低壓管道輸水灌溉及工程設(shè)計(jì)探究

□王明旭（駐馬店市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

低壓管道輸水灌溉及工程設(shè)計(jì)探究

□王明旭（駐馬店市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

20世紀(jì)50年代，我國(guó)開始出現(xiàn)管道輸水灌溉技術(shù)，其中，低壓管道輸水灌溉與渠道灌溉系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。低壓管道輸水灌溉具有節(jié)水節(jié)能、不受地形限制、省時(shí)省力、減少占地等優(yōu)點(diǎn)，非常適合當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，因此目前在節(jié)水灌溉面積中低壓管道輸水灌溉面積所占的比例是最大。文章介紹了低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成、優(yōu)勢(shì)、布置形式，主要對(duì)低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。

低壓管道；輸水灌溉；組成；優(yōu)勢(shì)；布置形式；工程設(shè)計(jì)

0　引言

隨著水資源緊張，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾的加劇,發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，提高灌溉水利用效率成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)水利工程發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。低壓管道輸水灌溉是利用管道將水直接送到田間進(jìn)行灌溉的一項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)。管道輸水灌溉，減少傳統(tǒng)地面灌溉造成的灌溉水浪費(fèi)現(xiàn)象,而且改善了田間灌水條件，縮短了輪灌周期，可以大大提高灌溉水利用系數(shù)，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)、給水裝置（灌水器）、保護(hù)設(shè)施、田間灌水設(shè)施等5個(gè)部分組成。如圖1所示。水源包括井、渠、水庫等；首部樞紐是指提水、動(dòng)力等設(shè)備；輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)是指管道、管件；保護(hù)設(shè)施有安全閥、排氣閥；田間灌水設(shè)施是指輸水溝、移動(dòng)軟管等。

圖1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)組成圖

2　低壓管道輸水灌溉的優(yōu)點(diǎn)及管道布置形式

2.1低壓管道輸水灌溉的優(yōu)點(diǎn)

低壓管道輸水灌溉具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，節(jié)水，輸水快。低壓管道輸水灌溉因?yàn)橥ㄟ^管道進(jìn)行輸水，可以有效地減少輸水過程中的滲漏和蒸發(fā)損失，一般比土渠輸水節(jié)約水量30%左右，大大提高了灌溉水利用率。第二，省時(shí)、省力，流速大，輸水快，使用方便，便于管理控制。第三，減少土渠占地，以管代渠在井灌區(qū)一般可比土渠減少占地2%左右；輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)埋在地下，便于交通和機(jī)械耕作。第四，節(jié)能，降低灌溉成本。管道輸水灌溉，一般可節(jié)省能耗20%～25%，還能改善田間灌水條件，縮短輪灌周期，促進(jìn)增產(chǎn)增收。

2.2低壓管道輸水灌溉的管道布置形式

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中管道布置形式根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分法，如果以地下固定管道與地面移動(dòng)管道所占的比例和平均密度不同進(jìn)行分類的話，可分為：固定式、半固定式、一級(jí)固定管道和移動(dòng)式4種；見表1。

表1　低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的管道布置形式表

3　工程案例

某項(xiàng)目區(qū)地勢(shì)平坦，農(nóng)業(yè)灌溉為主要依靠開采淺層地下水的平原井灌，是典型的純井灌區(qū)。區(qū)內(nèi)機(jī)井多為20世紀(jì)90年代所建，部分機(jī)井已報(bào)廢，還在使用中的機(jī)井也因?yàn)槟昃檬薮嬖诓煌潭鹊挠俜e和出水量明顯減小，不能滿足灌溉要求的情況。年久失修、管理不善，配套不足等多方面的原因，造成了灌溉水源嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的現(xiàn)狀。

由于項(xiàng)目區(qū)基本上是傳統(tǒng)大田糧食作物，所以項(xiàng)目區(qū)高效節(jié)水灌溉全部實(shí)行低壓管道灌溉，大大改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。

4　低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)

4.1主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范SL/T153-95》，低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)采用以下主要技術(shù)參數(shù)。管網(wǎng)水利用系數(shù)應(yīng)不低于0.95。灌區(qū)土壤主要為砂姜黑土，地面坡降小，根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范SL/T153-95》，設(shè)計(jì)灌水方式為畦灌，畦長(zhǎng)取50m、入畦單寬流量取5～6 L/s·m，設(shè)計(jì)畦寬2.10m，則入畦流量合37.80-45.40m3/h。

4.2設(shè)計(jì)灌水定額

設(shè)計(jì)凈灌水定額由下式計(jì)算：

式中：m—土壤容重（g/cm3）；r—土壤容重（g/m3）；H—計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（m）；β1—適宜土壤含水量上限；β2—適宜土壤含水量下限；β田—田間持水量（重量比%）。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)土壤情況和作物種植情況，土壤容重取1.40 g/cm3，主要根系活動(dòng)層取0.60m，田間持水量為土壤干容重的25.00%，適宜土壤含水量上限取田間持水量的90%，下限取70%，計(jì)算得設(shè)計(jì)灌水定額為120.15m3/hm2。灌水水深為41.80mm。

4.3設(shè)計(jì)灌水周期作物灌水周期計(jì)算如下：

式中：T—設(shè)計(jì)灌水周期（天）；m—設(shè)計(jì)凈灌水定額（mm）。4.4設(shè)計(jì)流量及同時(shí)工作的出水口數(shù)

同時(shí)工作的出水口數(shù)由下式計(jì)算：

式中：N—同時(shí)工作的出水口數(shù)（個(gè)）；q—入畦單寬流量；B—畦寬（m）。

其它符號(hào)意義同前

按設(shè)計(jì)流量分別為32m3/h計(jì)算同時(shí)工作的出水口數(shù)，取1個(gè)。

3.5設(shè)計(jì)單井控制面積

單井控制面積按下式計(jì)算：

式中：A—單井控制面積（hm2）；Q0—機(jī)井額定出水量（m3/h）；T—設(shè)計(jì)灌水周期（天）；t—設(shè)計(jì)水泵每天工作時(shí)間（h）；η—設(shè)計(jì)灌溉水利用系數(shù)；m—設(shè)計(jì)凈灌溉定額（m3/hm2）；α—控制性作物種植比例（冬季α=0.90，夏季α=0.60）。

取設(shè)計(jì)流量分別為32m3/h、設(shè)計(jì)灌水周期9 d，由于當(dāng)?shù)卮蚓杀据^高，水泵每天工作時(shí)間較長(zhǎng)，取12 h，設(shè)計(jì)灌溉水利用系數(shù)η取0.90，設(shè)計(jì)毛灌水定額取420.15m3/hm2，計(jì)算的單井控制面積為5 hm2。

4.6管網(wǎng)水力計(jì)算

4.6.1水頭損失計(jì)算

管道水頭損失由二部分組成，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。在計(jì)算沿程水頭損失時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算采用加大系數(shù)法，把局部水頭損失估算在內(nèi)。

簡(jiǎn)化后的管道水頭損失計(jì)算式如下：

式中：hw—管道水頭損失(m)；β—考慮局部水頭損失的加大系數(shù)（取1.10）；f—管材摩阻系數(shù)；L、D—管道長(zhǎng)度（m）、管道內(nèi)徑（mm）；Q—設(shè)計(jì)流量（m3/h）；m、b—流量指數(shù)、管徑指數(shù)。

地面輸水軟管水頭損失。

C—沿程摩阻系數(shù)（軟管取120）。

其它符號(hào)意義同前。

4.6.2管道系統(tǒng)工作水頭

按照《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范SL/T153-95》》要求，低壓管道輸水灌溉的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，水頭應(yīng)按最大和最小工作水頭的平均值取用。見表2。

表2　各種管材的fm b值表

4.6.3管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程

管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程由下式計(jì)算

式中：Hp—管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程（m）；(Z0-Zd)—管道系統(tǒng)進(jìn)口地面參考點(diǎn)與機(jī)井動(dòng)水位之間的高差（m）；∑hwo—井管水頭損失（m）。

4.6.4管網(wǎng)水力計(jì)算

機(jī)井管網(wǎng)干管、支管采用φ110UPVC排水管。井管計(jì)算長(zhǎng)度的取值按18m計(jì)，井管為D80鋼管。由以上參數(shù)即可計(jì)算得管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

根據(jù)典型機(jī)井的水力計(jì)算，機(jī)井的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為26m，選擇200QJ32-36型、出水量32m3/h的潛水電泵，配套電機(jī)功率為5.50 kw，即可滿足整個(gè)低壓管灌區(qū)機(jī)井的設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)語

綜上所述可知：低壓管道輸水灌溉是目前農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的一項(xiàng)重要技術(shù)，主要應(yīng)用于井灌區(qū)或輸水系統(tǒng)層次少（一級(jí)或二級(jí)）的小型灌溉工程中。低壓管道輸水灌溉需要根據(jù)其工程設(shè)計(jì)進(jìn)行布設(shè)，既能緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾，使農(nóng)作物得到及時(shí)灌溉，還能提高水資源有效利用，為節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

［1］湯慧，趙巖松，伊佳倩.低壓管灌系統(tǒng)在小型灌溉工程中的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2014（1）.

［2］張雷.水利灌溉工程中低壓管灌的應(yīng)用［J］.河南科技，2014（20）.

［3］王二英，李娟.低壓管道輸水灌溉工程田間管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討［J］.價(jià)值工程，2015（14）.

（責(zé)任編輯：劉青）

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1673-8853（2016）08-0082-02

2016-06-09