低壓管道輸水灌溉技術(shù)在松原灌區(qū)中的應(yīng)用

孫立娟 王連廣 侯 薇

（吉林市水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林 長春 130021）

1 松原灌區(qū)工程概況

松原灌區(qū)工程是哈達(dá)山水利樞紐工程的主要配套工程，灌區(qū)灌溉水源是自第二松花上的江哈達(dá)山水庫取水，通過哈達(dá)山輸水總干渠輸水直接灌溉，或輸水入灌區(qū)水源調(diào)蓄泡塘，再經(jīng)泵站提水，各干渠輸水灌溉。

松原灌區(qū)范圍總土地面積511.66萬畝，設(shè)計灌溉面積為285萬畝，其中：水田131.02萬畝，旱田123.93萬畝，天然草場灌溉30.05萬畝。規(guī)劃引用第二松花江水灌溉，多年平均供水量為10.40億m3。

潛字灌片位于乾安縣乾安鎮(zhèn)和讓字鎮(zhèn)境內(nèi)。灌片范圍內(nèi)土地面積18.29萬畝，現(xiàn)有耕地面積12.47萬畝（其中水田0.01萬畝、旱田12.46畝）、鹽堿荒地面積1.48萬畝。

潛字灌片土壤類型主要為中低產(chǎn)田，產(chǎn)出效益低，主要種植作物是玉米，其多年平均畝產(chǎn)不足300kg，灌區(qū)內(nèi)旱作耕地多年平均減產(chǎn)幅度在50%以上。造成大面積低產(chǎn)的主要原因是干旱缺水和土壤的鹽漬化。根據(jù)乾安縣多年旱災(zāi)減產(chǎn)情況分析，自1980年以來主要作物旱災(zāi)多年平均減產(chǎn)幅度接近50%，五年一遇的旱災(zāi)減產(chǎn)幅度為96%，十年一遇的旱災(zāi)減產(chǎn)幅度為85%。在該區(qū)域?qū)嵭泻堤锏蛪汗艿垒斔喔龋鉀Q該地區(qū)干旱少雨而造成旱田產(chǎn)量長期上不去的問題，尤其是緩解因春旱造成缺苗斷條的問題，使糧食產(chǎn)量得到提高同時防止土壤的鹽漬化。

2 低壓管道輸水灌溉技術(shù)的特點

低壓管道輸水灌溉技術(shù)是節(jié)水灌溉技術(shù)之一，是利用低壓輸水管道代替土渠將灌溉水直接輸送至田間，水在封閉的管道中輸送減少了滲漏和蒸發(fā)。低壓管道輸水灌溉技術(shù)與目前采用的傳統(tǒng)的大水漫灌相比，節(jié)水節(jié)能、少占耕地、投資成本低、管理方便、省時省工。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)與噴灌系統(tǒng)比較，低壓管灌系統(tǒng)無需另添置加高壓的機泵設(shè)備，也無需承壓能力高的管材、管件，故投資可大為降低低壓管道輸水灌溉技術(shù)在渠灌區(qū)中的推廣應(yīng)用有很大的潛力。

3 低壓管道系統(tǒng)規(guī)劃布置

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)渠道水為水源，首部樞紐與水源一起布置在地塊邊緣，管道系統(tǒng)由干管、支管兩級組成，干管采用固定式布置形式，埋在地面以下，支管采用移動式布置，在灌溉時接在干管上，非灌溉期回收保管。

根據(jù)潛字灌片灌溉范圍分布及其灌溉區(qū)域地形、土壤、村屯、道路等自然社會情況，綜合分析比較后，選擇潛字一支渠控制范圍內(nèi)的一個灌溉片作為低壓管道灌溉項目區(qū)，項目區(qū)地塊呈長條形，東西方向長1225m，南北方向長570m，灌溉面積為1046畝。采用一支渠渠道水作為項目區(qū)水源，首部樞紐設(shè)置在地塊邊緣。該地塊地形較平坦，面積適中，能充分揭示田間工程配套中可能遇到的問題并加以解決，以使灌排工程設(shè)計更能反映實際情況，對灌區(qū)規(guī)劃低壓管道灌溉的田間布置具有一定的代表性。

3.1 管網(wǎng)布設(shè)原則

（1）首部樞紐、灌溉管道、道路、排水系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，形成完整體系；

（2）由首部取水通過水泵加壓給灌溉管道系統(tǒng)供水，干管垂直于作物種植行布置，支管平行于作物種植行布置；

（3）干管及支管采用雙向供水布置，節(jié)省管材，沿路邊及地塊等高線布置。

3.2 管網(wǎng)布置形式

固定管網(wǎng)的布置形式根據(jù)水源位置、控制范圍、田塊形狀等條件，選擇樹枝狀管網(wǎng)形式。在以地表水為灌溉水源的灌區(qū)中，水源為渠道水，水源及首部樞紐在地塊邊緣，主要采用豐字形布置，如圖1。

3.3 輸水管網(wǎng)布置

項目區(qū)地塊呈長條形，東西方向長1225m，南北方向長570m。干管首端布置首部取水樞紐，與輸水干管接連接，灌溉水通過水泵抽水進(jìn)入輸水干管，再通過支管輸送至田間。

干管采用雙向供水，長度1180m。干管下級管道為支管，支管垂直于干管布置，支管采用雙向供水，支管間距采用86m，共布置支管30條，每條支管長度270m。出水口采取單側(cè)分水，出水口縱向間距為45m，橫向間距為86m布置。

3.4 項目區(qū)管材的選擇

管材是低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，項目區(qū)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)管材選用塑料管材。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)目前主要使用的塑料管材有聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管等。

聚丙烯管材價格較高，因此本次設(shè)計不采用。與聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材不含有毒的氯，且管材更柔軟更輕便，可作為地埋管道亦可作為地面移動管道；在相同壓力下使用聚乙烯管材壁厚更薄，輸水面積更大，而在相同壁厚下聚乙烯管材可承受的壓力更大，輸送能力更高。與聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材抗沖擊性能更高，柔韌性更高。聚乙烯管材使用壽命長，最長可以埋在地下50年，還具有材料環(huán)保、耐腐蝕等優(yōu)點。因此本次設(shè)計干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯軟管。

圖1 豐字形管網(wǎng)布置圖

3.5 項目區(qū)排水與田間路布置

干管末端設(shè)置一泄水閥，對應(yīng)泄水閥布置一條排水支溝，在非灌溉期，將干管內(nèi)的水排入支溝，防止干管在冬季存水凍脹破壞。

對應(yīng)干管布置兩條排水斗溝，干管與排水斗溝為相間布置。排水斗溝與排水支溝垂直布置，斗溝的水排入支溝中。

對應(yīng)每條排水溝布置一條田間道路，每7條支管約間隔600m布置一條田間生產(chǎn)路，田間路路寬均為3m。路面采用20cm厚的沙石路面。

4 低壓管道系統(tǒng)水力計算

4.1 管灌系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB／T 20203-2006）及自然條件和經(jīng)濟條件確定本次設(shè)計灌溉設(shè)計保證率為75%。

管系水利用系數(shù)0.95，田間水利用系數(shù)0.90，灌溉水利用系數(shù)0.86。

灌溉系統(tǒng)的設(shè)計流量可按下式計算：

式中：Q0——管灌系統(tǒng)的灌溉設(shè)計流量，m3/h；A——項目區(qū)的面積，hm2；m——灌水高峰期作物的灌水定額，m3/hm2；T——項目區(qū)設(shè)計灌水周期，d；η——項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)：0.86；t——項目區(qū)每天灌水時間，取 18h。

經(jīng)計算灌溉系統(tǒng)的設(shè)計流量Q0=318m3/h。

在灌水期間，干管以下采用分組輪灌方式灌溉。通過計算來劃分輪灌組。

劃分輪灌組可按下式計算：

式中：N——輪灌組數(shù)；qi——單個出水口流量，m3/h；int——取整符號；n——控制范圍內(nèi)同時開啟的出水口總數(shù)。

灌溉管道系統(tǒng)共布置支管30條，每條支管上布置6個給水栓，共布置給水栓180個,計算的輪灌組數(shù)為30組。設(shè)定每組輪灌組灌溉時，一條支管只開啟一個出水口，每條支管上的分水口按照離干管的距離從近至遠(yuǎn)編號1～6。干管口根據(jù)項目區(qū)地塊綜合布置及每條支管的出水口數(shù)量，可知灌溉時每組輪灌組中有6條支管灌水。

4.2 管道設(shè)計流量

樹狀管網(wǎng)中，管網(wǎng)的上級管道流量等于下一級管道流量之和，當(dāng)各出水口流量相同時，支管設(shè)計流量可按下式計算：

式中：Q支——支管設(shè)計流量，m3/h；Q0——灌溉系統(tǒng)設(shè)計流量，m3/h；N——全系統(tǒng)同時開啟的出水口個數(shù)；n——支管控制范圍內(nèi)同時開啟的出水口總數(shù)

由輪灌組數(shù)及灌溉設(shè)計流量計算可得每個出水口實際出水流量，從而根據(jù)公式計算得出每條管道的流量，計算的干管流量為318 m3/h，支管流量 53 m3/h。

4.3 管徑的確定及管道的水力計算

4.3.1 管徑的確定

管道的管徑運用經(jīng)濟流速法進(jìn)行確定，可按下式計算：

式中：D——管道內(nèi)徑；Q——計算管段的設(shè)計流量，m3/h；V——管道內(nèi)水的流速，m/s。

選定管道內(nèi)水的流速，需要滿足以下兩個流速要求。

1）允許流速：為防止管道發(fā)生水擊產(chǎn)生破壞，應(yīng)不大于設(shè)計流速2.5m/s～3.0m/s，不小于防淤流速0.6m/s。

2）經(jīng)濟流速：從管徑計算公式可以看出，在管道內(nèi)流量確定以后，管徑的平方與流速成反比，因此保證管網(wǎng)造價和管理費用的最優(yōu)經(jīng)濟選擇的最小流速為經(jīng)濟流速。

根據(jù)以上條件及管道的管材，管道內(nèi)水的流速選取1.25m/s。

經(jīng)計算干管管徑選擇Φ315mm，支管選取Φ125mm。

4.3.2 管道的水力計算

1）干、支管沿程損失

管道沿程損失可按下式計算：

式中：hf——沿程水頭損失，m；L——管道長度，m；d——管道內(nèi)徑，mm；Q——計算管道的設(shè)計流量，m3/h；m——流量指數(shù)，取1.77；b——管徑指數(shù)，取4.77；f——沿程水頭損失摩阻系數(shù)，取0.948×105；

支管采用移動軟管，對于地面移動軟管，管道管壁薄、材質(zhì)軟且具有一定的彈性，沿程阻力系數(shù)和沿程水頭損失不僅取決于流量及管徑，與工作壓力及管道鋪設(shè)地面平整程度有關(guān)。因此支管的水頭損失采用公式計算后在乘以1.2倍。

2）干、支管局部損失

局部水頭損失選取沿程損失的10%，

式中：hj——局部水頭損失，m。

3）總水頭損失

式中：h——總水頭損失，。

經(jīng)計算，h干=13.03m。

干管選取公稱壓力為0.4MPa，公稱外徑為Φ315mm的硬聚乙烯管，支管選取公稱壓力為0.25MPa，公稱外徑為Φ125mm的聚乙烯軟管。

4.3.3 水泵選型

水泵揚程按下式計算：

式中：Hp——灌溉系統(tǒng)設(shè)計揚程，m；Z0——管道系統(tǒng)進(jìn)口高程，m；Zd——支渠進(jìn)口水位高程，m；h——管道總水頭損失，m。

經(jīng)過計算得出揚程18.04m。

根據(jù)流量及揚程所選水泵型號為SD150-290A。

4.3.4 埋設(shè)深度

埋設(shè)深度主要考慮兩個因素：

1）農(nóng)業(yè)機械在地埋管道的地面上經(jīng)過不能破壞地埋輸水管道，一般要求埋深在0.4m～0.7m；

2）在北方地埋管的埋深要考慮地區(qū)最大凍層深度，避免地埋管道凍脹破壞。

根據(jù)以上因素確定項目區(qū)內(nèi)地埋管道埋置深度為1.2m，開挖斷面采取梯形斷面，斷面底寬采用0.5m，開挖邊坡選取1∶0.3。

地埋管道的坡度采用1/1000～1/2000，防止管道內(nèi)淤積及方便灌溉期結(jié)束時將管內(nèi)的水排入排水溝中。

5 結(jié)語

根據(jù)在以地表水為灌溉水源的吉林省松原灌區(qū)選取項目區(qū)進(jìn)行低壓管道輸水灌溉設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）項目區(qū)中間布置一條干管，干管采用雙向供水，支管垂直于干管布置，支管采用雙向供水，出水口采取單側(cè)分水。

（2）本次設(shè)計干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯軟管。對比土渠輸水速度以及混凝土襯砌渠道流速，管道輸水灌溉系統(tǒng)供水及時，縮短的灌水時間及輪灌周期，提高了灌區(qū)的灌水工作效率。

（3）項目區(qū)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)采用兩級管道代替斗渠與農(nóng)渠輸水，減少了渠道占地約12.2畝，有很好的節(jié)省耕地效果。

（4）項目區(qū)內(nèi)埋地干管在灌溉結(jié)束后將水排入到排水溝內(nèi)，支管采用移動式布置在非灌溉期統(tǒng)一回收保管，避免冬季低溫凍脹。相比于防滲渠道凍脹問題難以避免的情況，低壓管道輸水灌溉技術(shù)適宜大面積推廣。陜西水利

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