低压管道输水灌溉技术在灌区节水改造中的设计与应用

杨书君 高本虎 赵 华

（1.中国水利水电科学研究院，北京100048；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048；3.国家农业灌排设备质量监督检验中心，北京100048）

低压管道输水灌溉技术在灌区节水改造中的设计与应用

杨书君1,2,3高本虎1,2,3赵 华1,2,3

（1.中国水利水电科学研究院，北京100048；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048；3.国家农业灌排设备质量监督检验中心，北京100048）

针对低压管道输水节水灌溉技术在山西禹门口灌区的示范应用，从系统设计、工程布局、设备选型等方面对渠灌区低压管道输水节水灌溉技术进行了全面系统的介绍。通过近年的示范应用，证明该灌溉技术具有节水、省地、省工和工程造价低、施工简便、管理方便及工程寿命长、增产效益明显等多种优势。

低压管道输水；渠灌区；节水改造

山西禹门口提水灌区管道输水灌溉技术试验示范区建设是水利部试验示范区项目，主要开展管道输配水和灌溉集成技术试验示范，提出了较完善的灌区管道输水灌溉综合配套技术和运行管理模式，为我国渠灌区节水改造中或条件合适的灌区推广应用低压管道输水灌溉技术提供技术支撑并进行宣传示范。

1 项目区概括

山西禹门口提水工程灌区位于山西省运城市西北部，地辖河津、稷山、新绛三县（市），东西长约55km，南北宽约12～18km，总耕地面积60.24万亩。枢纽工程兴建于 1987年，由一级泵站、沉砂池、一级输水干管、二级泵站和110kV输电线路组成；灌溉工程建于 1991年，已完成和在建二级干渠72.47km（其中在建14.47km）；支渠20条，总长106.46km；斗渠146条，总长130.4km，可控制灌溉面积30.01万亩。

项目区位于稷山县汾北二阶台地的稷峰镇的陶梁、姚村、新村、加庄、吉家庄和化屿镇付家村、胡家庄等村，总人口12130人，总耕地面积19870亩。根据作物种类、工程投资大小、节水效果和增产效益以及结合当地的实际情况综合考虑确定工程总规模为10500亩，作物为枣粮间作。

2 低压管道输水灌溉系统工程建设内容

低压管道灌溉系统是利用地形的自然高差形成的压力水头，通过管道输水到田间的节水灌溉系统。其突出的特点是充分利用自然压差，形成压力管道系统，不需要消耗电能就可配套低压管道灌溉、滴灌等节水灌溉设施[1]。低压管道灌溉系统工程包括：取水工程、管首工程、管道工程、田间灌溉工程以及管道建筑物(调压井、排气阀等)。

3 低压管道输水灌溉系统工程的设计与示范[2]

3.1 工程总体布置

禹门口灌区低压管道输水灌溉工程控制面积10500亩，全为枣粮间作。管网系统结构采用开敞式和半封闭式相结合的输水灌溉形式，在输水过程中，管道系统不完全封闭，在管网适宜的位置设置分水调压井和浮球阀来控制闸（阀）门的启闭[1～3]。

系统采用地埋干管和支管两级固定管道，管网系统采用树枝状布置（见图1），管网布置时紧密结合地块形状及地形条件，管线尽量平顺，减少起伏和转折点，总体力求管线长度最短，以减少投资。支管间距一般为 250～350m，出水口间距一般为100～150m。在每一支管末端（即最低处）根据实际地形情况设置排水排沙设施，对于附近有天然低洼地带的可自流排出管中水流的设置排水阀井和排沙口，将水直接排入低洼地带。地面灌溉使用闸管、改进沟畦灌、小管出流等方式进行灌溉。

3.2 取水工程

取水工程主要为在禹门口二干渠上建节制闸和分水闸各一座。节制闸和分水闸位于禹门口二级干渠约 42km处。节制闸采用开敞式，分水闸采用胸墙涵洞式，为C20现浇混凝土结构。

3.3 渠首工程

3.3.1 引渠

引渠为干渠节制闸与沉砂池间的输水连接建筑，长10m，采用矩形断面，渠宽1.0m，渠深1.0m，为现浇C20混凝土结构。

3.3.2 沉砂池

沉砂池采用开敞式矩形单箱结构，C20混凝土现浇，挡土墙式结构，总容积 150m3，沉砂池与引渠间采用 2.8m长的渐变段连接，在沉砂池进口右侧设集水坑一座。为防止杂物进入管道，在管道进口设置拦污栅栏污。为便于清除池中淤砂，池底设计为倒坡结构，考虑到干管内水流流态，充分发挥沉砂池的作用，取得良好的沉砂效果，管道进口尽量引取表层水，经计算，总干管布设于沉砂池下游侧，进口中心线高程为 470.67m，略高于上游渠底水位470.88m。

3.4 管道部分

3.4.1 管水定额与管网设计流量的确定

（1） 灌水定额的确定。在管网设计中，采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额。对于种植不同作物的灌区，通常采用设计时段内主要作物的最大灌水定额作为设计灌水定额。

灌水定额按下式计算。

式中：m ——灌水定额( m3/ 亩)；

H ——计划湿润层深度（m），取H = 0.8m；

β1——适宜土壤含水量上限，取田间持水量的95% ；

β2——适宜土壤含水量下限，取田间持水量的65% ；

β田——田间持水量，取25% ；

γ ——土层内土壤干容重，取γ=15kN/m3。经计算，灌水定额m=60 m3/亩。

（2） 管网设计流量的确定。灌溉系统设计流量按下式确定：式

中：A——作物灌溉面积，A=10500亩；

η——灌溉水利用系数，低压管道取0.8；

t——日工作小时数，22h；

m——灌水定额，60m3/亩；

T——灌水周期，12d。

计算的Q设=2982m3/h，取2980 m3/h（0.8 m3/s）。

3.4.2 干管

干管选用当地产造价低廉、安装方便的承插式加筋混凝土预制管。经计算，灌区设计流量为0.8m3/s，管道沿程水头损失按下式计算：

式中：Q——流量，m3/h；

d——管径，mm；

L——管道长度，m；

f——模阻系数，混凝土管f =1.749×106，塑料管取f =94800；

m ——流量指数，混凝土管 m =2 ，塑料管取m =1.77；

b ——管径指数，混凝土管b =5.33 ，塑料管取b =4.77。

局部水头损失按沿程水头损失的 10%计算，总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失之和。

干管流量0.8 m3/s，分干管流量0.4 m3/s，对于干管和分干管分别计算。计算单元为两个调压井之间的管道，以管道工作压力小于 0.1MPa为限制条件，由（3）式计算沿程水头损失，并求出总水头损失。将两个调压井之间的地形差，并考虑到调压井溢流墙的高度作为水头总损失，布置调压井位置，并确定管径。

根据地形坡度情况，并计算，总干管管径选择D800，分干管管径选择 D600，每节长 3m。总干管长899.8m，分干管总长7780.3m。

3.4.3 支管

支管选用便于运输、安装方便且造价低廉的PVC普通塑料管，水头损失按（3）式计算，经计算，支管管径采用D315和D250两种，每节长6m，支管总长10024.3m。

3.5 田间灌溉工程

3.5.1 小管出流灌溉

为进一步研究多泥沙水用于微灌的可行性，在总干四支管控制的灌溉范围内选取400亩枣树作为小管出流试验区。由总干四支管将水引至该区域后，小管出流灌溉系统分为干、支、毛三级管道，管径分别为￠200、￠90、￠32。根据小管出流技术特点，设计中采用固定式管网系统，即：干、支、毛管埋于地下，毛管沿种植方向布置，每两行树中间布设一道毛管，毛管间距 4m。干支管采用 UPVC管，毛管采用PE管，微灌管采用￠6聚乙烯管。微灌管前部1m埋于地下，后部出地面后绕树基一周，毛管上每隔0.3m设出流孔一个。 每棵树灌水流量60L/h，每个轮灌组设 4个闸阀井。小管出流的设计工作压力为0.05MPa。

3.5.2 田间闸管灌溉

田间闸管灌溉系统由移动软管和管道上配置的多个供水阀门组成，该系统用于替代毛渠完成田间输配水过程，通过调节阀门开度控制进入沟（畦）流量。在示范区内设计闸管灌溉500亩，位于东分干五六支管控制的区域。

3.5.3 沟畦灌

项目区内 9600亩耕地采用沟畦灌的方式进行灌溉。

3.6 管道建筑物

3.6.1 分水调压井

分水调压井用于开敞式管道输水灌溉系统，其作用主要有分水、调压、进排气等功能。采用矩形结构，分为进水室和溢流室。进水室长0.7m，溢流室长1～3m。

3.6.2 出水口

出水口为干、支管上的灌溉供水装置，为保证出水口流量，出水口内径为 200mm，全铸铁结构，通过螺杆调节阀瓣的开启度控制流量。

3.6.3 试验设施

在总干四支上设浮子阀取水装置1处，并设泥沙输送观测设施1处。

4 实施低压管道输水灌溉技术效果分析

低压管道灌溉系统与明渠灌溉相比具有以下优点。

（1）节水。低压管道灌溉系统输水可以减少渗漏和蒸发损失，提高水的有效利用率，一般比土渠节约水量30%左右，比防渗渠道提高5%。

（2）减少占地、省工。低压管道灌溉系统中管道埋入地下，比明渠灌溉减少占用耕地2%，对土地资源的充分利用有着重要意义。管道灌溉不仅能减少大量的田间建筑物，而且还可以实现规范化、系统化； 输水时间短，缩短了轮灌期，节省了工日。

（3）灌水及时促进增产增收。管道输水灌溉，减少水量损失，同时改善了田间灌水条件，缩短了轮灌周期，能有效地满足作物生长需水要求，可收到增产增收的效果。

(4)管理方便。低压管道灌溉系统是有压供水，可适用于各种地形，如：跨越沟坎，跨路，拐弯和陡坡等。管道灌溉设备比较简单，技术容易掌握，管理方便，用水量便于控制和计量，并为农业机械化、自动化的发展创造了有利条件。

(5) 使用寿命长。管道埋入地下，塑料管不易老化、不宜破坏，一般使用寿命在 50年左右。实践证明，低压管道灌溉系统节水效果明显，减少了水资源的浪费，缓解了当地的水资源供需矛盾，提高了当地的灌溉水平和农业抵抗干旱灾害的能力，促进了农业产业制度改革和农业种植结构调整。

5 结 语

该项目是目前国内规模最大、采用开敞式和半封闭式结构型式的渠灌区管道输水灌溉系统，该示范工程自 2010年建成投入使用以来，运行良好，验证了半封闭式结构型式的可行性，起到了一定的示范作用。

该试验示范项目的实施，可以改善当地的生产条件、降低劳动强度、提高灌溉水的利用效率，有利于农业结构调整，促进农业增产、农民增收和灌溉农业的可持续发展，并在节约使用地下水资源、涵养水环境、改善当地自然环境等方面做出贡献。

[1] 吴普特,牛文全,郝宏.现代高效节水灌溉设施[M].北京:化学工业出版社,2002:138-139

[2] 山西禹门口灌区管道输水灌溉技术试验示范项目技施设计及预算[R].北京:北京中水科工程总公司,2010.3

[3] 水利部农水司,中国灌溉排水发展中心.低压管道输水灌溉工程技术[M].北京:黄河水利出版社,2011.9

[4] 高本虎.渠灌区开敞式管道输水灌溉系统探讨[J].节水灌溉,1998,4:12～14

[5] 赵华，高本虎，陆文红.渠灌区管道输水灌溉技术试验研究[J].节水灌溉,1999,2:23～25

全国中小河流治理项目业务宣贯培训班在南宁市举办

2013年11月11～13日，水利水电规划设计总院在南宁市举办全国中小河流治理项目业务宣贯培训班，培训班邀请了水利部规计司、安监司及我院专家授课，来自各流域机构、各省（自治区、直辖市）负责中小河流治理项目管理和技术审查人员，地市承担中小河流治理项目初步设计的技术骨干以及中小河流治理重点县（市）项目法人100余人参加了培训。

本次培训主要根据《水利部办公厅关于印发水利部中小河流治理工作领导小组 2013年工作计划的通知》(办规计[2013]102号)有关要求，为加强中小河流治理项目和资金管理，提高项目初步设计质量而开展的，授课专家对全国中小河流治理设计审查要点及中小河流治理稽查案例进行了分析，对学员在实际工作中遇到的问题进行了解答。培训结束前，针对学习内容对学员进行了测评。

（崔忠波 供稿）

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.020

S275

B

1008-1305（2014）01-0061-04

杨书君（1979年-），女，河北唐山人，工程师。

水利部公益性行业科研专项经费项目：灌区管道输配水及灌溉技术集成研究，项目编号：201001038 。