山区国家储备林供水灌溉工程规划设计与建设实践——以凉州区南部山区2022年国家储备林灌溉工程为例

李鹏学，张 钊，陈元福

（1.凉州区河湖管理中心，甘肃 武威 733000；2.凉州区水电勘测设计队，甘肃 武威 733000；3.武威市水利水电设计院有限公司，甘肃 武威 733000）

1 基本情况

凉州区南部山区2022 年国家储备林灌溉工程位于凉州区谢河镇，地处祁连山浅山区，地势东南高西北低，区域内海拔1 890～2 100 m。工程区属温带干旱半干旱区，年最高气温38.5 ℃，最低气温-29.5 ℃，多年平均降水量158.4 mm，蒸发量2 021 mm，最大冻土深142 cm。工程区规划绿化面积692.2 hm2，栽植山杏、樟子松、云杉及沙棘等127.18 万株。苗木种植田间布置为山杏、樟子松、云杉3.0 m×2.0 m，沙棘2.0 m×2.0 m。该区域降水稀少，蒸发强烈，作物非灌不殖，发展国家储备林需全年通过工程措施供水灌溉。工程区可利用水源为黄羊水库，附近有黄羊河引水渠首，可利用现有黄羊五干一支渠引水至工程区。

2 工程规划与建设需解决的难题

2.1 供水管网和灌溉系统水压力设计需考虑工程区地形起伏变化大的情况

工程区属祁连山北坡浅山丘陵区，有二牛沟、板沟、滩沟、张林沟等5条山沟，地貌为丘陵沟壑，沟谷陡而深，相对高差10～50 m。塬面相对平缓，坡度20°左右，沟谷坡度75°左右，灌溉供水既存在压力不足小管出流流量偏小，又存在管网压力过大爆管情况，很难满足正常恒压供水[1]。

2.2 工程布局需系统考虑供水点与灌溉区域相对落差较大、管线长的情况

工程区供水水源为黄羊水库，利用现有黄羊五干一支渠从黄羊河渠首取水至拟建调蓄水池，调蓄水池设计水位高程1 819.80 m，种植区最高高程2 036.7 m，相对落差216.9 m。种植区域最大长、宽分别为3 224 m、1926 m，地形坡度在1∶14～1∶7。由于地形落差大，供水管线长，工程布局需从供水首部和管网安全、运行管理方便等综合考虑。

2.3 工程建筑物设计和灌溉管理需考虑工程区湿陷性黄土土质情况

工程区主要为第四系Q4不同成因的堆（沉）积物覆盖，成因类型较复杂，主要有冲洪积、洪积、人工堆积等，具有典型的山前水文地质分带特征。在大地构造上属于河西走廊过渡带的武威新凹陷盆地区，南侧以断裂带与祁连山褶皱带衔接，区域构造稳定性较差。工程区土质为湿陷性黄土，不利于修建蓄水建筑物。同时，种植区土质保水性较差，在水量较少的情况下苗木极易受旱，在灌水量较多时易造成局部地块塌陷，形成沟壑，倾翻已栽植的树木，常规沟灌、畦灌溉方式不适应，对灌溉要求相对较高。

3 工程规划设计

3.1 工程总体布局

利用黄羊五干一支渠从黄羊渠首引水，在种植区坡脚、五干一支渠附近新建调蓄水池，通过高扬程水泵一次性加压供水。结合地形和供水流量，设A、B、C 三个供水片区，分三路干管供水，凉州区南部山区2022 年国家储备林灌溉供水工程总体平面布置（图1）。供水干管向上沿山体垂直等高线布设，配水管道均呈“丰”字型布设分支管垂直干管布设，地面辅管垂直等高线。滴灌带平行等高线、沿栽植树木株行距布置，采用小管出流灌溉。分区域灌溉，A片区灌溉面积278 hm2，划分25个灌水小区；B片区灌溉面积227.3 hm2，划分24个灌水小区；C片区灌溉面积186.9 hm2，划分23个灌水小区。

图1 凉州区南部山区2022年国家储备林灌溉供水工程总体平面布置

3.2 水源工程设计

根据工程区已建水利工程、区域地形、地貌、地质条件等，工程可供引用的灌溉水源为流经植树区山脚的黄羊灌区五干渠一支渠末端地表水。五干渠从黄羊渠首西进水闸引水，流经13.5 km，从五干一支渠分水闸取水，渠长4.2 km，渠底最缓纵坡1∶1428，设计引水流量0.3 m3∕s，现灌溉周边农田面积196.7 hm2。

3.3 调蓄水池设计

经核算工程区灌溉最大灌水率120 m3∕s·hm2，最小灌水率7.2 m3∕s·hm2，灌溉日用水量在987～16 373 m3，同时，供水渠道兼顾周边农田灌溉，综合考虑，蓄水池设计容积为10 000 m3，进行日调节供水。

调蓄水池布设在黄羊五干一支渠西侧荒地，地层岩性上部为第四系上更新统风积（Q3eol）黄土，微具水平层理，弱粘结性，抗冲刷力差。池基主要地层岩性为砂砾卵石，厚度大于5 m，渗透系数为（1.6～2.1）×10-3cm∕s。经稳定复核计算，同时为便于施工，调蓄水池采用内坝坡比1∶2.75，外边坡坡比1∶2.5。调蓄水池设计深度5 m，采取防渗措施。内池坡自下向上依次为1.5 m砂砾石换基夯实（压实度≥0.96）、100 mm的壤土垫层（压实度≥0.96）、250 g∕m2∕PE0.5 mm∕250 g∕m2复合防渗土工膜、50 mm 厚M10 水泥砂浆、粒径<150 mm厚300 mm砂砾碎石压重层。池底自下而上依次为原基夯实（压实度≥0.96）、100 mm 的壤土垫层（压实度≥0.96）、250 g∕m2-PE0.5 mm-250 g∕m2复合防渗土工膜、100 mm 的壤土垫层、粒径<150 mm厚300 mm 砂砾碎石压重层。池坡坡底设一道现浇C25砼固脚。调蓄水池典型断面详见图2。

图2 调蓄水池典型断面图

3.4 首部设计

泵站布置于调蓄水池西南侧，地层岩性主要为风积黄土（Q3eol）及冲洪积砂砾卵石场地地基土，对普通混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性[2]，施工过程中可采取防微腐蚀措施。泵坑地基为砂砾卵石层，泵坑开挖边坡比取1∶1.5。泵站地基需承受上部建筑物荷载和水泵震动，整平压实相对密度达到Dr＞0.75。根据灌溉区域面积和高程，分别用三组水泵加压供水，A区设计流量140 m3∕s，设计扬程120 m，B 区设计流量120 m3∕s，设计扬程185 m，C区设计流量110 m3∕s，设计扬程255 m，在充分考虑满足深井泵高扬程、减小泵坑挖深、降低安装难度的基础上，参照同类已建工程，本工程三组水泵选用卧式深井潜水泵。考虑灌溉期水泵维修等因素，设计泵站内并排安装水泵为4 台（3 用1备），另储备2 台水泵放置于库房，以备不时之需[3]。为满足水泵安装要求，水泵固定于卧式支架上，直接安装于泵坑池底，水池最低运行水位高于水泵顶平面3 m。根据水泵及附属设施占地情况，综合考虑经济合理，泵站管理房设计总面积264 m2。

供水系统首部枢纽设置在设备房内，包括逆止阀、排气阀、闸阀、压力表等。供水管道均需在管道出口设置手动闸阀，用以控制管道介质。为方便管道分水管理及维修检查、排气，在管道分段设置检修阀，在管线低凹处设置放空阀以及放空管道。水泵出口安装压力表及压力变送器，用以实时观测水泵运行状况。

3.5 管网设计

输配水管网由主干管、分干管、地面辅管和滴灌管组成。

（1）主干管及分干管设计。为降低运行费用，方便管理操作，地块与调蓄池位置、高程等，灌溉系统均按照“管路短、控制面积大”的布置原则，按“山”字形和“丰”字形布置干管和分干管。在干管和分干管最低处设置排水阀门，主干管与分干管交叉处设置闸阀井，同级管道尽量避免出现凸起，各系统不同流量干管特性见表1。

表1 各系统不同流量干管特性表

（2）干管防腐设计。综合考虑施工方便、山区工程质量控制、管网压力等因素，主干管及分干管均采用无缝钢管，连接方式为法兰连接。为有效控制钢管腐蚀，延长使用年限，对压力钢管进行除锈防腐，等级不低于Sa2.5级。地埋管段内防腐采用热熔结环氧粉末（EP）防腐，涂层厚度不小于400 μm。外防腐底层采用环氧富锌（或无机富锌）60 158 μm、中间层采用环氧云铁100 μm，面层采用丙烯酸聚氨酯100 μm，与混凝土接触部位钢管外壁涂刷300～800 μm水泥浆做临时防护。

（3）地面辅管和滴灌管管径及管材选择。由于本工程地形落差较大，输配水管网承受动水、静水压力大，选择管材时，应在安全、经济的原则下，考虑选择强度高、韧性好、安装维护方便的材料。经比选，主干管、竖管及地面辅管均选用耐久性强、运行可靠且不易损坏的PE管。根据管网水力计算结果，承压等级均选为1.6～1.0 MPa。滴灌管选用Φ16 mmPE管，壁厚e为1.2 mm，额定工作水头为10 m，稳流器设计流量为6.0 L∕h，滴头间距与种植间距相一致，一树一滴头[4]。

3.6 附属建筑物设计

根据管道压力情况，在管道沿线设置减压阀井，井壁厚0.2 m，底板厚0.25 m，盖板厚0.2 m，井深依管道埋深而定。为方便灌溉系统管网的配水、分水管理及维修检查，在管道分水处均设置闸阀井，井内安装闸阀，闸阀井井深2.0 m。井底由下向上依次为原土夯实，0.3 m 厚砂砾石垫层及0.1 m 厚现浇C20 砼圆形底板，直径为1.5 m。管沟开挖时，为便于施工，断面选用梯形断面，边坡1∶0.5，底宽0.6 m，填埋时，由于田间灌溉管道，冬季不运行，管顶以上需覆土1.5 m，保证管道不被冻涨破坏。由于工程相对落差较大，为保证管道稳定性，在管线拐弯处设置C25混凝土镇墩。

3.7 灌溉制度设计

根据项目区水源保障和自然条件，灌溉设计保证率采用90%，土壤计划湿润层深度0.6 m，土壤湿润比取30%，适宜土壤含水率田间最大持水率取24%，经分析计算，最大净灌水定额15.12 mm。设计耗水强度取为2.5 mm∕d，设计供水强度2.49 mm∕d，经计算，设计灌水周期取6 d。设计净灌水定额为15.12 mm（0.672 m3∕hm2），设计毛灌水定额为0.747 mm（11.2 m3∕hm2）。一次灌水延续时间16.8 h。考虑工程区控制灌溉面积较大，为确保系统安全运行，采用轮灌制度[5，各片区轮灌组划分除应考虑安全外，还应尽量便于操作管理。A 区、B 区、C 区分为3 个系统，每个系统划为8个轮灌组灌溉，每个轮灌组灌溉时间为16.8 h，每次灌溉定额为0.747 m3∕hm2。工程区设计水平年典型作物灌溉制度见表2。

表2 工程区设计水平年典型作物灌溉制度

4 运行情况

工程建成运行时，3 条主管（3 个片区）同时开启，根据设计净灌溉定额0.672 m3∕hm2，毛灌溉定额0.747 m3∕hm2，一次灌水时间16.8 h，每个灌溉周期6～8 d。各片区划分为3 个分片区，每个分片区划分为8 个轮灌组，每个轮灌组结合水泵供水能力和出水口布置确定控制灌溉面积，各滴灌片区轮灌情况见表3。

表3 各滴灌片区轮灌情况表

5 启示

（1）供水灌溉区域内地势复杂，山岭沟壑交错，最高供水点与水源点调和落差近220 m，灌溉区属湿陷性黄土，不适宜修建调蓄工程设施。一方面扬程高，各区域压力变幅较大，既存在压力不足又存在压力过大爆管情况，另一方面控制面积666 hm2以上，小管出流灌溉需要恒压供水，容易造成相对提水点落差大的区域供水压力不足，无法满足正常恒压供水。在本工程规划设计时，确定采用一次加压、分三个区域、三个系统供水的方案；水泵按照实际供水高程和流量定制，配套变频调节设备；对所有管网进行水头压力计算，并设置降压和排气阀，适应了地形相对落差，保证了供水所需水压，使灌溉更加均匀有效[6]。

（2）工程供水主管压力要求在2.5 MPa 以上，选用钢管。钢管管径为D200，总施工长度12.45 km，连接点共104个，因受地形条件约束，管道现场连接施工和运输难度较大。在施工设计中，地形相对平缓区域采用现场焊接方式，山坡和沟壑区域采用法兰连接。在初次试水中，焊接连接的漏水点占总焊接点的3%，主要集中在某一施工段；法兰连接的漏水点占总法兰连接点的2%，主要是螺栓有松动。实践表明，这2种方式均能满足供水要求，采用焊接连接时对施工人员技术要求较高，法兰连接施工程序相对多，但后期维修方便。因地制宜选择钢管施工方法，可保证供水管道安全可靠[7]。

（3）为适应山区地形实际和压力恒定的要求，滴灌带沿等高线布设，可防止滴灌管压力过大脱节或压力过小滴头不出水等问题。划定了72 个轮灌组，并结合实际轮灌小组区域地块地形，逐段通过水力计算确定滴灌带长度，确保小管出流灌溉流量基本均衡，同时，在小管出流接口处配置稳流器，对个别流量不均匀的通过稳流器调节，实现小管出流灌溉水量基本均衡。

（4）工程区域土质为湿陷性黄土，土壤结构疏松稳定性差，不易保水。在灌溉过程中，适时进行观测和土壤湿润深度测定，结合树木水量需求，适当缩短灌溉时间，增加灌水轮次，从而保证灌溉水不对土壤产生浸透湿陷。