低壓管道輸水灌溉技術在灌區(qū)節(jié)水改造中的設計與應用

楊書君 高本虎 趙 華

（1.中國水利水電科學研究院，北京100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術研究中心，北京100048；3.國家農業(yè)灌排設備質量監(jiān)督檢驗中心，北京100048）

低壓管道輸水灌溉技術在灌區(qū)節(jié)水改造中的設計與應用

楊書君1,2,3高本虎1,2,3趙 華1,2,3

（1.中國水利水電科學研究院，北京100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術研究中心，北京100048；3.國家農業(yè)灌排設備質量監(jiān)督檢驗中心，北京100048）

針對低壓管道輸水節(jié)水灌溉技術在山西禹門口灌區(qū)的示范應用，從系統(tǒng)設計、工程布局、設備選型等方面對渠灌區(qū)低壓管道輸水節(jié)水灌溉技術進行了全面系統(tǒng)的介紹。通過近年的示范應用，證明該灌溉技術具有節(jié)水、省地、省工和工程造價低、施工簡便、管理方便及工程壽命長、增產(chǎn)效益明顯等多種優(yōu)勢。

低壓管道輸水；渠灌區(qū)；節(jié)水改造

山西禹門口提水灌區(qū)管道輸水灌溉技術試驗示范區(qū)建設是水利部試驗示范區(qū)項目，主要開展管道輸配水和灌溉集成技術試驗示范，提出了較完善的灌區(qū)管道輸水灌溉綜合配套技術和運行管理模式，為我國渠灌區(qū)節(jié)水改造中或條件合適的灌區(qū)推廣應用低壓管道輸水灌溉技術提供技術支撐并進行宣傳示范。

1 項目區(qū)概括

山西禹門口提水工程灌區(qū)位于山西省運城市西北部，地轄河津、稷山、新絳三縣（市），東西長約55km，南北寬約12～18km，總耕地面積60.24萬畝。樞紐工程興建于 1987年，由一級泵站、沉砂池、一級輸水干管、二級泵站和110kV輸電線路組成；灌溉工程建于 1991年，已完成和在建二級干渠72.47km（其中在建14.47km）；支渠20條，總長106.46km；斗渠146條，總長130.4km，可控制灌溉面積30.01萬畝。

項目區(qū)位于稷山縣汾北二階臺地的稷峰鎮(zhèn)的陶梁、姚村、新村、加莊、吉家莊和化嶼鎮(zhèn)付家村、胡家莊等村，總人口12130人，總耕地面積19870畝。根據(jù)作物種類、工程投資大小、節(jié)水效果和增產(chǎn)效益以及結合當?shù)氐膶嶋H情況綜合考慮確定工程總規(guī)模為10500畝，作物為棗糧間作。

2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)工程建設內容

低壓管道灌溉系統(tǒng)是利用地形的自然高差形成的壓力水頭，通過管道輸水到田間的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。其突出的特點是充分利用自然壓差，形成壓力管道系統(tǒng)，不需要消耗電能就可配套低壓管道灌溉、滴灌等節(jié)水灌溉設施[1]。低壓管道灌溉系統(tǒng)工程包括：取水工程、管首工程、管道工程、田間灌溉工程以及管道建筑物(調壓井、排氣閥等)。

3 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)工程的設計與示范[2]

3.1 工程總體布置

禹門口灌區(qū)低壓管道輸水灌溉工程控制面積10500畝，全為棗糧間作。管網(wǎng)系統(tǒng)結構采用開敞式和半封閉式相結合的輸水灌溉形式，在輸水過程中，管道系統(tǒng)不完全封閉，在管網(wǎng)適宜的位置設置分水調壓井和浮球閥來控制閘（閥）門的啟閉[1～3]。

系統(tǒng)采用地埋干管和支管兩級固定管道，管網(wǎng)系統(tǒng)采用樹枝狀布置（見圖1），管網(wǎng)布置時緊密結合地塊形狀及地形條件，管線盡量平順，減少起伏和轉折點，總體力求管線長度最短，以減少投資。支管間距一般為 250～350m，出水口間距一般為100～150m。在每一支管末端（即最低處）根據(jù)實際地形情況設置排水排沙設施，對于附近有天然低洼地帶的可自流排出管中水流的設置排水閥井和排沙口，將水直接排入低洼地帶。地面灌溉使用閘管、改進溝畦灌、小管出流等方式進行灌溉。

3.2 取水工程

取水工程主要為在禹門口二干渠上建節(jié)制閘和分水閘各一座。節(jié)制閘和分水閘位于禹門口二級干渠約 42km處。節(jié)制閘采用開敞式，分水閘采用胸墻涵洞式，為C20現(xiàn)澆混凝土結構。

3.3 渠首工程

3.3.1 引渠

引渠為干渠節(jié)制閘與沉砂池間的輸水連接建筑，長10m，采用矩形斷面，渠寬1.0m，渠深1.0m，為現(xiàn)澆C20混凝土結構。

3.3.2 沉砂池

沉砂池采用開敞式矩形單箱結構，C20混凝土現(xiàn)澆，擋土墻式結構，總容積 150m3，沉砂池與引渠間采用 2.8m長的漸變段連接，在沉砂池進口右側設集水坑一座。為防止雜物進入管道，在管道進口設置攔污柵欄污。為便于清除池中淤砂，池底設計為倒坡結構，考慮到干管內水流流態(tài)，充分發(fā)揮沉砂池的作用，取得良好的沉砂效果，管道進口盡量引取表層水，經(jīng)計算，總干管布設于沉砂池下游側，進口中心線高程為 470.67m，略高于上游渠底水位470.88m。

3.4 管道部分

3.4.1 管水定額與管網(wǎng)設計流量的確定

（1） 灌水定額的確定。在管網(wǎng)設計中，采用作物生育期內各次灌水量中最大的一次作為設計灌水定額。對于種植不同作物的灌區(qū)，通常采用設計時段內主要作物的最大灌水定額作為設計灌水定額。

灌水定額按下式計算。

式中：m ——灌水定額( m3/ 畝)；

H ——計劃濕潤層深度（m），取H = 0.8m；

β1——適宜土壤含水量上限，取田間持水量的95% ；

β2——適宜土壤含水量下限，取田間持水量的65% ；

β田——田間持水量，取25% ；

γ ——土層內土壤干容重，取γ=15kN/m3。經(jīng)計算，灌水定額m=60 m3/畝。

（2） 管網(wǎng)設計流量的確定。灌溉系統(tǒng)設計流量按下式確定：式

中：A——作物灌溉面積，A=10500畝；

η——灌溉水利用系數(shù)，低壓管道取0.8；

t——日工作小時數(shù)，22h；

m——灌水定額，60m3/畝；

T——灌水周期，12d。

計算的Q設=2982m3/h，取2980 m3/h（0.8 m3/s）。

3.4.2 干管

干管選用當?shù)禺a(chǎn)造價低廉、安裝方便的承插式加筋混凝土預制管。經(jīng)計算，灌區(qū)設計流量為0.8m3/s，管道沿程水頭損失按下式計算：

式中：Q——流量，m3/h；

d——管徑，mm；

L——管道長度，m；

f——模阻系數(shù)，混凝土管f =1.749×106，塑料管取f =94800；

m ——流量指數(shù)，混凝土管 m =2 ，塑料管取m =1.77；

b ——管徑指數(shù)，混凝土管b =5.33 ，塑料管取b =4.77。

局部水頭損失按沿程水頭損失的 10%計算，總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。

干管流量0.8 m3/s，分干管流量0.4 m3/s，對于干管和分干管分別計算。計算單元為兩個調壓井之間的管道，以管道工作壓力小于 0.1MPa為限制條件，由（3）式計算沿程水頭損失，并求出總水頭損失。將兩個調壓井之間的地形差，并考慮到調壓井溢流墻的高度作為水頭總損失，布置調壓井位置，并確定管徑。

根據(jù)地形坡度情況，并計算，總干管管徑選擇D800，分干管管徑選擇 D600，每節(jié)長 3m?？偢晒荛L899.8m，分干管總長7780.3m。

3.4.3 支管

支管選用便于運輸、安裝方便且造價低廉的PVC普通塑料管，水頭損失按（3）式計算，經(jīng)計算，支管管徑采用D315和D250兩種，每節(jié)長6m，支管總長10024.3m。

3.5 田間灌溉工程

3.5.1 小管出流灌溉

為進一步研究多泥沙水用于微灌的可行性，在總干四支管控制的灌溉范圍內選取400畝棗樹作為小管出流試驗區(qū)。由總干四支管將水引至該區(qū)域后，小管出流灌溉系統(tǒng)分為干、支、毛三級管道，管徑分別為￠200、￠90、￠32。根據(jù)小管出流技術特點，設計中采用固定式管網(wǎng)系統(tǒng)，即：干、支、毛管埋于地下，毛管沿種植方向布置，每兩行樹中間布設一道毛管，毛管間距 4m。干支管采用 UPVC管，毛管采用PE管，微灌管采用￠6聚乙烯管。微灌管前部1m埋于地下，后部出地面后繞樹基一周，毛管上每隔0.3m設出流孔一個。 每棵樹灌水流量60L/h，每個輪灌組設 4個閘閥井。小管出流的設計工作壓力為0.05MPa。

3.5.2 田間閘管灌溉

田間閘管灌溉系統(tǒng)由移動軟管和管道上配置的多個供水閥門組成，該系統(tǒng)用于替代毛渠完成田間輸配水過程，通過調節(jié)閥門開度控制進入溝（畦）流量。在示范區(qū)內設計閘管灌溉500畝，位于東分干五六支管控制的區(qū)域。

3.5.3 溝畦灌

項目區(qū)內 9600畝耕地采用溝畦灌的方式進行灌溉。

3.6 管道建筑物

3.6.1 分水調壓井

分水調壓井用于開敞式管道輸水灌溉系統(tǒng)，其作用主要有分水、調壓、進排氣等功能。采用矩形結構，分為進水室和溢流室。進水室長0.7m，溢流室長1～3m。

3.6.2 出水口

出水口為干、支管上的灌溉供水裝置，為保證出水口流量，出水口內徑為 200mm，全鑄鐵結構，通過螺桿調節(jié)閥瓣的開啟度控制流量。

3.6.3 試驗設施

在總干四支上設浮子閥取水裝置1處，并設泥沙輸送觀測設施1處。

4 實施低壓管道輸水灌溉技術效果分析

低壓管道灌溉系統(tǒng)與明渠灌溉相比具有以下優(yōu)點。

（1）節(jié)水。低壓管道灌溉系統(tǒng)輸水可以減少滲漏和蒸發(fā)損失，提高水的有效利用率，一般比土渠節(jié)約水量30%左右，比防滲渠道提高5%。

（2）減少占地、省工。低壓管道灌溉系統(tǒng)中管道埋入地下，比明渠灌溉減少占用耕地2%，對土地資源的充分利用有著重要意義。管道灌溉不僅能減少大量的田間建筑物，而且還可以實現(xiàn)規(guī)范化、系統(tǒng)化； 輸水時間短，縮短了輪灌期，節(jié)省了工日。

（3）灌水及時促進增產(chǎn)增收。管道輸水灌溉，減少水量損失，同時改善了田間灌水條件，縮短了輪灌周期，能有效地滿足作物生長需水要求，可收到增產(chǎn)增收的效果。

(4)管理方便。低壓管道灌溉系統(tǒng)是有壓供水，可適用于各種地形，如：跨越溝坎，跨路，拐彎和陡坡等。管道灌溉設備比較簡單，技術容易掌握，管理方便，用水量便于控制和計量，并為農業(yè)機械化、自動化的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

(5) 使用壽命長。管道埋入地下，塑料管不易老化、不宜破壞，一般使用壽命在 50年左右。實踐證明，低壓管道灌溉系統(tǒng)節(jié)水效果明顯，減少了水資源的浪費，緩解了當?shù)氐乃Y源供需矛盾，提高了當?shù)氐墓喔人胶娃r業(yè)抵抗干旱災害的能力，促進了農業(yè)產(chǎn)業(yè)制度改革和農業(yè)種植結構調整。

5 結 語

該項目是目前國內規(guī)模最大、采用開敞式和半封閉式結構型式的渠灌區(qū)管道輸水灌溉系統(tǒng)，該示范工程自 2010年建成投入使用以來，運行良好，驗證了半封閉式結構型式的可行性，起到了一定的示范作用。

該試驗示范項目的實施，可以改善當?shù)氐纳a(chǎn)條件、降低勞動強度、提高灌溉水的利用效率，有利于農業(yè)結構調整，促進農業(yè)增產(chǎn)、農民增收和灌溉農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并在節(jié)約使用地下水資源、涵養(yǎng)水環(huán)境、改善當?shù)刈匀画h(huán)境等方面做出貢獻。

[1] 吳普特,牛文全,郝宏.現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉設施[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002:138-139

[2] 山西禹門口灌區(qū)管道輸水灌溉技術試驗示范項目技施設計及預算[R].北京:北京中水科工程總公司,2010.3

[3] 水利部農水司,中國灌溉排水發(fā)展中心.低壓管道輸水灌溉工程技術[M].北京:黃河水利出版社,2011.9

[4] 高本虎.渠灌區(qū)開敞式管道輸水灌溉系統(tǒng)探討[J].節(jié)水灌溉,1998,4:12～14

[5] 趙華，高本虎，陸文紅.渠灌區(qū)管道輸水灌溉技術試驗研究[J].節(jié)水灌溉,1999,2:23～25

全國中小河流治理項目業(yè)務宣貫培訓班在南寧市舉辦

2013年11月11～13日，水利水電規(guī)劃設計總院在南寧市舉辦全國中小河流治理項目業(yè)務宣貫培訓班，培訓班邀請了水利部規(guī)計司、安監(jiān)司及我院專家授課，來自各流域機構、各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）負責中小河流治理項目管理和技術審查人員，地市承擔中小河流治理項目初步設計的技術骨干以及中小河流治理重點縣（市）項目法人100余人參加了培訓。

本次培訓主要根據(jù)《水利部辦公廳關于印發(fā)水利部中小河流治理工作領導小組 2013年工作計劃的通知》(辦規(guī)計[2013]102號)有關要求，為加強中小河流治理項目和資金管理，提高項目初步設計質量而開展的，授課專家對全國中小河流治理設計審查要點及中小河流治理稽查案例進行了分析，對學員在實際工作中遇到的問題進行了解答。培訓結束前，針對學習內容對學員進行了測評。

（崔忠波 供稿）

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.020

S275

B

1008-1305（2014）01-0061-04

楊書君（1979年-），女，河北唐山人，工程師。

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目：灌區(qū)管道輸配水及灌溉技術集成研究，項目編號：201001038 。