灌溉輸水管道現狀及發展需求

白 靜，謝崇寶

(中國灌溉排水發展中心，北京 100054)

管道輸水和渠道輸水是灌溉輸水工程中最為重要的形式。與渠道輸水的方式相比，管道輸水的水利用系數更高，一般比土渠輸水節水約30%，比砌石防滲渠道節水15%左右[1,2]，管道輸水灌溉以其成本低、節水明顯、技術簡便易行等特點，已成為世界許多發達國家發展灌溉優先選用的技術措施之一。美國加州圣華金河谷灌區支渠以下的輸水系統在1996年就全部實現管道化，控制面積為24.67 萬hm2，灌溉水利用系數為0.97。前蘇聯、日本、澳大利亞、以色列等國家也大面積發展管道輸水灌溉，并有采用管道逐步代替明渠的發展趨勢。目前在我國管道是井灌區首選的輸水方式，國內許多學者已經研究了在渠灌區推廣管道輸水的可能性[3]，并在陜西、河北、河南、新疆等地開始試點應用[4-6]。

1 灌溉管道的分類

關于管道分類方法，我國灌溉領域也進行了一些有益的探索。劉群昌介紹了低壓管道輸水工程中塑料管道、現澆管道和預制管道等3種管材的基本參數[7]。張華等人[8]從塑料管材和金屬管材2個方面著手，對應用于節水灌溉中的管材進行了詳細的介紹和總結。針對低壓管道輸水形式，劉群昌[9]系統介紹了薄壁PVC管以及可用于替換渠道的大口徑雙壁螺旋塑料管。

目前，管道的分類主要有兩種方法：按照材質和壓力分類，其中按照材質分類是管道主要的分類方法。管道按照是否加壓分為無壓管道和壓力管道。壓力管道是指輸送的液體氣體等介質在加壓的狀態下運行的管道的統稱，一般以大氣壓力表示，根據工作壓力不同，可分為低壓、中壓和高壓等不同壓力等級的管道[10]。分類標準與相應行業的管道設計壓力范圍有關[11,12]。在灌溉中涉及壓力管道的灌溉形式主要有低壓管道輸水灌溉、噴灌、微灌等。考慮到管道的設計壓力范圍，參照現有的塑料管道按照壓力分類的方法[13]，按照管道公稱壓力可以分為：低壓管道(p≤0.4 MPa)、中壓管道(0. 4 MPa1.0 MPa)，具體見表1。

表1 不同行業內壓力管道的分類

根據灌溉用管道材質的不同，可以分為塑料管道、金屬管道、水泥類管道和復合管道。考慮管道基質材料的重大不同，將復合管道分為非生物基質復合管道和生物基質復合管道。具體分類見圖1。

圖1 灌溉管道按照材料分類圖

1.1 塑料管道

塑料管道是采用熱塑性或者熱固性樹脂制作的管道的統稱。塑料管道具有輕質高強、耐腐蝕、內壁光滑不結垢、施工和維修簡便、使用壽命長等優點，塑料管道在農業領域應用廣泛。根據《中國塑料管道行業要“十三五”期間(2016-2020)發展建議》中的統計數據，塑料管道在農業領域的應用量最大，2015年應用比例占塑料總產量的29.0%[14]。

(1)按照塑料管道材質分類。塑料管道中三大主流管道為：聚氯乙烯(PVC)管、聚乙烯(PE)管和聚丙烯(PP)管等，分別占塑料管道總量的55%，30%和10%。灌溉用塑料管道通常為PVC管道和PE管道。

PVC管道以氯乙烯樹脂單體為主，加入必要的添加劑，用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管，具有一定的耐腐蝕性能，一般用于常溫介質的管道。1936年德國開始開發使用PVC管材[15]，我國從20世紀60年代引入PVC管道，最初主要用于化工領域，輸送帶腐蝕性的流體[16]。根據其性能改進情況，PVC管道分為PVC-U管道、PVC-M管道、PVC-O管道[17]，其各自特點見表2。在灌溉中一般選用PVC-U管道。在低壓管道輸水灌溉中也可選用薄壁PVC管。薄壁PVC管[6,8,18]的工作壓力為0.2 MPa，單位長度原料比普通PVC-U管降低約40%，單價降低約30%，依靠管材-土壤系統的組合強度，薄壁管材有足夠的承壓能力，在一般埋設條件下，其長期變形率可維持在5%以內。

表2 PVC管道分類及其特點

聚乙烯塑料(PE)管是指以聚乙烯樹脂單體為主，加入必要的添加劑，用擠出成型法制成的熱塑性塑料圓管。PE管具有良好的低溫性能和韌性，可以在凍土層中使用。根據加工時壓力和密度的不同，可以分為低密度PE(LDPE)管、中密度PE(MDPE)管和高密度PE(HDPE)管[19]。高密度PE(HDPE)管耐高溫性能和機械性能好，低密度PE(LDPE)管的柔性更優。

(2)按照斷面形式分類。塑料管道按照斷面形式分為實壁管和結構壁管。實壁管指任意橫截面為實心圓環的管道，而結構壁管指對管道的斷面結構進行優化設計，達到節省材料、滿足使用要求的管道，例如芯層發泡管、波紋管、纏繞管和加筋(肋)管等[20]。在灌溉中常用的塑料結構壁管包括PVC-U波紋管、PVC-U加筋管和PE波紋管，見圖2。其中PVC-U結構壁管一般用于工作壓力不大于0.2 MPa的低壓輸水灌溉工程[13,21,22]，而大口徑雙壁波紋PE管則可用于渠灌區管道輸水工程[9,23]。

圖2 灌溉輸水塑料管道分類(斷面形式)

1.2 金屬管道

金屬管道是用金屬材料制成的管道的統稱，包括：鋼管(SP)和鑄鐵管等。鋼管按制作工藝分為焊接鋼管和無縫鋼管兩類[10]。焊接鋼管是指由鋼板卷焊制作的鋼管，按焊縫形式分為螺旋焊接鋼管和直縫焊接鋼管兩種，見圖3。螺旋焊接鋼管一般采用埋弧焊接工藝，直縫焊接鋼管按焊接工藝不同分為直縫埋弧焊管和直縫高頻焊管。

圖3 鋼管的分類

鑄鐵管道是用鐵水澆鑄的圓管的統稱。按管道成型工藝可分為連續鑄鐵管和離心鑄鐵管，按照鐵水的質量可以分為連續鑄造灰鐵管、連續鑄造球鐵管、離心鑄造灰鐵管和和離心鑄造球鐵管[24]，見圖4。其中以離心鑄造球鐵管性能最優，簡稱球墨鑄鐵管，指由經過球化和孕育處理的優質鐵水采用離心澆鑄制作的圓管。西方發達國家從20世紀60年代開始逐漸淘汰了普通灰口鑄鐵管并開始采用了球墨鑄鐵管，我國1985年開始從德國、美國等引進了水冷金屬型離心鑄管技術及設備，開始生產球墨鑄鐵管[8]。球墨鑄鐵管具有較高的強度、較好的韌性和防腐性能。

圖4 鑄鐵管的分類

由于受到成本的限制，在節水灌溉工程中鑄鐵管和鋼管一般用于不具備埋地條件下的山丘區、灌溉系統的首部、閘閥連接處和骨干引水管，不適用于田間輸配水系統。鋼管也用來制造大型噴灌機組[8]。

1.3 水泥類管道

水泥類管道分為混凝土管、鋼筋混凝土管、預應力鋼筒混凝土管和石棉水泥管等[10]。其共同的優點為耐腐蝕，壽命長，但這類管材脆性大，管壁厚，重量大，運輸安裝不便，一般用于流量較大的輸水管道。在壓力較小時選用混凝土管，壓力較大時采用鋼筋混凝土管和鋼筋筒混凝土管。石棉水泥管是用石棉纖維和水泥抄取成型的圓管，由于其抗沖擊能力差、管徑較小，灌溉中已很少使用。

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)廣泛應用于市政、電力、水利等工程項目中。預應力鋼筒混凝土管是由帶鋼筒的高強混凝土管芯在纏繞預應力鋼絲后，再噴涂以水泥砂漿保護層制成的新型管材。按照工藝可以分為兩類[25-27]：內襯式預應力鋼筒混凝土管(PCCPL)和埋置式預應力鋼筒混凝土管(PCCPE)。預應力鋼筒混凝土管在國外已有近80年的歷史[28]，1939年PCCP管最早由法國邦納(Bonna)公司研制，并敷設于巴黎郊區。1942年美國開始研究生產內襯式預應力鋼筒混凝土管(PCCPL)。1952年開始生產埋置式管。我國PCCP管的研制、生產起步較晚[29]，1984年研制了直徑600 mm的PCCP管并在工程中成功試用。21世紀開始引進、生產和應用大口徑的PCCP管，如南水北調工程北京段使用了直徑4 m的PCCP管[25]，表明其可以用于需長距離輸水的灌溉工程。美國土木工程學會和材料學會認定PCCP管使用壽命為100年[30]，其缺點為自重大，內徑為4 m的管道每米重量達9 t以上[31]。

1.4 非生物基質復合管道

非生物基質復合管道指傳統意義上的復合管，是用兩種或兩種以上材料生產成的管壁結構管道的統稱。如玻璃鋼管、玻璃鋼夾砂管、鋼塑管、塑玻管等屬于非生物基質復合管。灌溉工程中常用的非生物基質復合管有玻璃鋼管和玻璃鋼夾砂管等。

玻璃鋼管(FRP)是由玻璃纖維和不飽和聚酯樹脂等組成的復合管道，也稱為玻璃纖維增強塑料管。由于玻璃鋼中的連續纖維拉伸強度和彈性模量較高，其機械強度可以達到或超過普通碳鋼的水平，但密度遠小于普通碳鋼[32]。按照制造工藝可以分為：纖維纏繞玻璃鋼管和離心澆筑玻璃鋼管[33]，其中纖維纏繞法比較常見。玻璃鋼復合管產生于20世紀40年代中期，70年代進入工業化生產階段，80年代我國引入了纏繞玻璃鋼管生產線[33]。

在玻璃鋼離心澆筑成型的過程中，對于高剛度要求的管材通過加砂提高剛度，而對于承受內壓較高的管材不加砂。以玻璃纖維及其制品為增強材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機非金屬顆粒材料為填料，采用纏繞、離心澆鑄工藝方法制成的管道，稱為玻璃鋼夾砂管或玻璃纖維增強塑料夾砂(FRPM)管[34]。與玻璃鋼管相比，玻璃鋼夾砂管的成本低，其特點為：重量輕，內壁光滑，耐腐蝕[31]。玻璃鋼夾砂管主要運用于給排水工程、農田灌溉等水利工程領域。

1.5 生物基質復合管道

竹纏繞復合管道是一種以竹材作為增強材料、合成樹脂作為黏合劑，采用往復式機械纏繞工藝復合而成的具有較強抗壓能力的新型生物質管道[35]，具有節能環保、資源可再生等優勢。竹纏繞復合管沿管徑方向，由內到外依次為內襯層、增強層和外防護層(見圖5)。內襯層防止內部基體開裂、介質外滲等現象發生，增強層是主要的承重承壓部分，外防護層保護管材使其具有良好的長期耐久及耐候特性。在中試過程中，測試了竹纏繞復合管管道在不利條件下的應用效果，如非正常安裝施工、鹽堿度高、融雪不規則沉降情況、高氯堿環境、公路載荷和凍土層。實踐表明，竹纏繞復合管道應用效果良好。

圖5 竹纏繞復合管的結構示意圖

2 管道的特性

2.1 管徑范圍、壓力等級和密度

PVC-U管和PE管的管徑一般小于630 mm，常用于短距離輸水和田間灌溉管道。普通焊接鋼管和鑄鐵管的最大管徑比普通塑料管稍大，其承壓能力高，一般用于閘閥連接、首部工程和泵站的進水和出水管道以及明鋪的灌溉輸水工程。玻璃鋼夾砂管、預應力混凝土管、竹纏繞復合管的管徑大于等于315 mm(其中預應力鋼筒混凝土管、預應力鋼筋混凝土管的管徑最小為400 mm)，最大管徑可以達到3 000～4 000 mm，最大承壓能力在2.0 MPa左右，因此主要用于長距離輸水較大口徑的管道工程(見表3)。

表3 不同類型管道密度、管徑和承壓范圍的比較

注：①預應力混凝土管的密度一欄實際為單位長度的重量，單位kg/m。

密度和壁厚決定了管道單位長度的重量，直接影響工程的投資和施工的便捷程度。密度從高到低依次為：預應力鋼筒混凝土管、鍍鋅焊接鋼管、鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、PVC-U管、竹復合壓力管和PE管。預應力鋼筒混凝土管、預應力鋼筋混凝土管、大口徑鍍鋅焊接鋼管和鑄鐵管需要借助專業機械吊裝。

(1)PVC-U管。在中高壓輸水灌溉工程中，硬聚氯乙烯PVC-U管材[36]中涉及0.63、0.8、1.0、1.25、1.6、2.0、2.5 MPa等7種壓力規格的管道。管道尺寸涵蓋dn20～dn1000的28種管徑。

在低壓輸水灌溉工程中，PVC-U管道[37]涉及4種公稱壓力：0.2、0.25、0.32和0.4 MPa。涵蓋dn75～dn315的12種管徑。硬聚氯乙烯PVC-U雙壁波紋管管徑有dn63～dn1000等17種規格，硬聚氯乙烯PVC-U加筋管道有3種規格：dn150、dn225和dn315。PVC-U管道密度介于1 350～1 550 kg/m3之間[13]，是PE管的1.40～1.69倍。

(2)PE管。根據管道材料最小要求強度(MRS)的不同，可以分為PE63級(6.30～7.99 MPa)，PE80級(8.0～9.99 MPa)和PE100級(10.0～ 11.19 MPa)管材。在給水用聚乙烯PE管材[38]中涉及0.32、0.4、0.6、0.8、1.0、1.25和1.6 MPa等7個壓力等級，管道公稱外徑涵蓋dn16～dn1000的29種管徑。密度介于915～965 kg/m3之間。

(3)普通焊接鋼管。鋼管的管徑范圍廣泛，推薦選用的普通焊接鋼管的外徑為dn10.2～dn2540之間，共有35種規格[39]，其中低壓流體輸送用管端用螺紋連接的焊接鋼管公稱口徑的尺寸有：DN6～ DN150共14種規格[40]。鋼管本身的密度為7 850 kg/m3，在實際工程中需要在鋼管上增加鍍層用于防腐，鍍鋅鋼管的密度隨著鍍層加厚而增加，修正系數介于1.006～1.225之間，其密度范圍為7 897～9 616 kg/m3，是PE管道的8.18～10.51倍。

(4)球墨鑄鐵管。球墨鑄鐵管的公稱直徑介于dn40～ dn2600之間，共30種規格，公稱壓力有：10、16、25和40 MPa等4個壓力等級[41]。其密度為7 050 kg/m3，比鋼管稍輕，是PE管的7.31～7.70倍。由于鑄鐵管耐腐性差，一般管道內外均需要設涂層。

(5)玻璃鋼夾砂管。玻璃纖維增強塑料夾砂管(玻璃鋼夾砂管)的公稱直徑介于dn100～dn4000之間，共30種規格，公稱壓力有0.1、0.25、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0、2.5、3.2 MPa等12種等級[42]，其密度范圍為1 700～ 2 500 kg/m3[43]，是PE管的1.76～2.73倍。

(6)預應力混凝土管。預應力鋼筒混凝土管的公稱直徑介于dn400～dn4000之間，共22種規格，公稱壓力有0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 MPa等9個壓力規格[27]。預應力鋼筋混凝土管的公稱直徑介于dn400～dn3000之間，共17種規格，公稱壓力有0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa等6種壓力規格[44]。

(7)竹纏繞復合管。竹纏繞復合管的公稱內徑介于dn150～ dn3000之間共23種尺寸，公稱壓力有0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 MPa等8個壓力規格[45]，其密度介于1 150～1 350 kg/m3之間，密度比PVC管小，比PE管略大，是PE管的1.19～1.48倍。

2.2 管道力學性能比較

管道的力學性能直接關系到有壓條件下管道的工作狀態，由于玻璃鋼夾砂管和PCCP管的性能參數是多種材料協同工作的結果，在本節中只比較其他幾種管道的參數，見表4。從拉伸強度和彈性模量上講，PVC-U管和PE管的彈性模量基本相當[46,47]，竹纏繞復合管是塑料管道的2～3倍[45]，PE管的拉伸屈服應力比二者都小[37,38,45]。鍍鋅焊接鋼管和球墨鑄鐵管強度最高，其拉伸屈服強度在185 MPa以上[40,41]，鋼管的彈性模量和球墨鑄鐵管相當，在17 GPa以上[48]，是塑料管道和竹纏繞復合管的67～244倍。

表4 不同類型管道的力學性能參數比較

注：①為PE80級管材參數;②為牌號Q195，壁厚t>16 mm時的值;③為牌號Q195，外徑D>168.3 mm時的值;④為離心球鐵管參數;⑤為長期抗拉強度設計值。

斷裂伸長率是管道的韌性指標。所有管道中，PE管道的斷裂伸長率最大[38]，表明PE管的韌性最好，除此之外其他管道的斷裂伸長率下限介于10%～15%之間[37,40,41,49]。

2.3 管道水力學性能比較

我們采用糙率系數n對不同管道的水力學性能進行對比分析。在過流量、管道坡度一定的情況下，糙率系數n越大，相應的管道直徑也越大。不同類型管道的糙率系數見表5。在一般條件下，PVC-U管、PE管和玻璃鋼夾砂管的糙率系數較小，介于0.008～0.01之間，在設計中可能取較大值[31,50-52]。鍍鋅鋼管和球墨鑄鐵管的糙率系數n在0.010 5～0.014之間變化[52,53]，當在管內設有聚氨酯內襯時，管道的糙率系數n減小到0.008 1左右[54]。PCCP管的糙率系數n與制造工藝有直接關系，我國目前預應力混凝土管糙率系數設計值的推薦范圍為0.011 0～0.011 5，糙率系數試驗值的范圍為0.009 5～0.012 3[55]，竹纏繞復合管道的糙率為0.011[45]。

表5 不同類型管道的糙率系數比較

3 灌溉現代化對管道的需求

灌溉現代化的核心內涵為供水可靠化、調度靈活化、用水精準化和管理信息化[56]。灌溉現代化需要現代化的手段。我國是一個水資源供需矛盾十分突出的灌溉農業大國，實施水資源嚴格管理是一項長期國策，發展管道輸水灌溉易于實現總量控制、定額管理，在灌溉現代化過程中發展管道輸水灌溉是重要的方向。

(1)管道的密閉性。開放式的渠道中水流為重力式流動，而管道內是一個密封的空間，可以加壓提高水流流速，提高供水及時性。同時管道滲漏少，可埋于地下不易受到破壞，有助于提高供水的可靠性。

管道的密閉性有助于通過變頻設備和閘閥聯動調節，對管道內的水量和流速進行實時控制。水肥一體化是現代農業發展的趨勢，除了節省人力外，容易實現肥隨水走，提高灌溉施肥肥效和養分利用率，減少施肥總量，降低因過量施肥帶來的水體和環境污染問題，進而增加投資收益率[57,58]。

(2)管道的靈活性。管道的靈活性體現在其管徑范圍跨度大，其管徑介于16～4 000 mm之間。管道的靈活性有助于實現輸配水的靈活性。在輸配水過程中，依據用水戶的需求進行靈活的調度是供水可靠化涵義的延伸，也是實現用水精準化的前提條件。灌溉調度的目的在于實現水資源的時空優化配置。一方面，管道可以深入田間地頭，比渠道增加灌溉空間調度的靈活性；另一方面，管道輸水速度快，可以縮短輪灌時間，管道輸水比渠道輸水更易于實現灌溉調度時間的靈活性。

管道的靈活性有助于實現用水精準化。用水精準化是灌溉現代化的最后一環，其表現為田間灌溉的現代化，其含義為借助信息化手段，確保灌溉水均勻、適量和及時送到作物根部，滿足作物生長需求。用水精準化需要通過建設噴灌、滴灌、微噴灌和小管出流高效節水灌溉工程來實現。在建設過程中，需要在田間鋪設大量的管道，實現灌溉地塊的靈活分區、輪灌和自動控制，在節水的同時，節約勞動力，提高產量和肥料利用率[59-61]。隨著農村土地流轉和規模化經營的出現，對高效節水灌溉規模化的需求也日益凸顯[62]。

(3)管道內壁光滑。由于管道的糙率系數更小，在有壓條件和自壓條件下，流速比渠道大，在適當的條件下以管道代替渠道，可以提高供水及時性，為田間精準灌溉的實現提供保證。在輸配水工程建設中，大口徑管道的遴選是灌區管網建設的新需求，產出投入高、工作性能優良、耐候性好、糙率系數小、易運行維護的大口徑管道是發展大型灌溉管網的理想選擇。

4 結 語

本文對灌溉輸水涉及的管道分類以及性能參數進行了歸納，對管道的分類進行了有效的擴充，首次將生物基質復合管納入分類體系。與經典管道相比，新興管道具備類似的性能和特征。

在農業集約化規模化發展過程中，規模化的灌溉管網是灌溉現代化的必然趨勢。在發展管道灌溉的進程中，應當充分認識到管道輸水灌溉的優越性；按照因地制宜和分步實施的原則，對輸水工程和灌溉工程改造的過程中，充分論證管道輸水的可行性，分步推進；應該堅持在高標準條件下的低投入原則，增加灌溉工程投資，保證工程建設標準和質量。

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