低壓管道輸水系統(tǒng)布置合理性問題研究
——以江蘇省盱眙縣清水壩灌區(qū)為例

單陸丹，陳潔茹，陳 婷

（淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，223005，淮安）

一、工程背景

我國水資源區(qū)域分布不均勻，農(nóng)業(yè)用水占用水量60%以上，大水漫灌現(xiàn)象明顯，不僅造成水資源浪費(fèi)，糧食產(chǎn)量也受到嚴(yán)重影響。“十三五”期間，我國持續(xù)加大對節(jié)水工程的投入，全國新增高效節(jié)水灌溉面積1億畝（1 畝=1/15 hm2，下同）。 低壓管道輸水灌溉(以下簡稱“低壓管灌”)作為一種有效的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，與微灌、噴灌相比，其基礎(chǔ)建設(shè)投資小、系統(tǒng)流量大、揚(yáng)程低、運(yùn)行能耗低、輸水管道口徑大、管理相對方便，尤其適用于大田作物，是蘇北地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的有效途徑，近年得到較大面積的推廣和應(yīng)用。

蘇北地區(qū)低壓管灌工程多以較大面積的大田作物為主，其灌溉用水時(shí)間集中，用水量大。隨著社會的發(fā)展，群眾對灌溉量及灌溉時(shí)間的要求日益提高，導(dǎo)致管灌系統(tǒng)各級管道的管徑增加，系統(tǒng)投資隨之上漲。綜合近年項(xiàng)目工程特點(diǎn)，低壓管灌主要采用河網(wǎng)提水灌溉，河網(wǎng)提水灌區(qū)低壓管灌系統(tǒng)的泵站大多位于溝、河的一側(cè)，灌區(qū)的管灌系統(tǒng)布置形式比較單一，合理布置管道系統(tǒng)顯得尤為重要。本文針對江蘇省盱眙縣清水壩灌區(qū)2018年續(xù)建配套與節(jié)水改造工程中街北低壓管灌片管網(wǎng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、管線布置方案進(jìn)行探討和分析。

二、工程概況

清水壩灌區(qū)2018年度工程中街北低壓管灌片位于江蘇省盱眙縣穆店鄉(xiāng)境內(nèi)，片區(qū)內(nèi)以水稻種植為主，采用低壓管道灌溉形式。片區(qū)南北長700 m，東西寬600 m，總面積580畝，地勢平坦，采用東南側(cè)國慶干渠為水源，于項(xiàng)目片中心位置新建泵站提水灌溉，見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)平面概況圖

三、工程布置

1.管網(wǎng)布置方案

提水灌區(qū)低壓管灌系統(tǒng)的泵站大多位于水源一側(cè)，因此管網(wǎng)系統(tǒng)主要分為梳齒式和魚骨式兩種。設(shè)計(jì)單干管、雙干管2種布置方案，見圖2。

（1）單干管方案

片區(qū)布置1根主干管貫穿南北，垂直于干管布置支管14根，支管2-5控制的田塊另設(shè)3根斗管。

（2）雙干管方案

將街北片區(qū)劃分為兩個(gè)區(qū)域（東片295畝，西片285畝），新建泵站采用兩臺水泵取國慶干渠水灌溉。東片布置1根主干管貫穿南北，垂直于干管布置支管9根；西片布置1根主干管，5根支管，3根斗管。

2.主要技術(shù)參數(shù)

灌溉設(shè)計(jì)保證率：根據(jù)該地區(qū)自然經(jīng)濟(jì)條件及《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288—99），結(jié)合清水壩灌區(qū)灌溉設(shè)計(jì)保證率，取值85%。

灌溉水利用系數(shù)：因田間工程配套齊全、灌水方法合理、灌水定額適當(dāng)，取管道水利用系數(shù)為0.95。

灌水定額：根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料，灌溉區(qū)域全部種植水稻，泡田期水稻田灌水定額取100 m3/畝。

灌溉制度：根據(jù)灌區(qū)面積大小、多年形成的灌水習(xí)慣及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)計(jì)劃等因素，分別擬定兩種方案的灌溉制度。單干管方案采用干管續(xù)灌、支管輪灌的方式，灌水延續(xù)時(shí)間采用4天；雙干管方案采用干、支管續(xù)灌的方式，灌水延續(xù)時(shí)間采用3天，系統(tǒng)每天工作時(shí)間為20～22 h。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)流量

根據(jù)設(shè)計(jì)灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的工作時(shí)間可計(jì)算灌溉設(shè)計(jì)流量。設(shè)計(jì)流量直接影響下級支管、斗管以及出水口流量變化。本次設(shè)計(jì)中采用支管流量計(jì)算，結(jié)合既選給水栓出廠流量值范圍，推算各級管道流量，最終得出系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量。采用公式：

式中：m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm；A為支管控制面積，m2；T為每個(gè)輪灌組灌水時(shí)間，d；t為每天灌水時(shí)間，h；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.95。

2.管材及管徑選擇

從管材性能、施工、安裝、運(yùn)行可靠度以及本地高效節(jié)水項(xiàng)目管材使用經(jīng)驗(yàn)等方面綜合比較，管道選用聚乙烯管材（PE）。

各管段的管徑計(jì)算采用經(jīng)濟(jì)流速法確定，公式為：

式中：D為管段內(nèi)徑，m；q為管段流量，m3/s；v為經(jīng)濟(jì)流速，m/s（硬質(zhì)塑料管1.0～1.5 m3/s）。

3.出水口設(shè)計(jì)

孔口出流公式：

式中：q為孔口出流流量，m3/s；μ為流量系數(shù)，取0.7；A為孔口斷面面積，m2；H為孔口工作水頭，m。

給水裝置是連接三通、立管、給水栓（出水口）的統(tǒng)稱，一般情況是指給水栓。給水栓按照結(jié)構(gòu)形式可分移動(dòng)式、半固定式和固定式三大類型。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)種植作物及使用要求，每一個(gè)出水口必須安裝一套給水裝置，因此本設(shè)計(jì)中宜采用固定式給水栓。

4.管道水力計(jì)算

根據(jù)選用的管材和管徑，計(jì)算管段沿程水頭損失和局部水頭損失。

管道沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：Hf為沿程水頭損失，m；f為管材摩阻系數(shù)；Q為管道的設(shè)計(jì)流量，m3/h；L為管長，m；D為管內(nèi)徑，mm；m為流量指數(shù)；b為管徑指數(shù)。

管道局部水頭損失可按管道沿程損失的一定比例簡化計(jì)算，一般為沿程水頭損失的10%～15%。

末端出水口壓力為出水口工作水頭及水頭損失和豎管高度之和。

管網(wǎng)入口設(shè)計(jì)壓力考慮系統(tǒng)最大工作水頭，管道系統(tǒng)最大工作水頭按下式計(jì)算：

式中：Hmax為管道系統(tǒng)最大工作水頭，m；∑hf，2為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點(diǎn)給水栓的管路沿程水頭損失及地面高差，m； ∑hj，2為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點(diǎn)給水栓的管路局部水頭損失，m；h0為給水栓工作水頭，m。

圖2 單干管和雙干管方案布置圖

5.校核驗(yàn)算

（1）允許設(shè)計(jì)流速

允許設(shè)計(jì)流速應(yīng)根據(jù)管線、管材、管徑、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及管道投資運(yùn)行成本等因素綜合考慮確定。根據(jù)本工程的情況，允許設(shè)計(jì)流速應(yīng)滿足的條件為：在設(shè)計(jì)流量下，管內(nèi)最小流速不低于0.3 m/s；設(shè)計(jì)流速不大于2.0 m/s，結(jié)合管材經(jīng)濟(jì)流速校核。

表1 管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果及投資對比

（2）給水裝置流量

設(shè)計(jì)按照等距等流量多孔出流進(jìn)行簡化計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行中由于配水管首端的工作壓力較大，因此實(shí)際出水流量大于出水口設(shè)計(jì)流量，配水管尾部放水口出水流量偏小。為保證系統(tǒng)灌溉的均勻性，應(yīng)使同時(shí)工作的各給水裝置流量滿足下式要求：

式中：Qmin為同時(shí)工作的各給水裝置中的最小流量，m3/h；Qmax為同時(shí)工作的各給水裝置中的最大流量，m3/h。

五、方案比較

1.設(shè)計(jì)成果

對單干管和雙干管兩種布置方案，分別對管道系統(tǒng)及水源泵站進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，并編制預(yù)算，成果匯總?cè)绫?。

2.綜合分析

根據(jù)表1中成果對比情況，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)選取以及當(dāng)?shù)厥褂昧?xí)慣等因素，對如下3個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）灌溉制度

隨著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)條件的發(fā)展，管灌設(shè)計(jì)灌水周期從前幾年的5～7天逐漸縮短為3～4天，灌區(qū)面積較小的情況下灌水周期降為2天左右。案例灌區(qū)總面積580畝，單干管方案采用干管續(xù)灌、支管輪灌方式，灌水延續(xù)時(shí)間采用4天；雙干管方案采用續(xù)灌方式，灌水延續(xù)時(shí)間為3天。單干管方案中單元面積灌溉時(shí)間較短，更能滿足人民群眾對高效率灌溉的需求。

（2）工程投資

管道系統(tǒng)部分，雙干管方案的投資比單干管方案高27.82萬元。單干管方案的管道系統(tǒng)鋪設(shè)總長度是4 480 m，雙干管方案則為4 815 m。雖然單干管方案的支管及斗管管徑總體大于雙干管方案，但是雙干管方案在使用同等級別干管的前提下管長多了近1倍。根據(jù)各大廠家的材料價(jià)格顯示，規(guī)格大于DN355的PE管道單價(jià)隨管長增加而大幅度上升，因此雙干管方案投資較大。

水源泵站部分，雙干管方案的投資比單干管方案高35.29萬元。雙干管方案采用兩臺水泵對劃分的灌區(qū)獨(dú)立灌水，勢必增加土建等方面的投入。

（3）運(yùn)行管理

單干管方案采用支管輪灌的方式，系統(tǒng)運(yùn)行中需安排專門的放水員按照工作制度調(diào)節(jié)供水。工程建設(shè)過程中，需要對相關(guān)工作人員進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)及管理，在保證灌溉系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下及時(shí)滿足灌區(qū)群眾用水需求。本案例灌區(qū)涉及兩個(gè)村組集體，雙干管方案采用兩套系統(tǒng)對兩個(gè)村組的灌溉區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立灌溉，互不影響，不會因?yàn)閳?zhí)行輪灌制度、繳納電費(fèi)、機(jī)電維修等在工程運(yùn)行管理方面出現(xiàn)矛盾和糾紛。同時(shí)，鑒于以往的工程實(shí)踐，雙干管方案更能滿足本案例灌區(qū)的實(shí)際情況，充分發(fā)揮效益。

六、結(jié) 語

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)慢慢隨著用水者的需求發(fā)生著調(diào)整。譬如要求縮短灌水周期，不認(rèn)同輪灌組設(shè)置，要求增大給水栓規(guī)格等，這些針對性的需求在設(shè)計(jì)成果上最直觀的體現(xiàn)就是畝均投資越來越大。案例中兩個(gè)方案的畝均投資分別是2 669元/畝和3 757元/畝，大大超出了傳統(tǒng)低壓管灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的投資。在滿足使用的前提下，如何更加合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，需要繼續(xù)探索。

蘇北地區(qū)低壓管道灌溉系統(tǒng)主要用于水稻田，具備針對性明確、用水量大、涉及群眾廣等特點(diǎn)。得到用水者的認(rèn)可是管理的第一步，這就需要管理主體對這種高效的輸水措施進(jìn)行必要的宣傳。低壓管道輸水灌溉工程同其他水利工程一樣，必須正確處理好建、管、用三者關(guān)系，在保證系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的前提下，要管好、用好，才能充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益。