低壓管道輸水灌溉及工程設計探究

□王明旭（駐馬店市水利勘測設計研究院）

低壓管道輸水灌溉及工程設計探究

□王明旭（駐馬店市水利勘測設計研究院）

20世紀50年代，我國開始出現(xiàn)管道輸水灌溉技術，其中，低壓管道輸水灌溉與渠道灌溉系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。低壓管道輸水灌溉具有節(jié)水節(jié)能、不受地形限制、省時省力、減少占地等優(yōu)點，非常適合當前農業(yè)生產形式，因此目前在節(jié)水灌溉面積中低壓管道輸水灌溉面積所占的比例是最大。文章介紹了低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成、優(yōu)勢、布置形式，主要對低壓管道輸水灌溉工程設計進行探究。

低壓管道；輸水灌溉；組成；優(yōu)勢；布置形式；工程設計

0　引言

隨著水資源緊張，農業(yè)用水供需矛盾的加劇,發(fā)展節(jié)水灌溉技術，提高灌溉水利用效率成為當前農業(yè)水利工程發(fā)展的一個趨勢。低壓管道輸水灌溉是利用管道將水直接送到田間進行灌溉的一項節(jié)水灌溉技術。管道輸水灌溉，減少傳統(tǒng)地面灌溉造成的灌溉水浪費現(xiàn)象,而且改善了田間灌水條件，縮短了輪灌周期，可以大大提高灌溉水利用系數(shù)，適合農業(yè)生產發(fā)展的需要。

1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)由水源、首部樞紐、輸配水管網系統(tǒng)、給水裝置（灌水器）、保護設施、田間灌水設施等5個部分組成。如圖1所示。水源包括井、渠、水庫等；首部樞紐是指提水、動力等設備；輸配水管網系統(tǒng)是指管道、管件；保護設施有安全閥、排氣閥；田間灌水設施是指輸水溝、移動軟管等。

圖1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成圖

2　低壓管道輸水灌溉的優(yōu)點及管道布置形式

2.1低壓管道輸水灌溉的優(yōu)點

低壓管道輸水灌溉具有以下優(yōu)點：第一，節(jié)水，輸水快。低壓管道輸水灌溉因為通過管道進行輸水，可以有效地減少輸水過程中的滲漏和蒸發(fā)損失，一般比土渠輸水節(jié)約水量30%左右，大大提高了灌溉水利用率。第二，省時、省力，流速大，輸水快，使用方便，便于管理控制。第三，減少土渠占地，以管代渠在井灌區(qū)一般可比土渠減少占地2%左右；輸配水管網系統(tǒng)埋在地下，便于交通和機械耕作。第四，節(jié)能，降低灌溉成本。管道輸水灌溉，一般可節(jié)省能耗20%～25%，還能改善田間灌水條件，縮短輪灌周期，促進增產增收。

2.2低壓管道輸水灌溉的管道布置形式

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中管道布置形式根據(jù)不同的標準有不同的分法，如果以地下固定管道與地面移動管道所占的比例和平均密度不同進行分類的話，可分為：固定式、半固定式、一級固定管道和移動式4種；見表1。

表1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的管道布置形式表

3　工程案例

某項目區(qū)地勢平坦，農業(yè)灌溉為主要依靠開采淺層地下水的平原井灌，是典型的純井灌區(qū)。區(qū)內機井多為20世紀90年代所建，部分機井已報廢，還在使用中的機井也因為年久失修存在不同程度的淤積和出水量明顯減小，不能滿足灌溉要求的情況。年久失修、管理不善，配套不足等多方面的原因，造成了灌溉水源嚴重制約農業(yè)生產發(fā)展的現(xiàn)狀。

由于項目區(qū)基本上是傳統(tǒng)大田糧食作物，所以項目區(qū)高效節(jié)水灌溉全部實行低壓管道灌溉，大大改善農業(yè)生產條件。

4　低壓管道輸水灌溉工程設計

4.1主要技術參數(shù)

依據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范SL/T153-95》，低壓管道輸水灌溉管網設計采用以下主要技術參數(shù)。管網水利用系數(shù)應不低于0.95。灌區(qū)土壤主要為砂姜黑土，地面坡降小，根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范SL/T153-95》，設計灌水方式為畦灌，畦長取50m、入畦單寬流量取5～6 L/s·m，設計畦寬2.10m，則入畦流量合37.80-45.40m3/h。

4.2設計灌水定額

設計凈灌水定額由下式計算：

式中：m—土壤容重（g/cm3）；r—土壤容重（g/m3）；H—計劃濕潤層深度（m）；β1—適宜土壤含水量上限；β2—適宜土壤含水量下限；β田—田間持水量（重量比%）。

根據(jù)項目區(qū)土壤情況和作物種植情況，土壤容重取1.40 g/cm3，主要根系活動層取0.60m，田間持水量為土壤干容重的25.00%，適宜土壤含水量上限取田間持水量的90%，下限取70%，計算得設計灌水定額為120.15m3/hm2。灌水水深為41.80mm。

4.3設計灌水周期作物灌水周期計算如下：

式中：T—設計灌水周期（天）；m—設計凈灌水定額（mm）。4.4設計流量及同時工作的出水口數(shù)

同時工作的出水口數(shù)由下式計算：

式中：N—同時工作的出水口數(shù)（個）；q—入畦單寬流量；B—畦寬（m）。

其它符號意義同前

按設計流量分別為32m3/h計算同時工作的出水口數(shù)，取1個。

3.5設計單井控制面積

單井控制面積按下式計算：

式中：A—單井控制面積（hm2）；Q0—機井額定出水量（m3/h）；T—設計灌水周期（天）；t—設計水泵每天工作時間（h）；η—設計灌溉水利用系數(shù)；m—設計凈灌溉定額（m3/hm2）；α—控制性作物種植比例（冬季α=0.90，夏季α=0.60）。

取設計流量分別為32m3/h、設計灌水周期9 d，由于當?shù)卮蚓杀据^高，水泵每天工作時間較長，取12 h，設計灌溉水利用系數(shù)η取0.90，設計毛灌水定額取420.15m3/hm2，計算的單井控制面積為5 hm2。

4.6管網水力計算

4.6.1水頭損失計算

管道水頭損失由二部分組成，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。在計算沿程水頭損失時，為了簡化計算采用加大系數(shù)法，把局部水頭損失估算在內。

簡化后的管道水頭損失計算式如下：

式中：hw—管道水頭損失(m)；β—考慮局部水頭損失的加大系數(shù)（取1.10）；f—管材摩阻系數(shù)；L、D—管道長度（m）、管道內徑（mm）；Q—設計流量（m3/h）；m、b—流量指數(shù)、管徑指數(shù)。

地面輸水軟管水頭損失。

C—沿程摩阻系數(shù)（軟管取120）。

其它符號意義同前。

4.6.2管道系統(tǒng)工作水頭

按照《低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范SL/T153-95》》要求，低壓管道輸水灌溉的管道系統(tǒng)設計工作，水頭應按最大和最小工作水頭的平均值取用。見表2。

表2　各種管材的fm b值表

4.6.3管道系統(tǒng)設計揚程

管道系統(tǒng)設計揚程由下式計算

式中：Hp—管網系統(tǒng)設計揚程（m）；(Z0-Zd)—管道系統(tǒng)進口地面參考點與機井動水位之間的高差（m）；∑hwo—井管水頭損失（m）。

4.6.4管網水力計算

機井管網干管、支管采用φ110UPVC排水管。井管計算長度的取值按18m計，井管為D80鋼管。由以上參數(shù)即可計算得管網系統(tǒng)設計揚程。

根據(jù)典型機井的水力計算，機井的設計揚程為26m，選擇200QJ32-36型、出水量32m3/h的潛水電泵，配套電機功率為5.50 kw，即可滿足整個低壓管灌區(qū)機井的設計要求。

5　結語

綜上所述可知：低壓管道輸水灌溉是目前農業(yè)節(jié)水灌溉的一項重要技術，主要應用于井灌區(qū)或輸水系統(tǒng)層次少（一級或二級）的小型灌溉工程中。低壓管道輸水灌溉需要根據(jù)其工程設計進行布設，既能緩解當?shù)厮Y源供需矛盾，使農作物得到及時灌溉，還能提高水資源有效利用，為節(jié)水農業(yè)的發(fā)展作出重要貢獻。

［1］湯慧，趙巖松，伊佳倩.低壓管灌系統(tǒng)在小型灌溉工程中的應用［J］.黑龍江水利科技，2014（1）.

［2］張雷.水利灌溉工程中低壓管灌的應用［J］.河南科技，2014（20）.

［3］王二英，李娟.低壓管道輸水灌溉工程田間管網設計優(yōu)化探討［J］.價值工程，2015（14）.

（責任編輯：劉青）

S277.9

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1673-8853（2016）08-0082-02

2016-06-09