周利婭，彭杰帥，袁 信，鄧仁貴

（湖南南方水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410007）

引 言

中國水資源量占世界的6%，但是支撐世界人口的21%。我國水資源的供水總量為5 500 億m3，80%是地上水，20%是地下水。用水結(jié)構(gòu)：生活用水11%，工業(yè)用水量21%，農(nóng)業(yè)用水68%，農(nóng)業(yè)用水總量占比大。為響應(yīng)習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，加大節(jié)水力度，減少單位面積灌溉用水量，提高灌溉水利用系數(shù)，以國家政策為導(dǎo)向，推廣低壓管道灌溉等高效節(jié)水工程，加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)。近年來，各地各有關(guān)部門認(rèn)真貫徹黨中央、國務(wù)院決策部署，大力推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，取得了明顯成效。

灌溉技術(shù)目前在國內(nèi)呈現(xiàn)出專業(yè)化和多元化的趨勢，并且相關(guān)的技術(shù)也隨著應(yīng)用推廣更加成熟。低壓輸水管道技術(shù)的逐漸成熟使得節(jié)水灌溉的范圍不斷擴(kuò)大，并且解決耕地與水源的長距離問題，減少輸水損失，提高了水資源利用率。構(gòu)建一個(gè)完善的節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定量灌溉、定時(shí)灌溉、按需灌溉是農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。本文以岳陽縣2017 年度小型農(nóng)田水利項(xiàng)目為例，開展管灌工程的設(shè)計(jì)與研究。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)基本情況

岳陽縣2017 年度小型農(nóng)田水利項(xiàng)目共涉及岳陽縣長湖鄉(xiāng)湖頭村和自強(qiáng)村、楊林鄉(xiāng)沙陂村、榮家灣鎮(zhèn)北湖村以及筻口鎮(zhèn)潼溪村5 個(gè)村5 個(gè)片區(qū)。其中，長湖鄉(xiāng)湖頭村片采用機(jī)埠取水，取水口高程為41.5 m，控制灌溉面積約200 畝，項(xiàng)目區(qū)地勢平坦，高程在45.24～46.52 m 之間，區(qū)內(nèi)全部種植優(yōu)質(zhì)稻；自強(qiáng)村片采用機(jī)埠取水，取水口高程為41.75 m，控制灌溉面積約200畝，項(xiàng)目區(qū)地勢平坦，高程在45.65～48.33 m 之間，區(qū)內(nèi)全部種植優(yōu)質(zhì)稻；沙陂村片采用范溪山塘作水源，干管進(jìn)水口高程為60.00 m，控制灌溉面積約400 畝，項(xiàng)目區(qū)西高東底，可利用天然坡度優(yōu)勢，高程在45.0～60.0 m 之間，區(qū)內(nèi)全部種植優(yōu)質(zhì)稻；榮家灣鎮(zhèn)北湖村片采用機(jī)埠取水，取水口高程為27.50 m，控制灌溉面積約300 畝，項(xiàng)目區(qū)地勢平坦，高程在26.12～28.10 m 之間，區(qū)內(nèi)全部種植優(yōu)質(zhì)稻；筻口鎮(zhèn)潼溪村片采用機(jī)埠取水，取水口高程為38.20 m，控制灌溉面積約900 畝，項(xiàng)目區(qū)地勢平坦，高程在36.25～38.25 m 之間，區(qū)內(nèi)全部種植優(yōu)質(zhì)稻。高效節(jié)水灌溉采用管灌方式，土壤類型為粘壤土。

1.2 工程總體布置

本項(xiàng)目建設(shè)堅(jiān)持相對(duì)集中連片，形成規(guī)模和“建成一片，見效一片”，以工程配套和管護(hù)機(jī)制改革為手段，以整體推進(jìn)為原則，合理安排工程建設(shè)內(nèi)容。項(xiàng)目在布局上充分利用地勢高低實(shí)現(xiàn)自流灌溉，地勢較為平坦區(qū)則使用機(jī)埠取水。本次設(shè)計(jì)低壓管道灌溉項(xiàng)目區(qū)位于長湖鄉(xiāng)湖頭村和自強(qiáng)村、楊林鄉(xiāng)沙陂村、榮家灣鎮(zhèn)北湖村以及筻口鎮(zhèn)潼溪村共5 個(gè)村5 個(gè)片區(qū)，總灌溉面積約為2 000 畝。以水庫為水源或機(jī)埠取水，采用自流方式，從水庫低涵埋管或機(jī)埠引水至項(xiàng)目區(qū)供水。其中，長湖鄉(xiāng)湖頭村片設(shè)1 根干管，2 根分干管，16 根支管；自強(qiáng)村片設(shè)1 根干管，2 根分干管，22 根支管；楊林鄉(xiāng)沙陂村片設(shè)2 根主干管（主干管01、主干管02），26根支管（主干管01 下設(shè)11 根支管、主干管02 下設(shè)15根支管）；榮家灣鎮(zhèn)北湖村片設(shè)1 根主干管，1 根分干管，12 根支管；筻口鎮(zhèn)潼溪村片設(shè)2 根干管，16 根支管。干管或分干管上每隔100 m 設(shè)置支管，支管布置在干管/分干管兩側(cè)或單側(cè)，每條支管上布置若干個(gè)取水口，取水口間距40 mm。豎管及放水口豎管采用PVCU 塑料管，高出地面30 cm。項(xiàng)目區(qū)按標(biāo)準(zhǔn)田塊30 m 寬（包括田?。┎贾?，每2 個(gè)田塊設(shè)1 個(gè)出水口，出水口間距60 m，單側(cè)灌水。出水口采用分體式給水栓，給水栓下設(shè)消力井，以防止出水口出水水流對(duì)田塊的沖刷。

2 低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)

2.1 灌溉制度

灌區(qū)全部種植水稻，一年兩熟，參考鄰近地區(qū)常規(guī)地面灌溉節(jié)水技術(shù)的有關(guān)資料，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件和灌溉設(shè)施狀況及供水保障條件，灌區(qū)灌水定額取65 m3/s。灌水延續(xù)時(shí)間與作物種類、灌區(qū)面積大小及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)計(jì)劃等因素有關(guān)，根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況，取灌水延續(xù)時(shí)間7 d，系統(tǒng)每天工作時(shí)間24 h。

2.2 輪灌制度的確定

根據(jù)管網(wǎng)布置形式和水稻田管灌運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮管理方便和可能出現(xiàn)的集中供水，考慮到各片區(qū)大部分以主干向各支渠供水，采用的灌溉制度為干支管續(xù)灌。分片計(jì)算每個(gè)輪灌組灌水持續(xù)時(shí)間7 d，每天灌水時(shí)間24 h。

2.3 設(shè)計(jì)灌水流量的計(jì)算

1）灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

Q0=mA（/ηTt）

式中 Q——設(shè)計(jì)灌水流量（m3/h）；

η——灌溉水利用系數(shù)（0.90）；

A——灌溉面積（畝）；

T——設(shè)計(jì)灌水周期（7d）；

m——作物的灌溉定額（m3/畝），取m=65m3/畝；

t——天灌溉時(shí)間（24h）。

經(jīng)計(jì)算得：

Q0=65×200/（0.9×7×24）=85.98 m3/h（長湖鄉(xiāng)湖頭村片、長湖鄉(xiāng)自強(qiáng)村片）；

Q0=65×400/（0.9×7×24）=171.96 m3/h（楊林鄉(xiāng)沙陂村片）；

Q0=65×300/（0.9×7×24）=128.97 m3/h（榮家灣鎮(zhèn)北湖村片）；

Q0=65×900/（0.9×7×24）=386.90 m3/h（筻口鎮(zhèn)潼溪村片）；

2）管網(wǎng)各級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量

Q=nQ0/N

式中 Q——某級(jí)管道的設(shè)計(jì)灌水流量（m3/h）；

n——該管道控制范圍內(nèi)同時(shí)開啟的出水口個(gè)數(shù)；

N——全系統(tǒng)同時(shí)開啟的出水口個(gè)數(shù)。

5 個(gè)片區(qū)最多有26 條支管，各條支管最大長度為1 050 m，各支渠控制的出水口個(gè)數(shù)為1～18 個(gè)。經(jīng)計(jì)算得，支管流量為1.53～45.52 m3/h，支管最大流量為：45.52 m3/h。

2.4 管材與管徑的選擇

根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 20203-2006）中管徑選用方法，各段管道直徑按經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算公式為：

D=18.8×（Q/V）1/2

式中 D——管道直徑（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

V——流速（m/s），PVC-U 塑料管取1.1 m/s。

設(shè)計(jì)管材選用管灌設(shè)備常配套的PVC-U 管、PVC管、PE 管做管材材質(zhì)方案比較，使管材進(jìn)一步優(yōu)化。PVC-U 管優(yōu)點(diǎn)：PVC-U 管材料的比重只有鑄鐵的1/10，運(yùn)輸、安裝簡易，成本低；抗化學(xué)性優(yōu)越；安裝簡易，成本低廉；耐用，阻力小，流速高。PVC 管優(yōu)點(diǎn)：PVC 管應(yīng)用了生料，減少了油耗；PVC 管制造對(duì)能量消耗很低，能回收轉(zhuǎn)化利用。PE 管優(yōu)點(diǎn)：PE 管具有很好的柔韌性，適宜制作成軟管，并且PE 管具有可熔接性及可回收利用，使其鋪設(shè)時(shí)更加安全可靠和方便經(jīng)濟(jì)。綜上所述，經(jīng)三種管材的優(yōu)缺點(diǎn)比較，考慮造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合目前市場PVC-U 管和PVC 管價(jià)格基本持平；綜合確定本次設(shè)計(jì)管材材質(zhì)均采用PVC-U。

管道實(shí)際采用的管徑經(jīng)計(jì)算管徑和標(biāo)準(zhǔn)管徑對(duì)比后，根據(jù)壓力校核結(jié)果和施工方便與否確定。經(jīng)計(jì)算，支管選用直徑為200/110/90/50 mm 的PVC-U 塑料管，干管和分干管選用直徑為250/200 mm 的PVC-U 管。計(jì)算成果見表1。

表1 管網(wǎng)干管的設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果表

2.5 孔口計(jì)算

孔口出流公式：

q=μA（2gH）0.5

式中 q——孔口出流量（m3/h）；

μ——流量系數(shù)，取0.7；

A——孔口斷面面積；

H——孔口工作水頭。

孔口由支管經(jīng)豎管引向田面，給水栓高出田面0.3 m，管道埋深0.6 m，豎管采用Φ50 mmPVC-U 塑料管。出口工作水頭0.2 m，選用給水栓直徑為50 mm。

2.6 取水管道設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)從山塘放水低涵埋管取水或機(jī)埠取水，取水管采用閘閥進(jìn)行控制，各設(shè)置1 座閘閥井對(duì)取水閘閥及管道進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)取水頭部運(yùn)行要求，設(shè)置的控制設(shè)施有：DN250/200 閘閥；量測設(shè)施有：DN250/200 智能水表、0～1.0 MPa 壓力表；安全保護(hù)設(shè)施有：DN250/200 放空閥、排氣閥。另外在給水栓處設(shè)消力井，以防止出水口出水水流對(duì)田塊的沖刷。

2.7 管路損失水力計(jì)算

沿程水力損失由計(jì)算公式：

hf=0.948×105L Q1.774/d4.774

式中 d——管道直徑（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

L——管道長度（m）；

hf——沿程水頭損失（m）。

逐段確定沿程水頭損失，局部水力損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算，末端所需壓力為出水口工作水頭及水頭損失和豎管高度之和。末端出水口工作水頭為1.5 m。

由于計(jì)算表格較長，僅列出湖頭村片數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 管路損失水力計(jì)算成果表

根據(jù)管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果，長湖鄉(xiāng)湖頭村片支管16 末端所處的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，為最不利供水節(jié)點(diǎn)，該支管末端地面高程為45.24 m，末端總水頭損失11.068 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，45.24+11.068+1.5=57.808 m，取水管高程41.5 m 不滿足要求，需加壓。

長湖鄉(xiāng)自強(qiáng)村片支管22 末端所處的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，為最不利供水節(jié)點(diǎn)，該支管末端地面高程為47.05 m，末端總水頭損失0.765 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，47.05+0.765+1.5=49.315 m，取水管高程41.75 m不滿足要求，需加壓。

楊林鄉(xiāng)沙陂村片支管26 末端所處的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，為最不利供水節(jié)點(diǎn)，該支管末端地面高程為47.50 m，末端總水頭損失8.481 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，47.50+8.481+1.5=57.481 m，取水管高程60.00 m滿足要求。

榮家灣鎮(zhèn)北湖村支管12 末端所處的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，為最不利供水節(jié)點(diǎn)，該支管末端地面高程為28.10 m，末端總水頭損失9.721 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，28.10+9.721+1.5=39.321 m，取水管高程27.50 m不滿足要求，需加壓。

筻口鎮(zhèn)潼溪村支管A-6 末端所處的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，為最不利供水節(jié)點(diǎn)，該支管末端地面高程為37.90 m，末端總水頭損失10.768 m，末端出水口工作水頭為1.5 m，37.90+10.768+1.5=50.168 m，取水管高程38.20 m 不滿足要求，需加壓。

3 項(xiàng)目效益

本項(xiàng)目實(shí)施后，項(xiàng)目區(qū)灌溉水利用系數(shù)將由原來的0.49 提高到0.70 左右，每年將節(jié)約用水約222.28萬m3。新增節(jié)水能力可用來恢復(fù)和改善項(xiàng)目區(qū)內(nèi)灌溉面積，確保農(nóng)田旱澇保收，增大糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)系數(shù)。項(xiàng)目實(shí)施后，農(nóng)民實(shí)際負(fù)擔(dān)的水費(fèi)降低，間接增加農(nóng)民收入；利于管理機(jī)構(gòu)按用水量征收水費(fèi)，建立良好的灌水秩序，減少水事糾紛等。同時(shí)，項(xiàng)目的實(shí)施有利于水土保持和節(jié)約用水，改善自然環(huán)境和水環(huán)境，改善農(nóng)村人畜飲水狀況，改良土壤，促進(jìn)中低產(chǎn)農(nóng)田改造，促進(jìn)節(jié)能減排，具有廣泛的生態(tài)環(huán)境效益。