程海湖生态修复植物灌溉设施及水源设计

左安垠，赵 寅，孙曙鸿

（1.永胜县林业和草原局红星桥木材检查站，云南丽江 674200；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650051；3.永胜县天然林保护工程管理办公室，云南丽江 674200）

1 论文背景

程海湖位于永胜县中部，原属金沙江水系并与金沙江连通，300年前与金沙江水系隔绝形成内陆封闭高原深水湖泊。是云南省九大高原湖泊之一，湖东、西、北三面环山，南北地势平坦。流域面积318.3km2，多年平均入湖水量约1.62亿m3，湖面海拔1 501m，南北长19 km，东西平均宽5.4 km，平均水深25.7m，最大水深35.1m。水面面积77.2 km2，蓄水量19.2亿m3。

环湖截污、引水补水、生态修复是抢救性保护程海湖三大措施，如何通过生态修复的手段来改善与创造一个良好的生态环境，是近年来程海湖生态环境建设的重点和难点，在生态修复绿化过程中如何提高植物成活率及保存率，是目前面临的难题之一。2018年以来，实施了程海湖生态修复省级重大工程项目，包括植物工程、河门口治理工程、灌溉引水工程、生态管护廊道工程、防护网工程、土壤改良工程六大部分，其中二期灌溉引水工程工程范围为灌溉区长度27.9km，宽度30m一级保护区条带，水源工程设计范围为灌区至取水点直线长度6km，经工程区现状调查及分析研究，做出了科学设计。本文的项目设计、施工建设等内容可为类似生态修复工程设计提供参考。

2 项目区现状分析

2.1 自然及土壤现状

项目区处于低纬高原区，具有较独特的高原山地季风气候特点，干湿季分明，冬春多旱，旱季长达9-10个月，辐射强，蒸发量大。多年平均降雨量为935.4mm，蒸发量为2 173.6mm，多年平均气温13.5℃，极值最高32.3℃，最低-11.2℃，平均相对湿度68%，日照2 403.6h，多年平均风速2.5m/s，多年平均最大风速为11.3m/s，历年最大为18.0m/s。受局部地形影响，年降雨量空间分布极不均匀，多集中于断陷盆地四周的山坡一带；降雨量时间分布不均匀，主要集中在夏季7-9月，降雨量约占全年降雨量的85%以上。土壤碱性、砂砾石含量高，保水性差。由于程海湖为碱性水且严禁取水，周边无水源，水源缺乏。

2.2 引水高程、地形地貌等条件

水源点至供水点直线距离6km，取水点地面高程1 740m，高位水池地面高程1 740m，供水点灌区地面最高高程1 533.3m，最低高程1 501m。均为山地地貌。

3 设计策略

从能满足供水需求的水库引水灌溉；选择高效节水灌溉方式；建高位水池、压力调节池等解决海拔差大产生的管道高压及蓄水满足灌溉用水。

4 灌溉设施及水源工程设计

4.1 灌溉方式选择

由于植物设计为乔、灌、草结合的自然式种植，采用节省用水量、提高水利用率、灌溉均匀的固定喷灌结合部分微灌的灌溉方式。

4.2 水源选择

本工程以水库作为水源，可利用水源有羊坪水库、崀峨水库和马场坪水库。

羊坪水库总库容3 997万m3，兴利库容为3 247万m3；崀峨水库总库容为1 220万m3，兴利库容为1 085万m3；马场坪水库总库容598万m3，兴利库容539万m3。

根据项目需水量要求以及供水水源就近原则，选择马场坪水库作为本项目供水水源。

4.3 设计标准确定

本项目的设计保证率取83%-95%；管道水利用系数取0.95；灌溉水利用系数0.85。

4.4 灌溉定额

生态修复条带内种植灌木、乔木、草，种植比例为5∶4∶1。

4.4.1 最大灌水定额计算

（1）灌水定额计算公式

式中：mmax—最大灌水定额（mm）；γ—土壤容重（g/cm3）；z—土壤计划湿润层深度（cm）；p—土壤湿润比（%）；θmax—适宜土壤含水率上限（重量百分比）（%）；θmin—适宜土壤含水率下限（重量百分比）（%）。

（2）灌水定额设计计算结果

灌水定额计算结果见表1。

表1 设计灌水定额表

4.4.2 设计灌水周期

（1）计算公式

Tmax=mmax/Ia；T＜Tmax

公式中：Ia—耗水强度；mmax—设计灌水定额；Tmax—最大灌水周期。

（2）计算设计结果

计算结果见表2。

表2 设计灌水周期计算表

4.4.3 设计灌水定额（m）

（1）设计灌水定额计算公式

m=T×Ia

m—设计灌水定额 T—灌水周期 Ia—日耗水量

（2）设计灌水定额计算结果

计算结果见表3。

4.4.4 灌溉制度设计

项目总灌溉面积1 250.4亩，根据灌区及周边情况，沿灌溉条带设置了10个灌溉水池。每个水池控制一个片区，水池出水管接至沿湖布设的灌溉支管，灌溉支管沿左右延伸，覆盖经过区域的植物灌溉，接入点左右两侧各设置一个蝶阀。

4.5 灌溉系统设计流量

4.5.1 计算公式

灌溉系统设计流量由调整后的灌水率确定。

式中：Q—灌溉系统设计流量（m3/h）；ai—第i种作物种植比例；mi—第i种作物灌水定额；Ti—第i种作物灌溉周期；A—设计灌溉面积；td—系统日工作小时数；η—灌溉水利用系数；e—灌溉作物种类数。

表3 灌水定额计算表

4.5.2 计算结果

经计算得灌溉系统设计流量为329.35m3/h。项目范围内种植乔木33 658株，灌木14 422株，藤本和地被植物293 831m2，原生地被培育470 115m2。经过计算每天总需水量为4 700m3。管护期用水量为423万m3，（按照每年供水10个月计算）。

4.6 微喷灌设计

结合区域自然情况，固定喷灌能有效节省人工，提高灌水效率，选用固定喷灌结合部分微灌的灌溉方式。喷灌、微灌面积比为8∶2。

经过计算，使用WPX120-200旋转微喷头。喷头喷嘴直径6mm，工作压力0.20MPa，射程4m，设计流量0.12m3/h。系统配水水干管采用焊接钢管，耐压不低于2.0MPa。支管采用符合国家相关规范的高密度聚乙烯（HDPE）或硬聚氯乙烯（PVC-U）管，耐压不低于0.63MPa。经系统管网水力计算，确定干管、支管分别为DN150、DN32。喷头连接竖管采用PVC-U管，管径DN25mm（1.25MPa）。

4.7 灌溉系统总体方案布置

设计在坝箐河程海生态应急补水工程输水渠道旁新建一座取水口，通过管道引水至高位水池。再从高位水池接输水管引水至沿湖布设的调节水池。输水主管至沿兴仁村附近分别向东、西岸灌区输水，东岸灌区引水主管从输水主管旁接进入东1#减压池，减压后沿环境生态监测通道布设连通至一期管网，沿途分别输水至东3#调节水池、东2#调节水池、东1#调节水池。西岸灌区引水主管从输水主管旁接后沿环境生态监测通道布设至西1#减压池，减压后再沿湖布设连通至一期管网，沿途分别输水至西7#调节水池、西6#调节水池、西5#调节水池、西4#调节水池、西3#调节水池、西2#调节水池、西1#调节水池。各个调节水池再设置一根出水管，出水管布置至湖边后，与沿湖输水主管平行布置向控制灌区供水，灌区内设置微喷灌系统。总体布置方案如图1、图2所示。

图1 灌溉系统总体方案布置图

图2 灌溉系统总体方案布置图

4.8 管道设计

4.8.1 管材选择

根据现场地形地质条件、管道材料性能、接口性能，管道工作压力及安全性等因素进行选择，焊接钢管施工灵活、方便，不受地形影响，承压能力强，价格适中、质量稳定，运行维护方便，项目输水主管采用Q235B焊接钢管，配水主管采用Q235B焊接钢管。

4.8.2 管径选择

（1）计算公式

式中 D—管道直径（m）；Q—管道设计流量（m3/s）；V经—管道经济流速（m/s）。

（2）管径选择计算结果

管径选择计算结果如表4所示。

表4 管径选择表

4.9 水力学计算

4.9.1 管道总水头损失计算公式

式中：Hz—管道总水头损失（m）；Hy—管道沿程水头损失（m）；Hj—管道局部水头损失（m）。

4.9.2 管道沿程水头损失计算公式

式中：Hf—沿程水头损失（m）；L—管道长度（m）；V—管内流速（m/s）；C—谢才系数，；R—水力半径，对于圆管，R=D/4（m）；n—糙率，钢管取0.012，PE管0.008；D—管道内径（m）。

4.9.3 管道的局部水头损失计算公式

式中：ζ—管道局部水头损失系数。

4.9.4 计算结果

根据以上各式及参数对输水管道进行水力学计算，计算结果如表5所示。

4.10 管道承压计算

4.10.1 钢管壁厚计算公式

式中：t—钢管计算管壁厚度（mm）；P—设计内水压力（N/mm2），包括净水压力与水击压力；[σ] —钢管材料的允许应力（N/mm2），取0.55σs；σs—钢材屈服点强度，当管壁厚度小于16mm时，σs=235N/mm2；当管壁厚度为16-40mm时，σs=225N/mm2；φ—焊缝系数，取0.9。

表5 钢管分段水力计算

钢管加工偏差按壁厚±10%计算，管壁抗腐蚀附加厚度取2mm。

钢管管壁最小厚度，除满足结构分析要求外，还需考虑制造工艺、安装、运输等要求，保证必需的刚度，因此钢管最小厚度不应小于下式计算值。

t≥D/800+4

式中：D—钢管直径（mm）。

水击压力按下式计算：

△P=2σ/（2-σ）*Hγ

式中：σ=v0*L/gHT；v0—水击发生前管道内的流速（m/s）；L—管道长度（m）；g—重力加速度（m/s2）；H—管道阀门处的静水头（m）；T—阀门关闭时间（s）；γ—水容重（T/m3）。

4.10.2 钢管各分段及钢管壁厚计算结果

钢管各分段及钢管壁厚计算结果如表6所示。

表6 钢管分段壁厚计算

4.11 管道敷设

工程项目管道主要为浅埋管敷设，少部分管道采用深埋保护敷设。当输水管线跨过现有道路沟渠时，管道全段采用钢筋混凝土镇墩全包裹，以保证管道能承受后期上部车辆或堆渣等荷载。埋设钢管水平或竖直转角超过15°时设置镇墩。

4.11.1 镇墩

钢管在平面及立面转弯点设置镇墩，镇墩主要承受水管改变方向而产生的轴向不平衡力，靠其自身重量保持稳定。镇墩型式根据每个弯段转弯点特性、地形地质条件进行设置，采用C25混凝土进行浇制，其体积根据镇墩所受作用力按满足镇墩稳定条件进行推求，详见下式：

式中：KC—镇墩抗滑安全系数，一般取1.5；Fc—镇墩与地基间摩擦系数，根据各镇墩处地质条件进行取值，采用0.2-0.3；∑Y—作用于镇墩上的垂直合力；∑X—作用于镇墩上的水平合力；G—镇墩自身重量（包括镇墩内管道重量和水重）。

根据上述公式推求出所需镇墩体积，根据镇墩体积，再初拟镇墩轮廓尺寸，进行镇墩基底应力验算。由于明铺钢管受温度影响较大，因此两镇墩之间设置伸缩节，以减小钢管因温度变化引起的应力。为减小伸缩节的内水压力和便于管道安装，伸缩节布置在管道上游镇墩下游侧。

4.11.2 支墩

支墩设置在镇墩之间，其作用主要是承受钢管及水在竖向的分力，以减小钢管轴向及切向应力，支墩允许钢管在轴向自由移动，以保证钢管应温度变化自由伸缩。钢管支墩间距根据钢管应力进行分析求得。

4.11.3 管道连接

管道连接主要采用焊接连接。

4.11.4 管道防锈、防腐设计

工程所有管道均采用外防腐加强保护：明铺管段，先进行表面除锈处理，刷红丹防腐底漆一道，绿色醇酸磁漆两道；埋地段钢管外壁采用2布3油防腐处理，钢管防腐先进行表面除锈处理，涂抹一层环氧煤沥青漆后，缠裹一层玻纤布，然后再涂抹一层环氧煤沥青漆。待干后，再涂抹一层环氧煤沥青漆，缠裹一层玻纤布，表面再均匀完整的涂抹一层环氧煤沥青漆。

4.11.5 输水管阀门设置

输水管道低凹处设置泄水、冲砂闸阀，管道隆起处设置排气阀。泄水、冲砂闸阀直径为管道直径的1/4-1/5，排气阀直径为管道直径的1/8-1/10。输水主管高差间隔100m设置减压阀，每个水池进水管末端设置减压阀。

4.12 水池设计

根据现场踏勘及工程布置情况，取水口处设置一座高位水池，管道沿线每个村建一个水池，共10个，满足附近区域灌溉用水，水池参数见表7。

表7 水池特性表

5 示范段管道试压及结果

5.1 示范段管道试压方法

（1）水压试验压力为各段输水管线设计工作压力+0.5MPa，且不低于1.0MPa。

（2）预试验阶段：将管道内水压缓缓地升至试验压力并稳压30min。期间如有压力下降可注水补压，但不得高于试验压力；检查管道接口、配件等处有无漏水、损坏现象；有漏水、损坏现象时应及时停止试压，查明原因并采取相应措施后重新试压。

（3）主试验阶段：停止注水补压，稳定15min；当15min 后压力下降不超过0，将试验压力降至工作压力并保持恒压30min，进行外观检查若无漏水现象，则水压试验合格。

（4）管道升压时，管道的气体应排除；升压过程中，发现弹簧压力计表针摆动、不稳，且升压较慢时，应重新排气后再升压。

（5）分级升压，每升一级应检查后背、支墩、管身及接口，无异常现象时再继续升压。

（6）水压试验过程中，后背顶撑、管道两端严禁站人。

（7）水压试验时，严禁修补缺陷；遇有缺陷时，应做出标记，卸压后修补。

5.2 示范段管道试压结果

根据相关规范要求对试验段管线进行管道试压实验，结果表明本项目输水管道设计值与实际运行工况相符，管道试压结果详见表8所示。

表8 示范段管道试压结果

6 结论

（1）对程海湖生态修复项目（二期）一级保护区宽30m、长27.8km灌区及至取水点6km，灌溉管网制安、高位水池、调节池等设计，主要是确保工程区内植物正常生长，拦截污染、改善入湖水质具有重要的作用和意义。

（2）通过程海湖生态修复项目（二期）灌溉引水工程现场现状调查分析，根据灌溉系统总体方案布置设计及各引水管道起点至终点地面高程、流量等计算，做出了设计策略，选择了灌溉方式及水源、总体方案布置，确定了设计标准，根据灌溉方式及水源、总体方案布置、设计标准，通过灌溉定额、灌水周期、灌水制度、水流量、水力学、管道承压、镇墩承压等计算，得出管道敷设、管径选择、管道壁厚、减压池设置等结论及设计。

（3）示范段成果试压结果表明：管道设计承压与试压承压一致，示范段灌区经使用无爆管管网损毁、无灌溉水源不足现象。