低壓管道輸水灌溉技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水改造中的應(yīng)用

王紅英

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 白銀 730499）

當(dāng)前，我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的低壓管道輸水灌溉技術(shù)主要是采用低壓機(jī)泵等設(shè)備或是利用地勢(shì)條件進(jìn)行引水灌溉，在此過程中，整個(gè)壓力應(yīng)保持在0.4MPa以下。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，相較于傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，管網(wǎng)輸水技術(shù)水資源節(jié)約率達(dá)到傳統(tǒng)灌溉技術(shù)的3倍以上，水資源利用率也遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)技術(shù)，達(dá)到90%。此外，由于灌溉管網(wǎng)需要深埋地下，耕地面積也可以得到一定程度提升。因此，采用管網(wǎng)灌溉技術(shù)可以有效推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)概述

相較于傳統(tǒng)明渠灌溉，低壓管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要利用低耐壓管道配合耗能較低的機(jī)泵或是利用地勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行引水實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)田目的。通常情況下，低壓管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)主要由水源、渠首、干渠、泵房、支渠、前池(攔污柵)、輸水管網(wǎng)系統(tǒng)和田間灌溉系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成[1]。該技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)在于利用地勢(shì)特點(diǎn)或是低耗能機(jī)泵形成的壓力差完成引水作業(yè)，有效降低能源消耗量，同時(shí)也可以有效節(jié)約人力、物力資源，管道內(nèi)部不易堵塞，維護(hù)工作量得以有效降低。

該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，重點(diǎn)環(huán)節(jié)主要包括水源及取水工程、輸水配水管網(wǎng)系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分。水源及取水工程建設(shè)要點(diǎn)在于水源方面應(yīng)注意選擇泥沙、雜草等異物較少的水域作為灌溉水源，避免引水過程中吸入異物導(dǎo)致管道堵塞。取水工程建設(shè)過程中需要技術(shù)人員在充分考慮灌溉用水量、揚(yáng)程大小等多方面問題的基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的壓力表、動(dòng)力機(jī)等配套設(shè)施，在井灌區(qū)建設(shè)過程中需要重點(diǎn)注意該環(huán)節(jié)；輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)主要包括各類管道、分水設(shè)施、相關(guān)保護(hù)裝置及其他附屬設(shè)施，共同構(gòu)成整個(gè)灌溉管網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)灌溉目的；田間灌溉系統(tǒng)主要指灌溉管網(wǎng)出水口以下的農(nóng)田部分，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，技術(shù)人員仍將其歸為地面灌水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要采用地面節(jié)水灌溉技術(shù)以實(shí)現(xiàn)均勻灌溉并降低灌水定額目的，最終實(shí)現(xiàn)兼顧農(nóng)田灌溉與節(jié)水雙重目標(biāo)[2]。

2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 取水工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)前階段，我國(guó)管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)中取水工程設(shè)計(jì)主要包含三級(jí)干渠中的部分分水閘與節(jié)制閘，通常情況下，該部分主要設(shè)置在三級(jí)干渠30km左右范圍內(nèi)，并根據(jù)灌區(qū)實(shí)際需求對(duì)具體布局進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿足農(nóng)田實(shí)際灌溉需求。

2.2 渠首工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

渠首工程主要包括引水渠與沉砂池等兩個(gè)主要部分。引水渠是連接沉砂池與節(jié)制閘的主要紐帶，通常情況下該部分主要被設(shè)計(jì)為矩形斷面，以C20混凝土澆筑完成，深度范圍保持在1.5m以下，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。沉砂池在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中主要以開敞式矩形單箱為主要規(guī)格，采用C20混凝土進(jìn)行澆筑。此外，為實(shí)現(xiàn)提升沉砂池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的，在設(shè)計(jì)過程中還融入擋土墻結(jié)構(gòu)。沉砂池與引水渠之間存在一段長(zhǎng)度范圍在3m左右的漸變段作為連接二者的主要通道。在設(shè)計(jì)沉砂池過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意在其右側(cè)設(shè)計(jì)相應(yīng)集水坑。實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)注意及時(shí)清理沉砂池底部的淤沙[3]。

2.3 管道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 灌溉管網(wǎng)管水定額及流量計(jì)算

管水定額是低壓灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，需要技術(shù)人員在實(shí)際工作過程中采用科學(xué)的方法及灌溉實(shí)際需求確定最大灌水量數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的，同時(shí)避免過量灌溉影響作物成活率。考慮到不同灌區(qū)作物種類不同，對(duì)灌溉量的需求存在明顯差異，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)管水定額時(shí)需要根據(jù)公式（1）進(jìn)行定額計(jì)算。

在公式（1）中，M主要表示灌區(qū)實(shí)際所需管水定額（m3/667m2）；r表示灌區(qū)土層中土壤干容量，通常情況下r的確定值為15N/m3；H表示灌溉區(qū)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度；β1主要表示灌溉渠含水量最低限度，在確定該數(shù)值時(shí)主要以65%的田間持水量作為主要標(biāo)準(zhǔn)；β則表示田間持水量，通常設(shè)定值為25%。設(shè)計(jì)人員在實(shí)際計(jì)算灌水定額時(shí)需要將各數(shù)值代入公式中并得出相應(yīng)結(jié)果作為后續(xù)工程設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)。

在完成管水定額計(jì)算工作后，技術(shù)人員還需對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算，該環(huán)節(jié)主要采用公式（2）進(jìn)行。

在公式（2）中，m表示灌水定額，依據(jù)公式（1）計(jì)算結(jié)果確定數(shù)值；A表示灌溉區(qū)總面積；n表示灌溉水利用系數(shù)，通常情況下，低壓管道該數(shù)值為0.8；T表示灌溉系統(tǒng)工作時(shí)間；t表示灌溉系統(tǒng)灌水周期。技術(shù)人員需要將具體數(shù)值帶入公式中計(jì)算得出Q的設(shè)定值。

2.3.2 干管部分

干管一般情況下選擇當(dāng)?shù)毓こ坍?dāng)中使用的非常多、安裝很方便而且價(jià)格相對(duì)低廉的承插式鋼筋混凝土型預(yù)制管，此種鋼管能夠很好地節(jié)省整體投資，在相應(yīng)的計(jì)算之后，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)灌區(qū)的設(shè)計(jì)流量一般情況下是0.6m3/s，流量損失情況主要依據(jù)公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

在公式（3）中，f表示干管摩阻系數(shù)；Q表示干管每小時(shí)出水量；d表示鋼管直徑。

2.3.3 管道壓力計(jì)算及水泵選擇

1）針對(duì)低壓輸水管道壓力方面的計(jì)算主要包含沿程水頭損失、局部水頭損失及首部壓力水頭損失三個(gè)部分。

沿程水頭損失是指在一定長(zhǎng)度的管道內(nèi)，水流在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力水頭損失。針對(duì)此指標(biāo)的計(jì)算主要利用公式（4）。

在公式（4）中，h沿表示水流沿程阻力損失，單位為m；L表示所計(jì)算管道長(zhǎng)度，單位為m；dn表示所計(jì)算管道內(nèi)徑，單位為mm；Qm表示所計(jì)算管道流量，單位為m3/h；m與n分別表示管道流量指數(shù)與管徑指數(shù)。

局部水頭損失是指水流在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，在經(jīng)過三通、閘門等不通管道時(shí)產(chǎn)生的壓力水頭損失。對(duì)此指標(biāo)的計(jì)算主要利用公式（5）。

在公式（5）中，h局表示局部水頭損失；v表示所計(jì)算管道平均流速，單位為m/s；g表示重力加速度；ε表示局部水頭損失系數(shù)。將所計(jì)算管道內(nèi)，所有三通、閘門等部分的水頭損失相加即可得出所計(jì)算管道總水頭損失，通常情況下，技術(shù)人員工作中會(huì)取沿程水頭損失的10%～15%計(jì)算局部水頭損失。

對(duì)首部水頭損失進(jìn)行計(jì)算需要首先選取整個(gè)灌溉系統(tǒng)中最難灌溉的點(diǎn)作為基礎(chǔ)，隨后將管路內(nèi)水頭損失進(jìn)行相加運(yùn)算，逐步向上推算即可得出首部樞紐運(yùn)行所需壓力水頭值。對(duì)此指標(biāo)的計(jì)算可通過公式（6）完成。

在公式（6）中，H首表示管道首部需提供的供水水頭；h沿表示管道沿程局部水頭損失；h局表示管道局部水頭損失；H灌表示管道灌水給水口工作水頭；Δ表示典型點(diǎn)高程及樞紐洪水點(diǎn)高差。

2）在低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中，工作人員還需對(duì)水泵進(jìn)行科學(xué)選擇，在計(jì)算水泵楊程的基礎(chǔ)上選擇合適的水泵設(shè)備。為此，工作人員可以通過利用公式（7）對(duì)水泵揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算。

在公式（7）中，H首即為在灌輸管道系統(tǒng)中，首部樞紐運(yùn)行所需的工作水頭；H井為管道系統(tǒng)水源的水位或是機(jī)井動(dòng)水位；H泵損為灌輸系統(tǒng)水泵沿程及局部水頭損失總和；H泵為設(shè)計(jì)灌輸管道系統(tǒng)水泵所需揚(yáng)程。

2.4 田間灌溉工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)前階段，田間灌溉工程應(yīng)用較為廣泛的模式主要包括小管式出流灌溉及田間閘管式灌溉兩種。小管式出流灌溉模式主要利用三種不同等級(jí)的管道實(shí)現(xiàn)引流目的，管道直徑設(shè)計(jì)主要分為50mm、100mm、180mm三個(gè)等級(jí)。在實(shí)際建設(shè)過程中，設(shè)計(jì)人員需要依據(jù)小管出流系統(tǒng)實(shí)際情況設(shè)置干管、支管、毛管等多種管道，其中毛管設(shè)計(jì)需要依據(jù)作物種植方向確定設(shè)計(jì)位置，實(shí)際設(shè)計(jì)效果應(yīng)保證每?jī)尚凶魑镏杏幸粭l毛管穿過。

田間閘管式灌溉模式往往是由多個(gè)部分共同組成，主要包含了管道當(dāng)中一些閥門以及可以移動(dòng)的軟管，整體系統(tǒng)一般是在毛渠取水完成之后再進(jìn)行，能夠利用調(diào)節(jié)閥門的開度來對(duì)溝內(nèi)水流的大小進(jìn)行控制。

2.5 低壓管道輸水灌溉技術(shù)應(yīng)用實(shí)效

低壓管道輸水灌溉技術(shù)的應(yīng)用可以有效緩解傳統(tǒng)明渠灌溉模式輸水過程中存在的蒸發(fā)與滲透現(xiàn)象，可以有效節(jié)約水資源，提升灌溉水利用率。同時(shí)由于輸水管道埋設(shè)于地下，根據(jù)實(shí)際計(jì)算可知，可以節(jié)約3%的土地面積用于耕種，同時(shí)還可以有效保證作物成熟收割時(shí)的運(yùn)輸便捷性。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，低壓管網(wǎng)灌溉技術(shù)的應(yīng)用有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，可以節(jié)約大量人力資源與物力資源，對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展方面具有積極推動(dòng)作用[4-5]。

3 總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展及環(huán)境保護(hù)政策背景下，低壓管道輸水灌溉技術(shù)可以有效滿足節(jié)約資源、提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的戰(zhàn)略要求。因此，相關(guān)部門在實(shí)際工作過程中應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究力度，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為落實(shí)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供有力保障。