巖裂隙含水層在60m深度內(nèi)，厚10～20m，含水和透水性較好，所以設(shè)計(jì)成井深度75m。參照附近機(jī)井出水量，確定水泵預(yù)期出水量為20m3/h。項(xiàng)目區(qū)1125畝，由5眼機(jī)井供水，機(jī)井出水量能夠滿足需要。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件，本著經(jīng)濟(jì)合理耐用原則，井型選定為管井。設(shè)計(jì)井徑開(kāi)孔直徑420mm，地屬為砂壤土、卵石、碎石沙，深度為75m。鉆孔費(fèi)每米590元。鉆井完工以后，根據(jù)實(shí)鉆地屬性綜合分析，安裝鑄鐵井壁管，管外徑220mm，下管時(shí)用導(dǎo)向?qū)ふ?，中斜度不得大?°。填充濾料選用1cm左右礫石，填充井壁管外圍四周，填充要均勻，以防井管傾斜。洗井要做到三次降深，每次降深要保持8h穩(wěn)定洗井時(shí)間，以確保成井資料的準(zhǔn)確性。

2.2 灌水定額設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)灌水定額［1］:

式中:γ—計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤干容重，取1.4 g/ cm3;h—計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度，取0.2m;β地—計(jì)劃濕潤(rùn)層林地持水率，取22%;β1—計(jì)劃濕潤(rùn)層適宜土壤含水率上限，對(duì)于林木取95%; β2—計(jì)劃濕潤(rùn)層適宜土壤含水率下限，對(duì)于林木取75%;η—灌溉水利用水系數(shù)，對(duì)于管道輸水灌溉取0.85。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)灌水定額為13m3/畝

設(shè)計(jì)灌水周期［2］:

式中:e為耗水高峰期平均日耗水強(qiáng)度。

6月份平均日耗水強(qiáng)度取為4.0mm，當(dāng)月有效降雨57.87mm。中等干旱年平均日降雨1.93mm/ d，則e=2.07mm，設(shè)計(jì)灌水周期為5d。項(xiàng)目區(qū)單井出水量為30m3/h，則單井控制面積為240畝左右，因此本工程取單井控制面積為240畝，機(jī)井出水量完全能夠滿足。

2.3 管網(wǎng)布置方案

為了便于管理，每眼井為各自獨(dú)立供水管網(wǎng)(樹(shù)狀管網(wǎng))，管網(wǎng)為二級(jí)，干管、移動(dòng)消防軟帶。干管為固定管道，根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有工程使用情況，管材選用PVC管，埋于地下0.8m，干管沿地邊布置，支管道垂直干管布置。為防止凍脹破壞管道，在管網(wǎng)最低處設(shè)排水井，根據(jù)工程需要，該地塊設(shè)排水井4個(gè)，直徑1.2m，井深1.2m，磚混結(jié)構(gòu)。當(dāng)支管為下坡布置時(shí)，應(yīng)在每個(gè)支管末端設(shè)排水井，否則應(yīng)將支管做成平坡或上坡，以集中排水。移動(dòng)消防軟帶為地上管道，一端與支管出水口連接，另一端向垂直支管方向展開(kāi)，噴頭可控半徑為18m，在移動(dòng)消防軟帶上每隔18m安裝一個(gè)噴頭。

2.4 管網(wǎng)水力計(jì)算

根據(jù)《噴灌設(shè)計(jì)手冊(cè)》管徑按下式計(jì)算［3-4］:

式中:tn—管道年工作小時(shí)數(shù);xd—電價(jià)，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.47元/kW·h;Q—管件設(shè)計(jì)流量，30m3/h;

K、a、β為系數(shù)和指數(shù)，對(duì)于 PVC管道，分別取10、0.15、0.43。

每眼井控制面積240畝左右，機(jī)井出水量Q= 30m3/h，當(dāng)每次灌水毛灌水定額150m3/hm2，年灌水5次時(shí)，干管工作時(shí)間按下式計(jì)算［5-6］:

式中:n—年灌水次數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，干管tn=370h，依據(jù)管道布置，初選干管管徑φ110(1.0Mpa級(jí))PVC管。

根據(jù)噴頭設(shè)計(jì)工作壓力及管材市場(chǎng)供應(yīng)情況，經(jīng)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算，并考慮系統(tǒng)管理運(yùn)行。全移動(dòng)管道式噴灌系統(tǒng)，主管道采用φ110PVC管，支管采用φ63消防水帶，壓力級(jí)別干管為0.63MPa，支管為0.4MPa。

由于選用的是φ63(0.4MPa)支管道，該管道長(zhǎng)為120m，經(jīng)計(jì)算其阻力損失為2.6m。由于選用的干管是φ110(1.0MPa)PVC管，按計(jì)算選用最長(zhǎng)管道的原則，選5號(hào)井干管作為典型設(shè)計(jì)，管道長(zhǎng)度為2205m，設(shè)計(jì)流量為Q=19.6m3/h，經(jīng)計(jì)算干管水頭損失為11m。

按照噴灌運(yùn)行方式計(jì)算，確定噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程為135m。根據(jù)設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)揚(yáng)程選擇效率較高地潛水電泵［7］。全移動(dòng)式式噴灌機(jī)系統(tǒng)機(jī)泵選型號(hào)為200QJ30-150/11，水泵級(jí)數(shù)為5級(jí)，電機(jī)功率為11KW。

研究表明，噴灌系統(tǒng)水力計(jì)算應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)中最不利的支管水頭損失，經(jīng)計(jì)算全移動(dòng)管道式噴灌系統(tǒng)干管水頭損失為 11.55m，支管水頭損失為2.6m。

2.5 工程效果

該項(xiàng)目工程于2014年6月開(kāi)工，2014年底竣工。該工程實(shí)施前，大水漫灌每畝地一年灌溉需用水400m3，工程實(shí)施后，每畝節(jié)約用水200m3，一年可節(jié)約用水23萬(wàn)m3。

實(shí)施水源節(jié)水工程，由于取消了林地輸水溝渠，減少了雜草生長(zhǎng)，免除了整修河渠和消除雜草的工作，因此可以節(jié)約大量勞力。還可以摻施化肥和農(nóng)藥，省去了施肥和噴灑農(nóng)藥的勞力，據(jù)測(cè)算在相同條件下，節(jié)水灌溉所需勞動(dòng)力為地面灌溉的1/3。

利用地下固定管道和地上活動(dòng)管道輸水，無(wú)需林地水溝和畦埂，比地面灌溉利用土地充分，提高了土地利用率，據(jù)調(diào)查，節(jié)水灌溉一般可增加林地面積5%。

3 結(jié)語(yǔ)

水源節(jié)水工程是利用地下固定管道和地上活動(dòng)管道輸水，無(wú)需林地水溝和畦埂，比地面灌溉利用土地充分，提高了土地利用率，據(jù)調(diào)查，節(jié)水灌溉一般可增加林地面積5%。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤概況、地下水資源的分析，對(duì)節(jié)水工程半固定噴管系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算了機(jī)井參數(shù)、灌水定額、管網(wǎng)水力等，并確定了管網(wǎng)布置方案。經(jīng)計(jì)算全移動(dòng)管道式噴灌系統(tǒng)干管水頭損失為11.55m，支管水頭損失為2.6m。

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表2 項(xiàng)目區(qū)生物措施布局及規(guī)模表

4 實(shí)施效果

本工程為了能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出水土保持實(shí)施效果，同時(shí)對(duì)比項(xiàng)目區(qū)水土保持治理后的減水減沙效益。在項(xiàng)目區(qū)建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)調(diào)查取樣點(diǎn)，結(jié)合不同土地類(lèi)型的利用情況，對(duì)調(diào)查項(xiàng)目形成表格，由技術(shù)人員到實(shí)地調(diào)查后進(jìn)行填寫(xiě)，對(duì)瑪納斯河管理處進(jìn)行綜合分析。

4.1 生態(tài)效果

本項(xiàng)目區(qū)通過(guò)采取水土保持后，綠化覆蓋率由18%提高到44%，有效地增加了植被覆蓋率，同時(shí)改善了本項(xiàng)目區(qū)的土壤物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)，有效地增加了土壤中的水分、氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量。通過(guò)水土保持治理，有效地增加了土粒結(jié)構(gòu)，從而使農(nóng)作物肥沃。還減少瑪納斯河河道兩岸及下游的土地和居民遭受洪澇災(zāi)害。

4.2 防洪效果

本項(xiàng)目區(qū)采取水土保持治理后，所有水保措施規(guī)劃于2004年全部完成，2006年全部正常發(fā)揮水土保持效果。在進(jìn)行水土保持治理前，項(xiàng)目區(qū)水土流失量為每年12.48萬(wàn)t，通過(guò)采取水土保持治理后，項(xiàng)目區(qū)的水土流失量減至為每年2.4萬(wàn)t。從數(shù)據(jù)上表明，工程措施所發(fā)揮的水土保持效果是顯著的，有效地控制了本項(xiàng)目區(qū)水土流失現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前項(xiàng)目區(qū)水土流失治理達(dá)到了一定成效，但仍存在一些尚需解決問(wèn)題，如何保護(hù)水、土、生物資源、開(kāi)發(fā)潛在資源;怎樣更好地保護(hù)河谷次生林不被破壞，科學(xué)地建設(shè)林草植被，提高造林成活率和保存率，提高林草經(jīng)濟(jì)效益;配套修建和合理開(kāi)發(fā)利用河道工程，提高水土保持工程措施質(zhì)量及效益的問(wèn)題;通過(guò)解決這些問(wèn)題，使項(xiàng)目區(qū)的水土流失治理得到有效的經(jīng)濟(jì)效益。

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S275.5

A

1672-2469(2016)08-0094-03

2015-03-04

張亞瓊(1980年—)，女，工程師。