關(guān)于深季節(jié)凍土區(qū)淺埋低壓管道輸水灌溉技術(shù)的調(diào)查

楊培

摘要：淺埋低壓管道輸水灌溉水田技術(shù)是一種以管道輸水代替明渠輸水的灌溉形式，本文介紹了黑龍江省肇源縣頭臺鎮(zhèn)、林甸縣東興鄉(xiāng)、巴彥縣富江鄉(xiāng)淺埋低壓管道輸水灌溉水田項(xiàng)目情況，分析了淺埋低壓管道輸水灌溉的優(yōu)勢、注意問題及推廣前景。

關(guān)鍵詞：深季節(jié)凍土區(qū)；灌溉技術(shù)；調(diào)查

淺埋低壓管道輸水灌溉水田技術(shù)是一種以管道輸水代替明渠輸水的灌溉形式，通過壓力管道系統(tǒng)，將水輸送到灌溉農(nóng)田。灌水時(shí)管道工作壓力一般不超過0.4MPa，灌溉系統(tǒng)需要配套適宜的水泵和動(dòng)力、壓力表、攔污柵及沉淀池、泵房等建筑物。從2013年開始，黑龍江省農(nóng)業(yè)開發(fā)辦分別在肇源縣頭臺鎮(zhèn)、林甸縣東興鄉(xiāng)、巴彥縣富江鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)了灌溉面積1392畝、7855畝、3210畝和2480畝的淺埋低壓管道輸水灌溉水田項(xiàng)目區(qū)。從幾年的運(yùn)行情況看，深季節(jié)凍土區(qū)具備推廣淺埋低壓管道輸水灌溉水田的條件。

一、淺埋低壓管道輸水灌溉水田項(xiàng)目區(qū)基本情況

（一）肇源縣頭臺鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)。肇源縣頭臺鎮(zhèn)革新村項(xiàng)目區(qū)緊靠大慶中南引泄水干渠，項(xiàng)目區(qū)無霜期146天，多年平均氣溫4℃，最高氣溫39.1℃，最低氣溫-37.2℃。項(xiàng)目區(qū)面積1392畝，地勢西高東低，南北高中間低，地勢高差達(dá)到5米。由于受地形條件限制，采用明渠輸水渠道土方量大，配套建筑物多，適合水稻種植的地塊一直沒有種植水稻。

2013年春季，農(nóng)業(yè)開發(fā)辦對該地塊進(jìn)行了淺埋低壓管道輸水灌溉水田工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。低壓管道供水系統(tǒng)由渠首、供水干管、供水支管、出水樁、排水系統(tǒng)構(gòu)成，渠首是在中南引泄水干渠中設(shè)置浮船，水泵及電機(jī)安裝在浮船上，用水泵將水注入干管，管道由設(shè)計(jì)流量600立方米/小時(shí)的水泵供水。輸水管道選用PE管道。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃的145塊80米×80米方田，沿著地塊邊緣布置干管1條，總長1646米，支管8條，總長6142米，支管與干管垂直連接沿田埂布置，支管上設(shè)出水樁，出水樁由兩個(gè)閥門控制出水。輸水管道最淺埋深0.7米，管道沿水流方向以一定比降鋪設(shè)安裝，在支管道末端設(shè)置排水閥門。2013年4月中旬開始工程建設(shè)，5月中旬工程竣工并投入運(yùn)行。

（二）林甸縣東興鄉(xiāng)項(xiàng)目區(qū)。林甸縣東興鄉(xiāng)福興村項(xiàng)目區(qū)位于北引總干西部，處于引嫩灌區(qū)上游。項(xiàng)目區(qū)無霜期125天，多年平均氣溫2.3℃，最高氣溫38.8℃，最低氣溫-38.1℃。項(xiàng)目區(qū)地勢東北高、西南低。項(xiàng)目區(qū)原為水田，灌溉方式是農(nóng)民用小四輪分散從渠道中提水灌溉，一戶農(nóng)民安裝好設(shè)備擋住道路，另一戶農(nóng)民就灌不了地，用水無計(jì)劃，灌溉不方便，灌溉費(fèi)用高，農(nóng)民增產(chǎn)不增收。

2014年秋季，農(nóng)業(yè)開發(fā)辦將東興鄉(xiāng)福興村0.83萬畝水田規(guī)劃為淺埋低壓管道輸水灌溉水田項(xiàng)目區(qū)。在北引總干右側(cè)新建泵站1座，泵站設(shè)計(jì)流量0.75立方米/秒，泵站共設(shè)4臺離心泵，其中1、2號泵為供水系統(tǒng)Ⅰ，4號泵為供水系統(tǒng)Ⅱ，3號泵為備用泵。單泵設(shè)計(jì)流量900立方米/小時(shí)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程31米，水泵三用一備。系統(tǒng)Ⅰ設(shè)計(jì)流量0.5立方米/秒，系統(tǒng)Ⅱ設(shè)計(jì)流量0.25立方米/秒。管材選用PE管道。主干管直徑630毫米、450毫米，干管直徑450—200毫米，支管直徑200—110毫米，斗管直徑110毫米。項(xiàng)目區(qū)布設(shè)主干管兩條，總長2364米；干管9條，總長6075米；支、斗管179條，總長43780米。斗管上設(shè)出水裝置，每個(gè)出水管設(shè)置兩個(gè)出水球閥，給水栓處設(shè)混凝土防護(hù)井及保護(hù)體，配置出口消能及調(diào)壓裝置。2014年10月開始工程施工，冬季停工3個(gè)月，2015年5月15日工程竣工并投入運(yùn)行。

（三）巴彥縣富江鄉(xiāng)項(xiàng)目區(qū)。巴彥縣富江鄉(xiāng)位于巴彥港提水灌區(qū)范圍內(nèi)，以松花江水為灌溉水源，需二級提水灌溉。項(xiàng)目區(qū)無霜期133天，多年平均氣溫3.4℃，最高氣溫38℃，最低氣溫-37℃。項(xiàng)目區(qū)地勢較高，需設(shè)置提水泵站兩座，分別從巴彥港灌區(qū)總干渠經(jīng)二級提水灌溉水田。

2015年8月，農(nóng)業(yè)開發(fā)辦對該項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行淺埋低壓管道輸水灌溉水田規(guī)劃設(shè)計(jì)，分兩個(gè)灌溉系統(tǒng)。項(xiàng)目區(qū)一號泵站灌溉面積3210畝，泵站設(shè)計(jì)流量0.27立方米/秒；二號泵站灌溉面積2480畝，泵站設(shè)計(jì)流量0.2立方米/秒。一號泵站選3臺水泵，單泵設(shè)計(jì)流量為485立方米/小時(shí)；二號泵站選2臺水泵，單泵設(shè)計(jì)流量為720立方米/小時(shí)。一號泵站采用2用1備，二號泵站采用1用1備，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程均為16米。管材選用PE給水管，干管直徑450毫米、315毫米，支管直徑200—160毫米。一號泵站設(shè)干管2條，總長3282米；支管23條，總長13951米。二號泵站設(shè)干管1條，總長1510米；支管20條，總長12467米。斗管上設(shè)出水裝置，每個(gè)出水管設(shè)置兩個(gè)出水球閥，給水栓處設(shè)混凝土防護(hù)井及保護(hù)體。2015年10月開始管道工程施工，冬季停工3個(gè)月，2016年5月灌溉系統(tǒng)竣工并正式運(yùn)行（具體情況見表1、表2）。

二、淺埋低壓管道輸水灌溉水田的優(yōu)勢

淺埋低壓管道輸水對地形適應(yīng)性強(qiáng)，具有節(jié)地、節(jié)水、建設(shè)成本低、運(yùn)行費(fèi)用少、建設(shè)工期短、便于耕作和自動(dòng)控制及運(yùn)行管理費(fèi)用低等優(yōu)勢。

（一）對地形適應(yīng)性對比。管道輸水對地形適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)水由低處向高處輸送，減少水田種植平整土地的工程量，適應(yīng)各種地形，有利于在微地形變化大和渠道滲漏量大的地區(qū)大面積推廣。

（二）占地對比。明渠輸水占用耕地面積大，從四個(gè)項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況看，低壓管道輸水以管代渠，避免因修渠占地產(chǎn)生的糾紛，比明渠灌溉可節(jié)約耕地4.67%。

（三）節(jié)水對比。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)可以減少滲漏和蒸發(fā)，避免明渠輸水造成的跑水、漏水問題，提高水的利用率。從四個(gè)項(xiàng)目區(qū)的運(yùn)行情況看，低壓管道輸水比明渠混凝土襯砌節(jié)水26%以上，畝節(jié)水150立方米以上（具體見表3）。

（四）工程成本對比。鋪設(shè)低壓管道每畝投資1400元左右，與明渠混凝土襯砌造價(jià)相差不大。管道埋地下，使用年限可達(dá)30年以上，比明渠使用年限長15年以上，畝年均投資比渠道混凝土襯砌少40元以上。從工程成本上分析，低壓管道輸水灌溉更具有優(yōu)勢。

（五）運(yùn)行費(fèi)用對比。低壓管道輸水灌溉與泵站提水到明渠灌溉，增加了出水壓力管道沿程水頭損失和管道局部水頭損失。按照現(xiàn)行農(nóng)用電每度0.5元計(jì)算，畝增加用水費(fèi)用15元左右，但考慮工程占地減少增加的效益，畝增加收入在50元以上（具體見表4）。

（六）工程施工對比。管道鋪設(shè)施工技術(shù)簡單，要求工期短，基本能實(shí)現(xiàn)當(dāng)年立項(xiàng)，當(dāng)年建成，當(dāng)年投入使用。而明渠輸水灌溉工程建設(shè)工期一般需2—3年。

（七）輸水及耕作對比。低壓管道輸水灌溉比明渠輸水快、供水及時(shí)，縮短輪灌周期，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，自動(dòng)控制。明渠輸水改為地埋管道輸水，有利于大機(jī)械耕作和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

（八）工程管理對比。管道輸水代替明渠之后，避免跑水漏水，節(jié)省管理維護(hù)用工，節(jié)約灌水勞動(dòng)力。地埋低壓管道冬季需防止凍脹侵害，入冬前需將管道內(nèi)余水排空，出水口需要拆卸，春季重新安裝。

三、淺埋低壓管道輸水灌溉水田應(yīng)注意的問題

田間灌溉系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是實(shí)現(xiàn)地下管道化。由于受到管材力學(xué)指標(biāo)和造價(jià)的制約，我國管道輸水灌溉系統(tǒng)發(fā)展緩慢。隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，管道輸水技術(shù)開始推廣應(yīng)用。對于北方中高緯度地區(qū)，極端氣溫零下30多度，最大凍土深度達(dá)到2米以上，田間土壤含水量高，淺埋管道輸水技術(shù)受到限制。從肇源縣頭臺鎮(zhèn)、林甸縣東興鄉(xiāng)和巴彥縣富江鄉(xiāng)淺埋低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行和管理的情況看，把握好設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)，淺埋低壓管道輸水灌溉從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、管理上在中高緯度地區(qū)推廣成為可能。

（一）管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的水利計(jì)算應(yīng)滿足《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203—2006）規(guī)定要求，以控制流速1.5米/秒計(jì)算管道管徑，局部水頭損失按沿程損失的10%計(jì)算。為減少沿程損失和選擇經(jīng)濟(jì)管徑，輪灌組均衡分布每條支管上，從末端向首端輪灌。水稻生育期用水量不同，為節(jié)省運(yùn)行成本，建議采用變頻電機(jī)。出水樁宜設(shè)在田埂上，避免機(jī)械作業(yè)時(shí)損壞。在深季節(jié)凍土地區(qū)，地埋管道末端應(yīng)設(shè)置排水閥門和排水井。排水系統(tǒng)結(jié)合管道布局和實(shí)際地形按規(guī)范進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

（二）材料選擇。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行和綜合實(shí)驗(yàn)比較，管材應(yīng)選擇具有一定柔韌性的材料，以適應(yīng)冬季由于凍脹引起的變形。管材除滿足國家給水管材標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13663—2000）要求外，還應(yīng)滿足以下要求：

管材的環(huán)剛度：在深季節(jié)凍土區(qū)，埋地管材除承受管道上方土體重量及農(nóng)機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的壓力外，還要承受土體凍脹變形對管壁產(chǎn)生的壓力。土壤自然含水率情況下，管道埋深70—80厘米，不加套管滿足通過載重20噸汽車，管材環(huán)剛度應(yīng)大于4.5KN/cm2。

管材的線性膨脹系數(shù)：溫度變化會(huì)引起管道的伸長或縮短，應(yīng)考慮管材線性膨脹系數(shù)要求。滿足凍土淺埋的管材線性膨脹系數(shù)應(yīng)小于0.086×10-3/℃，允許的直徑變形率小于5%。

管材的斷裂伸長率：滿足凍土淺埋的管材要有更好的柔韌性，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管材的斷裂伸長率為大于350%，凍土淺埋的管材的斷裂伸長率為大于620%.

管材凍融變形：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管材的凍融變形小于5%，凍土淺埋的管材的凍融變形應(yīng)小于1%。

（三）管道施工。土方施工：管道埋深應(yīng)滿足管頂覆土70—80厘米，管道坡降一般掌握在0.3—0.5‰。嚴(yán)格控制管道縱坡，以保證排水通暢。為保證管底密實(shí)，防止局部沉降，應(yīng)在管底墊沙20厘米以上，應(yīng)使用松散并比較純凈的土，尤其是冬季施工，回填凍土粒徑不能過大，做到分層對稱回填、分層對稱壓實(shí)。

管道焊接：管道安裝需要專業(yè)技術(shù)人員，使用專用管道焊接設(shè)備，進(jìn)行熱熔焊接，按照埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)范要求施工。管道焊接工藝為，管口清潔、切削、加熱、加壓、保壓、冷卻、完成。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)不允許施工，如冬季施工，需采取搭建帳篷等保護(hù)措施，帳篷內(nèi)設(shè)置加熱裝置，提高焊接時(shí)的環(huán)境溫度，保證焊接質(zhì)量。冬季施工，在加熱溫度、加壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間都需要調(diào)整到合適參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。

（四）運(yùn)行管護(hù)。輸水管道運(yùn)行中各供水、排水閥門應(yīng)經(jīng)常檢查，防止銹蝕或滴漏。發(fā)現(xiàn)管道漏點(diǎn)應(yīng)及時(shí)維修。在大型車輛通過的地段鋪設(shè)管道時(shí)應(yīng)添加套管，做好標(biāo)識，避免大型車輛損壞管道。灌區(qū)應(yīng)做好輪灌計(jì)劃管理，落實(shí)管護(hù)責(zé)任人，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在入冬前打開所有出水閥門，排空管道積水，防止在極端低溫天氣下管道被水凍實(shí)，影響第二年春季灌溉。管理單位應(yīng)做好管道漏水時(shí)應(yīng)急搶修預(yù)案。

四、低壓管道輸水灌溉水田推廣前景

低壓管道輸水灌溉技術(shù)最大的優(yōu)勢在于解決了旱田改水田工程占地問題，減少了旱田改水田過程中繁雜的群眾思想工作，消除了政府與農(nóng)民之間產(chǎn)生矛盾的隱患。低壓管道輸水灌溉對地形、土壤有較強(qiáng)適應(yīng)性。特別是在滲漏損失大、填方渠道和水資源緊張地區(qū)具有廣闊的推廣前景。

據(jù)黑龍江省水利部門統(tǒng)計(jì)，2013年全省市、縣水田灌溉面積3486萬畝（全省5837萬畝），其中地表水灌溉水田1220萬畝，需要地表水置換地下水面積在300萬畝左右。按照億畝生態(tài)高產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃，用現(xiàn)有的水源發(fā)展自流灌溉的空間幾乎沒有，用地表水發(fā)展水田主要依靠提水灌溉。從規(guī)劃情況看，沿松花江、嫩江、黑龍江、烏蘇里江、興凱湖、引嫩工程、引湯工程提水灌溉可發(fā)展水田800萬畝。按照肇源、林甸、巴彥三個(gè)縣項(xiàng)目區(qū)的實(shí)踐成果，如果全省1100萬畝水田提水灌區(qū)推廣該項(xiàng)技術(shù)，可節(jié)省耕地51.37萬畝，增加優(yōu)質(zhì)糧食生產(chǎn)能力6.16億斤。節(jié)約的水量可再發(fā)展394萬畝水田，按畝增糧食200斤計(jì)算，可增加糧食產(chǎn)能7.88億斤。兩個(gè)因素可增加優(yōu)質(zhì)糧食產(chǎn)能14.04億斤，相當(dāng)于再造一個(gè)中等產(chǎn)糧大縣，不但可實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，而且經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益顯著。

（作者單位：黑龍江省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室綜合處）

責(zé)任編輯：凌玉