低壓管道輸水灌溉技術在松原灌區中的應用

孫立娟 王連廣 侯 薇

（吉林市水利水電勘測設計研究院 吉林 長春 130021）

1 松原灌區工程概況

松原灌區工程是哈達山水利樞紐工程的主要配套工程，灌區灌溉水源是自第二松花上的江哈達山水庫取水，通過哈達山輸水總干渠輸水直接灌溉，或輸水入灌區水源調蓄泡塘，再經泵站提水，各干渠輸水灌溉。

松原灌區范圍總土地面積511.66萬畝，設計灌溉面積為285萬畝，其中：水田131.02萬畝，旱田123.93萬畝，天然草場灌溉30.05萬畝。規劃引用第二松花江水灌溉，多年平均供水量為10.40億m3。

潛字灌片位于乾安縣乾安鎮和讓字鎮境內。灌片范圍內土地面積18.29萬畝，現有耕地面積12.47萬畝（其中水田0.01萬畝、旱田12.46畝）、鹽堿荒地面積1.48萬畝。

潛字灌片土壤類型主要為中低產田，產出效益低，主要種植作物是玉米，其多年平均畝產不足300kg，灌區內旱作耕地多年平均減產幅度在50%以上。造成大面積低產的主要原因是干旱缺水和土壤的鹽漬化。根據乾安縣多年旱災減產情況分析，自1980年以來主要作物旱災多年平均減產幅度接近50%，五年一遇的旱災減產幅度為96%，十年一遇的旱災減產幅度為85%。在該區域實行旱田低壓管道輸水灌溉，解決該地區干旱少雨而造成旱田產量長期上不去的問題，尤其是緩解因春旱造成缺苗斷條的問題，使糧食產量得到提高同時防止土壤的鹽漬化。

2 低壓管道輸水灌溉技術的特點

低壓管道輸水灌溉技術是節水灌溉技術之一，是利用低壓輸水管道代替土渠將灌溉水直接輸送至田間，水在封閉的管道中輸送減少了滲漏和蒸發。低壓管道輸水灌溉技術與目前采用的傳統的大水漫灌相比，節水節能、少占耕地、投資成本低、管理方便、省時省工。低壓管道輸水灌溉系統與噴灌系統比較，低壓管灌系統無需另添置加高壓的機泵設備，也無需承壓能力高的管材、管件，故投資可大為降低低壓管道輸水灌溉技術在渠灌區中的推廣應用有很大的潛力。

3 低壓管道系統規劃布置

低壓管道輸水灌溉系統渠道水為水源，首部樞紐與水源一起布置在地塊邊緣，管道系統由干管、支管兩級組成，干管采用固定式布置形式，埋在地面以下，支管采用移動式布置，在灌溉時接在干管上，非灌溉期回收保管。

根據潛字灌片灌溉范圍分布及其灌溉區域地形、土壤、村屯、道路等自然社會情況，綜合分析比較后，選擇潛字一支渠控制范圍內的一個灌溉片作為低壓管道灌溉項目區，項目區地塊呈長條形，東西方向長1225m，南北方向長570m，灌溉面積為1046畝。采用一支渠渠道水作為項目區水源，首部樞紐設置在地塊邊緣。該地塊地形較平坦，面積適中，能充分揭示田間工程配套中可能遇到的問題并加以解決，以使灌排工程設計更能反映實際情況，對灌區規劃低壓管道灌溉的田間布置具有一定的代表性。

3.1 管網布設原則

（1）首部樞紐、灌溉管道、道路、排水系統統一規劃，形成完整體系；

（2）由首部取水通過水泵加壓給灌溉管道系統供水，干管垂直于作物種植行布置，支管平行于作物種植行布置；

（3）干管及支管采用雙向供水布置，節省管材，沿路邊及地塊等高線布置。

3.2 管網布置形式

固定管網的布置形式根據水源位置、控制范圍、田塊形狀等條件，選擇樹枝狀管網形式。在以地表水為灌溉水源的灌區中，水源為渠道水，水源及首部樞紐在地塊邊緣，主要采用豐字形布置，如圖1。

3.3 輸水管網布置

項目區地塊呈長條形，東西方向長1225m，南北方向長570m。干管首端布置首部取水樞紐，與輸水干管接連接，灌溉水通過水泵抽水進入輸水干管，再通過支管輸送至田間。

干管采用雙向供水，長度1180m。干管下級管道為支管，支管垂直于干管布置，支管采用雙向供水，支管間距采用86m，共布置支管30條，每條支管長度270m。出水口采取單側分水，出水口縱向間距為45m，橫向間距為86m布置。

3.4 項目區管材的選擇

管材是低壓管道輸水灌溉系統的重要組成部分，項目區低壓管道輸水灌溉系統管材選用塑料管材。低壓管道輸水灌溉系統目前主要使用的塑料管材有聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管等。

聚丙烯管材價格較高，因此本次設計不采用。與聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材不含有毒的氯，且管材更柔軟更輕便，可作為地埋管道亦可作為地面移動管道；在相同壓力下使用聚乙烯管材壁厚更薄，輸水面積更大，而在相同壁厚下聚乙烯管材可承受的壓力更大，輸送能力更高。與聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材抗沖擊性能更高，柔韌性更高。聚乙烯管材使用壽命長，最長可以埋在地下50年，還具有材料環保、耐腐蝕等優點。因此本次設計干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯軟管。

圖1 豐字形管網布置圖

3.5 項目區排水與田間路布置

干管末端設置一泄水閥，對應泄水閥布置一條排水支溝，在非灌溉期，將干管內的水排入支溝，防止干管在冬季存水凍脹破壞。

對應干管布置兩條排水斗溝，干管與排水斗溝為相間布置。排水斗溝與排水支溝垂直布置，斗溝的水排入支溝中。

對應每條排水溝布置一條田間道路，每7條支管約間隔600m布置一條田間生產路，田間路路寬均為3m。路面采用20cm厚的沙石路面。

4 低壓管道系統水力計算

4.1 管灌系統的設計參數

根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB／T 20203-2006）及自然條件和經濟條件確定本次設計灌溉設計保證率為75%。

管系水利用系數0.95，田間水利用系數0.90，灌溉水利用系數0.86。

灌溉系統的設計流量可按下式計算：

式中：Q0——管灌系統的灌溉設計流量，m3/h；A——項目區的面積，hm2；m——灌水高峰期作物的灌水定額，m3/hm2；T——項目區設計灌水周期，d；η——項目區灌溉水利用系數：0.86；t——項目區每天灌水時間，取 18h。

經計算灌溉系統的設計流量Q0=318m3/h。

在灌水期間，干管以下采用分組輪灌方式灌溉。通過計算來劃分輪灌組。

劃分輪灌組可按下式計算：

式中：N——輪灌組數；qi——單個出水口流量，m3/h；int——取整符號；n——控制范圍內同時開啟的出水口總數。

灌溉管道系統共布置支管30條，每條支管上布置6個給水栓，共布置給水栓180個,計算的輪灌組數為30組。設定每組輪灌組灌溉時，一條支管只開啟一個出水口，每條支管上的分水口按照離干管的距離從近至遠編號1～6。干管口根據項目區地塊綜合布置及每條支管的出水口數量，可知灌溉時每組輪灌組中有6條支管灌水。

4.2 管道設計流量

樹狀管網中，管網的上級管道流量等于下一級管道流量之和，當各出水口流量相同時，支管設計流量可按下式計算：

式中：Q支——支管設計流量，m3/h；Q0——灌溉系統設計流量，m3/h；N——全系統同時開啟的出水口個數；n——支管控制范圍內同時開啟的出水口總數

由輪灌組數及灌溉設計流量計算可得每個出水口實際出水流量，從而根據公式計算得出每條管道的流量，計算的干管流量為318 m3/h，支管流量 53 m3/h。

4.3 管徑的確定及管道的水力計算

4.3.1 管徑的確定

管道的管徑運用經濟流速法進行確定，可按下式計算：

式中：D——管道內徑；Q——計算管段的設計流量，m3/h；V——管道內水的流速，m/s。

選定管道內水的流速，需要滿足以下兩個流速要求。

1）允許流速：為防止管道發生水擊產生破壞，應不大于設計流速2.5m/s～3.0m/s，不小于防淤流速0.6m/s。

2）經濟流速：從管徑計算公式可以看出，在管道內流量確定以后，管徑的平方與流速成反比，因此保證管網造價和管理費用的最優經濟選擇的最小流速為經濟流速。

根據以上條件及管道的管材，管道內水的流速選取1.25m/s。

經計算干管管徑選擇Φ315mm，支管選取Φ125mm。

4.3.2 管道的水力計算

1）干、支管沿程損失

管道沿程損失可按下式計算：

式中：hf——沿程水頭損失，m；L——管道長度，m；d——管道內徑，mm；Q——計算管道的設計流量，m3/h；m——流量指數，取1.77；b——管徑指數，取4.77；f——沿程水頭損失摩阻系數，取0.948×105；

支管采用移動軟管，對于地面移動軟管，管道管壁薄、材質軟且具有一定的彈性，沿程阻力系數和沿程水頭損失不僅取決于流量及管徑，與工作壓力及管道鋪設地面平整程度有關。因此支管的水頭損失采用公式計算后在乘以1.2倍。

2）干、支管局部損失

局部水頭損失選取沿程損失的10%，

式中：hj——局部水頭損失，m。

3）總水頭損失

式中：h——總水頭損失，。

經計算，h干=13.03m。

干管選取公稱壓力為0.4MPa，公稱外徑為Φ315mm的硬聚乙烯管，支管選取公稱壓力為0.25MPa，公稱外徑為Φ125mm的聚乙烯軟管。

4.3.3 水泵選型

水泵揚程按下式計算：

式中：Hp——灌溉系統設計揚程，m；Z0——管道系統進口高程，m；Zd——支渠進口水位高程，m；h——管道總水頭損失，m。

經過計算得出揚程18.04m。

根據流量及揚程所選水泵型號為SD150-290A。

4.3.4 埋設深度

埋設深度主要考慮兩個因素：

1）農業機械在地埋管道的地面上經過不能破壞地埋輸水管道，一般要求埋深在0.4m～0.7m；

2）在北方地埋管的埋深要考慮地區最大凍層深度，避免地埋管道凍脹破壞。

根據以上因素確定項目區內地埋管道埋置深度為1.2m，開挖斷面采取梯形斷面，斷面底寬采用0.5m，開挖邊坡選取1∶0.3。

地埋管道的坡度采用1/1000～1/2000，防止管道內淤積及方便灌溉期結束時將管內的水排入排水溝中。

5 結語

根據在以地表水為灌溉水源的吉林省松原灌區選取項目區進行低壓管道輸水灌溉設計，得出以下結論：

（1）項目區中間布置一條干管，干管采用雙向供水，支管垂直于干管布置，支管采用雙向供水，出水口采取單側分水。

（2）本次設計干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯軟管。對比土渠輸水速度以及混凝土襯砌渠道流速，管道輸水灌溉系統供水及時，縮短的灌水時間及輪灌周期，提高了灌區的灌水工作效率。

（3）項目區低壓管道輸水灌溉系統采用兩級管道代替斗渠與農渠輸水，減少了渠道占地約12.2畝，有很好的節省耕地效果。

（4）項目區內埋地干管在灌溉結束后將水排入到排水溝內，支管采用移動式布置在非灌溉期統一回收保管，避免冬季低溫凍脹。相比于防滲渠道凍脹問題難以避免的情況，低壓管道輸水灌溉技術適宜大面積推廣。陜西水利

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