大中型灌區(qū)自壓輸水系統(tǒng)建設(shè)與管理

王 煒

(太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站，山西 太原 030002)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)田灌溉用水需求不斷加大，但農(nóng)業(yè)用水浪費非常嚴(yán)重，我國農(nóng)田灌溉用水利用率僅有45%[1]。提高灌溉用水利用率，把灌溉過程中水損降到最低是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新要求，灌區(qū)節(jié)水改造工程建設(shè)以及節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣顯得尤為重要[2- 4]。自壓輸水管網(wǎng)全程采用管道輸水，減少了水分的蒸發(fā)，由于管道的沿程阻力小所以灌溉水利用系數(shù)大大增加，提高了水資源利用率，因此研究大中型自壓輸水管網(wǎng)建設(shè)及管理很有必要。

1 灌區(qū)輸水灌溉形式的選擇

1.1 自壓輸水灌溉

灌溉輸水方式可分為加壓輸水灌溉和自壓輸水灌溉。加壓輸水灌溉為傳統(tǒng)灌溉方式，采用電力蓄水來滿足田間灌溉所需要的壓力水頭。自壓輸水灌溉利用自然地勢落差通過積蓄一定的勢能來滿足田間灌溉所需要的壓力水頭，所以自壓輸水灌溉不需要消耗電能。自壓輸水管網(wǎng)一次性投資要大于加壓輸水系統(tǒng)，但隨著其運行自壓輸水系統(tǒng)的總成本(一次性投資與運行費用總和)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加壓輸水系統(tǒng)總成本，并且自壓輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，使用壽命長。

1.2 自壓輸水灌溉的優(yōu)點

與傳統(tǒng)輸水灌溉相比，自壓輸水灌溉主要有以下幾個優(yōu)點：

(1)提高水資源利用率，緩解水資源供需不平衡的矛盾

自壓輸水灌溉從引水到田間灌溉均采用管網(wǎng)輸水，不僅減少輸水過程水分的蒸發(fā)，由于管道沿程阻力較小，大大提高了灌溉水利用系數(shù)，提高了有效水資源的利用率。三種灌溉形式的灌溉水利用系數(shù)比較見表1[5]。

對常規(guī)地面灌、加壓節(jié)水灌溉和自壓節(jié)水灌溉三種灌溉形式的灌溉水利用系數(shù)進行比較可知，自壓輸水灌溉與加壓輸水灌溉以及常規(guī)地面灌溉相比可分別節(jié)水17.5%、30%。

(2)緩解用電供需不平衡的矛盾

農(nóng)業(yè)灌區(qū)的灌溉面積大多在幾萬到幾十萬畝，并且灌溉時間比較集中，每年到灌溉高峰期時用電量大，造成輸電不穩(wěn)定，輸水灌溉系統(tǒng)運行得不到有效保障，影響了農(nóng)作物的生長。自壓輸水管網(wǎng)的應(yīng)用有效緩解了用電高峰供電量不足這一矛盾，保證農(nóng)作物及時灌溉不受外界影響。

(3)降低灌溉系統(tǒng)運行成本

對于大中型灌區(qū)來說，使用加壓輸水灌溉時，僅電費一項就花費巨大。不僅如此，節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的灌溉裝置對水質(zhì)有著比較高的要求，例如滴灌裝置，往往裝置中需要安裝過濾裝置，過濾裝置在運行過程中需要自動清潔，以保障正常工作的進行，這就要求對整個系統(tǒng)施加更大的水壓；而自壓輸水系統(tǒng)能夠提供足夠的水壓不需要引進多余電

表1 不同灌溉形式灌溉水利用系數(shù)比較

能，從而減少能耗，降低了該系統(tǒng)的運行成本。

(4)使用壽命更長，維修管理工作較少

傳統(tǒng)的輸水灌溉渠道使用壽命一般為30年，由于裸露在地表，在使用過程中會遇到各種問題，如變形、凍漲等，所以日常維修工作較多，耗費大量財力物力；而自壓輸水灌溉系統(tǒng)全程為管道輸水，由于在地下運行，所以使用壽命較長，一般為70年，并且不易損壞，在維修管理工作減少的同時也使維修成本也大大降低。

(5)便于實施系統(tǒng)自動化管理

自壓輸水灌溉系統(tǒng)主要包括沉砂池、輸水管網(wǎng)和田間管網(wǎng)三部分構(gòu)成，為一個有機整體，系統(tǒng)內(nèi)各個構(gòu)成部分相互影響。各個系統(tǒng)主要通過管網(wǎng)連接，各個節(jié)點由電動閥門進行控制，可實現(xiàn)系統(tǒng)一體化控制，從而保證灌溉系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2 自壓灌溉系統(tǒng)布置方式

常見的自壓灌溉系統(tǒng)布置有梯田灌溉區(qū)布置和山丘管灌區(qū)布置。

2.1 梯田管灌區(qū)布置

梯田管灌區(qū)布置圖如圖1所示。該布置方式適宜平坦地形，輸水系統(tǒng)可控制面積較大，管網(wǎng)主要有斗管、分管和引管組成，并且全部埋于地下。田間灌溉時一般用移動軟管，在引管處引水，該類管灌區(qū)由于有一定的坡度，所以一般采取單向輸水。

圖1 梯田管灌區(qū)布置

圖2 山丘區(qū)管灌輻射樹枝狀布置

2.2 山丘管灌區(qū)布置

山丘管灌區(qū)輻射樹枝狀布置圖如圖2所示。該種鋪設(shè)方式適合鋪設(shè)地形坡度較陡，來水經(jīng)干管流向支管最后由斗管向田間引水，為了使管線最短，干管一般垂直等高線布置，支管平行于等高線布置，在斗管上安裝出水口給水栓，使其平行等高線雙向配水或灌水澆地。

3 灌區(qū)工程設(shè)計

3.1 設(shè)計灌水定額

灌水定額是指單位面積一次灌水的灌水量或水層深度。不同作物(小麥、棉花和玉米)在不同生育期灌水濕潤層深度和適宜含水率可參考表2。

m=100γsh(β1-β2)

(1)

式中，m—設(shè)計凈灌水定額，m3/hm2；h—計劃濕潤層深度，m；γs—計劃濕潤層土壤的干容重，kN/m3；β1—土壤最適含水率上限；β2—土壤最適含水率下限。

3.2 灌水設(shè)計周期

在灌水臨界期依據(jù)作物單日最大用水量值計算作物灌水周期，公式如下：

(2)

式中，T理—理論灌水周期，d；T—灌水設(shè)計周期；Ed—作物單日最大用水量，mm/d。

3.3 灌溉設(shè)計流量

可由灌水定額、灌水周期、灌溉面積以及相應(yīng)

表2 土壤計劃濕潤層深度和適宜含水率表

的工作時間推算出灌溉流量，公式如下：

(3)

式中，Q0—管灌系統(tǒng)的灌溉設(shè)計流量，m3/h；η—灌溉水利用系數(shù)，取0.80～0.90；t—日均灌水事件；A—灌區(qū)面積；a—修正系數(shù)，一般默認(rèn)取1。

4 灌區(qū)運行管理

4.1 組織管理

組織管理可歸納為：“逐級管理、畫區(qū)專門負(fù)責(zé)、對外專業(yè)承包、責(zé)任到人”等組織管理辦法[6- 7]。首先要由相關(guān)部門成立領(lǐng)導(dǎo)小組，對自壓輸水管網(wǎng)進行設(shè)計、鋪設(shè)，建設(shè)完成后制定自壓輸水管網(wǎng)系統(tǒng)運行管理細(xì)則；以管理員負(fù)責(zé)制為前提在各個灌區(qū)設(shè)立灌溉管理員。

管理員主要負(fù)責(zé)以下具體任務(wù)：

(1)管理管網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施，確保系統(tǒng)能良好運行。

(2)提前制定好灌溉時間及灌溉流量，確保農(nóng)作物及時及量灌溉

(3)按規(guī)范要求進行操作實施灌溉，確保系統(tǒng)良好運行

(4)及時記錄系統(tǒng)開關(guān)時間、用水量、以及灌溉畝數(shù)等數(shù)據(jù)。

4.2 灌溉用水管理

(1)完善用水管理制度，為了加強用水管理，必須在現(xiàn)有的用水制度基礎(chǔ)上進行完善，實現(xiàn)智能化、一體化灌溉，有計劃的進行灌溉，提高水資源利用率。

(2)合理規(guī)劃土地使用，調(diào)整農(nóng)作物布局。灌區(qū)施行對外承包后，土體使用較為零散，導(dǎo)致灌溉效率普遍偏低，為了提高灌區(qū)一體化灌溉及水資源利用，應(yīng)當(dāng)重新規(guī)劃土地使用，盡量使同一種作物連片種植，確保灌溉有序高效進行。

(3)科學(xué)制定配水順序。配水應(yīng)遵循先遠(yuǎn)后進、先整后零以及先急后緩的原則有序進行。

(4)對管理人員進行專業(yè)培訓(xùn)。加強相關(guān)管理人員的技術(shù)培訓(xùn)以及職業(yè)道德教育有助于提高灌溉用水管理水平，有助于灌區(qū)一體化的推行。

4.3 工程管理

工程管理的主要任務(wù)就是確保灌溉系統(tǒng)(包括引水、輸水、灌溉設(shè)施)能夠良好運行，從而能夠使灌溉系統(tǒng)發(fā)揮其最大效益[9- 11]。

4.3.1水泵的運行與維修

在系統(tǒng)運行前對水泵進行全面檢查，首先檢查零部件的連接是否穩(wěn)固，轉(zhuǎn)動處是否靈活；系統(tǒng)開啟后觀察抽水量、水泵聲響以及相關(guān)儀表數(shù)據(jù)是否正常，如果有反?，F(xiàn)象應(yīng)立即停止作業(yè)對水泵進行檢修；灌溉完成后對水泵進行放水操作防止水泵生銹。

4.3.2管道的運行與維修

(1)按規(guī)范程序進行操作。在輸水系統(tǒng)開啟及關(guān)閉時，管網(wǎng)內(nèi)的水會產(chǎn)生水錘作用，使得管道內(nèi)的壓力急劇變化，這種不穩(wěn)定容易引起管裂，所以應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范進行安全操作。

(2)灌溉過程中，當(dāng)上一組灌溉完成需換下一組繼續(xù)灌溉時，為了防止管網(wǎng)內(nèi)水壓過大應(yīng)當(dāng)在徹底打開下一組管網(wǎng)水閥之后再緩慢關(guān)閉上一組管網(wǎng)水閥。

(3)灌溉過程中定時觀察管網(wǎng)內(nèi)部水壓，以及出水量是否正常，若出現(xiàn)反常情況應(yīng)當(dāng)及時檢修，確保灌溉順利進行。

5 結(jié)論

自壓輸水灌溉方式對比傳統(tǒng)灌溉方式可提高水資源利用率，緩解水資源及用電供需不平衡的矛盾，便于自動化管理。

灌區(qū)運行管理應(yīng)完善制度，責(zé)任到人，科學(xué)管理。通過對灌區(qū)進行一系列節(jié)水工作的開展，最終提高農(nóng)業(yè)水資源的綜合利用率。

由于自壓輸水管網(wǎng)的一次性投資比較大，導(dǎo)致目前自壓輸水管網(wǎng)的覆蓋率比較小，所以應(yīng)當(dāng)在推廣節(jié)約用水理念的同時提高自壓輸水管網(wǎng)的覆蓋率，從而加快節(jié)約型社會的建設(shè)。