岳陽縣小型農田水利項目管灌工程的設計與研究

周利婭，彭杰帥，袁 信，鄧仁貴

（湖南南方水利水電勘測設計院有限公司，湖南 長沙 410007）

引 言

中國水資源量占世界的6%，但是支撐世界人口的21%。我國水資源的供水總量為5 500 億m3，80%是地上水，20%是地下水。用水結構：生活用水11%，工業用水量21%，農業用水68%，農業用水總量占比大。為響應習近平總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水方針，加大節水力度，減少單位面積灌溉用水量，提高灌溉水利用系數，以國家政策為導向，推廣低壓管道灌溉等高效節水工程，加強高標準農田建設。近年來，各地各有關部門認真貫徹黨中央、國務院決策部署，大力推進高標準農田建設，取得了明顯成效。

灌溉技術目前在國內呈現出專業化和多元化的趨勢，并且相關的技術也隨著應用推廣更加成熟。低壓輸水管道技術的逐漸成熟使得節水灌溉的范圍不斷擴大，并且解決耕地與水源的長距離問題，減少輸水損失，提高了水資源利用率。構建一個完善的節水自動灌溉系統，實現定量灌溉、定時灌溉、按需灌溉是農業發展的趨勢。本文以岳陽縣2017 年度小型農田水利項目為例，開展管灌工程的設計與研究。

1 工程概況

1.1 項目區基本情況

岳陽縣2017 年度小型農田水利項目共涉及岳陽縣長湖鄉湖頭村和自強村、楊林鄉沙陂村、榮家灣鎮北湖村以及筻口鎮潼溪村5 個村5 個片區。其中，長湖鄉湖頭村片采用機埠取水，取水口高程為41.5 m，控制灌溉面積約200 畝，項目區地勢平坦，高程在45.24～46.52 m 之間，區內全部種植優質稻；自強村片采用機埠取水，取水口高程為41.75 m，控制灌溉面積約200畝，項目區地勢平坦，高程在45.65～48.33 m 之間，區內全部種植優質稻；沙陂村片采用范溪山塘作水源，干管進水口高程為60.00 m，控制灌溉面積約400 畝，項目區西高東底，可利用天然坡度優勢，高程在45.0～60.0 m 之間，區內全部種植優質稻；榮家灣鎮北湖村片采用機埠取水，取水口高程為27.50 m，控制灌溉面積約300 畝，項目區地勢平坦，高程在26.12～28.10 m 之間，區內全部種植優質稻；筻口鎮潼溪村片采用機埠取水，取水口高程為38.20 m，控制灌溉面積約900 畝，項目區地勢平坦，高程在36.25～38.25 m 之間，區內全部種植優質稻。高效節水灌溉采用管灌方式，土壤類型為粘壤土。

1.2 工程總體布置

本項目建設堅持相對集中連片，形成規模和“建成一片，見效一片”，以工程配套和管護機制改革為手段，以整體推進為原則，合理安排工程建設內容。項目在布局上充分利用地勢高低實現自流灌溉，地勢較為平坦區則使用機埠取水。本次設計低壓管道灌溉項目區位于長湖鄉湖頭村和自強村、楊林鄉沙陂村、榮家灣鎮北湖村以及筻口鎮潼溪村共5 個村5 個片區，總灌溉面積約為2 000 畝。以水庫為水源或機埠取水，采用自流方式，從水庫低涵埋管或機埠引水至項目區供水。其中，長湖鄉湖頭村片設1 根干管，2 根分干管，16 根支管；自強村片設1 根干管，2 根分干管，22 根支管；楊林鄉沙陂村片設2 根主干管（主干管01、主干管02），26根支管（主干管01 下設11 根支管、主干管02 下設15根支管）；榮家灣鎮北湖村片設1 根主干管，1 根分干管，12 根支管；筻口鎮潼溪村片設2 根干管，16 根支管。干管或分干管上每隔100 m 設置支管，支管布置在干管/分干管兩側或單側，每條支管上布置若干個取水口，取水口間距40 mm。豎管及放水口豎管采用PVCU 塑料管，高出地面30 cm。項目區按標準田塊30 m 寬（包括田埂）布置，每2 個田塊設1 個出水口，出水口間距60 m，單側灌水。出水口采用分體式給水栓，給水栓下設消力井，以防止出水口出水水流對田塊的沖刷。

2 低壓管道輸水灌溉工程設計

2.1 灌溉制度

灌區全部種植水稻，一年兩熟，參考鄰近地區常規地面灌溉節水技術的有關資料，結合當地自然條件和灌溉設施狀況及供水保障條件，灌區灌水定額取65 m3/s。灌水延續時間與作物種類、灌區面積大小及農業生產勞動計劃等因素有關，根據灌區實際情況，取灌水延續時間7 d，系統每天工作時間24 h。

2.2 輪灌制度的確定

根據管網布置形式和水稻田管灌運行管理經驗，同時考慮管理方便和可能出現的集中供水，考慮到各片區大部分以主干向各支渠供水，采用的灌溉制度為干支管續灌。分片計算每個輪灌組灌水持續時間7 d，每天灌水時間24 h。

2.3 設計灌水流量的計算

1）灌溉系統設計流量

Q0=mA（/ηTt）

式中 Q——設計灌水流量（m3/h）；

η——灌溉水利用系數（0.90）；

A——灌溉面積（畝）；

T——設計灌水周期（7d）；

m——作物的灌溉定額（m3/畝），取m=65m3/畝；

t——天灌溉時間（24h）。

經計算得：

Q0=65×200/（0.9×7×24）=85.98 m3/h（長湖鄉湖頭村片、長湖鄉自強村片）；

Q0=65×400/（0.9×7×24）=171.96 m3/h（楊林鄉沙陂村片）；

Q0=65×300/（0.9×7×24）=128.97 m3/h（榮家灣鎮北湖村片）；

Q0=65×900/（0.9×7×24）=386.90 m3/h（筻口鎮潼溪村片）；

2）管網各級管道的設計流量

Q=nQ0/N

式中 Q——某級管道的設計灌水流量（m3/h）；

n——該管道控制范圍內同時開啟的出水口個數；

N——全系統同時開啟的出水口個數。

5 個片區最多有26 條支管，各條支管最大長度為1 050 m，各支渠控制的出水口個數為1～18 個。經計算得，支管流量為1.53～45.52 m3/h，支管最大流量為：45.52 m3/h。

2.4 管材與管徑的選擇

根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T 20203-2006）中管徑選用方法，各段管道直徑按經濟流速計算公式為：

D=18.8×（Q/V）1/2

式中 D——管道直徑（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

V——流速（m/s），PVC-U 塑料管取1.1 m/s。

設計管材選用管灌設備常配套的PVC-U 管、PVC管、PE 管做管材材質方案比較，使管材進一步優化。PVC-U 管優點：PVC-U 管材料的比重只有鑄鐵的1/10，運輸、安裝簡易，成本低；抗化學性優越；安裝簡易，成本低廉；耐用，阻力小，流速高。PVC 管優點：PVC 管應用了生料，減少了油耗；PVC 管制造對能量消耗很低，能回收轉化利用。PE 管優點：PE 管具有很好的柔韌性，適宜制作成軟管，并且PE 管具有可熔接性及可回收利用，使其鋪設時更加安全可靠和方便經濟。綜上所述，經三種管材的優缺點比較，考慮造價的經濟性，結合目前市場PVC-U 管和PVC 管價格基本持平；綜合確定本次設計管材材質均采用PVC-U。

管道實際采用的管徑經計算管徑和標準管徑對比后，根據壓力校核結果和施工方便與否確定。經計算，支管選用直徑為200/110/90/50 mm 的PVC-U 塑料管，干管和分干管選用直徑為250/200 mm 的PVC-U 管。計算成果見表1。

表1 管網干管的設計流量計算成果表

2.5 孔口計算

孔口出流公式：

q=μA（2gH）0.5

式中 q——孔口出流量（m3/h）；

μ——流量系數，取0.7；

A——孔口斷面面積；

H——孔口工作水頭。

孔口由支管經豎管引向田面，給水栓高出田面0.3 m，管道埋深0.6 m，豎管采用Φ50 mmPVC-U 塑料管。出口工作水頭0.2 m，選用給水栓直徑為50 mm。

2.6 取水管道設計

設計從山塘放水低涵埋管取水或機埠取水，取水管采用閘閥進行控制，各設置1 座閘閥井對取水閘閥及管道進行保護。

根據取水頭部運行要求，設置的控制設施有：DN250/200 閘閥；量測設施有：DN250/200 智能水表、0～1.0 MPa 壓力表；安全保護設施有：DN250/200 放空閥、排氣閥。另外在給水栓處設消力井，以防止出水口出水水流對田塊的沖刷。

2.7 管路損失水力計算

沿程水力損失由計算公式：

hf=0.948×105L Q1.774/d4.774

式中 d——管道直徑（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

L——管道長度（m）；

hf——沿程水頭損失（m）。

逐段確定沿程水頭損失，局部水力損失按沿程水頭損失的10%計算，末端所需壓力為出水口工作水頭及水頭損失和豎管高度之和。末端出水口工作水頭為1.5 m。

由于計算表格較長，僅列出湖頭村片數據，計算結果見表2。

表2 管路損失水力計算成果表

根據管網計算結果，長湖鄉湖頭村片支管16 末端所處的位置相對較遠，為最不利供水節點，該支管末端地面高程為45.24 m，末端總水頭損失11.068 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，45.24+11.068+1.5=57.808 m，取水管高程41.5 m 不滿足要求，需加壓。

長湖鄉自強村片支管22 末端所處的位置相對較遠，為最不利供水節點，該支管末端地面高程為47.05 m，末端總水頭損失0.765 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，47.05+0.765+1.5=49.315 m，取水管高程41.75 m不滿足要求，需加壓。

楊林鄉沙陂村片支管26 末端所處的位置相對較遠，為最不利供水節點，該支管末端地面高程為47.50 m，末端總水頭損失8.481 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，47.50+8.481+1.5=57.481 m，取水管高程60.00 m滿足要求。

榮家灣鎮北湖村支管12 末端所處的位置相對較遠，為最不利供水節點，該支管末端地面高程為28.10 m，末端總水頭損失9.721 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，28.10+9.721+1.5=39.321 m，取水管高程27.50 m不滿足要求，需加壓。

筻口鎮潼溪村支管A-6 末端所處的位置相對較遠，為最不利供水節點，該支管末端地面高程為37.90 m，末端總水頭損失10.768 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，37.90+10.768+1.5=50.168 m，取水管高程38.20 m 不滿足要求，需加壓。

3 項目效益

本項目實施后，項目區灌溉水利用系數將由原來的0.49 提高到0.70 左右，每年將節約用水約222.28萬m3。新增節水能力可用來恢復和改善項目區內灌溉面積，確保農田旱澇保收，增大糧食穩產增產系數。項目實施后，農民實際負擔的水費降低，間接增加農民收入；利于管理機構按用水量征收水費，建立良好的灌水秩序，減少水事糾紛等。同時，項目的實施有利于水土保持和節約用水，改善自然環境和水環境，改善農村人畜飲水狀況，改良土壤，促進中低產農田改造，促進節能減排，具有廣泛的生態環境效益。