低壓輸水技術(shù)在多水源農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水改造中的應(yīng)用

吳占學(xué)

(金塔縣鴛鴦灌區(qū)水利水保所，甘肅 金塔 735300)

當(dāng)前，甘肅省農(nóng)業(yè)灌溉用水矛盾日益突出，主要表現(xiàn)為：斗口計量精度低，水費(fèi)負(fù)擔(dān)不均，矛盾糾紛多，灌溉管理和服務(wù)水平低下，制約了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；灌區(qū)輸水渠道過長，用水量大，供水困難，管理手段落后，管理人員不足等。在經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型加速的背景下，如何推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化，采取合理節(jié)水措施，緩解水資源供需矛盾，實現(xiàn)傳統(tǒng)灌溉向高效節(jié)水灌溉的跨越，是改善生態(tài)環(huán)境、保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展急需解決的問題。

低壓輸水技術(shù)主要通過管道進(jìn)行輸水，在實際使用時，主要將壓力水源通過管道輸送到溝渠與田埂。與傳統(tǒng)渠道灌水相比，低壓輸水技術(shù)具有出口流量大、壓力低、節(jié)水節(jié)地、輸水效率高、使用壽命長等優(yōu)點，并且使用的塑料管材具有重量輕、長度大、耐水、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。低壓輸水技術(shù)應(yīng)用于多源農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水改造，可以解決目前存在的問題。

1 項目區(qū)概況

金塔縣鴛鴦灌區(qū)位于甘肅省河西走廊北部，酒泉市東北部，巴丹吉林沙漠西南部，黑河以西，紫來河下游。該灌區(qū)包括5個鎮(zhèn)、2個鄉(xiāng)、2個國營農(nóng)林站，總?cè)丝?245萬，其中耕地880km2，有效灌溉面積為90.67萬畝左右。該灌區(qū)是河西重要的商品糧基地，也是全省大型的灌區(qū)之一。

金塔縣鴛鴦灌區(qū)目前仍采用傳統(tǒng)的灌溉管理和服務(wù)方式，人工配水，準(zhǔn)確度和透明度不高，人工監(jiān)測檢測，管理效率低，監(jiān)測模式落后，無法滿足當(dāng)前灌溉的需要。在無通信設(shè)施的情況下，采用低壓輸水技術(shù)對灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水改造。

2 低壓輸水灌溉工程建設(shè)內(nèi)容

低壓輸水技術(shù)在應(yīng)用時，主要利用地形的高低差形成的壓頭，通過壓力將水輸送到田間。其優(yōu)點是能夠充分利用地形地勢，降低電能的損耗[1]，在一定程度上，降低了資金的投入。

低電壓管路灌溉系統(tǒng)工程包括取水工程、管頭工程、管路工程、田間灌溉工程[2]、管路結(jié)構(gòu)(壓力調(diào)節(jié)井，排氣閥等)。

3 多水源農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水改造

3.1 工程總體布置

管道系統(tǒng)采用開放式和半封閉兩種方式進(jìn)行灌溉。供水時，管道系統(tǒng)不能完全封閉[3-5]。在管網(wǎng)中的適當(dāng)位置安裝有導(dǎo)流調(diào)壓井和浮球閥，以控制閘門(閥)的開啟和關(guān)閉。管線布置與地形地貌緊密結(jié)合，管線最大限度地平滑，力求管線長度整體最小，減少投資。通過對首端進(jìn)口閘的流量調(diào)節(jié)，使低壓輸水水流處于非恒定流狀態(tài)。分段低壓輸水系統(tǒng)平面概化見圖1。

圖1 分段低壓輸水系統(tǒng)平面概化

支管間距一般在250～350m之間，出水口間距一般在100～150m之間。在各支管端(最低處)，根據(jù)實際地形條件，設(shè)置排沙設(shè)施，在附近自然低洼區(qū)的自流排水管中，設(shè)置排水閥和排沙孔，將水直接排到低洼區(qū)。采用晶閘管地面灌溉、改良溝槽灌溉[6-10]、小管流灌溉等方式進(jìn)行灌溉。

3.2 取水工程

引水工程的主要目標(biāo)是在鴛鴦灌區(qū)西干渠上修建引水閘門，在西干渠上副干渠42km處設(shè)有控制、引導(dǎo)閘門。節(jié)制閥采用敞口式，引水閘門采用胸墻涵式，為C20現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3 渠首工程

引流渠用于干渠控制閘門與沉沙池之間的水力連接，采用長10m、寬1.0m、深1.0m的長方形截面，為C20現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。開槽采用C20混凝土現(xiàn)澆開放式單槽結(jié)構(gòu)，總?cè)莘e150m3，槽體與引流槽間由2.8m長的漸變段連接，槽口右側(cè)為集水坑，槽口兩側(cè)為沉沙池。為防止雜物進(jìn)入管道，在入口處設(shè)置了一道攔污柵。池底設(shè)計為倒坡結(jié)構(gòu)，考慮主管內(nèi)流動情況，充分發(fā)揮沉沙池的作用，以達(dá)到較好的沉沙效果。

3.4 管道部分

3.4.1 灌水定額與管網(wǎng)設(shè)計流量的確定

確定灌水量，主要以農(nóng)作物最大需水量作為灌溉的定額，同時在分析中，需要針對不同農(nóng)作物進(jìn)行不同需水量的設(shè)計。灌水定額依據(jù)下述公式計算：

m=66.7γH(β1-β2)p

(1)

式中m——灌水定額，m3/畝；

H——待灌溉區(qū)域農(nóng)作物蓄水深度，m；

β1——灌溉區(qū)域土壤最大含水量，取田間含水量的95%；

β2——土壤含水量的最低值，取田間持水量的65%；

p——待灌溉區(qū)域的持水量，取25%。

在此基礎(chǔ)上，計算灌溉系統(tǒng)設(shè)計流量，其表達(dá)式為

Q0=amA/(ηTt)

(2)

式中Q0——系統(tǒng)設(shè)計流量，m3/h；

a——作物的種植比例；

m——設(shè)計灌溉定額；

A——需要灌溉的面積；

η——灌溉水有效利用系數(shù)；

T——設(shè)計管水時間；

t——系統(tǒng)每天的工作時間。

3.4.2 管材與管徑選擇

在此基礎(chǔ)上，選擇管徑，主要依據(jù)低壓輸水技術(shù)規(guī)范進(jìn)行選擇，以保證經(jīng)濟(jì)地輸水[11]。表達(dá)式為

D=18.8(Q/v)0.5

(3)

式中D——管道的直徑，mm；

v——管道水流流速，此次研究取值為1.15m/s；

Q——管道設(shè)計流量計算參數(shù)。

3.4.3 管道水力計算

在實際輸水過程中，會存在管道沿程水頭損失情況，管道沿程水頭損失[12-15]按下式計算：

hf=fQmL/Db

(4)

式中hf——沿程水頭損失；

L——管長；

Q——管道的體積流量；

f——管道在輸水過程中沿程阻力系數(shù)；

D——管內(nèi)徑；

b——管徑指數(shù)；

m——流量指數(shù)。

上述計算中涉及到的參數(shù)f、b、m主要參考表1得出。

表1 f、b、m取值

對于支管，采用運(yùn)輸、安裝方便，造價低廉的 PVC普通塑料管道，按上面所述的公式計算水頭損失。通過計算得出，支管的直徑分別為315mm和250mm，每段6m。

同時，在輸水過程中水流會受到一定的擾動，使流態(tài)在一定時間內(nèi)發(fā)生交替改變，最終達(dá)到平衡，為了便于進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用下式進(jìn)行計算：

(5)

式中Hj——下一時刻水流水位；

ξ——淹沒系數(shù)；

g——流量系數(shù)；

v——局部磨損系數(shù)。

基于上述計算，能夠滿足項目的需求量，以此完成低壓輸水技術(shù)對多水源農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水的改造。

4 改造效果分析

為了驗證多水源農(nóng)田灌區(qū)應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后的改造效果，進(jìn)行改造效果分析，將改造前的灌溉效果與改造后的灌溉效果進(jìn)行對比。

實驗分析中以某灌溉區(qū)域為例，以灌溉區(qū)的10個灌溉地點為實驗對象。

4.1 輸水時間對比

分別對比改造前、改造后此地區(qū)的輸水時間，對比結(jié)果見圖2。

圖2 輸水時間對比

由圖2可知，應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，灌溉區(qū)的輸水時間明顯少于改造前。原因是，應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，能通過各個分支渠道進(jìn)行輸水，減少了輸水時間。

4.2 節(jié)水量對比分析

多水源農(nóng)田灌區(qū)改造后，與改造前的節(jié)水量對比結(jié)果見圖3。

圖3 節(jié)水量對比分析

由圖3可知，在多水源農(nóng)田灌區(qū)應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，節(jié)水量大大提高，較改造前節(jié)水效果好。因為在應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，能夠在很大程度上減少水的蒸發(fā)損失和滲漏損失，大大減少了水的損失，提高了節(jié)水效果。

4.3 灌溉水利用率對比

灌溉水利用率計算公式如下：

(6)

式中w凈——灌溉區(qū)凈灌溉用水總量；

w毛——灌溉區(qū)用水總量。

灌溉水利用率對比結(jié)果見圖4。

圖4 灌溉水利用率對比

由圖4可知，應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，灌溉水利用率明顯提高，較改造前灌溉水利用率高。

4.4 灌溉面積達(dá)到率對比

灌溉面積達(dá)到率計算公式如下：

(7)

式中L——灌區(qū)實際達(dá)到的灌溉面積；

O——改造設(shè)計的灌溉面積。

由圖5可知，應(yīng)用低壓輸水技術(shù)后，灌溉面積達(dá)到率明顯大于沒有應(yīng)用低壓輸水技術(shù)的灌溉面積達(dá)到率。

圖5 灌溉面積達(dá)到率對比

4.5 間接效益對比

該實驗地區(qū)內(nèi)原有渠道建于山體附近，封堵嚴(yán)重，滑坡嚴(yán)重、雜草叢生，需經(jīng)常進(jìn)行清理加固，日常運(yùn)行維護(hù)管理困難，成本高。根據(jù)調(diào)查，原渠道每年維修費(fèi)用約8萬元，因此，將間接效益作為比較轉(zhuǎn)化效果的一個指標(biāo)，進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6。

圖6 間接效益對比

由圖6可知，應(yīng)用低壓輸水技術(shù)的效益明顯高于改造前。原因是低壓供水技術(shù)應(yīng)用后，管道埋設(shè)于地下，不需大修，仍可正常運(yùn)行，減少了維修費(fèi)用，提高了間接效益。

5 結(jié) 語

將低壓輸水技術(shù)應(yīng)用到多水源農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水改造中，實驗證明，能夠避免因水資源分配不均而造成的浪費(fèi)，降低了農(nóng)業(yè)用水成本，減少了管理人員，提高了總體經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，低壓管道灌溉技術(shù)實用先進(jìn)，能夠適用于農(nóng)田灌區(qū)節(jié)水改造。此次研究僅針對特定的項目進(jìn)行，由于各地地形條件與種植作物不同，在實際使用低壓輸水技術(shù)時還需要結(jié)合具體情況具體分析，以最大程度提高輸水效果。