井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉技術(shù)應(yīng)用研究

翟 偉 逯根堂 徐新超

（聊城市水利局，山東聊城 252000）

井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉技術(shù)應(yīng)用研究

翟 偉 逯根堂 徐新超

（聊城市水利局，山東聊城 252000）

通過(guò)對(duì)聊城市井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)指標(biāo)確定進(jìn)行分析、研究與推廣應(yīng)用，分析了低壓管道輸水工程效益。在井灌區(qū)采取低壓管道輸水工程，可顯著提高當(dāng)?shù)匦⌒娃r(nóng)田水利設(shè)施整體水平，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件明顯改善、農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力明顯提高，極大地促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

井灌區(qū)；管灌；技術(shù)；應(yīng)用研究

農(nóng)業(yè)是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)和保障國(guó)家社會(huì)穩(wěn)定的重要支柱。農(nóng)業(yè)灌溉工程是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性配套設(shè)施，我國(guó)農(nóng)業(yè)尤其是北方平原地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉普遍存在水資源緊缺和用水效率不高的問(wèn)題。人民群眾節(jié)水意識(shí)薄弱，田間工程采用土渠輸水灌溉，大水漫灌，滲漏量大，跑漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，渠系水利用系統(tǒng)低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

“十二五”期間，國(guó)家把水利作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域，把農(nóng)田水利作為農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)來(lái)抓，不斷加大投入力度，給發(fā)展農(nóng)田節(jié)水灌溉帶來(lái)了機(jī)遇。在井灌區(qū)積極走“引蓄并舉、蓄調(diào)結(jié)合、以井保豐”的路子，在井灌區(qū)選取低壓管道輸水工程，以管道代替明渠輸水，通過(guò)一定壓力將灌溉水輸送到田間，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、省工、省地、縮短輪灌周期，促進(jìn)作物增產(chǎn)，充分發(fā)揮機(jī)井在確保糧食安全中的作用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。

1 管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

低壓管道輸水灌溉是以管道代替明渠輸水灌溉的一種工程形式，通過(guò)一定的壓力（工作壓力不大于0.20MPa）將灌溉水從水源輸送到田間，由給水栓進(jìn)入 田問(wèn)溝、畦進(jìn)行灌溉。其特點(diǎn)是出口流量大、出水口所 需壓力較小，管道不易發(fā)生堵塞，可減少輸水過(guò)程中的滲漏與蒸發(fā)損失，增加耕地面積。由于受土地不平的影響較小，輸水速度快、供水及時(shí)、流量集中，可縮短輪灌周期，及時(shí)有效地滿足作物 生長(zhǎng)期的需水要求。為了確保井灌區(qū)農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)灌溉，進(jìn)行了井灌區(qū)低壓輸水灌溉技術(shù)研究與應(yīng)用。

以山東省聊城市孫莊村典型地塊為例，進(jìn)行管道輸水灌溉設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析研究。該地塊南北長(zhǎng)度290m，東西長(zhǎng)度為290m，控制灌溉面積為126畝。

農(nóng)作物為小麥、玉米一年兩作，南北方向種植。根據(jù)小麥需水量規(guī)律，其需水量在灌漿期間，包含降雨在內(nèi)的平均日需水量強(qiáng)度Ea=5mm/d。

1.1 管網(wǎng)布置原則

根據(jù)農(nóng)田規(guī)劃布局及機(jī)井位置，依據(jù)地形、地塊、道路等情況按以下原則布置管路系統(tǒng)：管理設(shè)施、井、路、管道統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，全面配套，統(tǒng)一管理；依據(jù)地形、地塊、道路等情況布置管道系統(tǒng)，要求線路最短，控制面積最大，便于機(jī)耕，管理方便；管道盡可能雙向分水，節(jié)省管材，沿路邊及地塊等高線布置；按照村隊(duì)地片，分區(qū)管理，獨(dú)立使用原則。

1.2 管網(wǎng)布置形式

以每個(gè)機(jī)井控制面積為單行工程，采用無(wú)井房、IC卡自動(dòng)控制計(jì)費(fèi)，首部設(shè)有潛水泵、排氣閥等。工程管網(wǎng)布置，采用樹(shù)狀管網(wǎng)，干管平行種植方向，支管垂直于干管布置在地塊中間，給水栓設(shè)置于支管上，給水栓間距雙向布置分水，順?lè)N植方向布設(shè)軟管。管網(wǎng)布置型式采用以下幾種：“一”字型、“T”型、“H”型、“L”型及“梳齒”型。

1.3 設(shè)計(jì)灌水定額及灌水周期確定

項(xiàng)目區(qū)種植作物為小麥、玉米一年兩作。北方小麥灌溉需水量大，而玉米生長(zhǎng)期正逢雨季，灌溉需水相對(duì)較小。因此，設(shè)計(jì)時(shí)以小麥日需水量最高的灌漿期確定灌水定額。取土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為60cm,適宜土壤含水量上限取田間持水率的95%，下限取65%，灌溉水有效利用系數(shù)取0.85。按下式計(jì)算設(shè)計(jì)灌水定額。

式中：m—凈設(shè)計(jì)灌水定額，mm；

γ—土壤容重，g/cm3；

Z—計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；

θmax、θmin—適宜土壤含水率上下限（占干土重的百分比）。

經(jīng)計(jì)算，m為58.32mm，即39m3/畝。

灌水周期

式中：T—設(shè)計(jì)灌水周期（d）。

1.4 灌溉設(shè)計(jì)流量的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天工作的時(shí)間，計(jì)算系統(tǒng)灌溉設(shè)計(jì)流量。

式中：Q—管道系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)流量，m3/h；

η—灌溉水利用系數(shù)，取0.85；

t—灌水時(shí)間，h，取 16h；其他符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算Q設(shè)為32.76 m3/h

1.5 輸水管道管材及管徑的選擇

固定管道包括干管、支管，均埋于地下，采用UPVC塑料管材，按經(jīng)濟(jì)流速法確定管徑。按經(jīng)濟(jì)流速法確定各級(jí)管徑：

式中：d—管內(nèi)徑，mm；

Q—流量，m3/h；

v—經(jīng)濟(jì)流速，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）v=1.0～1.5m/s，取 1.2m/s，

計(jì)算得：d=100.2mm，故固定管道干管、分干管選用0.4MPaФ110的UPVC管材。

1.6 輸水管道水力計(jì)算

沿程水頭損失計(jì)算：

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；

f—摩阻系數(shù),與摩阻損失有關(guān),f=0.948×105；

m—流量指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，m= 1.77；

b—管徑指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，b= 4.77；

L—計(jì)算管道長(zhǎng)度，m，L=375 m；

Q—管道設(shè)計(jì)流量，m3/h，Q=32 m3/h；

d—管道內(nèi)徑，mm，d=105.6mm。

經(jīng)計(jì)算得：hf=3.65m。

1.7 水泵選型及水泵揚(yáng)程計(jì)算

（1）管網(wǎng)水頭計(jì)算。管網(wǎng)水頭為輸配水管總水頭損失、給水栓要求自由水頭、管網(wǎng)進(jìn)口與給水栓進(jìn)口高差之和。

（2）水源動(dòng)水位埋深。該項(xiàng)目區(qū)動(dòng)水位埋深在26m左右。

（3）泵管水頭損失計(jì)算。管材選用鋼管30m。

管徑選擇d=80mm（同管網(wǎng)水力計(jì)算）。

經(jīng)計(jì)算泵管沿程水頭損失為2.67m。

泵管局部損失取2.50m。

則泵管水頭損失為5.17m。

（4）水泵總揚(yáng)程確定。水泵揚(yáng)程=管網(wǎng)進(jìn)口水頭+水源動(dòng)水位埋深+泵管水頭損失。

經(jīng)計(jì)算為37.32m。

根據(jù)設(shè)計(jì)管道灌溉工程系統(tǒng)揚(yáng)程37.32m和系統(tǒng)流量32 m3/h，選用200QJ32-39/3型潛水泵。水泵揚(yáng)程為39m，流量32m3/h，配套功率5.5kW，滿足設(shè)計(jì)和機(jī)井出水量要求。

1.8 首部樞紐設(shè)計(jì)

為了使機(jī)井首部與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，采用無(wú)井房室外射頻卡灌溉控制技術(shù)，系統(tǒng)首部樞紐設(shè)地下保護(hù)池，安裝進(jìn)排氣閥保護(hù)裝置，井口全部為便于安裝保養(yǎng)水泵專(zhuān)用的專(zhuān)門(mén)保護(hù)蓋。地面上除有室外射頻卡外，其余全為隱蔽式。管網(wǎng)系統(tǒng)首部樞紐布置如圖1。

圖1 管網(wǎng)系統(tǒng)首部樞紐布置示意圖

2 工程應(yīng)用效果和效益分析及推廣應(yīng)用

項(xiàng)目實(shí)施前，采用土渠輸水，灌溉周期長(zhǎng)，灌溉保證率低，加之大水漫灌，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)。項(xiàng)目實(shí)施后，采用管道輸水，提高了輸水效率，畝年節(jié)約了灌溉用水量70m3左右，實(shí)現(xiàn)了適時(shí)灌溉、縮短了灌水周期3～5天，提高了灌水保證率和灌水效率，徹底解決了作物灌溉問(wèn)題，也減少了灌溉用工量，利用IC卡自動(dòng)控制計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了按方收費(fèi)。同時(shí)，管灌工程比土渠減少了占地0.48%左右，糧食增產(chǎn)12%左右、省工0.8個(gè)/畝·年，畝年減少耗能5.5kW·h，社會(huì)和環(huán)境效益也十分明顯。

2.1 提高了灌溉保證率，緩解水資源矛盾

管灌輸水工程可大大提高了農(nóng)作物的灌溉保證率，在可供水資源量有限的情況下，灌溉用水容易保證，并做到適時(shí)灌溉。同時(shí)，緩解水資源的緊張狀況，緩解工農(nóng)業(yè)爭(zhēng)水的矛盾。管灌水利用系數(shù)提高，灌溉區(qū)用水量量相對(duì)減少，可以節(jié)約有限的地下水資源。

2.2 實(shí)現(xiàn)了按方收費(fèi)，水量控制科學(xué)

機(jī)井射頻卡管理系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，系統(tǒng)按用戶射頻卡內(nèi)信息對(duì)用戶進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)收水費(fèi)，實(shí)現(xiàn)按方計(jì)量，按方收費(fèi)，有效控制用水量，提高了灌溉水利用系數(shù)和單位水量的農(nóng)作物的產(chǎn)量。這樣可以減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，有效緩解灌區(qū)水費(fèi)收取難，工程養(yǎng)維資金不足的矛盾，逐步培養(yǎng)群眾形成“用水繳費(fèi)”和“節(jié)約用水”的意識(shí)，促進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)。

2.3 管道輸水工程建設(shè)，推動(dòng)了水利工程建設(shè)

建立節(jié)水型農(nóng)業(yè)是建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的主體，是實(shí)現(xiàn)全社會(huì)節(jié)水的關(guān)鍵，管道輸水灌溉工程的建設(shè)是在井灌區(qū)得以廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的典范，采取試點(diǎn)示范，因地制宜地總結(jié)推廣了節(jié)水灌溉工程建設(shè)模式，不斷擴(kuò)大節(jié)水示范規(guī)模和示范效果，進(jìn)一步增強(qiáng)了群眾的節(jié)水意識(shí)，加大了節(jié)水灌溉設(shè)施的保護(hù)力度，提高了廣大干部群眾節(jié)水灌溉的自覺(jué)性、積極性。

2.4 節(jié)約土地明顯，破解了農(nóng)耕困難

管道輸水工程干支管道都埋在地下，無(wú)需占地，對(duì)照明渠輸水工程，每米渠道節(jié)約占地2.5m2，節(jié)地效益明顯。農(nóng)機(jī)進(jìn)田可避免跨越渠道，進(jìn)入方便，提高了工作效率，也減少了工程的損毀機(jī)率。

2.5 項(xiàng)目推廣及綜合效益明顯

通過(guò)項(xiàng)目的研究與推廣，在省扶持資金節(jié)水工程、小農(nóng)水重點(diǎn)縣、土地整理和黃淮海開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目中得到了大力推廣和應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)全區(qū)推廣18.88萬(wàn)畝。項(xiàng)目實(shí)施后，年可增產(chǎn)糧食1152萬(wàn)kg、蔬菜576萬(wàn)kg，節(jié)水1321.6萬(wàn)m3，節(jié)能436萬(wàn)kW·h，年增產(chǎn)值達(dá)2073.6萬(wàn)元。

由于水利用系數(shù)的提高，灌溉區(qū)用水量減少，節(jié)水的水量可以擴(kuò)大灌溉面積；由于低壓管道代替土渠， 土渠可進(jìn)行復(fù)耕，擴(kuò)大了耕地面積。同時(shí)節(jié)約了有限的地下水資源，緩解了水資源供需矛盾，為工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展和城鄉(xiāng)生活用水，提供了良好保證。不斷提高了灌溉的運(yùn)行管理水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，同時(shí)生態(tài)環(huán)境也得到了進(jìn)一步改善。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)用水量逐年增加，用水矛盾日益突出，氣候干旱日益嚴(yán)重，水資源緊缺已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。在井灌區(qū)示范推廣了低壓管灌技術(shù)，不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有顯著的社會(huì)效益和生態(tài)效益。通過(guò)發(fā)展節(jié)水灌溉，進(jìn)一步改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高了灌溉水利用率和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，促進(jìn)了水資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)、農(nóng)村穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

S275

B

1008-1305（2013）02-0045-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.013

翟 偉（1962年-），女，高級(jí)工程師。

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