自流灌區(qū)節(jié)水灌溉工程模式探討

鄭麗娜

（昌邑市水利局，山東 昌邑 261300）

自上世紀(jì)50年代開(kāi)始，灌排事業(yè)得到了較快發(fā)展，許多大型灌區(qū)得到了建設(shè)。主要有引黃灌區(qū)、水庫(kù)灌區(qū)和引河（湖）灌區(qū)，規(guī)劃灌溉面積在2萬(wàn)hm2以上的灌區(qū)有65個(gè)。部分灌區(qū)的灌溉水源比灌溉田地高，灌溉水可以借助重力作用通過(guò)引水、輸水、配水等設(shè)施自流進(jìn)入農(nóng)田。自流灌溉是引黃灌區(qū)、水庫(kù)灌區(qū)和引河（湖）灌區(qū)主要節(jié)水灌溉模式之一。自流灌溉條件下的節(jié)水灌溉輸水工程模式分為防滲襯砌渠道輸水、渠道（骨干）結(jié)合管道（末級(jí)）輸水以及壓力管道輸水3 類(lèi)。

1 防滲襯砌渠道灌溉輸水模式

為減少土渠輸水過(guò)程中的滲漏損失，采用透水性小的防護(hù)層進(jìn)行防滲處理，既可減少水的滲漏損失，又可提高輸水速度，提高灌溉效率。

1.1 渠道襯砌材料

1）土料襯砌。為黏性土、沙、石、石灰和水等材料拌和后而成。可用于氣候溫和地區(qū)的4、5 級(jí)渠道襯砌，可就地取材、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低，但是抗凍性、耐久性較差，工程量大，質(zhì)量不易保證。2）水泥土襯砌。為壤土、砂壤土、水泥和水等拌和后而成。可用于氣候溫和地區(qū)附近有壤土或砂壤土的3～5 級(jí)渠道襯砌，可就地取材、施工簡(jiǎn)便，而且水泥用量只占干土重的10%～15%，造價(jià)低，但是抗凍性較差。3）砌石襯砌。為卵石、塊石、料石、石板、沙和水泥等混合攪拌而成。可用于石料來(lái)源豐富、有抗凍、抗沖、耐磨要求的各級(jí)渠道襯砌，其抗凍、抗沖、耐磨和耐久性好，施工簡(jiǎn)便，但是防滲效果一般不易保證。4）埋鋪式膜料襯砌。主要材料有膜料、土料、沙、石和水泥等，防滲效果好、重量輕、運(yùn)輸量小。當(dāng)采用土料保護(hù)層時(shí)，可用于4、5 級(jí)渠道襯砌，造價(jià)低，但占地多，允許流速小；采用剛性保護(hù)層時(shí)，可用于各級(jí)渠道襯砌，但是造價(jià)高。5）混凝土襯砌。是目前采用較多的一種渠道防滲技術(shù)措施，防滲效果、抗沖性和耐久性好。在設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下，其使用年限平均為40～60年。混凝土襯砌能適應(yīng)各種大小渠道、不同工程環(huán)境條件及流速不同的渠道。即使當(dāng)襯砌破裂漏水時(shí)，可用瀝青混合劑封堵，且養(yǎng)護(hù)方便。6）瀝青混凝土襯砌。為瀝青、沙、石和礦粉等材料混合而成。防滲效果好，適應(yīng)地基變形能力較強(qiáng)，使用年限約為10～20年，其造價(jià)與混凝土防滲襯砌結(jié)構(gòu)相近。

1.2 渠道斷面形式

明渠可采用的防滲渠道斷面形式有矩形斷面、梯形斷面、U 形斷面和梯弧形復(fù)式斷面。1） 矩形斷面。是一種較為原始的斷面形式，多為長(zhǎng)方形或正方形，目前應(yīng)用于一些小型渠道工程中。該斷面設(shè)計(jì)、施工簡(jiǎn)單，但水力半徑小，濕周不足，使渠道的水力條件較差，從而過(guò)水能力較低，且抗凍效果差，在大型渠道工程中往往不采用矩形斷面。2）梯形斷面。是在矩形斷面不足基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種形式，水力條件較好，過(guò)水能力相對(duì)較高，抗凍能力依然較差。這種斷面呈倒梯形，兩側(cè)渠邊坡常采用1∶1～1∶1.5，最大可取到1∶2.0 以上，水力最優(yōu)斷面的寬深比為0.83～0.61，最小值可為0.47，對(duì)于大型渠道寬深比為1～3，防滲襯砌材料常采用黏土料，漿砌塊石（礫、卵石）或混凝土、鋼筋混凝土。3）U 型斷面。其形式為半圓直邊式和圓弧斜邊式2種，前者多用于小型工程，后者用于較大工程。該形式相對(duì)濕周較矩形、梯形的水力半徑大，在其他條件相同的前提下，U 形斷面流量大，水力條件和抗凍能力有所提高。混凝土U 形渠道比混凝土預(yù)制板襯砌梯形渠道節(jié)省投資20%～30%，減少工程量30%～40%，特別是因?yàn)榈谆“雸A拱的作用，整體結(jié)構(gòu)的抗凍性較好。4）梯弧形復(fù)式斷面。這種斷面形式是在梯形和U 形渠道斷面基礎(chǔ)上演變成的一種新型斷面形式，在大、中型渠道工程中被廣泛應(yīng)用，該斷面底部為圓弧狀，兩側(cè)渠邊坡為直線(xiàn)段，邊坡系數(shù)根據(jù)渠底弧中心角確定，一般類(lèi)同于梯形斷面邊坡，范圍在1∶1～1∶1.75 之間，個(gè)別取值1∶2.0 以上；圓弧中心角不小于90°。梯弧形復(fù)式斷面同時(shí)具備了梯形和U 形斷面的優(yōu)點(diǎn)；濕周較小、水力半徑大、過(guò)水條件好、抗凍性能高、占地少、投資省。

1.3 渠道布置

斗、農(nóng)渠的規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求關(guān)系密切。山丘、丘陵地區(qū)的斗渠長(zhǎng)度較短，控制面積較小。平原地區(qū)的斗渠較長(zhǎng)，控制面積較大。我國(guó)北方平原地區(qū)一些大型自流灌區(qū)的斗渠長(zhǎng)度一般為3～5 km，控制面積200～333.3 hm2。斗渠的間距主要根據(jù)機(jī)耕要求確定，和農(nóng)渠的長(zhǎng)度相適應(yīng)。農(nóng)渠是末級(jí)固定渠道，控制范圍為一個(gè)耕作單元。農(nóng)渠長(zhǎng)度根據(jù)機(jī)耕要求確定，在平原地區(qū)通常為500～1 000 m，間距為200～400 m，控制面積為13.33～40 hm2。丘陵地區(qū)農(nóng)渠的長(zhǎng)度和控制面積較小。在有控制地下水位要求的地區(qū)，農(nóng)渠間距根據(jù)農(nóng)溝間距確定。這種模式減少了輸水過(guò)程中的水量損失，但與管道輸水相比，占地較多，施工技術(shù)要求相對(duì)較高。

2 渠道（骨干）結(jié)合管道（末級(jí)）灌溉輸水模式

考慮管道輸水具有省地、省水、節(jié)能、節(jié)時(shí)、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將渠道與管道輸水相結(jié)合，采用骨干渠道輸水后末級(jí)渠系采用管道（代替斗、農(nóng)渠道）進(jìn)行自流灌溉。

末級(jí)管道安裝標(biāo)高與坡降與明渠（斗渠、農(nóng)渠）相同，管道一般采用無(wú)壓水泥管輸水自流灌溉，管道輸水與渠道輸水相比，輸水損失可減少約10%。水泥管分為混凝土管和鋼筋混凝土管。

與明渠相比，影響自流管道灌溉系統(tǒng)投資的主要因素是安裝施工費(fèi)、管材造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)等。在此只與明渠相同的安裝方式作對(duì)比，即在地面上按照一定標(biāo)高和坡降安裝。其工程投資由土方工程、安裝施工費(fèi)、材料費(fèi)組成。

按照規(guī)定，農(nóng)渠在平原地區(qū)長(zhǎng)度為500～1 000 m，間距為200～400 m，控制面積為13.33～40 hm2。據(jù)此計(jì)算不同控制面和流量下，明渠襯砌（梯形渠道，預(yù)制混凝土板襯砌）和管道（預(yù)制混凝土管）灌溉2種形式的工程材料造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表1。經(jīng)估算，當(dāng)農(nóng)渠控制面積大于36.67 hm2，即管徑大于400 mm 時(shí)，管道的造價(jià)大于明渠襯砌的造價(jià)，不宜采用管道代替渠道。但考慮到明渠改為管道土方開(kāi)挖與回填方量，約減少50%，土方施工費(fèi)用將大大減少。另外，明渠改為管道減少了占地，減少了明渠所帶來(lái)的對(duì)機(jī)耕作業(yè)的影響，減少了部分渠系建筑物的投資，減少了自然淤積，避免了渠道的凍脹破壞。因此，管道直徑在1 500 mm 以下過(guò)水流量所控制的灌溉面積，明渠原則上都可以用水泥管道替代。

表1 明渠襯砌與管道灌溉工程造價(jià)對(duì)比表

3 壓力管道灌溉輸水模式

山地丘陵區(qū)的灌溉遵循高水高用、低水低用的原則，利用自然水頭落差進(jìn)行管道輸水灌溉，因地制宜采用適當(dāng)?shù)母咝Ч喔确绞健Ｋ^差在5～30 m 之間時(shí)，可采用微噴灌；水頭差在10 m 左右可采用滴灌；水頭差大于20 m 可采用噴灌。要實(shí)現(xiàn)上述節(jié)水灌溉，最重要的是采用壓力管道輸水。

由于山地丘陵區(qū)輸水管道需承受一定壓力，管材選擇指標(biāo)包括抗壓強(qiáng)度、耐腐蝕性、吸水能力和輸水能力等。管道施工時(shí)均埋置在地下，覆蓋土層約50 cm。由于是有壓條件下的輸水灌溉，管壁一般無(wú)淤積現(xiàn)象，管理費(fèi)用相對(duì)較低。采用固定式管道灌溉系統(tǒng)，畝均投資在200～250 元，投資回收時(shí)間在15年左右（靜態(tài)分析），農(nóng)民是可以承受的。而且管道灌溉比渠灌可擴(kuò)大灌溉面積及適時(shí)灌溉，提高了復(fù)種指數(shù)，從而增產(chǎn)15%～20%。