重力流输水在灌溉工程中的应用

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摘要：重力流输水是一种比较理想的供水方式，它具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点。重力流输水有它的特殊性，采用重力流输水要具备一定的特殊条件，而选用重力流输水的基本条件就是要有一定的地形高差，这个地形高差要满足灌溉系统的水头损失及灌水器的水头要求。通过重力流输水在门头沟区清水镇黄安坨村节水灌溉工程中的应用，结合黄安坨村灌溉工程利用村南两座塘坝水作为灌溉水源，在地块东南修建一座调蓄高位水池进行自压灌溉的实际情况，介绍黄安坨村灌溉工程在取水、输水管道及调节构筑物的选择上是如何满足重力流输水的选用条件的。

从水力学角度指出重力流分为无压流输水和承压流输水两大类，分析重力流输水受地形的约束大，需同时考虑地形坡降和水力坡降两个因素，流量及水压力的调节幅度较小等特点，并指出在设计中应注意确保取水口工作水位稳定、宜采用变压力管道顺坡敷设、用水流量应均匀以及输水管道上宜设调压限流装置等问题。

关键词： 安重力流输水 灌溉工程 应用

中图分类号：O434文献标识码： A

重力流输水是一种比较理想的供水方式，它具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点。门头沟区清水镇黄安坨村灌溉工程的源水输送就是利用地势高差采用重力流输水。重力流输水有它的特殊性，采用重力流输水要具备一定的特殊条件，而选用重力流输水的基本条件就是要有一定的地形高差，这个地形高差要满足灌溉系统的水头损失及灌水器的水头要求。为此，结合黄安坨村灌溉工程的实际情况，介绍黄安坨村灌溉工程在取水、输水管道及调节构筑物的选择上是如何满足重力流输水的选用条件的。

1、黄安坨村灌溉工程的供水方式

黄安坨村灌溉工程是为了解决村内地块灌溉而兴建的，黄安坨村灌溉工程地块面积250亩，灌溉面积221亩，地块内种植杏扁及核桃，采用小管出流的灌溉方式，地块内高差129m。根据管道系统的水头损失及灌水器的工作水头要求，在1094m高程处新建水池1座。黄安坨村灌溉工程是利用村南山上的两座塘坝的塘坝水作为水源，两座塘坝的总库容为2.5万m3，年供水能力5.5万m3，塘坝距地块约500m，水源塘坝处已接出dn63的PVC-U管，但未铺设到地块附近，尚需铺设部分dn63的PVC-U管将水源引到地块处。塘坝取水口高程为1144m，新建水池高程为1094m，地形高差为50m，连接水源塘坝与地块的管道总长为558米，因此根据输水管所提供流量进行水量平衡计算。

（1）水源来水流量计算，采用水力学中有压管道淹没出流长管计算公式计算

式中：

Q―来水流量，m3/s；

H―水源处到地块的高差，50m；

l―管道长度，558m；

A―管道过水断面积，m2；

C―谢才系数，m1/2/s；；

R―管道水力半径，m。

现有输水管采有dn63PVC-U管，计算得水源稳定流量为22m3/h。

（2）灌溉用水量计算

式中：

Qg―灌溉用水流量，m3/h；

m―设计灌水定额，99.9m3/hm2；

A―灌溉面积，14.7hm2；

T―灌水延续时间，3d；

t―每日纯灌溉时数，19.2h；

η―输水系统水的利用系数，0.85。

（3）水量平衡计算

每日来水量为。

每日用水量为。

由于1天的WL

a.计算1个轮灌周期的来水量

b.计算1个轮灌周期的用水量为

以上二式中：

－1个轮灌周期期间的来水量，m3；

－1个轮灌周期的用水量，m3；

－轮灌周期时间，3d；

－水源稳定流量，22m3/h；

m－设计灌水定额，99.9m3/hm2；

A－灌溉面积，14.7hm2；

η－灌溉水利用系数，0.85。

c.计算蓄水池容积

式中：β－考虑蓄水时因蒸发和渗漏的损失系数，根据地质和防渗处理情况可估为有效容积的10％～20%，取20％。

蓄水池的计算容积为299.5m3，设计容积为300m3。

2、黄安坨村灌溉工程重力流输水条件

2.1 管径计算与选择

选择管径除应满足灌溉范围灌水器对水量、水压的要求外，还要考虑管材造价和运行费用。理论与实践证明，当水量、水压一定时，管径越大，管内水流速度越小，水头损失则少，虽管材费用较多，但运行费较低。反之，管径选择小，虽可节省管材费用，但管内水流速度增高，水头损失增大，运行费用也随之增多。因此，选择管径实质上是确定管内经济流速。而经济流速又取决于管材价格、能源价格和管道的使用寿命。故黄安坨村灌溉工程主干管道流速选为1.2～1.6 m/s，分干管道流速选为0.9～1.2m/s，并采用下式计算管径：

式中：D―管径，m；

Q―管段流量，m3/s；

―圆周率，取=3.14；

V―经济流速，主管取V=1.4m/s，支管取V=0.9m/s。

2.2 水头损失计算

水头损失分沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失按下式计算：

式中：Q―管内流量，m3/h；

f―管材摩阻系数；

m―流量指数；

b―管径指数；

D―管道内径，m；

L―管长，m。

局部水头损失按沿程水头损失的5％计算。

经计算，各轮灌组的自由水头均满足灌水器8m最小工作水头的要求，且由于地块高差较大，在主管道上设置减压阀以削减富余水头。

3、重力流输水的分类及其特点

3.1 重力流输水的分类

重力流输水从水力学的角度上分为两大类。一类是无压流输水，可为明渠或暗涵；另一类是承压流输水，一般为暗管(涵)。

无压流输水，在流态上与天然河流无异，水顺地势，或缓或急地向下游流去，没有压力，地形坡度有多大，水流的坡度也就有多大。这种无压给水渠道的末端往往与水池、水库或吸水井等构筑物相连。

承压重力流输水不同于天然河水的流动，也不同于用水泵加压的压力输送，水在涵管里流动时，由无压水变成有压力，其压力随着输送水的距离增加而增大，承压输水管的末端既有动水压力，也有静水压。在水力坡降等于地形坡降时，动水压力为零，在停止输水，输水管内又充满水的时候，管末端的静水压最大，其值等于地形高差。

3.2 重力流输水的特点

不管是无压流还是承压流，作为重力流输水，它们都是借助地形高差来完成输送水的任务。它与用水泵加压输水相比，有以下特点：

（1）重力流输水受地形的约束比较大，只有在具有一定的地形高差，地貌

情况也比较好的时候，才能考虑采用重力流输水；

（2）采用重力流输水要同时考虑地形坡降和水力坡降，而用水泵加压输水的管道则可以不考虑地形坡降；

（3）承压重力流输水管的末端存在静水压，如静水压过大，超过管子能承受的压力，会引起爆管，直接影响管网的安全；

（4）重力流输水时，流量和水压力的调节幅度比较小，这是因为水位高差是重力流输送水的动力来源，在取水口位置、输水管径、长度等确定之后，相对的水位差也就基本固定下来，就是有变化，其变化幅度也比较小。因此，输送水的流量、压力的调节幅度也比较小。

4、采用重力流输水应特别注意的一些问题

4.1 确保取水口工作水位稳定

黄安坨村灌溉工程取水口正常工作水位与调蓄水池水面正常水位的水位差为50m，这一水位差全部用来克服输水管的水头损失。如果取水口的水位不能保证则不仅影响来水流量．还直接影响灌溉系统的正常运行。

由于自然水位差是输水管正常运行的保证，因此在确定调蓄水池位置（高程）时，一定要经过详细的水力计算，确保来水量与灌溉需水量平衡且要满足各个轮灌组的水头要求。

4.2 输水管宜采用变压力承压管，顺坡敷设

对于承压重力流输水，水对输水管的压力是从零开始逐渐增加的，输水管的开始一段，用水压力比较小，就可以采用承压小的输水管，以节省工程造价。随着水压力的增大，可相应采用承压较大的输水管。由于黄安坨村灌溉工程中在管道上设置了减压阀，故没有采用变压力的管道。

4.3灌溉轮灌组的流量应尽量均匀

由于重力流输水的水量和水压的调节幅度比较小，不允许轮灌组的流量和水压值大起大落，因此在采用重力流进行灌溉时，各个轮灌组的流量应尽量均匀。

4.4 输水管道宜设调压限流装置

为保证灌溉系统的用水需要，对于承压重力流输水系统，在管道的隆起点和平直段的必要位置上安装进(排)气阀，在低凹处安装泄水阀．使重力流输水管道能正常均匀供水。当管道中的水压大于灌溉系统的水压要求时，就需要设置减压阀来削减富余水头，以满足灌溉系统的水头要求。黄安坨村灌溉工程中在主干管上设置了4个减压阀。对于无压重力流输水系统，限流装置就是调节水池，它既起调节水量的作用，也调节水压的作用。

结论及建议

重力流输水具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点，从黄安坨村灌溉工程的实践来看，它是一种值得推广的理想的供水方式。因此只要有条件，应尽量采用重力流输水。

参考文献

[]《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009），P17；

[2]《节水灌溉工程实用手册》，中国水利水电出版设，P116；

[3]《水力学》上册，河海大学出版社，P265