楊書君 高本虎 趙 華

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048；3.國家農(nóng)業(yè)灌排設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100048）

低壓管道輸水灌溉技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水改造中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊書君1,2,3高本虎1,2,3趙 華1,2,3

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048；3.國家農(nóng)業(yè)灌排設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100048）

針對(duì)低壓管道輸水節(jié)水灌溉技術(shù)在山西禹門口灌區(qū)的示范應(yīng)用，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程布局、設(shè)備選型等方面對(duì)渠灌區(qū)低壓管道輸水節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹。通過近年的示范應(yīng)用，證明該灌溉技術(shù)具有節(jié)水、省地、省工和工程造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便、管理方便及工程壽命長(zhǎng)、增產(chǎn)效益明顯等多種優(yōu)勢(shì)。

低壓管道輸水；渠灌區(qū)；節(jié)水改造

山西禹門口提水灌區(qū)管道輸水灌溉技術(shù)試驗(yàn)示范區(qū)建設(shè)是水利部試驗(yàn)示范區(qū)項(xiàng)目，主要開展管道輸配水和灌溉集成技術(shù)試驗(yàn)示范，提出了較完善的灌區(qū)管道輸水灌溉綜合配套技術(shù)和運(yùn)行管理模式，為我國渠灌區(qū)節(jié)水改造中或條件合適的灌區(qū)推廣應(yīng)用低壓管道輸水灌溉技術(shù)提供技術(shù)支撐并進(jìn)行宣傳示范。

1 項(xiàng)目區(qū)概括

山西禹門口提水工程灌區(qū)位于山西省運(yùn)城市西北部，地轄河津、稷山、新絳三縣（市），東西長(zhǎng)約55km，南北寬約12～18km，總耕地面積60.24萬畝。樞紐工程興建于 1987年，由一級(jí)泵站、沉砂池、一級(jí)輸水干管、二級(jí)泵站和110kV輸電線路組成；灌溉工程建于 1991年，已完成和在建二級(jí)干渠72.47km（其中在建14.47km）；支渠20條，總長(zhǎng)106.46km；斗渠146條，總長(zhǎng)130.4km，可控制灌溉面積30.01萬畝。

項(xiàng)目區(qū)位于稷山縣汾北二階臺(tái)地的稷峰鎮(zhèn)的陶梁、姚村、新村、加莊、吉家莊和化嶼鎮(zhèn)付家村、胡家莊等村，總?cè)丝?2130人，總耕地面積19870畝。根據(jù)作物種類、工程投資大小、節(jié)水效果和增產(chǎn)效益以及結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況綜合考慮確定工程總規(guī)模為10500畝，作物為棗糧間作。

2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)工程建設(shè)內(nèi)容

低壓管道灌溉系統(tǒng)是利用地形的自然高差形成的壓力水頭，通過管道輸水到田間的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。其突出的特點(diǎn)是充分利用自然壓差，形成壓力管道系統(tǒng)，不需要消耗電能就可配套低壓管道灌溉、滴灌等節(jié)水灌溉設(shè)施[1]。低壓管道灌溉系統(tǒng)工程包括：取水工程、管首工程、管道工程、田間灌溉工程以及管道建筑物(調(diào)壓井、排氣閥等)。

3 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)與示范[2]

3.1 工程總體布置

禹門口灌區(qū)低壓管道輸水灌溉工程控制面積10500畝，全為棗糧間作。管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開敞式和半封閉式相結(jié)合的輸水灌溉形式，在輸水過程中，管道系統(tǒng)不完全封閉，在管網(wǎng)適宜的位置設(shè)置分水調(diào)壓井和浮球閥來控制閘（閥）門的啟閉[1～3]。

系統(tǒng)采用地埋干管和支管兩級(jí)固定管道，管網(wǎng)系統(tǒng)采用樹枝狀布置（見圖1），管網(wǎng)布置時(shí)緊密結(jié)合地塊形狀及地形條件，管線盡量平順，減少起伏和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，總體力求管線長(zhǎng)度最短，以減少投資。支管間距一般為 250～350m，出水口間距一般為100～150m。在每一支管末端（即最低處）根據(jù)實(shí)際地形情況設(shè)置排水排沙設(shè)施，對(duì)于附近有天然低洼地帶的可自流排出管中水流的設(shè)置排水閥井和排沙口，將水直接排入低洼地帶。地面灌溉使用閘管、改進(jìn)溝畦灌、小管出流等方式進(jìn)行灌溉。

3.2 取水工程

取水工程主要為在禹門口二干渠上建節(jié)制閘和分水閘各一座。節(jié)制閘和分水閘位于禹門口二級(jí)干渠約 42km處。節(jié)制閘采用開敞式，分水閘采用胸墻涵洞式，為C20現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3 渠首工程

3.3.1 引渠

引渠為干渠節(jié)制閘與沉砂池間的輸水連接建筑，長(zhǎng)10m，采用矩形斷面，渠寬1.0m，渠深1.0m，為現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3.2 沉砂池

沉砂池采用開敞式矩形單箱結(jié)構(gòu)，C20混凝土現(xiàn)澆，擋土墻式結(jié)構(gòu)，總?cè)莘e 150m3，沉砂池與引渠間采用 2.8m長(zhǎng)的漸變段連接，在沉砂池進(jìn)口右側(cè)設(shè)集水坑一座。為防止雜物進(jìn)入管道，在管道進(jìn)口設(shè)置攔污柵欄污。為便于清除池中淤砂，池底設(shè)計(jì)為倒坡結(jié)構(gòu)，考慮到干管內(nèi)水流流態(tài)，充分發(fā)揮沉砂池的作用，取得良好的沉砂效果，管道進(jìn)口盡量引取表層水，經(jīng)計(jì)算，總干管布設(shè)于沉砂池下游側(cè)，進(jìn)口中心線高程為 470.67m，略高于上游渠底水位470.88m。

3.4 管道部分

3.4.1 管水定額與管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的確定

（1） 灌水定額的確定。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，采用作物生育期內(nèi)各次灌水量中最大的一次作為設(shè)計(jì)灌水定額。對(duì)于種植不同作物的灌區(qū)，通常采用設(shè)計(jì)時(shí)段內(nèi)主要作物的最大灌水定額作為設(shè)計(jì)灌水定額。

灌水定額按下式計(jì)算。

式中：m ——灌水定額( m3/ 畝)；

H ——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（m），取H = 0.8m；

β1——適宜土壤含水量上限，取田間持水量的95% ；

β2——適宜土壤含水量下限，取田間持水量的65% ；

β田——田間持水量，取25% ；

γ ——土層內(nèi)土壤干容重，取γ=15kN/m3。經(jīng)計(jì)算，灌水定額m=60 m3/畝。

（2） 管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的確定。灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量按下式確定：式

中：A——作物灌溉面積，A=10500畝；

η——灌溉水利用系數(shù)，低壓管道取0.8；

t——日工作小時(shí)數(shù)，22h；

m——灌水定額，60m3/畝；

T——灌水周期，12d。

計(jì)算的Q設(shè)=2982m3/h，取2980 m3/h（0.8 m3/s）。

3.4.2 干管

干管選用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)造價(jià)低廉、安裝方便的承插式加筋混凝土預(yù)制管。經(jīng)計(jì)算，灌區(qū)設(shè)計(jì)流量為0.8m3/s，管道沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/h；

d——管徑，mm；

L——管道長(zhǎng)度，m；

f——模阻系數(shù)，混凝土管f =1.749×106，塑料管取f =94800；

m ——流量指數(shù)，混凝土管 m =2 ，塑料管取m =1.77；

b ——管徑指數(shù)，混凝土管b =5.33 ，塑料管取b =4.77。

局部水頭損失按沿程水頭損失的 10%計(jì)算，總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。

干管流量0.8 m3/s，分干管流量0.4 m3/s，對(duì)于干管和分干管分別計(jì)算。計(jì)算單元為兩個(gè)調(diào)壓井之間的管道，以管道工作壓力小于 0.1MPa為限制條件，由（3）式計(jì)算沿程水頭損失，并求出總水頭損失。將兩個(gè)調(diào)壓井之間的地形差，并考慮到調(diào)壓井溢流墻的高度作為水頭總損失，布置調(diào)壓井位置，并確定管徑。

根據(jù)地形坡度情況，并計(jì)算，總干管管徑選擇D800，分干管管徑選擇 D600，每節(jié)長(zhǎng) 3m?？偢晒荛L(zhǎng)899.8m，分干管總長(zhǎng)7780.3m。

3.4.3 支管

支管選用便于運(yùn)輸、安裝方便且造價(jià)低廉的PVC普通塑料管，水頭損失按（3）式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，支管管徑采用D315和D250兩種，每節(jié)長(zhǎng)6m，支管總長(zhǎng)10024.3m。

3.5 田間灌溉工程

3.5.1 小管出流灌溉

為進(jìn)一步研究多泥沙水用于微灌的可行性，在總干四支管控制的灌溉范圍內(nèi)選取400畝棗樹作為小管出流試驗(yàn)區(qū)。由總干四支管將水引至該區(qū)域后，小管出流灌溉系統(tǒng)分為干、支、毛三級(jí)管道，管徑分別為￠200、￠90、￠32。根據(jù)小管出流技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用固定式管網(wǎng)系統(tǒng)，即：干、支、毛管埋于地下，毛管沿種植方向布置，每?jī)尚袠渲虚g布設(shè)一道毛管，毛管間距 4m。干支管采用 UPVC管，毛管采用PE管，微灌管采用￠6聚乙烯管。微灌管前部1m埋于地下，后部出地面后繞樹基一周，毛管上每隔0.3m設(shè)出流孔一個(gè)。 每棵樹灌水流量60L/h，每個(gè)輪灌組設(shè) 4個(gè)閘閥井。小管出流的設(shè)計(jì)工作壓力為0.05MPa。

3.5.2 田間閘管灌溉

田間閘管灌溉系統(tǒng)由移動(dòng)軟管和管道上配置的多個(gè)供水閥門組成，該系統(tǒng)用于替代毛渠完成田間輸配水過程，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制進(jìn)入溝（畦）流量。在示范區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)閘管灌溉500畝，位于東分干五六支管控制的區(qū)域。

3.5.3 溝畦灌

項(xiàng)目區(qū)內(nèi) 9600畝耕地采用溝畦灌的方式進(jìn)行灌溉。

3.6 管道建筑物

3.6.1 分水調(diào)壓井

分水調(diào)壓井用于開敞式管道輸水灌溉系統(tǒng)，其作用主要有分水、調(diào)壓、進(jìn)排氣等功能。采用矩形結(jié)構(gòu)，分為進(jìn)水室和溢流室。進(jìn)水室長(zhǎng)0.7m，溢流室長(zhǎng)1～3m。

3.6.2 出水口

出水口為干、支管上的灌溉供水裝置，為保證出水口流量，出水口內(nèi)徑為 200mm，全鑄鐵結(jié)構(gòu)，通過螺桿調(diào)節(jié)閥瓣的開啟度控制流量。

3.6.3 試驗(yàn)設(shè)施

在總干四支上設(shè)浮子閥取水裝置1處，并設(shè)泥沙輸送觀測(cè)設(shè)施1處。

4 實(shí)施低壓管道輸水灌溉技術(shù)效果分析

低壓管道灌溉系統(tǒng)與明渠灌溉相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)水。低壓管道灌溉系統(tǒng)輸水可以減少滲漏和蒸發(fā)損失，提高水的有效利用率，一般比土渠節(jié)約水量30%左右，比防滲渠道提高5%。

（2）減少占地、省工。低壓管道灌溉系統(tǒng)中管道埋入地下，比明渠灌溉減少占用耕地2%，對(duì)土地資源的充分利用有著重要意義。管道灌溉不僅能減少大量的田間建筑物，而且還可以實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、系統(tǒng)化； 輸水時(shí)間短，縮短了輪灌期，節(jié)省了工日。

（3）灌水及時(shí)促進(jìn)增產(chǎn)增收。管道輸水灌溉，減少水量損失，同時(shí)改善了田間灌水條件，縮短了輪灌周期，能有效地滿足作物生長(zhǎng)需水要求，可收到增產(chǎn)增收的效果。

(4)管理方便。低壓管道灌溉系統(tǒng)是有壓供水，可適用于各種地形，如：跨越溝坎，跨路，拐彎和陡坡等。管道灌溉設(shè)備比較簡(jiǎn)單，技術(shù)容易掌握，管理方便，用水量便于控制和計(jì)量，并為農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

(5) 使用壽命長(zhǎng)。管道埋入地下，塑料管不易老化、不宜破壞，一般使用壽命在 50年左右。實(shí)踐證明，低壓管道灌溉系統(tǒng)節(jié)水效果明顯，減少了水資源的浪費(fèi)，緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源供需矛盾，提高了當(dāng)?shù)氐墓喔人胶娃r(nóng)業(yè)抵抗干旱災(zāi)害的能力，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)制度改革和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。

5 結(jié) 語

該項(xiàng)目是目前國內(nèi)規(guī)模最大、采用開敞式和半封閉式結(jié)構(gòu)型式的渠灌區(qū)管道輸水灌溉系統(tǒng)，該示范工程自 2010年建成投入使用以來，運(yùn)行良好，驗(yàn)證了半封閉式結(jié)構(gòu)型式的可行性，起到了一定的示范作用。

該試驗(yàn)示范項(xiàng)目的實(shí)施，可以改善當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)條件、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高灌溉水的利用效率，有利于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并在節(jié)約使用地下水資源、涵養(yǎng)水環(huán)境、改善當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境等方面做出貢獻(xiàn)。

[1] 吳普特,牛文全,郝宏.現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉設(shè)施[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:138-139

[2] 山西禹門口灌區(qū)管道輸水灌溉技術(shù)試驗(yàn)示范項(xiàng)目技施設(shè)計(jì)及預(yù)算[R].北京:北京中水科工程總公司,2010.3

[3] 水利部農(nóng)水司,中國灌溉排水發(fā)展中心.低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)[M].北京:黃河水利出版社,2011.9

[4] 高本虎.渠灌區(qū)開敞式管道輸水灌溉系統(tǒng)探討[J].節(jié)水灌溉,1998,4:12～14

[5] 趙華，高本虎，陸文紅.渠灌區(qū)管道輸水灌溉技術(shù)試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉,1999,2:23～25

全國中小河流治理項(xiàng)目業(yè)務(wù)宣貫培訓(xùn)班在南寧市舉辦

2013年11月11～13日，水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在南寧市舉辦全國中小河流治理項(xiàng)目業(yè)務(wù)宣貫培訓(xùn)班，培訓(xùn)班邀請(qǐng)了水利部規(guī)計(jì)司、安監(jiān)司及我院專家授課，來自各流域機(jī)構(gòu)、各省（自治區(qū)、直轄市）負(fù)責(zé)中小河流治理項(xiàng)目管理和技術(shù)審查人員，地市承擔(dān)中小河流治理項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的技術(shù)骨干以及中小河流治理重點(diǎn)縣（市）項(xiàng)目法人100余人參加了培訓(xùn)。

本次培訓(xùn)主要根據(jù)《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)水利部中小河流治理工作領(lǐng)導(dǎo)小組 2013年工作計(jì)劃的通知》(辦規(guī)計(jì)[2013]102號(hào))有關(guān)要求，為加強(qiáng)中小河流治理項(xiàng)目和資金管理，提高項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)質(zhì)量而開展的，授課專家對(duì)全國中小河流治理設(shè)計(jì)審查要點(diǎn)及中小河流治理稽查案例進(jìn)行了分析，對(duì)學(xué)員在實(shí)際工作中遇到的問題進(jìn)行了解答。培訓(xùn)結(jié)束前，針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)學(xué)員進(jìn)行了測(cè)評(píng)。

（崔忠波 供稿）

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.020

S275

B

1008-1305（2014）01-0061-04

楊書君（1979年-），女，河北唐山人，工程師。

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目：灌區(qū)管道輸配水及灌溉技術(shù)集成研究，項(xiàng)目編號(hào)：201001038 。