低壓管道輸水灌溉在石堡川灌區(qū)應用的技術要點探討

龔裕凌

（陜西省水利發(fā)展調(diào)查與引漢濟渭工程協(xié)調(diào)辦公室，陜西 西安 710004）

1 工程概況

石堡川灌區(qū)位于關中平原北沿，橫跨延安洛川、渭南白水和澄城三縣，現(xiàn)有設施灌溉面積28466.67 hm2，灌區(qū)受益范圍包括洛川、白水、澄城、蒲城等四縣18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，79個行政村，31.7萬人口，其中農(nóng)業(yè)人口24.8萬人次。灌區(qū)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(fā)量1229 mm，年內(nèi)日照時數(shù)達2475 h，無霜期平均211 d。灌區(qū)位于渭北黃土塬區(qū)，黃土覆蓋層較厚，地下水埋深大，灌區(qū)內(nèi)土壤主要由黃錦黏土、褐色壚土和砂礫料組成，土壤有機質(zhì)含量約0.901%，孔隙率49.7%，質(zhì)地肥沃，結構良好，蓄水保墑能力較優(yōu)。灌區(qū)主要作物為小麥、玉米、蘋果樹，是陜西省內(nèi)較大的糧食和蘋果優(yōu)產(chǎn)區(qū)。灌區(qū)地下水埋深為50 m～90 m，灌區(qū)現(xiàn)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(qū)內(nèi)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(qū)現(xiàn)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(qū)現(xiàn)有干渠大多數(shù)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(xiàn)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(qū)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(shù)

灌溉模數(shù)（灌水率）也就是單位灌區(qū)內(nèi)所需要的灌溉流量，灌溉模數(shù)是確定渠首引水流量，渠道設計流量計灌區(qū)用水計劃的主要依據(jù)，灌溉模數(shù)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(shù)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(shù)，m3/（s·萬畝）；σi為第i種作物種植面積占比，%，石堡川灌區(qū)主要作物為小麥、玉米、蘋果樹，種植面積占總灌區(qū)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(qū)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(xù)時間（h），本灌區(qū)為自流灌區(qū)，取Tin=24 h。

表1 石堡川灌區(qū)主要作物灌水定額參照表 單位：m/hm2

經(jīng)計算得，P=25%，小麥的qin凈為冬灌期0.1236、拔節(jié)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(jié)期和抽穗期都為0.1133；P=75%，小麥的qin凈為冬灌期0.1338、拔節(jié)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(jié)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(jié)期和抽穗期都為0.0622；P=75%，玉米的qin凈為冬灌期0.0747、拔節(jié)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(shù)確定的過程可知，參數(shù)σin、min、Tin是影響灌溉模數(shù)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(qū)低壓管道輸水灌溉模數(shù)確定的過程中，必須十分慎重。

2.2 管網(wǎng)布置型式的選擇

2.2.1 輸水灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)首部樞紐布置

為了保證灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)首部與灌溉環(huán)境的適應性與協(xié)調(diào)性，石堡川灌區(qū)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(yǎng)護，除射頻控制卡系統(tǒng)外，其余裝置均隱蔽式安裝，低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)首部樞紐布置見圖1。

圖1 低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)首部樞紐布置圖

2.2.2 管網(wǎng)布置

按照《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)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(jié)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(qū)域而布置于堅實的地基之上，若灌區(qū)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(nèi)摩擦角。為預防輸水管道拐彎處可能出現(xiàn)的真空，必須預留2 m～3 m水頭的余壓。對于寒冷地區(qū)的灌區(qū)，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(jù)水源地、管網(wǎng)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(qū)低壓管道輸水系統(tǒng)固定管網(wǎng)布置采用樹枝狀型式，干管布置于灌區(qū)邊緣，并與現(xiàn)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(nèi)；農(nóng)管間距也就是田間灌水溝畦的長度，在100 m以內(nèi)。灌區(qū)內(nèi)平整性較好的地塊，必須雙向灌水，以便減少給水栓數(shù)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(qū)低壓管道輸水系統(tǒng)管網(wǎng)布置型式見圖2。渠系水利用系數(shù)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(qū)低壓管道輸水系統(tǒng)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(nèi)灌溉水排空處理。工程運行結果表明，對于石堡川灌區(qū)內(nèi)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(tǒng)管網(wǎng)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(jīng)濟性與耐用性對于管道輸水灌溉系統(tǒng)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(nóng)業(yè)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(yè)規(guī)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(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范》（GB/T 20203-2006）和《灌溉用塑料管材和管件基本參數(shù)及技術條件》（GB/T 23241-2009）的要求，根據(jù)石堡川灌區(qū)地形條件，在地勢平坦的東北區(qū)，采用薄壁PVC-U塑料管，而在地勢高低起伏的西南區(qū)采用PE管材，結合使用。同時，結合管網(wǎng)壓力分布特征進行管材壓力等級確定，石堡川灌區(qū)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(jù)經(jīng)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(nèi)設計流速，m/s。

為防止灌溉管道內(nèi)水擊破壞的發(fā)生，石堡川灌區(qū)灌溉工程管道內(nèi)允許設計流速≤3.0 m/s，且≥防淤流速0.5 m/s。《節(jié)水灌溉工程技術標準》（GB/T 50363-2018）規(guī)定，管徑 100 mm～250 mm，經(jīng)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(jù)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(qū)低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)造價與管理費用最低情況下的管道內(nèi)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(qū)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)建成運行后，農(nóng)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(chǎn)作用。工程實施后，灌區(qū)還新增加了花生、西瓜等經(jīng)濟作物，經(jīng)濟效益和社會效益顯著提高，也為灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整奠定了堅實的基礎。據(jù)測算，灌區(qū)渠系水利用系數(shù)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(tǒng)全部采用管道深埋設置，節(jié)約耕地約2.4 hm2，也省去了大量的渠道維護工作量。