王文平

(陜西省石頭河水庫灌溉管理局,陜西楊凌712100)

石頭河水庫灌區(qū)是在原梅惠渠基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)新老結(jié)合的灌區(qū),位于關(guān)中西部,始建于1941年,灌區(qū)設(shè)輸水干渠4條,支渠14條,總長191.2 km,控制灌溉面積2.467×104hm2,灌區(qū)地形南高北低,地面坡降較大,由于灌區(qū)渠道基本依據(jù)地形比降布設(shè),生成的渠道就成為“順地跑”渠道,渠道比降大都在1/35～1/300之間,由于渠道比降過大,沖刷破壞比較嚴(yán)重,這樣不但使渠道工程的使用壽命大大降低,而且造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因而從2002開始我們在石頭河水庫灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水改造時(shí),根據(jù)灌區(qū)自然高差較大,且屬清水灌溉,適合低壓管道輸水灌溉這一特點(diǎn),在建設(shè)中,改變傳統(tǒng)的襯砌渠道方式,在東干九支渠率先實(shí)施了以低壓管道輸水節(jié)水灌溉為主的萬畝節(jié)水示范園工程,在節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、省工、便于管理等方面取得較好的效果。實(shí)踐證明,低壓管道灌溉系統(tǒng)是一項(xiàng)值得在灌區(qū)節(jié)水改造中推廣應(yīng)用的技術(shù)。

1 低壓管道灌溉系統(tǒng)的機(jī)理和組成

1.1 低壓管道灌溉系統(tǒng)的機(jī)理

低壓管道灌溉系統(tǒng)就是利用地形的自然高差形成的壓力水頭,通過管道輸水到田間的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。它突出的特點(diǎn)就是充分利用自然壓差,形成壓力管道系統(tǒng),不需要消耗電能就可配套低壓管道灌溉、噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉設(shè)施[1]。

1.2 低壓管道灌溉系統(tǒng)的組成

低壓管道灌溉系統(tǒng)包括:水源、輸水系統(tǒng)、給配水裝置、保護(hù)設(shè)備(調(diào)壓閥或排氣閥等)、田間灌水設(shè)施。

2 低壓管道灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)

2.1 資料收集

基本資料的收集及有關(guān)技術(shù)參數(shù)的選用,是低壓管道灌溉系統(tǒng)規(guī)劃的前提,必須做到準(zhǔn)確可靠,必要時(shí)應(yīng)對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測、試驗(yàn)和分析論證。必須收集以下基本資料,作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.1.1 地形地貌

地形地貌可應(yīng)用已有的航測圖、鄉(xiāng)村農(nóng)田基本建設(shè)圖或灌區(qū)平面圖作為參考。在規(guī)劃階段應(yīng)使用1/5000—1/10000地形圖;管網(wǎng)布置階段應(yīng)使用1/2000—1/5000地形圖。并在地形圖上標(biāo)出行政區(qū)劃、村莊、道路等基本地形、地貌,并繪出管網(wǎng)的走向及有關(guān)設(shè)施的位置。

2.1.2 氣象

灌區(qū)內(nèi)的多年降水量、蒸發(fā)量、主風(fēng)向及風(fēng)速,最高、最低、平均氣溫,無霜期的長短,日照小時(shí)數(shù),地溫,濕度等。

2.1.3 土壤特性

土壤質(zhì)地,耕層厚度,養(yǎng)分狀況。

2.1.4 灌區(qū)內(nèi)主要作物分布

灌區(qū)總面積,農(nóng)作物種類,種植比例,各種作物的種植面積。

2.1.5 經(jīng)濟(jì)情況

規(guī)劃區(qū)內(nèi)人口,勞動力,耕地面積,產(chǎn)量,人均收入,交通狀況[2]。

2.1.6 管道材料

管道材料性能,生產(chǎn)廠家,管材類型。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)主要包括八個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)確定管道長度及走向,并繪制管道縱斷面圖。

(2)灌溉制度的制定。計(jì)算灌水定額,灌水周期。

(3)水量平衡分析。根據(jù)灌溉面積確定供需水量。

(4)管道布局。確定管網(wǎng)的走向、管道各段的長度。

(5)確定灌溉方式、灌溉工作制度。

(6)管道水力計(jì)算。確定管網(wǎng)入口的工作壓力、管道水頭損失、管徑的大小;管道內(nèi)流速校核。

(7)工程概算。

(8)經(jīng)濟(jì)效益分析。

2.3 系統(tǒng)管網(wǎng)布置及灌溉制度的確定

2.3.1 管網(wǎng)布置

管網(wǎng)布置的合理與否,對工程投資、運(yùn)行狀況和管理維護(hù)有很大影響。一般管道布置應(yīng)遵循以下原則。

(1)充分利用壓力水頭。

(2)力求管道總長度短、控制面積大,管線平直,減少拐彎、起伏等。

(3)支管道走向應(yīng)與作物種植方向及地形坡度相適應(yīng)。支管間距單向控制時(shí)不應(yīng)大于75 m,雙向控制時(shí)不應(yīng)大于150 m。

2.3.2 灌溉制度的確定

灌溉制度是根據(jù)作物生育期內(nèi)一定的氣候、土壤和耕作技術(shù)條件為獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)進(jìn)行適時(shí)適量灌水的一種制度。其內(nèi)容包括灌水定額、灌溉定額、灌水時(shí)間及次數(shù)。

2.3.2.1 灌水定額的確定

在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中,采用作物生育期內(nèi)各次灌水量中最大的一次作為設(shè)計(jì)灌水定額。對于種植不同作物的灌區(qū),通常采用設(shè)計(jì)時(shí)段內(nèi)主要作物的最大灌水定額作為設(shè)計(jì)灌水定額。

一般灌水上限按田間持水量的80%～95%計(jì)算,下限按田間持水量的60%～65%計(jì)算。

灌水定額m=667Hγ(β1-β2)/η計(jì)算。

式中:m為設(shè)計(jì)灌水定額(m3/畝);H為計(jì)劃濕潤層深度(m),一般大田可取0.4～0.6,蔬菜0.2～0.3,果樹0.8～ 1.0;β1、β2為土壤適宜含水量上、下限;γ為土壤干密度(t/m3);η為田間水有效利用系數(shù),一般取0.85～0.95。

2.3.2.2 灌水周期的確定

根據(jù)灌水臨界期作物最大日需水量值,按下式計(jì)算理論灌水周期。因?yàn)?實(shí)際灌水中可能會出現(xiàn)停水、配水設(shè)備故障等原因,故設(shè)計(jì)灌水周期應(yīng)小于理論灌溉周期。

式中:T理為理論灌水周期(d);Ep為控制區(qū)內(nèi)作物最大日需水量(mm/d);T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期(d)。

2.3.2.3 設(shè)計(jì)流量的確定

根據(jù)灌水定額、灌溉面積、灌水周期、每天工作的時(shí)間和灌溉水利用系數(shù)計(jì)算灌溉設(shè)計(jì)流量。

式中:Q設(shè)為灌溉設(shè)計(jì)流量(m3/h);m、T同前;A為系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌溉面積(667m2);η為管道輸水效率,一般取0.95～0.98;t為每天工作的時(shí)間(h),一般取12 h～16 h。

2.3.3 灌溉工作制度

傳統(tǒng)灌溉方式是續(xù)灌和輪灌相結(jié)合的方法,即:支管之間采用輪灌,支管內(nèi)采用續(xù)灌。

(1)系統(tǒng)輪灌組數(shù)目的確定,用式

N=int(nq/Q設(shè))計(jì)算

式中:N為系統(tǒng)輪灌組數(shù);n為系統(tǒng)出水口總數(shù);q為出水口的出水量(m3/h);int為取整符號;Q設(shè)同前。

(2)出水口實(shí)際出水量計(jì)算,按式

q=NQ設(shè)/n計(jì)算

(3)同時(shí)工作出水口數(shù)目的確定,按式

X=int(n/N)計(jì)算[3]

式中:X為同時(shí)工作的出水口數(shù),其它符號同前。

(4)每個(gè)輪灌組工作時(shí)間,按式

tN=T/N計(jì)算

式中:tN為每個(gè)輪灌組工作時(shí)間(h);T、N同前。

2.4 水力計(jì)算

2.4.1 管網(wǎng)各級管道的流量計(jì)算

在管網(wǎng)管道流量計(jì)算時(shí),采用自下而上的方式推求各管段的流量。

2.4.1.1 支管流量的確定

根據(jù)輪灌組及出水口的水量,同時(shí)工作的出水口數(shù),計(jì)算支管道的流量。

按式 Q支 =n支q計(jì)算

式中:Q支為支管進(jìn)口流量(m3/h);n支為支管控制的出水口數(shù);q同前。

2.4.1.2 干管流量的確定

干管內(nèi)的水量是同時(shí)工作支管水量的總和。即:

式中:Q干為干管進(jìn)口流量(m3/h);n干為干管控制支管數(shù);Q支同前。

2.4.2 管網(wǎng)水力計(jì)算

2.4.2.1 給水栓工作水頭

在采用移動軟管灌溉系統(tǒng)中,一般軟管直徑為φ 50～φ 100,長度不超過100 m。此時(shí)給水栓工作水頭用式Hg=hyf+△Hgy+(0.2～0.3)計(jì)算。

式中:Hg為給水栓工作水頭(m);hyf為移動軟管沿程水頭損失(m);△Hgy為移動軟管出口與給水栓出口高差(m)。當(dāng)給水栓直接配水入渠道時(shí):Hg=0.2～0.3 m。

2.4.2.2 管網(wǎng)各管段管徑的確定

低壓管網(wǎng)水力計(jì)算根據(jù):設(shè)計(jì)水量、管網(wǎng)入口壓力確定管網(wǎng)中各級管徑,各節(jié)點(diǎn)壓力。最后選用與計(jì)算出的管徑接近的商用管徑。管徑選定后要進(jìn)行不淤流速(一般取0.5 m/s)和最大允許流速(通常限制在2.5 m/s～3.0 m/s)校核。

為了充分利用自然水頭,其管徑用下式計(jì)算。

式中:d為管道內(nèi)徑,mm或m;f為沿程水頭損失摩阻系數(shù);Q為管道內(nèi)設(shè)計(jì)流量,m3/h或m3/s;m為流量系數(shù);b為管徑系數(shù);i為平均水力坡度。為管段上游節(jié)點(diǎn)與下游節(jié)點(diǎn)水頭差除以管段長度。

2.4.2.3 管網(wǎng)水頭損失計(jì)算

沿程水頭損失計(jì)算:

2.4.3 輸水管道性能的選擇

(1)輸水管道設(shè)計(jì)要求的工作壓力確定。管材允許工作壓力應(yīng)為管道最大正常工作壓力的1.4倍。當(dāng)管道可能產(chǎn)生較大水擊壓力時(shí),管材的允許工作壓力應(yīng)不小于水擊時(shí)的最大壓力。

(2)管壁要均勻一致。

(3)管材內(nèi)壁要光滑。

(4)管與管、管與管件連接要方便。

2.4.4 防止水擊壓力的措施

(1)操作運(yùn)行中應(yīng)緩慢啟閉閥門,以延長閥門啟閉時(shí)間,從而避免產(chǎn)生直接水擊,并可降低間接水擊壓力。

(2)由于水擊壓力與管內(nèi)流速成正比,因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)控制管內(nèi)流速不超過最大流速限制范圍。

(3)由于水擊壓力與管道長度成正比,因此,在設(shè)計(jì)中可隔一定距離設(shè)置具有自由水面的調(diào)壓井或安裝安全閥和進(jìn)排氣閥,以縮短管道長度,削減水擊壓力。

2.4.5 安全保護(hù)裝置

管道輸水灌溉系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置主要有進(jìn)(排)氣閥、安全閥、調(diào)壓裝置、逆止閥等。

2.4.5.1 進(jìn)排氣閥的選擇

式中:d0為進(jìn)排氣閥通氣孔直徑(mm);D0為被保護(hù)管道內(nèi)徑(mm);V為被保護(hù)管道內(nèi)水流速度(m/s)。

2.4.5.2 安全閥

安全閥是一種壓力釋放裝置,安裝在管路較低處,起超壓保護(hù)作用。

3 低壓式管道輸水灌溉管理及技術(shù)要求

低壓管道灌溉工程同其它水利工程一樣,必須正確處理好建、管、用三者關(guān)系。建是基礎(chǔ),管是關(guān)鍵,用好增產(chǎn)是目的。在保證管道系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的前提下,只有管好用好才能充分發(fā)揮效益。

3.1 管理制度

低壓管道灌溉系統(tǒng)也需要有完善的管理制度,如果沒有一套與其相適應(yīng)的管理措施,也是不能正常運(yùn)行的。要從四個(gè)方面完善管理制度:一是建立健全管理組織;二是依法管水;三是實(shí)行管理責(zé)任制;四是建立管理考核標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 低壓管道灌溉系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)要求

①灌溉前必須首先打開應(yīng)澆地塊的給水栓,每條主管道打開的給水栓數(shù)不少于3個(gè);②打開給水栓后,再開進(jìn)水閘,閘門開啟度應(yīng)根據(jù)渠道水位,滿足管道用水量,待壓力池水位和堰頂齊平,穩(wěn)定為好;③灌溉結(jié)束后,先關(guān)閉進(jìn)水閘,然后再關(guān)閉給水栓;④冬灌結(jié)束后,必須將管道內(nèi)的水排掉,防止凍壞管道;⑤用前必須做好管道的檢修工作[4]。

4 低壓管道灌溉系統(tǒng)效果分析

低壓管道灌溉系統(tǒng)與明渠灌溉相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)節(jié)水、節(jié)能

低壓管道灌溉系統(tǒng)輸水損失小,渠系水利用率達(dá)95%以上,比土渠提高30%,比防滲渠道提高5%,綜合節(jié)水達(dá)40%左右。

由于用管道輸水,減少了滲漏和蒸發(fā)損失,綜合節(jié)能在20%～30%。

(2)省地、省工

低壓管道灌溉系統(tǒng)中管道埋入地下,比明渠灌溉減少占用耕地2%,對土地資源的充分利用有著重要意義。

管道灌溉不僅能減少大量的田間建筑物,而且還可以實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、系統(tǒng)化;輸水時(shí)間短,縮短了輪灌期,節(jié)省了工日。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)、管理方便

低壓管道灌溉系統(tǒng)是有壓供水,可適用于各種地形,如:越溝,跨路,拐彎和爬坡等。管道灌溉設(shè)備比較簡單,技術(shù)容易掌握,管理方便,用水量便于控制和計(jì)量 ,并為農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動化的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

(4)使用壽命長

管道埋入地下,塑料管不易老化、不宜腐蝕、不宜破壞,一般使用壽命在50 a左右。實(shí)踐證明,低壓管道灌溉系統(tǒng)節(jié)水效果明顯,減少了水資源的浪費(fèi),緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源供需矛盾,提高了當(dāng)?shù)氐墓喔人胶娃r(nóng)業(yè)抗御干旱災(zāi)害的能力,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)制度改革和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。運(yùn)用低壓管道灌溉系統(tǒng)后,每年節(jié)約用水30×104m3,節(jié)約的水為社會經(jīng)濟(jì)的其他發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。同時(shí),項(xiàng)目區(qū)內(nèi)外部環(huán)境和整體面貌也將發(fā)生根本性變化,不僅豐富了城鄉(xiāng)居民的“菜籃子”,還綠化美化了環(huán)境,改變了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)意識。使農(nóng)民認(rèn)識到節(jié)水改造的好處,深深體會到水利是農(nóng)業(yè)的命脈,只有水利設(shè)施的發(fā)展,才能改變農(nóng)業(yè)的面貌,才能富裕農(nóng)民。

5 結(jié) 語

灌區(qū)管道輸水節(jié)水灌溉技術(shù),是適用于提水或低壓灌區(qū)多種作物應(yīng)用的節(jié)水灌溉技術(shù),已形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、工程施工、灌溉管理等成套技術(shù)體系,具有節(jié)水、省地、省工和工程造價(jià)低、施工簡便、使用管理方便及工程壽命長、增產(chǎn)效益顯著等多種優(yōu)勢。這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用,深受灌區(qū)群眾歡迎。該技術(shù)的應(yīng)用對緩解水資源危機(jī),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水利設(shè)施條件,改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,增加農(nóng)民收入發(fā)揮了重要作用。建議在大力推廣該項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)用水的計(jì)量管理,嚴(yán)格按照作物的經(jīng)濟(jì)灌溉定額,進(jìn)行科學(xué)的灌溉,進(jìn)一步提高水的利用率和生產(chǎn)效率。

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[2] 王景武.石頭河水庫志[M].北京:中國水利水電出版社,2005:158-263.

[3] 劉文俊,吳玉柏.江蘇省灌區(qū)低壓管道工程主要技術(shù)參數(shù)研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,(10):69-71.

[4] 陳炯新.低壓管道輸水灌溉技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1991:6-117.