大屯水库围坝工程斜坡草坪喷灌系统设计

董卫军，黄 茜，任泽俭，吕宁江

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；3.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

1 水库围坝工程现状

南水北调东线大屯水库位于山东省德州市武城县郝王庄镇恩县洼东侧，主要向德州市德城区和武城县城供水，主要建筑物包括围坝、德州供水洞、武城供水洞及入库泵站等。水库库底采用两布一膜防渗，围坝上游坝面采用复合土工膜防渗。水库底高程19.15 m，围坝轴线总长8 913.99 m，坝顶高程32.30～32.65 m，坝顶道路宽7.5 m，下游坝坡坡比1∶2.5，坝后在27.6 m高程处设20 m宽压重平台。水库南侧和北村围坝外设截渗沟，水库西侧利用利民河、东侧利用六五河作为截（排）渗沟，使水库周围形成完整的排水体系。

水库围坝表层土以壤土为主，坝后上部斜坡全部种植草皮护坡，以狗牙根为主、高羊毛为辅。斜坡长11.75～12.25 m，草坪总面积11.23 hm2，田间持水量23%，土壤容重1.35 g/cm3。压重平台宽度20 m，在压重平台以及外侧套种白腊树，面积52.8 hm2，种植间距3 m×3 m，树高3～5 m、胸径4～8 cm。工程投入运行后，人工浇灌草坪和乔木不及时，部分护坡草皮及苗木干枯，起不到护坡的作用，造成围坝水土流失。因此，为了防止坝坡不被雨水严重冲蚀，采用灌溉方式弥补自然降水在数量上不足和时空上的不均、保证适时适量地满足草坪生长所需水分的重要措施十分必要。

2 灌溉形式选定

草坪一般是采用喷灌或者微喷灌的灌溉形式。其中，微喷灌的灌溉水利用率和均匀度较高，但是对水质要求也较高，灌溉水必须进行过滤，且易受杂草、作物茎秆的阻挡而影响喷洒质量，喷头也需要布置很多，一次性投资较大。因此，本工程草坪灌溉采用喷灌形式。

喷灌系统类型主要包括固定式喷灌系统、移动式喷灌系统和半固定式喷灌系统[1]。其中，固定式喷灌系统需要大量管材，单位面积投资虽然高，但运行管理方便，极为省工，运行成本低，工程占地少，地形适应性强，便于自动化控制，灌溉效率高；移动式喷灌系统和半固定式喷灌系统设备利用率相对较高，可降低单位面积投资，操作也相对灵活，但与固定式喷灌系统相比管理强度大、用工多、工作时占地也较多。综上分析，本工程采用了固定式喷灌系统方案。

3 坝后斜坡草坪喷灌设计

3.1 取水点设置

由于水库内的水质比水库周边的截渗沟水质好，而且水量也能得到保障，所以以水库为水源地。根据德州、武城2个供水洞和入库泵站布置情况，将取水点位置设为3处，同时将坝坡灌溉区域按照取水泵站的布置情况划分为3片灌溉区域。其中，片区一在出水闸处新建1#泵站，控制桩号为0+000—0+986和7+650—8+913，灌溉坝后斜坡草坪面积2.83 hm2；片区二在武城供水洞坝后出水池处新建2#泵站，控制桩号为0+986—4+360，灌溉坝后斜坡草坪面积4.25 hm2；片区三在德州供水洞坝后出水池处新建3#泵站，控制桩号为4+360—7+650，灌溉坝后斜坡草坪面积4.15 hm2。

3.2 坝后斜坡草坪喷灌

3.2.1 基本情况

根据围坝现状、种植条件和当地蒸发、降雨条件及参考文献[2]的要求，坝后斜坡草坪喷灌主要设计参数取值如下：草坪设计日耗水强度为ETd=4.0 mm/d，土壤湿润比为p=100%，计划湿润土层深度为z=0.4 m，设计灌水均匀系数为Cu=98%，灌溉保证率为85%，草坪雾化指标为2 000～3 000。

3.2.2 喷头选型及组合布置

（1）喷头选型。草坪抗水滴击打强度高，所以选用中压强度的PGP绿色大流量伸缩半圆形喷洒喷头。该喷头接口外径为20 mm，工作压力为300 kPa，喷水量为2.61 m3/h，射程为13.1 m。坝坡长11.75～12.25 m，所以喷头均布置于坝顶外侧，采用等间距布置，间距为12.0 m。

（2）末级喷灌系统组成。系统主要构件由3/4"PGP喷头、3/4"千秋架、dn75×20PE异径三通组成，如图1所示。

图1 PGP喷头末级喷灌系统

3.2.3 管网系统布置

由于坝后灌溉区整体为环形区域，所以布置管道分为主干管、分干管、支管，所有管道均埋于地下，选用PE管材。其中，2条主干管（平行于坝轴线）沿坝体压重平台向两侧布置，分干管垂直于干管布置，支管垂直于分干管布置。该固定式喷灌区为带状，长8 913 m，宽12.6 m；区内布置分干管44条，每条分干管上布置2根支管，通过干管输水。

4 灌溉制度设计

4.1 喷灌喷洒水利用系数

喷灌喷洒水利用系数可按下式确定：

式中：η为喷洒水利用系数；ηg为管道水利用系数，一般取0.95～0.98；ηp为田间喷洒水利用系数，武城地区是半干旱状态，灌溉季节多年平均风速低于3.4 m/s，故取为0.85。

经计算，得到η=0.83。

4.2 喷灌制度确定

4.2.1 一次灌溉用水量

设计灌水定额可按下式确定：

式中：m为设计灌水定额（mm）；θmax，θmin分别为适宜土壤含水量上、下限（占干土重的百分比）；z为计划湿润土层深度（cm）；p为土壤湿润比；γ为土壤容重（g/cm3）。

经计算，得到m=31.05 mm，即一次灌溉用水量为310.5 m3/hm2。

4.2.2 设计灌水周期

设计灌水周期可按下式确定：

式中：T为设计灌水周期（d）；ETd为草坪设计日耗水强度（mm/d）；其余变量含义同上。

经计算，得到T=7 d。

4.2.3 以片区二为例的喷灌设计流量

喷灌设计流量可按下式计算：

式中：Q为喷灌设计流量（m3/h）；A为灌溉控制面积（hm2）；t为一个工作位置的灌溉时间（h）；其余变量含义同上。

本喷灌系统从3处水源点取水，这里以最大控制面积片区二为例进行计算。经计算，得到Q=18.94 m3/h。

4.2.4 一个工作位置的灌水时间

一个工作位置的灌水时间按下式计算：

式中：a为喷头间距（m）；b为支管间距（m），取12.0 m；qp为喷头设计流量（m3/h），选用2.61 m3/h；其余变量含义同上。

经计算，得到t=2.06 h。

4.2.5 最大轮灌组计算

最大轮灌组数量按下式计算：

式中：Nmax为轮灌组数量（个）；C为设计日灌水时间（h），取12 h；其余变量含义同上。

经计算，得到Nmax=40个。

结合现场布置情况，坝后斜坡采用1条主干管，草坪喷灌设计流量为18.94 m3/h，每个取水点控制面积内的PGP喷头共有248个，对每个区域进行轮灌。灌溉中，采用轮流开启分干管的灌溉制度，结合工作水头偏差率要求，每个轮灌组有2个分干管，每个分干管布置喷头18个，所以每个轮灌组共有36个PGP喷头，即轮灌组数为7个，小于最大轮灌组数。

5 管网水力计算

5.1 初选管径

管网最不利的运行状态为位于分干管尾部支管工作状态，现取分干管控制长度为216 m的地块进行水力计算。

支管、分干管流量计算公式为：

式中：Q支为支管流量（m3/h）；Q分干为分干管流量（m3/h）；N为支管条数，取2条；其余变量含义同上。

经计算，得到Q支=23.49 m3/h、Q分干=46.98 m3/h。

5.1.1 支管管径

若按支管能量损失应满足hw≤0.2Hp=hf+hj的条件、支管局部水头损失按hj支=10%hf估算，则hf=0.182Hf，通过沿程水头损失计算式后，得到支管管径计算公式为：

式中：d支为支管管径（mm）；b为管径指数，塑料管取4.77；f为摩阻系数，取0.948×105；m为流量指数，取1.77；Hp为喷头工作水头（m），取30 m；Q支为支管流量（m3/h）；F为多口系数，取0.387；L为支管长度（m），取102 m。

经计算，得到d支=53.97 mm。为此，支管选择PE80-dn75-0.8 MPa管材。

5.1.2 分干管管径

分干管管径计算公式为：

式中：d分干为分干管管径（mm）；v为管中流速（m/h）；Q分干为分干管流量（m3/h）。

经计算，得到d分干=101.87 mm。为此，分干管选择PE100-dn110-0.8 MPa管材。

5.1.3 干管管径

由于主干管为2个干管，为保证灌溉均匀度，灌溉时一侧干管开启同高程上相邻2条分干管，依次轮灌。最不利工况下，干管流量Q干=93.96 m3/h，则干管管径由式（10）计算得到d干=166.35 mm。

由于干管较长，为减少水头损失和保证轮灌组内喷灌均匀度，干管选择PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.1.4 主干管管径

由于主干管流量Q主干=Q干=93.96 m3/h，所以主干管管径亦由式（10）计算得到 d主干=166.35 mm。为此，主干管选择PE100-dn200-0.8 MPa管材。

5.2 管网水头损失

由文献[2]中的公式计算支管、分干管、干管及主干管水头损失，管网水头损失按照最不利情况计算，局部水头损失按沿程水头损失的10%计算。为此，支管按长度102 m、分干管按长度13 m、干管按长度1 950 m、主干管按长度30 m计算。

经计算，得到hw支＝2.3 m、hw分干＝0.37 m、hw干＝10.8 m、hw主干＝0.17 m。综上，管网总水头损失hw总＝13.64 m。

5.3 机泵选型

系统设计扬程计算公式为：

式中：H总为喷灌系统设计要求的总扬程（m）；hw总为输水管道沿程水头损失（m）；hf泵为水泵部分的沿程水头损失（m）；hf首为首部枢纽部分的水头损失（m），取7.29 m；△Z为典型喷点的地面与水源水面高程差（m）；hs为典型喷点的竖管高度（m），取0.2 m。

经计算，得到H总=65.13 m。

根据灌溉管网水力计算结果和文献[3，4]的建议，选用250QJ100-72潜水泵，其装机功率为30 kW、配套变频控制柜为37 kW。

6 结语

该喷灌工程设计科学，可以及时根据水库围坝草皮和乔木的需水量、季节气候的变化和工程设计的灌水制度，适时适量进行灌溉，也能节水、省工，充分发挥工程节水作用和围坝草皮的护坡效果，从而有效减轻围坝工程水土流失。

建议在运行阶段制定喷灌系统管理使用规定，加强喷灌系统管理，落实责任制，实行定班、定任务量、定责任、定报酬、定奖惩制度，做到专人专机专用专管，确保喷灌机具设施的常年维护管理，保障喷灌及供水系统有较高完好率，使喷灌设备充分发挥效益。