重力流輸水在灌溉工程中的應(yīng)用

重力流輸水是一種比較理想的供水方式，它具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)黃安坨村灌溉工程的源水輸送就是利用地勢(shì)高差采用重力流輸水。重力流輸水有它的特殊性，采用重力流輸水要具備一定的特殊條件，而選用重力流輸水的基本條件就是要有一定的地形高差，這個(gè)地形高差要滿足灌溉系統(tǒng)的水頭損失及灌水器的水頭要求。為此，結(jié)合黃安坨村灌溉工程的實(shí)際情況，介紹黃安坨村灌溉工程在取水、輸水管道及調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的選擇上是如何滿足重力流輸水的選用條件的。

　　1、黃安坨村灌溉工程的供水方式

　　黃安坨村灌溉工程是為了解決村內(nèi)地塊灌溉而興建的，黃安坨村灌溉工程地塊面積250畝，灌溉面積221畝，地塊內(nèi)種植杏扁及核桃，采用小管出流的灌溉方式，地塊內(nèi)高差129m。根據(jù)管道系統(tǒng)的水頭損失及灌水器的工作水頭要求，在1094m高程處新建水池1座。黃安坨村灌溉工程是利用村南山上的兩座塘壩的塘壩水作為水源，兩座塘壩的總庫容為2.5萬m3，年供水能力5.5萬m3，塘壩距地塊約500m，水源塘壩處已接出dn63的PVC-U管，但未鋪設(shè)到地塊附近，尚需鋪設(shè)部分dn63的PVC-U管將水源引到地塊處。塘壩取水口高程為1144m，新建水池高程為1094m，地形高差為50m，連接水源塘壩與地塊的管道總長(zhǎng)為558米，因此根據(jù)輸水管所提供流量進(jìn)行水量平衡計(jì)算。

　�。�1）水源來水流量計(jì)算，采用水力學(xué)中有壓管道淹沒出流長(zhǎng)管計(jì)算公式計(jì)算

式中：

　　Q—來水流量，m3/s；

　　H—水源處到地塊的高差，50m；

　　l—管道長(zhǎng)度，558m；

　　A—管道過水?dāng)嗝娣e，m2；

　　C—謝才系數(shù)，m1/2/s；；

　　R—管道水力半徑，m。

　　現(xiàn)有輸水管采有dn63PVC-U管，計(jì)算得水源穩(wěn)定流量為22m3/h。

　�。�2）灌溉用水量計(jì)算　　

　　式中：

　　Qg—灌溉用水流量，m3/h；

　　m—設(shè)計(jì)灌水定額，99.9m3/hm2；

　　A—灌溉面積，14.7hm2；

　　T—灌水延續(xù)時(shí)間，3d；

　　t—每日純灌溉時(shí)數(shù)，19.2h；

　　η—輸水系統(tǒng)水的利用系數(shù)，0.85。

　�。�3）水量平衡計(jì)算

　　每日來水量為。

　　每日用水量為。

　　由于1天的WL<wg，即用水量大于晝夜來水量，選擇多日調(diào)節(jié)，計(jì)算蓄水池容積。 <br="">　　a.計(jì)算1個(gè)輪灌周期的來水量　

　　b.計(jì)算1個(gè)輪灌周期的用水量為　　

　　以上二式中：

　　－1個(gè)輪灌周期期間的來水量，m3；

　�。�1個(gè)輪灌周期的用水量，m3；

　　－輪灌周期時(shí)間，3d；

　�。�水源穩(wěn)定流量，22m3/h；

　　m－設(shè)計(jì)灌水定額，99.9m3/hm2；

　　A－灌溉面積，14.7hm2；

　　η－灌溉水利用系數(shù)，0.85。

　　c.計(jì)算蓄水池容積　　

　　式中：β－考慮蓄水時(shí)因蒸發(fā)和滲漏的損失系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)和防滲處理情況可估為有效容積的10％～20%，取20％。

　　蓄水池的計(jì)算容積為299.5m3，設(shè)計(jì)容積為300m3。

　　2、黃安坨村灌溉工程重力流輸水條件

　　2.1 管徑計(jì)算與選擇

　　選擇管徑除應(yīng)滿足灌溉范圍灌水器對(duì)水量、水壓的要求外，還要考慮管材造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。理論與實(shí)踐證明，當(dāng)水量、水壓一定時(shí)，管徑越大，管內(nèi)水流速度越小，水頭損失則少，雖管材費(fèi)用較多，但運(yùn)行費(fèi)較低。反之，管徑選擇小，雖可節(jié)省管材費(fèi)用，但管內(nèi)水流速度增高，水頭損失增大，運(yùn)行費(fèi)用也隨之增多。因此，選擇管徑實(shí)質(zhì)上是確定管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速。而經(jīng)濟(jì)流速又取決于管材價(jià)格、能源價(jià)格和管道的使用壽命。故黃安坨村灌溉工程主干管道流速選為1.2～1.6 m/s，分干管道流速選為0.9～1.2m/s，并采用下式計(jì)算管徑：　　

　　式中：D—管徑，m；

　　Q—管段流量，m3/s；

　　—圓周率，取=3.14；

　　V—經(jīng)濟(jì)流速，主管取V=1.4m/s，支管取V=0.9m/s。

　　2.2 水頭損失計(jì)算

　　水頭損失分沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失按下式計(jì)算：　　

　　式中：Q—管內(nèi)流量，m3/h；

　　f—管材摩阻系數(shù)；

　　m—流量指數(shù)；

　　b—管徑指數(shù)；

　　D—管道內(nèi)徑，m；

　　L—管長(zhǎng)，m。

　　局部水頭損失按沿程水頭損失的5％計(jì)算。

　　經(jīng)計(jì)算，各輪灌組的自由水頭均滿足灌水器8m最小工作水頭的要求，且由于地塊高差較大，在主管道上設(shè)置減壓閥以削減富余水頭。

　　3、重力流輸水的分類及其特點(diǎn)

　　3.1 重力流輸水的分類

　　重力流輸水從水力學(xué)的角度上分為兩大類。一類是無壓流輸水，可為明渠或暗涵；另一類是承壓流輸水，一般為暗管(涵)。

　　無壓流輸水，在流態(tài)上與天然河流無異，水順地勢(shì)，或緩或急地向下游流去，沒有壓力，地形坡度有多大，水流的坡度也就有多大。這種無壓給水渠道的末端往往與水池、水庫或吸水井等構(gòu)筑物相連。

　　承壓重力流輸水不同于天然河水的流動(dòng)，也不同于用水泵加壓的壓力輸送，水在涵管里流動(dòng)時(shí)，由無壓水變成有壓力，其壓力隨著輸送水的距離增加而增大，承壓輸水管的末端既有動(dòng)水壓力，也有靜水壓。在水力坡降等于地形坡降時(shí)，動(dòng)水壓力為零，在停止輸水，輸水管內(nèi)又充滿水的時(shí)候，管末端的靜水壓最大，其值等于地形高差。

　　3.2 重力流輸水的特點(diǎn)

　　不管是無壓流還是承壓流，作為重力流輸水，它們都是借助地形高差來完成輸送水的任務(wù)。它與用水泵加壓輸水相比，有以下特點(diǎn)：

　�。�1）重力流輸水受地形的約束比較大，只有在具有一定的地形高差，地貌

　　情況也比較好的時(shí)候，才能考慮采用重力流輸水；

　�。�2）采用重力流輸水要同時(shí)考慮地形坡降和水力坡降，而用水泵加壓輸水的管道則可以不考慮地形坡降；

　�。�3）承壓重力流輸水管的末端存在靜水壓，如靜水壓過大，超過管子能承受的壓力，會(huì)引起爆管，直接影響管網(wǎng)的安全；

　�。�4）重力流輸水時(shí)，流量和水壓力的調(diào)節(jié)幅度比較小，這是因?yàn)樗�位高差是重力流輸送水的�?dòng)力來源，在取水口位置、輸水管徑、長(zhǎng)度等確定之后，相對(duì)的水位差也就基本固定下來，就是有變化，其變化幅度也比較小。因此，輸送水的流量、壓力的調(diào)節(jié)幅度也比較小。

　　4、采用重力流輸水應(yīng)特別注意的一些問題

　　4.1 確保取水口工作水位穩(wěn)定

　　黃安坨村灌溉工程取水口正常工作水位與調(diào)蓄水池水面正常水位的水位差為50m，這一水位差全部用來克服輸水管的水頭損失。如果取水口的水位不能保證則不僅影響來水流量．還直接影響灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　由于自然水位差是輸水管正常運(yùn)行的保證，因此在確定調(diào)蓄水池位置（高程）時(shí)，一定要經(jīng)過詳細(xì)的水力計(jì)算，確保來水量與灌溉需水量平衡且要滿足各個(gè)輪灌組的水頭要求。

　　4.2 輸水管宜采用變壓力承壓管，順坡敷設(shè)

　　對(duì)于承壓重力流輸水，水對(duì)輸水管的壓力是從零開始逐漸增加的，輸水管的開始一段，用水壓力比較小，就可以采用承壓小的輸水管，以節(jié)省工程造價(jià)。隨著水壓力的增大，可相應(yīng)采用承壓較大的輸水管。由于黃安坨村灌溉工程中在管道上設(shè)置了減壓閥，故沒有采用變壓力的管道。

　　4.3灌溉輪灌組的流量應(yīng)盡量均勻

　　由于重力流輸水的水量和水壓的調(diào)節(jié)幅度比較小，不允許輪灌組的流量和水壓值大起大落，因此在采用重力流進(jìn)行灌溉時(shí)，各個(gè)輪灌組的流量應(yīng)盡量均勻。

　　4.4 輸水管道宜設(shè)調(diào)壓限流裝置

　　為保證灌溉系統(tǒng)的用水需要，對(duì)于承壓重力流輸水系統(tǒng)，在管道的隆起點(diǎn)和平直段的必要位置上安裝進(jìn)(排)氣閥，在低凹處安裝泄水閥．使重力流輸水管道能正常均勻供水。當(dāng)管道中的水壓大于灌溉系統(tǒng)的水壓要求時(shí)，就需要設(shè)置減壓閥來削減富余水頭，以滿足灌溉系統(tǒng)的水頭要求。黃安坨村灌溉工程中在主干管上設(shè)置了4個(gè)減壓閥。對(duì)于無壓重力流輸水系統(tǒng)，限流裝置就是調(diào)節(jié)水池，它既起調(diào)節(jié)水量的作用，也調(diào)節(jié)水壓的作用。

　　結(jié)論及建議

　　重力流輸水具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)，從黃安坨村灌溉工程的實(shí)踐來看，它是一種值得推廣的理想的供水方式。因此只要有條件，應(yīng)盡量采用重力流輸水。