石上灌區節水配套改造措施分析與應用

張秋香， 廖 歡

（1.江西中煤水利環保集團有限公司，南昌 330000；2.江西省煤田地質勘察研究院，南昌 330001）

0 引 言

輸水管道是灌區的主要節水配套設施，隨著使用年限的增加，輸水管道在人為破壞、自然腐蝕下，會出現不同程度的破損，影響灌溉水運行效率，造成大量水資源無故浪費。為提升節水率，需要充分結合灌區節水配套設施的運行狀態，以及目前灌區工程的實際情況，對輸水管道進行升級改造。石上灌區設計農田灌溉面0.39 萬hm2，建成投入使用的年限比較長，目前普遍存在結構變形、構件碳化、裂縫、脫落、鋼筋裸露、銹蝕等現象；渡槽槽身接頭、節制閘、分水閘閘門止水多已損壞，閘門銹蝕嚴重等問題。水資源浪費現場非常嚴重，灌溉水利用率不高?；诖?，需要對石上灌區輸水管道節水配套進行科學有效的升級改造。

1 工程概述

石上灌區位于寧都縣貢水支流梅江中游，地處E115°54′～116°12′，N26°23′～26°42′之間，東西寬約30km，南北長35.6km。灌區涉及石上、安福和梅江等3 個鄉鎮，耕地面積4 233hm2，設計灌溉面積3 867hm2，有效灌溉面積2 573hm2。灌區現有分干渠110 條，分干渠總長257.43km，其中襯砌長度9.85km，未襯砌長度247.58km；支渠70 條，支渠總長123.34km，其中襯砌長度2.1km，未襯砌長度121.24km。經現場調查，灌區骨干渠道以土質渠道為主，分干渠渠道主要從崗地山坡中通過，渠道土質主要由坡殘積粉質壤土組成，土體呈可塑狀，存在滲漏問題，但淤積不太嚴重；支渠大部分從山溝沖積堆積地貌上通過，渠道土質主要由沖積粉質壤土組成，土體呈可塑狀，存在滲漏問題，淤積嚴重。寧都縣屬贛南中低山丘區，以丘陵、山地為主，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區。氣候溫和，日照充足，四季分明，雨量充沛，冬無嚴寒，無霜期長，適宜于亞熱帶作物的正常生長。石上灌區位于寧都縣北部，屬構造剝蝕低山丘陵地貌和河流沖積堆積地貌，渠系呈條帶狀分布。灌區地形總體上較平坦，高差較小，一般相對高差為50～100m。周邊山體山頂高程一般為300～500m。灌區渠系沿線分布的地層巖性主要有人工堆積層、第四系沖積層和第四系殘坡積層，下伏基巖主要為白堊系沉積巖、石炭系沉積巖、寒武系變質巖、震旦系變質巖及燕山期早期侵入的花崗巖。

2 石上灌區節水設施現存的問題

石上灌區始建于20 世紀60～70 年代，石上灌區是由若干零散的灌片發展起來的，由于分散灌片小水源經常出現水資源不足、不均衡等問題，經常在大旱年導致灌水保證率不高。在施工建設中受到當時技術條件、經濟條件、現場地形地貌的影響和限制，相比于現代化灌區工程，石上灌區建設標準比較低，施工質量比較差，節水配套設施也不夠完善[1]。再加上常年存在管理經費不足的問題，致使灌區養護管理技術沒有得到及時更新，石上灌區現場老化非常嚴重，工程效益和灌溉面積呈現出逐年遞減的趨勢，抗干旱、抗洪澇等自然災害的能力比較低?，F有的灌溉渠道大多為土渠，經過多年的運行，在人力、自然聯合破壞的情況下，使得石上灌區能夠正常通水渠道不足一半，渠道水利用系數僅在0.49 左右，灌區襯砌渠道老化破損、建筑物漏水現象嚴重。

3 灌區節水配套改造的必要性

隨著經濟社會的快速發展，石上灌區農田灌溉基礎設施建設滯后于經濟社會發展，難以適應農業特別是糧食生產的新形勢和新要求。灌區不僅建設年代早，運用時間長，資金短缺、工程設施老化損壞嚴重、供水能力下降、灌溉水利用率較低，灌溉效益衰減嚴重等，而且工程性和管理性缺水是灌區供需水矛盾的主要原因，嚴重制約了當地糧食生產和農村經濟發展[2]。為加快灌區建設改造步伐，改善農業生產條件，提高灌溉水利用效率，增強灌溉及抗旱能力，迫切需要進行續建配套與節水改造，其必要性和緊迫性主要表現在：

1）防災減災的需要：據2008—2013 年間資料統計，寧都縣旱澇災情不斷，年均因旱澇受災面積2 607hm2，糧食減產1 545t。因澇受災面積合計3 347hm2，成災面積1 387hm2，糧食減產1 493t。

2）經濟發展的需要：石上灌區是寧都縣重要的糧食生產基地，是寧都縣經濟發展的重要陣地。目前，石上灌區水利基礎設施較為薄弱，抵御自然災害的能力差，灌溉保證率不高，已成為灌區農業經濟發展的“瓶頸”。開展石上灌區節水配套改造，能夠有效改善農業生產條件，促進農民增收，是寧都縣實現如期脫貧摘帽的基礎保障，也是寧都縣經濟穩定發展的重要引擎。

3）農業產業結構調整的需要：水利是農業的命脈，農業現代化離不開水利現代化。農業產業結構調整對灌區水利工程建設提出了新要求，迫切需要建設一批設施先進，管理科學的灌溉排水工程。石上灌區骨干工程進行管道化改造，能夠充分利用山丘區灌區水頭，便于發展噴灌、微灌等高效節水灌溉，為寧都縣蔬菜產業發展提供水利基礎保障。

4）社會效益的需要：石上灌區設計灌溉面積3 867hm2，灌區內總人口8.26 萬人。本工程的實施可改善灌溉面積233hm2，新增、恢復灌溉面積427hm2（均為農田灌溉面積），項目區內農作物灌溉保證率將由目前的50%提升至75%，灌溉水利用系數由目前0.42 提升至0.7，可新增糧食產量158 萬kg，新增農業總產值359.2 萬元，切實減少農田撂荒，改善城鄉生活條件和生態環境，工程實施后人民生活水平將得到顯著提高。工程總投資為2 172.93 萬元。從國民經濟評價和財務分析結果來看，本工程的內部收益率為13.7%，大于經濟基準收益率8%，經濟凈現值1 165.89 萬元。成本水價為0.213 元/m3。

各項經濟指標均符合國家要求和有關規定，經濟效益和社會效益較為顯著，本設計經濟上是合理的。工程實施后，灌溉成本水價遠低于受益農戶的年均收入，不會增加農民的負擔，受益農戶完全能夠承受。綜上所述，本灌溉工程的設計建設是十分必要和合理可行的。

4 灌區節水配套設施輸水管道改造的措施

4.1 明確改造的內容

為保證灌區節水配套設施輸水管道改造各道工序能夠高效、有序的開展，在正式改造之前，必須明確改造的措施。石上灌區改造范圍確定為陳坊灌片與陳嶺灌片，其主要建設內容有：

1）輸水管道工程。新建PE輸水管道29.29km，其中新建輸水干管2條，總長11.57km；新建分水管34條，長17.72km。

2）新建附屬建筑物229 座，其中新建攔水堰2 座，進水池2 座，新建各類閥門水表井225 座。

3）配套管道計量水表29 套，電磁流量計2 套。

4.2 工程選型

工程選型是灌區節水配套設施輸水管道改造的重點，在進行工程選型時，需要嚴格按照國家農業節水發展的要求，全面提升灌溉水電利用率，以提升新型節水灌溉技術在灌區節水配套設施中的占比，促使當地農業實現可持續發展。就石上灌區而言，骨干渠系工程改造可選擇渠道防滲和管道化改造，通過對比分析渠道防滲和管道化改造優缺點，來確定工程改造選型。管道灌溉通常為有壓灌溉，方便后期發展噴灌、滴灌等先進的高效節水灌溉技術，無需后期加壓，也不會對周圍環境造成影響[3]。而溝渠并不具有這些條件，且后期管理非常麻煩。管道輸水灌溉更加符合未來農業發展趨勢。因此，石上灌區節水配套設施改造采用了管道輸水灌溉。

4.3 管線布置

陳坊灌片與陳嶺水庫和神仙陂水庫灌片在曾坊村處進行連接，其主要目的是為了提高陳嶺水庫和神仙陂水庫灌片供水保證率。陳坊水庫集水面積5.78km2，而陳嶺和神仙陂水庫集水面積僅為1.58km2，當遇到特枯旱年，陳嶺和神仙陂水庫灌片可能會因為來水不夠，造成灌片灌水得不到保障，此時可通過陳坊水庫灌溉曾坊村，減少陳嶺和神仙陂水庫的灌溉面積，提高灌溉保證率[4]。其具體運行規則為：

1）灌溉期，當陳嶺和神仙陂水庫灌片水源水量不足以灌溉其控制面積時，開閥通過陳坊水庫灌溉曾坊村農田。

2）非灌溉期，當陳坊水庫有棄水時，開閥向曾坊村山塘進行補水，增加陳嶺和神仙陂水庫灌片水源可供水量。

4.4 管材選擇

在石上灌區輸水管道施工中，管材的選擇直接關系到工程的造價，以及整個輸水系統運行的安全性、可靠性，需要高度重視。在灌區輸水管道施工中常用的管材有3 種，包括球墨鑄鐵管、預應力鋼筋混凝土管、PE 管。需要結合工程特點和市場供應情況選擇合適的管材，本工程管材管徑采用了DN630mm 以下的管材，因此，僅僅對比球墨鑄鐵管和PE 管。

價格對比：當管徑≥300mm 時，球墨鑄鐵管的價格要小于PE管價格。因此，從價格的角度來看，當管徑≥300mm，可采用球墨鑄鐵管[5]。

優缺點對比：球墨主體管道的優點是安裝比較方便，安裝后內外承壓好，密封性好，可通過內壁噴鋅的方法，提升防腐效果。缺點是球墨鑄鐵管道的連接會受到人為操作水平的影響，并且長期運行二次污染比較明顯。PE 管道的優點是經濟性比較好，接口穩定可靠，材料抗沖擊，抗開裂，耐老化。缺點是需要采用有效的連接措施，且對連接技術的要求比較高。

施工方便程度對比：案例工程施工現場比較寬闊，管道運輸方便，從保證水質角度來看，若采用球墨鑄鐵管，需要在管道內部涂抹一層水泥，作為內襯。若采用了PE 管，則需要水泥內襯。從施工方便的角度來看，若采用球墨鑄鐵管道，尤其管道重量大，在具體施工中，需要對球墨鑄鐵管的承插口進行填縫處理，施工過程比較復雜，施工難度比較大。但若采用PE 管，由于管道質量比較輕，在具體施工可不用大型吊車，采用小型吊車即可。而PE 管需要采用熱熔連接，接口密封性能比較好。

綜合對比價格、優缺點、施工方便程度，在結合當地施工條件，所選擇的施工技術，以及后期維護管理的便捷性，最終采用PE100型給水管[6]。

4.5 管徑計算

由于采用管道輸水，本工程的灌溉水利用系數達到0.7，由于本次工程中管道均為自壓流動，因此在確定管徑時應結合地形高差、管道流量綜合選定管道管徑，應盡量利用地勢差消除管道水頭損失。沿程水頭損失計算公式采用海森-威廉公式計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%考慮。

式中：hf為沿程水頭損失（m）；

Q為管道流量（m3/h）；

L為管道長度；

Cw為沿程水頭損失（m），塑料管取150；

D為管道內徑（mm）。

管道水力計算結果如表1 所示。

表1 管道水力計算結果表

5 施工效果分析

灌區節水改造配套項目實施后，現有灌溉系統的各項性能指標均得到提高，對灌區的良性發展將發揮巨大作用。項目區干渠輸水能力基本達到設計要求，灌溉水利用系數由現狀0.42 提高到0.7，年均節約灌溉用水322.59 萬m3。因渠系水利用系數提高，灌溉制度優化，種植結構調整等，節約了灌溉用水量，提高企業糧食的生產能力和農業產值。

6 結 語

綜上，結合石上灌區實際案例，分析了灌區節水配套改造的措施及應用，結果表明，灌區節水配套設施對整個灌區工程運行的穩定性有很大影響，尤其是輸水管道是否完善、是否滲漏，有效的提高灌區水資源的綜合利用率。在進行升級改造中，充分考慮灌區特點，選擇合適的管材，最大限度保證改造效果。