低壓管道輸水灌溉在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)

李偉

（甘肅大禹節(jié)水集團(tuán)水利水電工程有限責(zé)任公司河南分公司，河南 鄭州450000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

鹿邑縣2021年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目總建設(shè)面積1.47萬hm2，其中宋河鎮(zhèn)耕地面積0.33萬hm2，馬鋪鎮(zhèn)耕地面積0.41萬hm2，趙村鄉(xiāng)和楊湖口鎮(zhèn)耕地面積0.44 萬hm2，邱集鄉(xiāng)耕地面積0.29萬hm2。項(xiàng)目區(qū)基本上處于地勢平坦的平原地區(qū)，所耕作的田塊均基本規(guī)整，且主要呈60～120 m 長、20～40 m 寬的南北向條田格局，田面平均高差不超出i 3 cm 范圍，能適應(yīng)機(jī)械化耕作，項(xiàng)目區(qū)有效土層厚度約50 cm，土層深度大，作物生長條件較好。項(xiàng)目區(qū)降水量時(shí)空分布并不均勻，降水主要集中在汛期，且利用率不高，雖然項(xiàng)目區(qū)南部與渦河流域臨近，但由于地形條件限制顯然無法用于項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田灌溉。目前項(xiàng)目區(qū)耕地灌溉仍采用的是井灌方式和田間明渠灌溉技術(shù)，結(jié)合調(diào)查資料，項(xiàng)目區(qū)地下水為pH 值7.90、礦化度0.50 g/L 的淡水，不含汞、鎘、砷等化學(xué)污染物質(zhì)，適用于農(nóng)田灌溉。但灌溉水漏損嚴(yán)重，灌溉渠道存在一定程度的淤積，田間水利用系數(shù)不高。

低壓管道輸水灌溉方式主要借助低揚(yáng)程機(jī)泵和地形落差形成壓力水頭，再通過這種壓力水頭進(jìn)行灌溉水加壓，進(jìn)而通過事先布置好的輸水管網(wǎng)進(jìn)行配水、灌溉，可有效代替田間明渠。綜合考慮其應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，低壓管道輸水灌溉可比田間明渠灌溉節(jié)水30%以上，使灌溉水利用系數(shù)提升至0.90 以上，且灌溉管道全部埋入地下，能節(jié)約占地面積，便于實(shí)施精準(zhǔn)給藥、施肥等田間管理。為此，鹿邑縣2021 年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目主要通過實(shí)施低壓管道輸水灌溉以代替過去的田間明渠灌溉。

2 低壓管道灌溉技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 灌水率的確定

對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田而言，單位面積內(nèi)所必需的灌溉水流量即為灌水率，該指標(biāo)也是進(jìn)行渠首引水流量、渠道設(shè)計(jì)流量、用水計(jì)劃等確定的主要參考。如果該指標(biāo)取值過大，會(huì)造成水資源、工程建設(shè)資金、管理資源等的浪費(fèi)，相反，取值過小，又無法滿足現(xiàn)狀農(nóng)田灌溉需求。結(jié)合國內(nèi)類似規(guī)模高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)實(shí)踐，應(yīng)按照下式進(jìn)行灌水率確定：

式中：qin凈—項(xiàng)目區(qū)第i 種作物第n 次灌溉所對(duì)應(yīng)的灌水率（m3/s·萬hm2）；σi—項(xiàng)目區(qū)第i 種作物對(duì)應(yīng)的實(shí)際種植面積占比（%），該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田以小麥、蘋果樹和玉米為主要作物，種植面積占比分別為41.80%、29.60%和28.60%；min—項(xiàng)目區(qū)第i 種作物第n 次灌溉對(duì)應(yīng)的灌水定額（m3/hm2）；Tin—項(xiàng)目區(qū)第i 種作物第n 次灌溉耗時(shí)（h），考慮到該項(xiàng)目區(qū)屬于自流灌區(qū)，故取24 h。

將工程區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）可以得到不同保證率下主要作物第n 次灌溉所對(duì)應(yīng)的灌水率。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析不難發(fā)現(xiàn)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田主要作物灌水率取值受作物實(shí)際種植面積、灌水定額及灌水耗時(shí)等因素的影響較大，而上述因素的大小又與灌溉方式、作物類型、氣候環(huán)境、灌溉管理制度等有關(guān)。為此，在該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田低壓管道灌水率確定方面，必須加強(qiáng)對(duì)以上方面的重視。

2.2 管網(wǎng)布置

考慮到該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建成后灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)首部能完全適應(yīng)灌溉環(huán)境，主要采用不設(shè)置井房的室外射頻卡控制技術(shù)，具體而言，依次設(shè)置逆止閥、閘閥、進(jìn)氣閥保護(hù)、壓力表、水表等裝置。以上裝置中除射頻控制卡之外，其余全部采取隱蔽式安裝方式。根據(jù)《管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》，為減少水頭損失，節(jié)省總費(fèi)用，簡化運(yùn)行過程，應(yīng)按照短、直原則布設(shè)低壓輸水灌溉管道，并向各用水單元預(yù)留獨(dú)立的配水口，同時(shí)確保所留配水口、管道連接方式及給水栓的型式等均與所對(duì)應(yīng)用水單元灌溉實(shí)際吻合。低壓輸水灌溉管道必須設(shè)置在堅(jiān)實(shí)的地基結(jié)構(gòu)上，管道中心線縱坡及管道傾角應(yīng)不超出1：1.50和土壤內(nèi)摩擦角。為避免管道彎道內(nèi)存在真空，必須在管道中預(yù)留出2～3 m的水頭余壓值。

根據(jù)主要作物類型、田塊形狀、水源地、坡面、管網(wǎng)控制灌溉面積等，按照樹枝狀形式布置該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目區(qū)低壓管道輸水系統(tǒng)固定管網(wǎng)，在工程區(qū)邊緣布置1.80～2.50 km長的干管，使其垂直于現(xiàn)狀干渠和支渠；與此同時(shí)，支管與作物種植走向平行，并與干管垂直，間距控制在60～150 m，按照干管間距確定其長度，且不超出350 m。為減少給水栓設(shè)置數(shù)量，降低工程運(yùn)行成本，對(duì)于平整度良好的田塊應(yīng)雙向灌水；相反，對(duì)于地形起伏大的田塊，必須在固定式給水栓上連接移動(dòng)軟管，提升灌溉均勻程度。項(xiàng)目區(qū)渠系水利用系數(shù)不得小于0.95，田間所埋設(shè)的固定管道長度必須控制在100～150 m/hm2以內(nèi)。考慮到工程區(qū)所處地理位置及管網(wǎng)安全運(yùn)行需要，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行泄空、排水及防凍害處理。具體而言，必須在支管尾部地勢低洼區(qū)域設(shè)置排水泄空裝置，待冬灌完成后將排空裝置打開，排空輸水管道中的殘余灌溉水。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，這種處理措施對(duì)于弱凍脹性砂礫料和強(qiáng)凍脹性黏土料，抗凍脹效果均十分顯著。

2.3 管材選擇

結(jié)合國內(nèi)各大灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目區(qū)低壓輸水管道可以選用塑料管材、素混凝土管材和PE鋼塑復(fù)合管材等。各種輸水管道材料的技術(shù)優(yōu)劣勢具體見表1所示，在該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)過程中低壓輸水灌溉管道管材選擇時(shí)必須充分結(jié)合現(xiàn)行《灌溉用塑料管材和管件基本參數(shù)及技術(shù)條件》《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》以及農(nóng)業(yè)灌溉輸水管道管材壓力等級(jí)要求不高等實(shí)際，切不可用錯(cuò)規(guī)范，無謂提高輸水管材壓力等級(jí)，導(dǎo)致工程投資盲目增加。該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田工程在低壓輸水管道管材選擇時(shí)，地勢起伏不平的田塊選用PE管材，而地勢平坦的區(qū)域選用PVC-U塑料管，管材壓力等級(jí)主要根據(jù)管網(wǎng)壓力分別情況進(jìn)行確定，所確定出的低壓輸水灌溉管道壓力等級(jí)應(yīng)不超出0.40 MPa。

表1 項(xiàng)目區(qū)低壓管道輸水灌溉管材比選表

2.4 管徑確定

該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目低壓輸水灌溉管道的管徑主要通過經(jīng)濟(jì)流速法予以確定，公式如下：

式中：D—低壓輸水灌溉管道的管徑（mm）；Q—低壓輸水灌溉管道設(shè)計(jì)流量（m3/h）；V—管道內(nèi)經(jīng)濟(jì)水流流速（m/s）。

為避免該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田低壓輸水灌溉管道內(nèi)出現(xiàn)水擊破壞現(xiàn)象，必須將該工程輸水管道設(shè)計(jì)流速允許值控制在3 m/s 以內(nèi)，并不得低于0.50 m/s 的防淤積流速。根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，農(nóng)田低壓輸水灌溉管道管徑如果控制在100～250 mm以內(nèi)，所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速為0.60～1.00 m/s，而當(dāng)?shù)蛪狠斔喔裙艿拦軓皆?50 mm 及以上，則對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速為1.00～1.50 m/s?？紤]到低壓輸水灌溉管道的管徑和管段內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速之間呈反向變動(dòng)關(guān)系，則在充分考慮灌溉管網(wǎng)造價(jià)及運(yùn)行、管理費(fèi)用的基礎(chǔ)上，將該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田低壓輸水灌溉管道管段設(shè)計(jì)流速確定為1.25 m/s，所對(duì)應(yīng)的干管、支管管徑分別為Φ286 mm和Φ105 mm。

3 結(jié)論

綜上所述，該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目將傳統(tǒng)的田間明渠灌溉方式改造成低壓輸水管道灌溉方式后，基本實(shí)現(xiàn)了低壓自流的運(yùn)行目標(biāo)。在充分收集灌區(qū)現(xiàn)有水源、作物面積、灌溉制度、灌水時(shí)間及渠系現(xiàn)狀等資料的基礎(chǔ)上所確定的灌水率、管網(wǎng)布置情況科學(xué)合理；基于不淤流速臨界值等進(jìn)行了管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化，管材、管徑的逐段選擇和復(fù)核過程基本符合工程實(shí)際，保證了該高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目區(qū)低壓輸水管道工程的安全運(yùn)行。