(1.四川省都江堰管理局，四川 都江堰，611830；2.四川省都江堰勘測設計院，四川 都江堰，611830；3.四川省水利科學研究院，成都，610072)

引言

我國于上世紀60、70年代開始興建灌區(qū)，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展提供了基礎保障。但灌區(qū)渠道多以漿砌石襯砌，其防滲效果相對較差，滲漏問題嚴重。因此，進一步改善灌溉用水輸配水工程措施，減少灌溉用水損失，提高灌溉水有效利用系數(shù)已成為解決我國農(nóng)業(yè)用水緊張的必然趨勢。

低壓管道輸水灌溉是以管道代替明渠輸水灌溉的一種工程形式，其特點是出水口流量較大，出水口所需壓力較低，管道不會發(fā)生堵塞。與明渠相比，低壓管道灌溉具有減少滲漏和蒸發(fā)損失、增加耕地面積、縮短輪灌周期、提高灌溉效益及對地形更加適應等優(yōu)點[1]，在國內(nèi)外均已經(jīng)得到了較大范圍的應用[2，3]。在美國，全美近一半大型灌區(qū)都實現(xiàn)了管道化灌溉[3，4]。以色列的灌溉輸水工程處于國際領先水平，全國基本全部實現(xiàn)了管道輸水。舊灌區(qū)改造中發(fā)展管道輸水技術也很受一些國家的重視，因為管道輸水技術能大幅提高灌溉水有效利用率。如加拿大伯塔灌區(qū)，灌溉水利用率由改造前的35%～60%提高到75%；澳大利亞的倫馬克灌區(qū)，改建地下管道后節(jié)約灌溉用水達33%。發(fā)達國家的管道輸水灌溉有如下特點：管道種類多樣，且質量較好；管網(wǎng)具有多級性，它們由直徑大小不同的管道組成，灌水利用系數(shù)較高；量水和自動控制技術先進，科學管理水平較高，計算機操作控制在管道輸水灌溉中得到廣泛應用[1]。我國自20世紀50年代開始嘗試低壓管道輸水灌溉技術的開發(fā)應用。截止2010年，我國低壓管道輸水灌溉面積已發(fā)展到667萬hm2，約占全國節(jié)水灌溉面積的24.5%。

管道輸水灌溉與明渠輸水灌溉相比，具有節(jié)水、節(jié)地、省工、省時、省電，灌水及時，地形適應性強等優(yōu)點，低壓管道輸水灌溉工程技術在我國井灌區(qū)取得了較大范圍的推廣應用，而渠灌區(qū)自壓管道輸水灌溉還處于試驗示范階段[5]。都江堰灌區(qū)作為四川省最大的特大型灌區(qū)，其輸水方式主要為渠道輸水，渠系老化，輸水損失嚴重，大大制約著灌區(qū)的發(fā)展，為此，對都江堰灌區(qū)進行渠道改管道輸水灌溉是節(jié)水灌溉發(fā)展的必然趨勢，也是必要措施。

1 都江堰灌區(qū)灌溉輸水現(xiàn)狀

都江堰創(chuàng)建于公元前256年，是一座歷史悠久的特大型水利灌溉工程。歷經(jīng)2000多年的不斷完善和發(fā)展，至2017年，灌區(qū)有效灌面達到69.52萬hm2，灌溉保證率為90%，有力地保障了成都、德陽、綿陽、遂寧、資陽、眉山、樂山7市37個區(qū)(市、縣)生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水的需要，極大地支撐了當?shù)厣鐣?jīng)濟的快速發(fā)展，都江堰灌區(qū)成為我省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最發(fā)達、經(jīng)濟最繁榮的地區(qū)，同時也是成渝經(jīng)濟區(qū)的核心之一，中國西部和全省主要工業(yè)基地、商品糧基地，是四川最具有區(qū)位優(yōu)勢和經(jīng)濟潛力的地區(qū)。

都江堰灌區(qū)的渠系復雜，建筑物眾多，包括干渠、分干渠、支渠和末級渠系，及其相關水工建筑物。灌區(qū)工程大部分修建于20世紀60-70年代，受人力、財力、技術等因素的影響，大多渠道標準低、配套不齊、彎道多、遺留問題多，加之運行時間較長，病險、老化工程較為普遍。主要存在問題包括：

(1)渠道工程配套差。灌區(qū)渠系工程中，引水口絕大多數(shù)沒有閘門，少數(shù)有閘門的工程也比較簡陋，啟閉設備多為手動螺桿啟閉，操作極不方便，閘門以木質為主，無止水設備，漏水很大。丘陵灌區(qū)及平壩灌區(qū)的支、斗、農(nóng)、毛渠的配套情況更差。

(2)渠道斷面不夠、不規(guī)則、糙率大。灌區(qū)建設初期，缺乏統(tǒng)一長遠的總體規(guī)劃，對灌區(qū)發(fā)展估計不足。灌面發(fā)展很快就超過了原有設計，加之干渠運行多年后，損壞、老化嚴重，實際輸水能力還達不到設計水平，更加劇了供水的矛盾。特別是丘陵區(qū)的部分石渠，采用爆破成型，邊坡凹凸不平、糙率很大，也是渠道過流能力嚴重不足的原因之一。

(3)渠道防滲措施少、滲漏嚴重。灌區(qū)渠道由于建造年代較早，基本都是漿砌石襯砌，加之使用多年，渠道損壞情況嚴重，盡管灌區(qū)常年有相應資金進行修繕整治，但由于渠道防滲措施少，渠道漏損情況依然難以遏制。

2 都江堰灌區(qū)當前主要節(jié)水灌溉形式

都江堰灌區(qū)目前主要的節(jié)水灌溉形式為渠系防滲。都江堰灌區(qū)干支渠眾多，歷經(jīng)2000余年經(jīng)驗總結，渠道的防滲型式主要有。

2.1 粘土料防滲

粘土材料是含沙粒極少，有粘性的土壤，因水分不容易從中通過，所以被先人用于渠道防滲。又因其可塑性好，分布廣泛，取材容易且施工極其簡易，故可用于灌溉渠道防滲。尤其平原地區(qū)，粘性土料幾乎隨處可取，不用單獨尋找材料來源，大部分田間直接就是由粘性土料形成，直接開挖做簡單修整即可達到防滲效果。都江堰灌區(qū)上世紀80年代以前多將該種防滲方式應用于末級渠系，田間地頭的小渠道多采用該防滲方式進行渠道防滲。但由于粘土抗沖性能極差，且容易受動植物生存影響，需要頻繁進行維護工作，目前已經(jīng)難以見到單純的采用粘土防滲的渠道。粘土料防滲的優(yōu)點是材料分布廣泛，造價低廉，施工簡易，維護簡單；缺點是防滲效果一般，抗沖性能差，工程壽命極短。

2.2 漿砌石防滲

上世紀中葉60-80年代，都江堰灌區(qū)灌溉渠系主要防滲型式，尤其是各條干渠和主要支渠，基本都采用漿砌石防滲方式。漿砌石結構具有堅固、抗凍性好、耐磨等特點，就地取材便于人力施工，一度成為都江堰灌區(qū)主要的渠道防滲襯砌方式。早期的漿砌石防滲體系使用的膠結材料多為“三合土”，水泥因其質地堅硬、產(chǎn)量少而較少使用，因此耐久性普遍較差。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水泥供應逐漸增多，后期漿砌石多采用水泥砂漿進行砌筑，保證了強度的同時耐久性亦有提升。漿砌石襯砌施工方法主要有兩種，一種為灌漿法，先將卵石干砌好再向縫隙中填入細石混凝土或砂漿，再以鐵釬或其它硬且細的工具搗實，最后進行水泥砂漿勾縫。另一種為坐漿法，先將水泥砂漿或細石混凝土均勻鋪筑后再以干砌擠漿方式分層砌筑卵石，最后進行灌縫、勾縫。漿砌石防滲的優(yōu)點是抗沖、耐磨性能較好，施工簡便，占地少；缺點是防滲效果一般，造價較高，機械化施工程度低，質量穩(wěn)定性差。

2.3 土工膜防滲

目前常用的防滲土工膜材料主要為聚乙烯，主要是由乳白色半透明至不透明的熱塑性樹脂材料-聚乙烯樹脂制作而成。防滲膜具有良好的耐熱性和耐寒性；化學穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機械強度好，耐環(huán)境應力開裂與耐撕裂強度性能好，隨著密度的上升，機械性能和阻隔性能會相應提高，耐熱和抗拉強度也更高；可耐酸、堿、有機溶劑等腐蝕。土工膜以塑料薄膜作為防滲基材，與無紡布復合而成的土工防滲材料，它的防滲性能主要取決于塑料薄膜的防滲性能。土工防滲膜防滲效果好，具有很強的不透水性，只要材料質量符合標準，做好接頭處理，幾乎滴水不漏。防滲土工膜的鋪設方式主要有兩種，一種是在原有渠道斷面上鋪設土工膜，再設置保護層進行防護；一種是將原有渠道斷面開挖成規(guī)則斷面的基槽，鋪設土工膜后再還原成原有梯形斷面，不再設置防護層。防滲土工膜可以適應小型或較大的渠道斷面，小型渠道鋪設斷面較簡單，隨著渠道斷面的放大，防滲土工膜的型式也逐步復雜，斷面型式以盡量減小土工膜變形量來設計。土工膜防滲的優(yōu)點是防滲效果好，造價低，施工簡便，適應性強；缺點是必須采取面層保護，易受動植物生存破壞。

2.4 混凝土防滲

混凝土防滲為目前應用最為廣泛的渠道防滲型式。因混凝土具備良好的防滲性能，優(yōu)秀的和易性和耐久性，成為了目前采用最多的渠道防滲型式。各類型渠道均有應用。

混凝土渠道主要有以下優(yōu)點：

(1)防滲效果非常好，能夠大幅度減少渠道滲流量。渠道經(jīng)混凝土防滲后水利用系數(shù)普遍能達到0.97以上；

(2)耐久性強。常規(guī)澆筑混凝土使用時限均大于30年；

(3)糙率小。糙率值在0.015左右，遠低于其它渠道防滲型式；

(4)具備高強度，管理維護較簡單。較高的強度能有效避免渠道襯砌變形、破壞，同時可以有效避免動植物等其他外力損壞，有效降低管理難度；

(5)適用性廣?；炷辆哂辛己玫哪Ｋ苄阅?，可以根據(jù)設計要求采用現(xiàn)澆或預制的方式制成不同的結構形式和尺寸，同時機械化施工程度高，各種環(huán)境條件下均可以應用。

相對于混凝土的優(yōu)點，混凝土劣勢也相對明顯：

(1)混凝土防止凍脹變形能力較差，因此，在低溫、高寒地區(qū)采用混凝土防滲施工時，必須采取相應的防凍措施，技術要求相對較高；

(2)在缺乏混凝土原材料如砂礫石等地區(qū)的造價較高。

2.5 末級渠系噴灌、滴灌

2.5.1 噴灌

噴灌是借助水泵和管道系統(tǒng)或利用自然水源的落差，把具有一定壓力的水噴到空中，散成小水滴或形成彌霧降落到植物上和地面上的灌溉方式。利用機械和動力設備，使水通過噴頭(或噴嘴)射至空中，以雨滴狀態(tài)降落田間的灌溉方法。噴灌設備由進水管、抽水機、輸水管、配水管和噴頭(或噴嘴)等部分組成，可以是固定式的、半固定式的或移動式的。噴灌的優(yōu)點是節(jié)省水量、不破壞土壤結構、調(diào)節(jié)地面氣候且不受地形限制；缺點是投資費用大，受風速和氣候的影響大，在氣候十分干燥時，蒸發(fā)損失增大，也會降低效果。

2.5.2 滴灌

滴灌是利用塑料管道將水通過直徑約10mm毛細管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉。它是目前干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，水的利用率可達95%。滴灌較噴灌具有更高的節(jié)水增產(chǎn)效果，同時可以結合施肥，提高肥效一倍以上。可適用于果樹、蔬菜、經(jīng)濟作物以及溫室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。滴灌的優(yōu)點是不破壞土壤結構，蒸發(fā)損失小，不產(chǎn)生地面徑流，幾乎沒有深層滲漏，需要的工作壓力低，能夠較準確地控制灌水量，可減少無效的棵間蒸發(fā)，不會造成水的浪費，同時滴灌還能自動化管理；缺點是滴灌毛細管容易堵塞，水源要求高，造價高。

3 管道輸水灌溉的優(yōu)點

管道輸水是指以管道代替明渠的一種輸水工程措施，它通過一定的壓力將灌溉水由分水設施輸送到田間。管道輸水灌溉系統(tǒng)與混凝土明渠輸水灌溉系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：

(1)節(jié)水效率更高。管道輸水由于其封閉的特性，較明渠減少了輸水過程中的滲漏與蒸發(fā)損失，管道灌溉比土渠灌溉可節(jié)水45%左右，比混凝土襯砌渠道節(jié)水7%，比石砌防滲渠道節(jié)水15%左右[6]；

(2)占用耕地少，利于機械耕作。渠道輸水流量大，但渠道占用耕地面積大，而管道輸水灌溉系統(tǒng)中管道埋于土中，減少渠道占用耕地的優(yōu)點尤為突出。在我國土地資源緊缺，人均耕地不足0.1hm2的情況下，管道灌溉具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。另外，農(nóng)機跨越管道作業(yè)也不會造成管道損壞；管道灌溉設備比較簡單，用水量便于控制和計量，為農(nóng)業(yè)機械化、水量控制自動化的發(fā)展提供了基礎條件；

(3)減少凍脹變形?；炷翉秃喜牧戏罎B渠道和小型混凝土U型渠道具有防滲效果好、造價低等優(yōu)點，目前在灌區(qū)已大面積推廣應用，但是其存在凍脹破壞嚴重、適應地形條件差等問題。管道輸水灌溉系統(tǒng)中管道全部或部分埋入土中，能有效提高管底地溫，同時管道斷面為圓形，可有效釋放土體凍脹應力，減少管道凍脹變形；

(4)適時適量灌溉，縮短灌溉周期。管道輸水灌溉比土渠輸水快、供水及時，可縮短輪灌周期，改善田間灌水條件，有利于適時適量灌溉，從而及時有效地滿足作物生長期，特別是作物需水關鍵期的需水要求。土渠灌溉往往因為輪灌周期長，灌水不及時而影響作物生長，造成減產(chǎn)。管道輸水灌溉較好地克服了這一缺點，起到了增產(chǎn)增收的效果。另外，管道代替土渠之后，避免了跑水漏水，也節(jié)省了管理用工；

(5)成本低，效益高。試驗表明，在機井或提水站供水的情況下，管道灌溉比渠道灌溉約減少能耗30%。由于管道輸水灌溉是有壓供水，可適應各種地形，使原來土渠難以達到的耕地實現(xiàn)灌溉，從而擴大了灌溉面積。管道灌溉成本也較低。在已有機泵的條件下，采用移動式聚乙烯軟管灌溉，投資為75元/hm2～90元/hm2，可使用2a左右，而半固定式管道系統(tǒng)造價為600元/hm2～900元/hm2。由于擴大了灌溉面積，增加了灌水次數(shù)且灌水適時，因而，即使是一般干旱年份，也可增產(chǎn)20%左右[6]；

(6)適應性強，便于推廣。管道灌溉設備比較簡單，技術易于掌握運用，管理較為方便。地面軟管可以越溝、爬坡、跨溝和拐彎；硬塑料管埋在地下，可延緩老化年限，防止凍裂；水泥管則便于就地取材?？梢哉f，管道灌溉對于不同的水源、作物、土壤及流量都有較強的適應性。鑒于管道輸水灌溉的優(yōu)點，該項技術在我國已經(jīng)有了較大的發(fā)展。特別是20世紀80年代，隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，質量輕、長度大、輸水阻力小、施工簡便的塑料管道在輸水中得到了日益廣泛的應用，更加促進了管道輸水這項節(jié)水工程技術在我國尤其滲漏損失大、干旱缺水地區(qū)的發(fā)展[7]。

4 都江堰灌區(qū)灌溉輸水優(yōu)化方案

都江堰灌區(qū)渠系復雜，漏損嚴重，管理計量困難，制約灌區(qū)發(fā)展，通過渠道改管道輸水，可有效解決以上問題。因此，都江堰灌區(qū)擬采用渠道改管道輸配水系統(tǒng)的措施來優(yōu)化輸配水。

管道輸水灌溉是以地埋管道代替地面明渠進行輸水的灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水源、輸水管道、分水閘(閥)及終端田間農(nóng)(毛)渠或移動灌溉軟管組成，分類上仍屬于地面灌溉范疇。管道輸水系統(tǒng)有開敞式、半封閉式、封閉式3種結構。開敞式系統(tǒng)中依靠調(diào)壓井(分水井)調(diào)整管道壓力，可以設計成無壓或低壓管道，輸水能力高于明渠但低于封閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)相對比較簡單；半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)是指在管道系統(tǒng)內(nèi)部適當位置設置具有自由水面的分水減壓池，在分水減壓池內(nèi)設置浮子閥用以調(diào)節(jié)灌溉用水和管道來水；封閉式系統(tǒng)中則以水源水頭控制管道壓力，管道中壓力一般較高，輸水能力較強，但系統(tǒng)相對比較復雜。

4.1 開敞式管道輸水灌溉系統(tǒng)

開敞式管道輸水系統(tǒng)是在管道系統(tǒng)內(nèi)部適當位置設置具有自由水面的調(diào)壓井或分水井的管道系統(tǒng)形式。在調(diào)壓井或分水井處常設有閘門或閥門用來調(diào)節(jié)流量和壓力，當管網(wǎng)系統(tǒng)輸配水時，如管道進水多于灌溉需水量，剩余水則從調(diào)壓井或分水井上設置的溢流口、排水管中排走。開敞式管道輸水系統(tǒng)管網(wǎng)布置形式一般為低壓的樹枝狀管網(wǎng)。

開敞式管道輸水系統(tǒng)由于采用分水井、調(diào)壓井等設施分割管線，可降低系統(tǒng)最大靜壓，從而為降低工程造價、采用低壓管道創(chuàng)造了條件。對由于采用開敞式分水井、調(diào)壓井所產(chǎn)生的水流外溢，要考慮排水出路問題，還應通過設置調(diào)節(jié)設施和采用相應的水管理方式來防止無效放水。我國水資源緊缺，但發(fā)展節(jié)水灌溉的潛力很大。采用管道輸水灌溉可使水的有效利用率提高20%～30%，糧食增產(chǎn)10%～20%[8]。

4.2 半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)

在渠灌區(qū)采用半封閉式的管道輸水灌溉系統(tǒng)結構，能避免管道輸水和配水時發(fā)生不必要的水量損失，可以根據(jù)田間作物需水要求進行自動取水灌溉并達到節(jié)水目的。

渠灌區(qū)半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)的一整套工程解決方案，包括水源、攔污柵、閘門、通氣孔、管道、量水裝置、安全與保護裝置、分水減壓池、浮子閥、田間給水栓等，其關鍵設施是浮子閥。渠灌區(qū)輸水流量大，需要的管道直徑也大，其直徑多超過500mm。常用的管材為混凝土管、鋼筋混凝土管、預應力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管、塑料管等。管道占工程總投資的大部分，經(jīng)濟合理地確定適合工程要求的管道材質和管徑，對工程安全運行、節(jié)省工程投資和運行管理費用意義重大。

半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)的分水減壓池內(nèi)具有自由水面，則管道進入分水減壓池后即可將管內(nèi)水的壓力卸掉，下級管道進口可設于池內(nèi)以便于向下級管道分水，安裝在池內(nèi)的浮子閥則用于調(diào)節(jié)田間用水量和管道供水量。半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)具有開敞式的沿管線設置的分水減壓井以降低管道工作壓力[9]，又具有封閉式的可根據(jù)用水需求隨時打開的給水栓。

我省目前還沒有開展灌區(qū)自壓管道輸水灌溉示范工程。為在渠灌區(qū)開展自壓管道輸水灌溉工程提出可供借鑒的技術模式，中國水利水電科學研究院和山西禹門口黃河提水工程管理局在禹門口灌區(qū)進行了管道輸水灌溉示范工程建設，并進行了相關的試驗觀測。示范區(qū)控制灌溉面積約667hm2，已建成管道輸水灌溉面積約334hm2。示范工程建設有干渠節(jié)制閘、分水閘、測流裝置、沉沙池、分水調(diào)壓井、浮子閥分水減壓池、倒虹吸、出水口以及排水排沙井等，主干管和分干管分別采用φ1000mm和φ600mm的加筋混凝土管，支管采用PVC管。管道輸水系統(tǒng)結構型式采用開敞式和半封閉式。試驗工程自2010年建成以來運行良好，設計制造的浮子閥啟閉靈活，通過試驗，取得了渠灌區(qū)進行自壓管道輸水灌溉從規(guī)劃、設計、施工到運行管理的一整套工程技術經(jīng)驗。

4.3 封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)

封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)常用于機泵加壓的田間灌溉輸水系統(tǒng)。封閉式管道輸水對水源的壓力要求高，對管材的材質和承壓性要求也較高，不適宜長距離、大流量、高水頭壓力的輸水工程。即使是發(fā)達國家，如日本也較少將封閉式用于管道自壓輸水灌溉系統(tǒng)，倒是多采用半封閉式和開敞式的管道輸水灌溉系統(tǒng)。因此，不建議采用此方案。

5 結論

綜上所述，適宜都江堰灌區(qū)的輸配水優(yōu)化方案為：

(1)都江堰灌區(qū)宜采用中低壓的自壓管道輸水灌溉系統(tǒng)替換當前的渠道灌溉系統(tǒng)，主干渠改主干管，宜采用開敞式結構；支渠改支管，宜采用半封閉式結構；

(2)以浮子閥為特征的半封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)是較好的結構模式，但浮子閥的設計制造急需系列化、標準化、產(chǎn)業(yè)化，以滿足渠灌區(qū)半封閉式管道輸水灌溉工程建設之需；

(3)總結渠灌區(qū)管灌工程經(jīng)驗，制定渠灌區(qū)管道輸水灌溉工程技術規(guī)范，規(guī)定開敞式、半封閉式和封閉式管道輸水灌溉系統(tǒng)的應用模式，使渠灌區(qū)自壓管灌工程建設規(guī)范化。