甘肃省科学院南山绿化、蓄水、灌溉系统改造工程设计研究

李向前,安 江

(甘肃省科学院后勤服务中心,甘肃 兰州 730050)

兰州市地处陇西黄土高原西北部的黄河河谷盆地内,正处于我国半干旱与半湿润气候的过渡地带,是我国西北地区重要的通信、交通枢纽和工业重镇。特殊地理位置、地形条件和气象条件,加之工业污染源和生活污染源的大量排放,使得兰州市曾经被评为国内外空气污染最严重的城市之一[1-3]。受地理地形的影响,兰州市干旱少雨,气候干燥,年平均降水量只有328 mm,而年平均蒸发量却高达1 468 mm[4]。常年干旱少雨使得兰州市生态环境脆弱,风沙肆虐,植被稀少,恶劣的自然环境制约着兰州市经济和社会的可持续发展[5-9]。在这样的环境条件下如果不使用灌溉,绿化树木在自然条件下成活率很低。

自2007年兰州市南北两山绿化工程建成以来,城市空气污染指数有明显好转[10-11],森林覆盖率显著提高,这对提高城市形象,改善投资环境具有重大意义[12-14]。甘肃省科学院在条件极其艰苦的情况下,克服重重困难,绿化初具规模,为两山绿化工程做出了贡献。甘肃省科学院绿化基地位于皋兰山前坡面,兰山故园上方,投影面积15.3 hm2。原供水系统接皋兰山电力提灌黄河水,2005年以后,两山进行了滴灌改造,但由于资金短缺、管道破损等因素,绿化基地供水系统近几年不能供水,绿化苗木面临枯死的境地。基于这种情况,甘肃省科学院通过积极争取,从两山后五泉供水管道接水,铺设管道,安装成品玻璃钢蓄水池一座,对绿化基地实施应急绿化水利配套,不但解决绿化灌溉的问题,也为兰州市生态环境的建设起到了示范作用。

1 工程概况

1.1 区域地质概况

(1) 地形地貌 甘肃省科学院南山林场绿化基地的地势总体上西高东低,从特征上看是陇西黄土高原的一部分,并且属于黄土丘陵区,故甘肃省科学院南山林场绿化基地的基本地貌形态为黄土丘陵地貌和河谷平原地貌。由于黄土丘陵区地壳强烈上升,形成以黄河为轴线,沟谷由南或由北向轴线倾斜,多为南北向发育的横向谷。黄河两岸支沟发育,多数与主沟道近于直交。沟底均堆积有洪泄物,在支沟道和大支沟的下游地段一般较厚,由洪水冲刷夹带洪积物,在较大沟口形成洪积扇,洪积扇面积0.1～0.3 km2,个别地段呈洪积裙。

河谷平原地貌系指流水地貌。在新构造运动的影响下,黄河谷地分布着各级河谷阶地,其中Ⅰ级阶地不发育,呈不连续状分布于现代河床两侧;Ⅱ、Ⅲ级阶地发育较为完整;Ⅳ级以上高阶地多有破坏。现地貌形态以台地或低缓黄土丘陵为主。在河谷的溯源侵蚀和侧向侵蚀作用下,河谷谷坡的稳定性受到破坏,在河谷两侧形成了一系列滑坡、崩塌崖和倒石锥,在黄土及次生黄土分布地,形成了较多的黄土竖井、落水洞、漏斗及黄土碟等微地貌特征。

(2) 地层岩性 甘肃省科学院南山林场内出露的地层岩性主要为第三系地层及第四系松散堆积物,该地区的基底层,出露于沟道松散层下部及沟道两侧主体,岩层致密,具水平层理,属软岩。表层风化层1.5～2.0 m,风化层下为基岩层,裂隙较少且闭合,为不透水层。第三系地层及第四系松散堆积物整体披盖于皋兰山顶及附近Ⅲ级阶地以上的各地貌单元,天然状态下的风积黄土层,土层粘粒质量分数为15%左右,粉粒占69%～72%,含细砂、极细砂15%左右,不含粒径大于0.25 mm的颗粒。干密度为1.25～1.46 g/cm3,孔隙度为46.4%～54.2%,孔隙比0.866～1.184,塑性指数7.5～11.0,塑限16.6%～19.5%,液限26.1%～27.9%,压缩系数0.05～0.15 MPa-1,湿陷系数0.017～0.125,自重湿陷系数小于0.067,地基承载力150 kPa,区域厚度30 m左右。第四系全新统冲洪积粉质土壤层(Q4al-dl):较为松散,较均质,以粉质土壤为主,呈黄色,较湿～软塑状,较疏松。该层土向下逐渐密实,局部夹砂土薄层及透镜体,具中等湿陷性及高压缩性,厚8～12 m。人工填土层:黄色,干燥,松散状,分布在场地表层及中部,不均质,主要成分为粉质土壤,为风积黄土经人工改造而成,植物根孔及虫孔发育,富含植物根系,含较多第三系泥岩碎屑,较湿～软塑状,较疏松,具大孔隙及高压缩性、强湿陷性,层厚3.0～9.0 m。

(3) 水文地质条件 甘肃省科学院南山林场地处大陆腹地,属内陆性气候,干旱少雨。多年平均气温9.3 ℃,多年平均降水量328 mm,年平均蒸发量1 468 mm,年平均日照时数2 497～2 933 h,多年平均风速0.94 m/s,最大风速21 m/s,历年冻土层的最大深度为120 cm。区内无地表水和地下水,有许多小型自然沟道,无常年径流,仅在暴雨期间产生少量径流,由排洪道流入黄河。

甘肃省科学院南山林场场地内无地下水,即使有少量大气降水也被下渗或蒸发,场地汇水面积不大,一般不形成地表径流。场地土含少量毛细水,大多由场地水的下渗形成。场地土渗透系数为1.2×10-5～4.37×10-5cm/s,属弱透水层。雨季沟道内多有暂时性洪水,并夹杂有大量泥砂。

(4) 不良物理地质现象 甘肃省科学院南山林场位于皋兰山北侧坡面一滑坡体上,地势较为陡峻,坡度40°～60°,地层岩性为第三系粘土岩及坡积物,存在的不良物理地质现象主要为坡面的滑塌,第三系粘土岩遇水易产生滑坡。蓄水池场地位于黄土坡积区上部,地基层为第四系上更新统风积黄土,层厚15 m以上,呈淡黄色,干燥稍湿,具大孔隙(孔径1～3 mm)和垂直节理,易碎且偶有鼠洞,地表有较多植物根系,属于中等压缩性土层。地基岩性的物理力学指标:天然密度为1.47～1.61 g/cm3,天然含水量10.8%～16.5%,干密度为1.148～1.31 g/cm3,湿陷系数0.03～0.041,压缩系数0.03～0.55 MPa-1。

1.2 工程任务及规模

(1) 工程任务 从两山后五泉供水管道接水,敷设DN100镀锌钢管管道1 230 m,DN50输配水管道1 830 m,安装108 m3成品玻璃钢蓄水池一座,进行喷灌配套,对投影面积为15.3 hm2的甘肃省科学院南山林场绿化基地实施绿化水利配套。

(2) 工程规模 根据甘肃省科学院南山林场种植的红柳等树木品种特点、地形地貌特征及水源条件,选择喷灌的灌溉方式。蓄水池以下部分、水池附近水压小的部分以及绿化基地上端部分采用沟窝灌。

2 工程规划设计要点

2.1 工程级别及标准

工程设计灌溉面积15.3 hm2,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)[15]规定,灌溉面积≤333.4 hm2的小型水库为小(二)型工程。主要及次要建筑物均按5级设计。

2.2 抗震设防烈度

根据1∶400万《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)[16],设防水准为50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.15g,地震动反应谱特征周期为0.45 s,相应地震基本烈度为Ⅶ度,工程抗震设防为7度。

2.3 工程布置

甘肃省科学院南山林场灌溉面积共计15.3 hm2,灌溉系统的管道铺设全部采用固定式,通过管道利用自然水头自压喷灌。从两山后五泉供水管道接水,敷设DN100镀锌钢管道沿皋兰山北坡公路至绿化基地上方,再垂直山坡布设输水管道至玻璃钢蓄水池。

设计配套管网共分为干、支二级,采用明设。工程共焊接安装DN100引水压力管道910 m,焊接安装DN100输配水压力管道320 m,焊接安装DN50输配水压力管道1 830 m;安装DN100(Z41H-16C)闸阀7台,DN50(Z41H-25C)闸阀12台;喷灌及沟窝灌安装DN32、DN25球阀及喷头共计72套,末端DN40泄水阀21套。管道DN25泄水阀10套;配套沟窝灌DN25胶管280 m。

3 工程规划设计

3.1 喷灌制度设计

根据《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085-2007)[17]要求,以地下水为水源的喷灌工程其灌溉设计保证率不应低于90%,其他情况下喷灌工程灌溉设计保证率不应低于85%。本灌溉设计保证率取90%。

(1) 喷灌灌溉制度设计

(a) 设计灌水定额。根据《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085-2007)[1],喷灌工程设计灌水定额为

m=0.1γh(β1-β2),

(1)

其中:m为设计灌溉定额(mm);γ为土壤容重(g/cm3),土壤为壤土;β1、β2分别为土壤适宜含水质量分数上限、下限;h为计划湿润层深度(cm)。经计算,喷灌区设计灌水定额m=36.43 mm=364.3 m3/hm2,结合当地喷灌实验结果,取设计灌水定额为364.3 m3/hm2。

(b) 设计灌水周期为

T=m/E,

(2)

其中:T为设计灌水周期(d);m为设计灌水定额,m=36 mm;E为日耗水强度,取6 mm/d。

计算得出灌水周期为6 d。

(c) 一次灌水延续时间为

t=m/q,

(3)

其中:t为次灌水延续时间(h);m为设计灌水定额(mm);q为组合喷灌强度(mm/h),灌区土壤主体为沙壤土,允许喷灌强度为15 mm/h,根据工程区地形坡度,取q=7.5 mm/h。计算得t=5 h。

(d) 灌溉制度。根据选择的灌溉模式,按照作物生长需水时段安排绿化灌溉时间。经计算,喷灌灌水定额358.2 m3/hm2,一次灌水时间6 d,每天灌水10 h,全年共灌水8次,灌溉定额2 865.7 m3/hm2,采用管道输水,管道水利用系数取0.95,喷洒水利用系数取0.85,灌溉水利用系数取0.8,毛灌溉定额3 598 m3/hm2。喷灌灌溉制度见表1。

表1 喷灌灌溉制度

(2) 灌区供需水量平衡分析

(a) 供水量。本工程灌溉水源利用南北两山指挥部后五泉绿化供水管道,设计流量0.043 m3/s,年供水量30万m3。

(b) 用水量。根据设计灌溉制度、灌溉面积、作物种类等确定喷灌用水量。因作物种类单一,采用直接推算法进行计算,其公式为

Wm=m×A/ηc,

(4)

其中:Wm为毛灌溉用水量;m为设计灌溉定额(m3/hm2);A为灌溉面积(hm2);ηc为灌溉水利用系数,取0.80。计算得Wm=m×A/ηc=2 865.7×15.3/0.8=5.48万m3。

(c) 水量平衡分析。根据制定的灌溉制度,计算绿化区年灌溉用水总量为5.48万m3。后五泉供水管线主要为生态绿化提供水源,甘肃省科学院南山林场属于控制灌溉范围,水源水量、水质均满足工程区灌溉用水需求。

3.2 喷灌系统设计

(1) 喷头选择 根据甘肃省科学院南山林场内植物种类、土壤性质、管道压力水头,设计选用全圆摇臂喷头,型号为PY20,接头形式为外螺接口,喷嘴直径为7 mm,喷头工作压力为0.3～0.4 MPa,喷头射程为19.0～20.5 m,进水口直径20 mm,喷灌强度为2.58～2.63 mm/h。

(2) 喷洒方式及组合形式 由于灌区以坡面灌溉为主,为保证灌溉质量,采用固定式喷灌系统,即除喷头外其他灌溉设备均固定不动。

喷头的喷洒方式有全圆喷洒、扇形喷洒和带状喷洒。甘肃省科学院南山林场地形坡度30°,根据地块形状及风力的大小,为保证喷灌均匀度,喷洒方式采用全圆喷洒,喷头组合采用矩形组合。喷头组合间距采用组合间距系数法确定,计算公式为

A=Ka×R,b=Kb×R。

(5)

支管垂直风向布置,选用PY20型喷头,喷洒半径R取20.5 m,则喷头间距a=20 m,支管间距b=25 m。单喷头控制面积A=ab=20×25=500 m2。

(3) 喷灌强度 设计喷灌强度计算公式为

ρ=1 000qη/A有效,

(6)

其中:ρ为设计喷灌强度(mm/h);q为喷头流量(m3/h),取设计压力下的流量值2.96 m3/h;η为喷灌水有效利用率,取0.8;A有效为组合情况下,1个喷头的平均控制面积(m2),一般为喷头间距a与支管间距b的乘积。经计算得,设计喷灌强度为4.7 mm/h,小于允许喷灌强度7.2 mm/h,满足规范要求。

(4) 水滴打击强度校核 水滴打击强度采用雾化指标反映,其计算公式为

Wh=1 000hp/d,

(7)

其中:Wh为雾化指标;hp为喷头工作压力水头(m);d为喷嘴直径(mm)。计算得Wh=2 000,该喷头满足规范的雾化指标允许值。

(5) 一次灌水延续时间校核

(a) 喷头在一个喷点上的喷洒时间计算公式为

t=mab/1 000q,

(8)

其中:m为设计灌水定额(mm);a为毛管上的喷头间距(m);b为毛管间距(m);q为喷头流量(m3/h);q1=2.96 m3/h。经计算,t=mab/1 000q=36×25×20/(1 000×2.96)=6.0 h,与灌溉制度确定的一次灌水延续时间基本一致。

(b) 同时工作喷头数计算公式为

N=At/(abTC),

(9)

其中:N为同时工作的喷头数;A为喷灌面积(m2);C为一天中喷灌系统的有效工作时间(h),取12 h。计算可得,各片区同时喷洒的喷头数为12个。

(6) 轮灌方案 根据上述计算出的同时喷洒喷头数,进行轮灌编组。为减小支管管径,同时工作的毛管为12条,每条支管上同时工作的喷点不大于2个。

3.3 配水管道设计

(1) 管材选择 该工程中配水管道为中小管径,对钢管、玻璃钢管、PE管与UPVC管进行对比分析,4种管材的性能对比见表2。

由表2可知,玻璃钢夹砂管受外力影响易破坏,对管床要求高,而且材质弹性低,与各类阀体连接时法兰部分耐久性差。钢管承压强度高,承压能力强,耐久性较好,抗变形能力强,但运输安装不方便,耐腐蚀性差,内外需做防腐处理,造价高。UPVC管材强度高,较钢管运输安装方便,造价低,但由于其脆性大,易导致破坏源的扩展,发生快速开裂。PE管连接可靠性高、延展性好,抗震、抗不均匀沉降能力高,同压力和同直径条件下,PE管比UPVC管质量小,造价介于UPVC管和钢管之间。

表2 管材性能对比

根据工程实际情况,综合考虑灌溉方式、管材性能及造价等因素,采取干、支管均为钢管的方案。所用管材按实际要求必须为国标热镀锌管,与闸阀所连接的热镀锌管内径≥50 mm时选择软密封。

(2) 干管引水流量计算 干管引水流量计算公式为

Q=DmA/Ttη,

(10)

其中:Q为引水流量(m3/s);D为种植比例最大值,取100%;m为灌溉定额,取358.2 m3/hm2;A为有效灌溉面积(hm2);T为轮灌期,取10 d;t为每天灌水时数,取12 h;η为喷洒水利用系数,取0.80。经计算,绿化灌溉区设计流量为17.8 m3/h。

(3) 干管管径确定 根据设计流量,干管管径计算公式为

(11)

其中:D为干管经济管径(mm);Q为计算管段设计流量(m3/h);V为管道流速(m/s),经济流速在1.5～2.5 m/s之间取值。干管管径计算结果为60 mm,选择管径100 mm。

(4) 支管管径确定 支管管径按照轮灌分组确定的流量计算,根据工程布置,为了减小支管管径,在轮灌分组时考虑同时工作支管数为2条,按照轮灌分组,每条支管同时工作的喷头数为2个,管道流量为2×3.41=6.82 m3/h。经计算分析比较,毛管统一选择DN50钢管,壁厚3.5 mm。

3.4 附属建筑物设计

对镇支墩进行设计。镇墩质量计算公式为

Kc=f(∑y+G)/∑x≥[Kc],

(12)

其中:Kc为抗滑稳定系数;[Kc]为允许抗滑稳定系数,[Kc]=1.2;G为镇墩自重(t);∑y为竖直向荷载(kN);∑x为水平向荷载(kN)。

该工程干、支管全部采用明设,每个竖管下要求设一个尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m的镇墩对其进行固定,明设竖管高出镇墩部分可利用废弃竖管连接支撑并固定,其他管道在竖直转角大于5°、水平转角大于10°时设镇墩。镇墩采用现浇C20砼密闭式,外包厚度0.5 m,顺水流方向长1.2 m。镇墩地基原土翻夯0.5 m,要求压实系数不小于0.95,10%水泥土垫层0.3 m。

4 结论

为甘肃省科学院15.3 hm2绿化基地设计安装108 m3蓄水池一座,敷设DN100镀锌钢管管道1 230 m,DN50输配水管道1 830 m,进行喷灌配套。根据工程规划设计,对灌溉制度、喷灌系统、配水管道和附属建筑物进行了设计计算,最终确定了灌溉制度为一次灌水时间6 d,每天灌水10 h,全年共灌8次,灌溉用水量共5.48万m3;根据地形及风力大小,设计喷灌系统为全圆喷洒矩形组合的方式,同时工作的毛管为12条,每条支管上同时工作的喷点不大于2个;通过对配水管道管材进行对比,干、支管选用国际热镀锌管管材,根据干管引水流量计算得出干管管径0.1 m、支管管径0.05 m;干、支管全部采用明设,根据要求设计用0.6 m×0.6 m×0.6 m的镇墩作附属建筑物固定每条竖管。该工程根据蓄水池工程设计标准,考虑皋兰山的地形地貌及岩土特征而设计,以期对兰州市南北两山的水土流失防治、水土保持规划设计提供一定参考。