低壓管道輸水灌溉在石堡川灌區應用的技術要點探討

龔裕凌

（陜西省水利發展調查與引漢濟渭工程協調辦公室，陜西 西安 710004）

1 工程概況

石堡川灌區位于關中平原北沿，橫跨延安洛川、渭南白水和澄城三縣，現有設施灌溉面積28466.67 hm2，灌區受益范圍包括洛川、白水、澄城、蒲城等四縣18個鄉鎮，79個行政村，31.7萬人口，其中農業人口24.8萬人次。灌區屬寒溫帶大陸干燥性氣候，常年多風沙，降水稀少，年平均氣溫12.4℃，年均降水量550.1 mm，年均蒸發量1229 mm，年內日照時數達2475 h，無霜期平均211 d。灌區位于渭北黃土塬區，黃土覆蓋層較厚，地下水埋深大，灌區內土壤主要由黃錦黏土、褐色壚土和砂礫料組成，土壤有機質含量約0.901%，孔隙率49.7%，質地肥沃，結構良好，蓄水保墑能力較優。灌區主要作物為小麥、玉米、蘋果樹，是陜西省內較大的糧食和蘋果優產區。灌區地下水埋深為50 m～90 m，灌區現狀灌溉模式主要由樞紐、干渠、支渠、抽水站及田間工程構成，灌區內有干渠一條，長37.88 km，其余建筑物201座，設計灌溉流量10.2 m3/s，加大灌溉流量12.3 m3/s，8條支渠和13條分支渠總長度241.3 km。灌區現有抽水站10座，裝機容量共1550 kW，抽揚水能力1.78 m3/s。田間灌溉斗渠395條，總長568.4 km，分引渠共2392條，長2315.2 km。石堡川灌區現有干渠大多數已進行過硬化襯砌處理，由于管理維護較為及時，渠道滲透和淤積并不十分嚴重，但是將現有干渠輸水改為低壓管道輸水后許多管徑將超1.0 m，導致工程投資增大。在2017年灌區開始引進和實施低壓管道輸水灌溉技術。

2 低壓管道輸水灌溉的技術要點

2.1 確定灌溉模數

灌溉模數（灌水率）也就是單位灌區內所需要的灌溉流量，灌溉模數是確定渠首引水流量，渠道設計流量計灌區用水計劃的主要依據，灌溉模數取值過大會導致材料、資金的浪費，取值過小則難以滿足灌溉所需[1]。灌溉模數按下式確定：

式中：qin凈為第i種作物第n次灌水所需的灌溉模數，m3/（s·萬畝）；σi為第i種作物種植面積占比，%，石堡川灌區主要作物為小麥、玉米、蘋果樹，種植面積占總灌區面積之比分別為42.7%、25.8%、30.2%；min為第i種作物第n次灌水定額，m3/hm2，石堡川灌區小麥、玉米、蘋果樹等主要作物灌水定額見表1；Tin為第i種作物第n次灌水持續時間（h），本灌區為自流灌區，取Tin=24 h。

表1 石堡川灌區主要作物灌水定額參照表 單位：m/hm2

經計算得，P=25%，小麥的qin凈為冬灌期0.1236、拔節期0.1030、抽穗期為0.0927；P=50%時，小麥的qin凈為冬灌期0.1236、拔節期和抽穗期都為0.1133；P=75%，小麥的qin凈為冬灌期0.1338、拔節期為0.1133，抽穗期為0.1030。P=25%，玉米的qin凈為冬灌期0.0622、拔節期0.0560、抽穗期為0.0560；P=50%時，玉米的qin凈為冬灌期0.0684、拔節期和抽穗期都為0.0622；P=75%，玉米的qin凈為冬灌期0.0747、拔節期為0.0684，抽穗期為0.0622。P=25%，蘋果樹的qin凈為花期0.0874、果期0.0728、采收期0.0728；P=50%時，蘋果樹的qin凈為花期0.0947、果期為0.0728，采收期0.0801；P=75%，蘋果樹的qin凈為花期0.0947、果期為0.0874，采收期為0.0801。

從灌溉模數確定的過程可知，參數σin、min、Tin是影響灌溉模數的主要因素，而這三個因素又受作物結構、種類、灌溉方式、灌溉管理制度等的影響[2]，所以在石堡川灌區低壓管道輸水灌溉模數確定的過程中，必須十分慎重。

2.2 管網布置型式的選擇

2.2.1 輸水灌溉管網系統首部樞紐布置

為了保證灌溉管網系統首部與灌溉環境的適應性與協調性，石堡川灌區低壓管道輸水灌溉采用不設井房的室外射頻卡控制灌溉技術，設置地下保護池、逆止閥、閘閥、水表、壓力表、進排氣閥保護裝置，在井口設置保護蓋便于水泵安裝和養護，除射頻控制卡系統外，其余裝置均隱蔽式安裝，低壓管道輸水灌溉管網系統首部樞紐布置見圖1。

圖1 低壓管道輸水灌溉管網系統首部樞紐布置圖

2.2.2 管網布置

按照《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T 20203-2006）的要求，低壓輸水灌溉管道必須短且直，水頭損失小，總費用節省，便于運行和管理，各用水單位均應設置獨立的配水口，并保證配水口位置、給水栓型式、管道連接方式等與灌溉方式的匹配性；輸水管道必須避開填方、滑坡等區域而布置于堅實的地基之上，若灌區地形復雜，則應實施變管坡布置，保證管道中心線鋪設縱坡≤1∶1.5，傾角≤土壤內摩擦角。為預防輸水管道拐彎處可能出現的真空，必須預留2 m～3 m水頭的余壓。對于寒冷地區的灌區，固定輸水管道和易損管材等應埋設于≥60 cm的凍土層以下。

依據水源地、管網控制灌溉范圍、坡面、田塊形狀、作物種植結構確定石堡川灌區低壓管道輸水系統固定管網布置采用樹枝狀型式，干管布置于灌區邊緣，并與現狀干（支）渠垂直，長度一般在1.8 km～2.5 km；支管與干管垂直，支管按與作物種植走向平行的模式布設，且間距為60 m～150 m，長度即為干管間距，且在350 m以內；農管間距也就是田間灌水溝畦的長度，在100 m以內。灌區內平整性較好的地塊，必須雙向灌水，以便減少給水栓數量，本工程設置三個給水栓（出水口）；而對于平整性差、起伏大的地塊，應將移動軟管連接于固定式（出水口）給水栓，以保證灌水均勻度。石堡川灌區低壓管道輸水系統管網布置型式見圖2。渠系水利用系數應≥0.95，田間固定管道長度在100 m/hm2～150 m/hm2范圍。（出水口）給水栓必須與軟管相連進行灌溉，此外，石堡川灌區低壓管道輸水系統還應設置安全保護裝置以及排水、泄空、防凍害措施，其中排水泄空裝置安裝于地勢較為低洼的支管1的尾部，在冬季灌溉結束后，及時打開排空裝置，將管道內灌溉水排空處理。工程運行結果表明，對于石堡川灌區內凍脹性強的黏土和凍脹性弱的砂礫料，排水泄空措施實施后抗凍脹性顯著提高。

圖2 低壓管道輸水系統管網布置型式

2.3 管材選擇與管徑的確定

2.3.1 管材的選擇

輸水管材的經濟性與耐用性對于管道輸水灌溉系統投資影響較大，當前，低壓管道輸水灌溉管材方面可以選用薄壁PVC-U塑料管、PPR塑料管、PE管材、地埋塑料軟管、素混凝土管等。塑料軟管種類較多，具有良好的適用性和耐水壓性，素混凝土軟管造價低，但是對地形的適應性、耐水壓性及連接可靠性一般。各類低壓管道輸水灌溉管材性能比較見表2，選擇材料時應充分考慮農業灌溉管材壓力等級要求不高的特點，避免盲目套用市政、給排水等行業規范，導致輸水管材壓力等級無謂提高和工程投資的無謂增加[3]。

表2 低壓管道輸水灌溉管材性能比較

本工程選用低壓管道輸水灌溉管材時，嚴格遵循《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T 20203-2006）和《灌溉用塑料管材和管件基本參數及技術條件》（GB/T 23241-2009）的要求，根據石堡川灌區地形條件，在地勢平坦的東北區，采用薄壁PVC-U塑料管，而在地勢高低起伏的西南區采用PE管材，結合使用。同時，結合管網壓力分布特征進行管材壓力等級確定，石堡川灌區低壓管道輸水灌溉管道壓力應≤0.4 MPa。

2.3.2 管徑的確定

根據經濟流速法[4]進行低壓管道輸水灌溉管徑確定，具體如下：

式中：D為管徑，mm；Q為管段設計流量，m3/h；v為管道內設計流速，m/s。

為防止灌溉管道內水擊破壞的發生，石堡川灌區灌溉工程管道內允許設計流速≤3.0 m/s，且≥防淤流速0.5 m/s。《節水灌溉工程技術標準》（GB/T 50363-2018）規定，管徑 100 mm～250 mm，經濟流速v=0.6 m/s～0.9 m/s，管徑≥250 mm 時，v=0.9 m/s～1.4 m/s，根據此標準及式（2）的管徑平方與流速呈反比例關系，取石堡川灌區低壓管道輸水灌溉管網造價與管理費用最低情況下的管道內設計流速為1.25 m/s，干管管徑為Φ286 mm，支管管徑為Φ105 mm。

3 結論

石堡川灌區低壓管道輸水灌溉系統建成運行后，農作物灌溉用水得到有力保障，種植面積進一步擴大，工程運行后，嚴格按照小麥、玉米和蘋果樹的灌溉制度進行灌溉，確保了主要作物各個生長階段灌溉需水量，起到了極大的增產作用。工程實施后，灌區還新增加了花生、西瓜等經濟作物，經濟效益和社會效益顯著提高，也為灌區農業產業結構調整奠定了堅實的基礎。據測算，灌區渠系水利用系數從原先的0.67提高到當前的0.96，渠道糙率減小，再加上低壓管道輸水灌溉系統全部采用管道深埋設置，節約耕地約2.4 hm2，也省去了大量的渠道維護工作量。