農(nóng)田低壓管道灌溉工程設(shè)計中有關(guān)問題的探討

倪 霽， 張 金， 趙 燕

(1.江蘇振興水利供水有限公司， 江蘇 南京 210029； 2.金湖縣水務(wù)局， 江蘇 淮安 211600；3.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 淮安 223005)

近年來我國大力推行農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)，各地實施的農(nóng)田水利工程中均安排了較大比重的低壓管道灌溉工程，低壓管道灌溉工程設(shè)計除了要遵循相關(guān)的硬性規(guī)范、標(biāo)準外，還要結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展水平，充分考慮用戶用水管理要求，做好充分的工程設(shè)計前調(diào)查分析。筆者就工程設(shè)計調(diào)查方法論和統(tǒng)籌兼顧幾方面矛盾平衡談點粗淺的認識。

1 重視2個調(diào)查與訪問

做好低壓管道灌溉設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟分析和利于農(nóng)戶后期用水管理，必須做好充分的用戶現(xiàn)場調(diào)查，建議重視以下兩個方面工作。

1.1 重視現(xiàn)狀灌溉水系走向調(diào)查

工程設(shè)計人員在設(shè)計初期應(yīng)加強對工程現(xiàn)場的查勘，并積極走訪相關(guān)農(nóng)戶，切實了解擬實施管道灌溉工程田塊的現(xiàn)狀水源及各級渠道的走向及連接情況，摸清田塊的現(xiàn)狀灌溉及排水的水系情況?，F(xiàn)狀的渠系及灌排水系經(jīng)多年的實踐檢驗大部分均有其合理性，設(shè)計人員應(yīng)充分重視，尊重相關(guān)農(nóng)戶多年的用水習(xí)慣。管道布置時基本遵循干管與原農(nóng)渠走向一致，支管與原毛渠走向一致，給水栓也應(yīng)與原格田放水口基本一致的原則。工程設(shè)計時還應(yīng)了解原灌溉系統(tǒng)中存在的問題，在設(shè)計過程中加以優(yōu)化解決。

1.2 重視設(shè)計回訪

工程設(shè)計人員應(yīng)對已實施且已運行一個或多個灌溉周期的低壓管道灌溉工程進行設(shè)計回訪，詳細了解輪灌制度的執(zhí)行情況、給水栓的出流情況、灌溉時長、灌溉成本等，進而分析工程設(shè)計時輪灌組的劃分是否合理，水泵、電機的選型是否合適，管道布置及管徑選擇是否合適，以便在以后的類似工程設(shè)計中不斷改進、優(yōu)化[1]。

2 平衡3個矛盾

低壓管道灌溉設(shè)計要有系統(tǒng)思維，從工程設(shè)計、造價控制、便于農(nóng)戶用水管理的角度，建議要統(tǒng)籌做好3個方面矛盾的平衡。

2.1 平衡農(nóng)戶用水滿意度與工程造價的矛盾

低壓管道灌溉工程的造價與相關(guān)設(shè)計參數(shù)的取值及輪灌組的數(shù)量劃分息息相關(guān)，其中影響較大的設(shè)計參數(shù)為灌水高峰期作物1次灌水延續(xù)時間及輪灌組的數(shù)量，延續(xù)時間短，輪灌組數(shù)量少，工程造價增加，反之則減少。農(nóng)戶用水滿意度取決于灌溉時長與灌溉費用。灌溉時長短，灌溉費用低則農(nóng)戶用水滿意度高，反之則較低。目前農(nóng)村農(nóng)情較之以往發(fā)生了較大變化，進城務(wù)工農(nóng)民“回巢式”務(wù)農(nóng)現(xiàn)象已十分普遍，先進播種、插秧技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使得整個水稻泡田、播種或插秧的作業(yè)節(jié)奏加快，作業(yè)時間大幅縮短，用水高峰提前且相對集中。另外由于多年來我國農(nóng)村多采用大水漫灌的灌溉方式，管理粗放，導(dǎo)致用水“一窩蜂”的現(xiàn)象一直存在，且搶水現(xiàn)象時有發(fā)生。鑒于此，工程設(shè)計人員應(yīng)充分考慮農(nóng)戶現(xiàn)狀用水訴求，在滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準要求的情況下能盡量縮短灌水高峰期作物1次灌水延續(xù)時間，增加管道末端給水栓的流量，減少輪灌組的數(shù)量，這樣一來雖然會導(dǎo)致機泵功率增大，管道直徑增大，工程造價略有增加，但是可縮短農(nóng)戶灌溉時間，減少搶水現(xiàn)象，灌溉費用也沒有明顯增加，可提高農(nóng)戶的用水滿意度，對于節(jié)水灌溉的推廣亦可起到促進作用。

2.2 平衡田塊內(nèi)隔田分布與管道布置的矛盾

實施管道灌溉的田塊內(nèi)的格田分布不盡相同，有的較為規(guī)整，有的較為零散，甚至出現(xiàn)“田中田”的情況。對于格田分布較為規(guī)整的田塊，無需贅言，按照田塊的分布布置干支管及給水栓即可。對于格田分布比較零散的田塊，在布置管道，特別是支管及節(jié)水栓的布置時，可酌情考慮，不必追求“每田俱到”，管道及給水栓布置到末級格田的上一級格田即可，末級格田采用原灌溉方式與新建管道灌溉相結(jié)合的方式灌溉。若一味追求“每田俱到”則可能導(dǎo)致支管凌亂繁雜，閘閥、井繁多，水損增加，電機功率增加，不但建設(shè)成本及使用成本均增加，而且管理難度也相應(yīng)增大。

2.3 平衡大面積田塊的灌溉效果與灌溉成本的矛盾

實施管道灌溉的田塊大小不一，從目前已實施的工程來看，單個管道灌溉系統(tǒng)的控制面積在13.33～20 hm2(200～300畝)為宜，對于面積較大的田塊應(yīng)分塊灌溉，每塊田的面積控制在合理范圍內(nèi)。以江蘇淮安境內(nèi)某田塊為例，田塊面積60.87 hm2，采用一套灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計流量762.8 m3/h，設(shè)計凈揚程10.91 m，選用SLS300-250離心泵，電機功率55 kW，轉(zhuǎn)速1 480 r/min。干管直徑400 mm，支管直徑75～200 mm不等，共劃分為5個輪灌組。從設(shè)計成果可以看出，由于田塊面積較大，主管道長1 050 m，水頭損失大，導(dǎo)致電機功率較大，到達55 kW，進而導(dǎo)致電費較高，農(nóng)戶用水成本增高。另外由于劃分的輪灌組數(shù)量較多，管理難度加大，輪灌難以實現(xiàn)，常導(dǎo)致末端管道不出流。若采用分區(qū)域灌溉，增加1～2個灌溉系統(tǒng)，減小單個灌溉系統(tǒng)的灌溉面積，雖然初期建設(shè)成本較高，但是后期使用成本較低，農(nóng)戶更易于接受[2-3]。

3 典型設(shè)計

3.1 項目概況

項目名稱：金湖縣金南鎮(zhèn)連湖六組灌溉片；建設(shè)內(nèi)容：片區(qū)灌溉低壓管道布置及系統(tǒng)首部泵站；片區(qū)概況：項目片區(qū)南北向長約800 m，東西寬約1 200 m，片區(qū)總面積93 hm2，灌溉面積63.47 hm2。項目區(qū)目前以種植水稻為主，灌溉水源為位于項目區(qū)中部的引水渠。

3.2 工程設(shè)計

(1)設(shè)計思路。①灌溉片面積較大，為保證灌溉效果，需實行分片灌溉，每片灌溉面積15 hm2左右；②兼顧工程投資及灌溉費用，適當(dāng)減少輪管組數(shù)量，縮減灌溉片灌溉時長；③項目區(qū)格田較為零碎，適當(dāng)控制給水栓數(shù)量，部分“田中田”不布置給水栓，仍采用原灌溉方式，避免給水栓太多導(dǎo)致管道直徑增加以及電機功率增加，進而增加工程投資及灌溉成本；④干支管布置時仍遵循原渠系灌溉水流向。

(2)灌溉設(shè)計保證率。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)灌溉設(shè)計保證率，宜不低于75%。根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和經(jīng)濟條件確定灌溉設(shè)計保證率為85%。

(3)灌溉水利用系數(shù)。取管道水利用系數(shù)為0.95，田間水利用系數(shù)取1.0。

(4)灌溉制度。本項目區(qū)計劃全部種植水稻，泡田期水稻田灌水定額取100 m3/畝。灌水延續(xù)時間與作物種類、灌區(qū)面積大小及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動計劃等因素有關(guān)，根據(jù)項目區(qū)實際情況，取灌水延續(xù)時間為3.5 d，系統(tǒng)每天工作時間為20 h。

(5)管道系統(tǒng)布置。計劃整個片區(qū)劃分為3個相對獨立片區(qū)進行灌溉，分別為西片區(qū)22.13 hm2、南片區(qū)20.73 hm2、北片區(qū)20.6 hm2。

從灌溉泵站出口沿各片區(qū)田間道路及河溝分別布置干管1～3條，長度分別為460 m、450 m、630 m；根據(jù)田塊走向垂直于干管分別布置支管、分支管。支(分支)管上設(shè)置放水口(給水栓)，給水栓布置結(jié)合實際田塊分布情況設(shè)置，共計設(shè)置323只，其中西片區(qū)114只、南片區(qū)100只、北片區(qū)109只。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H工程運行經(jīng)驗，給水栓規(guī)格采用DN65 mm型式。干、支管道均采用PVC-U管(SDR41，PN0.63 MPa)，管道埋深管頂不少于地面以下0.7 m，給水栓豎管高出地面0.3 m。給水栓下設(shè)防沖池以防止出水口出水水流對田塊的沖刷。

3.3 管網(wǎng)設(shè)計

(1)輪灌制度確定。根據(jù)田塊及出水口的布置情況，同時考慮管理方便和可能出現(xiàn)的集中供水，規(guī)劃項目區(qū)采用干管續(xù)灌、支(分支)管輪灌方式。輪灌組劃分情況詳見表1。

(2)設(shè)計流量推求。根據(jù)相關(guān)公式，分別計算給水栓出口流量、支管設(shè)計流量、管徑、管道水頭損失、系統(tǒng)最大水頭和最小工作水頭、管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭等。經(jīng)計算西片區(qū)Hmax=10.28 m，Hmin=3.00 m；南片區(qū)Hmax=10.09 m，Hmin=0.75 m；北片區(qū)Hmax=9.12 m，Hmin=0.65 m；管道系統(tǒng)設(shè)計工作水頭按最大最小工作水頭的均值取值，西片區(qū)H0=(Hmax+Hmin)/2=6.64 m；南片區(qū)H0=(Hmax+Hmin)/2=5.42 m；北片區(qū)H0=(Hmax+Hmin)/2=4.89 m。經(jīng)計算管道系統(tǒng)流量，西片區(qū)設(shè)計流量582 m3/h，南片區(qū)設(shè)計流量532 m3/h，北片區(qū)設(shè)計流量552 m3/h。

表1 輪灌組劃分情況表

(3)水泵流量、揚程計算。根據(jù)相關(guān)計算成果及公式，經(jīng)計算，灌溉系統(tǒng)水泵的設(shè)計揚程分別為西片區(qū)10.49 m、南片區(qū)9.27 m、北片區(qū)8.74 m。

(4)水泵選型與配套動力。根據(jù)3個片區(qū)的水泵設(shè)計流量和設(shè)計揚程，分別配套選擇3臺300S-12型單級雙吸中開式離心泵。該泵設(shè)計揚程為12 m，設(shè)計流量為792 m3/h，配套功率為37 kW。

4 結(jié) 語

針對工程設(shè)計人員在設(shè)計低壓管道灌溉工程時容易忽略的且較為重要的問題進行了探討，目的是優(yōu)化設(shè)計，使得設(shè)計成果在工程造價與灌溉時長、灌溉成本、管理成本等之間取得平衡，盡力提高農(nóng)戶用水滿意度，以利于高效節(jié)水工程的更快推廣。