灌溉输水管道现状及发展需求

2018-05-07谢崇宝

中国农村水利水电 2018年4期

白静，谢崇宝

(中国灌溉排水发展中心，北京 100054)

管道输水和渠道输水是灌溉输水工程中最为重要的形式。与渠道输水的方式相比，管道输水的水利用系数更高，一般比土渠输水节水约30%，比砌石防渗渠道节水15%左右[1,2]，管道输水灌溉以其成本低、节水明显、技术简便易行等特点，已成为世界许多发达国家发展灌溉优先选用的技术措施之一。美国加州圣华金河谷灌区支渠以下的输水系统在1996年就全部实现管道化，控制面积为24.67 万hm2，灌溉水利用系数为0.97。前苏联、日本、澳大利亚、以色列等国家也大面积发展管道输水灌溉，并有采用管道逐步代替明渠的发展趋势。目前在我国管道是井灌区首选的输水方式，国内许多学者已经研究了在渠灌区推广管道输水的可能性[3]，并在陕西、河北、河南、新疆等地开始试点应用[4-6]。

1 灌溉管道的分类

关于管道分类方法，我国灌溉领域也进行了一些有益的探索。刘群昌介绍了低压管道输水工程中塑料管道、现浇管道和预制管道等3种管材的基本参数[7]。张华等人[8]从塑料管材和金属管材2个方面着手，对应用于节水灌溉中的管材进行了详细的介绍和总结。针对低压管道输水形式，刘群昌[9]系统介绍了薄壁PVC管以及可用于替换渠道的大口径双壁螺旋塑料管。

目前，管道的分类主要有两种方法：按照材质和压力分类，其中按照材质分类是管道主要的分类方法。管道按照是否加压分为无压管道和压力管道。压力管道是指输送的液体气体等介质在加压的状态下运行的管道的统称，一般以大气压力表示，根据工作压力不同，可分为低压、中压和高压等不同压力等级的管道[10]。分类标准与相应行业的管道设计压力范围有关[11,12]。在灌溉中涉及压力管道的灌溉形式主要有低压管道输水灌溉、喷灌、微灌等。考虑到管道的设计压力范围，参照现有的塑料管道按照压力分类的方法[13]，按照管道公称压力可以分为：低压管道(p≤0.4 MPa)、中压管道(0. 4 MPa1.0 MPa)，具体见表1。

表1 不同行业内压力管道的分类

根据灌溉用管道材质的不同，可以分为塑料管道、金属管道、水泥类管道和复合管道。考虑管道基质材料的重大不同，将复合管道分为非生物基质复合管道和生物基质复合管道。具体分类见图1。

图1 灌溉管道按照材料分类图

1.1 塑料管道

塑料管道是采用热塑性或者热固性树脂制作的管道的统称。塑料管道具有轻质高强、耐腐蚀、内壁光滑不结垢、施工和维修简便、使用寿命长等优点，塑料管道在农业领域应用广泛。根据《中国塑料管道行业要“十三五”期间(2016-2020)发展建议》中的统计数据，塑料管道在农业领域的应用量最大，2015年应用比例占塑料总产量的29.0%[14]。

(1)按照塑料管道材质分类。塑料管道中三大主流管道为：聚氯乙烯(PVC)管、聚乙烯(PE)管和聚丙烯(PP)管等，分别占塑料管道总量的55%，30%和10%。灌溉用塑料管道通常为PVC管道和PE管道。

PVC管道以氯乙烯树脂单体为主，加入必要的添加剂，用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管，具有一定的耐腐蚀性能，一般用于常温介质的管道。1936年德国开始开发使用PVC管材[15]，我国从20世纪60年代引入PVC管道，最初主要用于化工领域，输送带腐蚀性的流体[16]。根据其性能改进情况，PVC管道分为PVC-U管道、PVC-M管道、PVC-O管道[17]，其各自特点见表2。在灌溉中一般选用PVC-U管道。在低压管道输水灌溉中也可选用薄壁PVC管。薄壁PVC管[6,8,18]的工作压力为0.2 MPa，单位长度原料比普通PVC-U管降低约40%，单价降低约30%，依靠管材-土壤系统的组合强度，薄壁管材有足够的承压能力，在一般埋设条件下，其长期变形率可维持在5%以内。

表2 PVC管道分类及其特点

聚乙烯塑料(PE)管是指以聚乙烯树脂单体为主，加入必要的添加剂，用挤出成型法制成的热塑性塑料圆管。PE管具有良好的低温性能和韧性，可以在冻土层中使用。根据加工时压力和密度的不同，可以分为低密度PE(LDPE)管、中密度PE(MDPE)管和高密度PE(HDPE)管[19]。高密度PE(HDPE)管耐高温性能和机械性能好，低密度PE(LDPE)管的柔性更优。

(2)按照断面形式分类。塑料管道按照断面形式分为实壁管和结构壁管。实壁管指任意横截面为实心圆环的管道，而结构壁管指对管道的断面结构进行优化设计，达到节省材料、满足使用要求的管道，例如芯层发泡管、波纹管、缠绕管和加筋(肋)管等[20]。在灌溉中常用的塑料结构壁管包括PVC-U波纹管、PVC-U加筋管和PE波纹管，见图2。其中PVC-U结构壁管一般用于工作压力不大于0.2 MPa的低压输水灌溉工程[13,21,22]，而大口径双壁波纹PE管则可用于渠灌区管道输水工程[9,23]。

图2 灌溉输水塑料管道分类(断面形式)

1.2 金属管道

金属管道是用金属材料制成的管道的统称，包括：钢管(SP)和铸铁管等。钢管按制作工艺分为焊接钢管和无缝钢管两类[10]。焊接钢管是指由钢板卷焊制作的钢管，按焊缝形式分为螺旋焊接钢管和直缝焊接钢管两种，见图3。螺旋焊接钢管一般采用埋弧焊接工艺，直缝焊接钢管按焊接工艺不同分为直缝埋弧焊管和直缝高频焊管。

图3 钢管的分类

铸铁管道是用铁水浇铸的圆管的统称。按管道成型工艺可分为连续铸铁管和离心铸铁管，按照铁水的质量可以分为连续铸造灰铁管、连续铸造球铁管、离心铸造灰铁管和和离心铸造球铁管[24]，见图4。其中以离心铸造球铁管性能最优，简称球墨铸铁管，指由经过球化和孕育处理的优质铁水采用离心浇铸制作的圆管。西方发达国家从20世纪60年代开始逐渐淘汰了普通灰口铸铁管并开始采用了球墨铸铁管，我国1985年开始从德国、美国等引进了水冷金属型离心铸管技术及设备，开始生产球墨铸铁管[8]。球墨铸铁管具有较高的强度、较好的韧性和防腐性能。

图4 铸铁管的分类

由于受到成本的限制，在节水灌溉工程中铸铁管和钢管一般用于不具备埋地条件下的山丘区、灌溉系统的首部、闸阀连接处和骨干引水管，不适用于田间输配水系统。钢管也用来制造大型喷灌机组[8]。

1.3 水泥类管道

水泥类管道分为混凝土管、钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管和石棉水泥管等[10]。其共同的优点为耐腐蚀，寿命长，但这类管材脆性大，管壁厚，重量大，运输安装不便，一般用于流量较大的输水管道。在压力较小时选用混凝土管，压力较大时采用钢筋混凝土管和钢筋筒混凝土管。石棉水泥管是用石棉纤维和水泥抄取成型的圆管，由于其抗冲击能力差、管径较小，灌溉中已很少使用。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)广泛应用于市政、电力、水利等工程项目中。预应力钢筒混凝土管是由带钢筒的高强混凝土管芯在缠绕预应力钢丝后，再喷涂以水泥砂浆保护层制成的新型管材。按照工艺可以分为两类[25-27]：内衬式预应力钢筒混凝土管(PCCPL)和埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCPE)。预应力钢筒混凝土管在国外已有近80年的历史[28]，1939年PCCP管最早由法国邦纳(Bonna)公司研制，并敷设于巴黎郊区。1942年美国开始研究生产内衬式预应力钢筒混凝土管(PCCPL)。1952年开始生产埋置式管。我国PCCP管的研制、生产起步较晚[29]，1984年研制了直径600 mm的PCCP管并在工程中成功试用。21世纪开始引进、生产和应用大口径的PCCP管，如南水北调工程北京段使用了直径4 m的PCCP管[25]，表明其可以用于需长距离输水的灌溉工程。美国土木工程学会和材料学会认定PCCP管使用寿命为100年[30]，其缺点为自重大，内径为4 m的管道每米重量达9 t以上[31]。

1.4 非生物基质复合管道

非生物基质复合管道指传统意义上的复合管，是用两种或两种以上材料生产成的管壁结构管道的统称。如玻璃钢管、玻璃钢夹砂管、钢塑管、塑玻管等属于非生物基质复合管。灌溉工程中常用的非生物基质复合管有玻璃钢管和玻璃钢夹砂管等。

玻璃钢管(FRP)是由玻璃纤维和不饱和聚酯树脂等组成的复合管道，也称为玻璃纤维增强塑料管。由于玻璃钢中的连续纤维拉伸强度和弹性模量较高，其机械强度可以达到或超过普通碳钢的水平，但密度远小于普通碳钢[32]。按照制造工艺可以分为：纤维缠绕玻璃钢管和离心浇筑玻璃钢管[33]，其中纤维缠绕法比较常见。玻璃钢复合管产生于20世纪40年代中期，70年代进入工业化生产阶段，80年代我国引入了缠绕玻璃钢管生产线[33]。

在玻璃钢离心浇筑成型的过程中，对于高刚度要求的管材通过加砂提高刚度，而对于承受内压较高的管材不加砂。以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和聚酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料，采用缠绕、离心浇铸工艺方法制成的管道，称为玻璃钢夹砂管或玻璃纤维增强塑料夹砂(FRPM)管[34]。与玻璃钢管相比，玻璃钢夹砂管的成本低，其特点为：重量轻，内壁光滑，耐腐蚀[31]。玻璃钢夹砂管主要运用于给排水工程、农田灌溉等水利工程领域。

1.5 生物基质复合管道

竹缠绕复合管道是一种以竹材作为增强材料、合成树脂作为黏合剂，采用往复式机械缠绕工艺复合而成的具有较强抗压能力的新型生物质管道[35]，具有节能环保、资源可再生等优势。竹缠绕复合管沿管径方向，由内到外依次为内衬层、增强层和外防护层(见图5)。内衬层防止内部基体开裂、介质外渗等现象发生，增强层是主要的承重承压部分，外防护层保护管材使其具有良好的长期耐久及耐候特性。在中试过程中，测试了竹缠绕复合管管道在不利条件下的应用效果，如非正常安装施工、盐碱度高、融雪不规则沉降情况、高氯碱环境、公路载荷和冻土层。实践表明，竹缠绕复合管道应用效果良好。

图5 竹缠绕复合管的结构示意图

2 管道的特性

2.1 管径范围、压力等级和密度

PVC-U管和PE管的管径一般小于630 mm，常用于短距离输水和田间灌溉管道。普通焊接钢管和铸铁管的最大管径比普通塑料管稍大，其承压能力高，一般用于闸阀连接、首部工程和泵站的进水和出水管道以及明铺的灌溉输水工程。玻璃钢夹砂管、预应力混凝土管、竹缠绕复合管的管径大于等于315 mm(其中预应力钢筒混凝土管、预应力钢筋混凝土管的管径最小为400 mm)，最大管径可以达到3 000～4 000 mm，最大承压能力在2.0 MPa左右，因此主要用于长距离输水较大口径的管道工程(见表3)。

表3 不同类型管道密度、管径和承压范围的比较

注：①预应力混凝土管的密度一栏实际为单位长度的重量，单位kg/m。

密度和壁厚决定了管道单位长度的重量，直接影响工程的投资和施工的便捷程度。密度从高到低依次为：预应力钢筒混凝土管、镀锌焊接钢管、铸铁管、玻璃钢夹砂管、PVC-U管、竹复合压力管和PE管。预应力钢筒混凝土管、预应力钢筋混凝土管、大口径镀锌焊接钢管和铸铁管需要借助专业机械吊装。

(1)PVC-U管。在中高压输水灌溉工程中，硬聚氯乙烯PVC-U管材[36]中涉及0.63、0.8、1.0、1.25、1.6、2.0、2.5 MPa等7种压力规格的管道。管道尺寸涵盖dn20～dn1000的28种管径。

在低压输水灌溉工程中，PVC-U管道[37]涉及4种公称压力：0.2、0.25、0.32和0.4 MPa。涵盖dn75～dn315的12种管径。硬聚氯乙烯PVC-U双壁波纹管管径有dn63～dn1000等17种规格，硬聚氯乙烯PVC-U加筋管道有3种规格：dn150、dn225和dn315。PVC-U管道密度介于1 350～1 550 kg/m3之间[13]，是PE管的1.40～1.69倍。

(2)PE管。根据管道材料最小要求强度(MRS)的不同，可以分为PE63级(6.30～7.99 MPa)，PE80级(8.0～9.99 MPa)和PE100级(10.0～ 11.19 MPa)管材。在给水用聚乙烯PE管材[38]中涉及0.32、0.4、0.6、0.8、1.0、1.25和1.6 MPa等7个压力等级，管道公称外径涵盖dn16～dn1000的29种管径。密度介于915～965 kg/m3之间。

(3)普通焊接钢管。钢管的管径范围广泛，推荐选用的普通焊接钢管的外径为dn10.2～dn2540之间，共有35种规格[39]，其中低压流体输送用管端用螺纹连接的焊接钢管公称口径的尺寸有：DN6～ DN150共14种规格[40]。钢管本身的密度为7 850 kg/m3，在实际工程中需要在钢管上增加镀层用于防腐，镀锌钢管的密度随着镀层加厚而增加，修正系数介于1.006～1.225之间，其密度范围为7 897～9 616 kg/m3，是PE管道的8.18～10.51倍。

(4)球墨铸铁管。球墨铸铁管的公称直径介于dn40～ dn2600之间，共30种规格，公称压力有：10、16、25和40 MPa等4个压力等级[41]。其密度为7 050 kg/m3，比钢管稍轻，是PE管的7.31～7.70倍。由于铸铁管耐腐性差，一般管道内外均需要设涂层。

(5)玻璃钢夹砂管。玻璃纤维增强塑料夹砂管(玻璃钢夹砂管)的公称直径介于dn100～dn4000之间，共30种规格，公称压力有0.1、0.25、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0、2.5、3.2 MPa等12种等级[42]，其密度范围为1 700～ 2 500 kg/m3[43]，是PE管的1.76～2.73倍。

(6)预应力混凝土管。预应力钢筒混凝土管的公称直径介于dn400～dn4000之间，共22种规格，公称压力有0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 MPa等9个压力规格[27]。预应力钢筋混凝土管的公称直径介于dn400～dn3000之间，共17种规格，公称压力有0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa等6种压力规格[44]。

(7)竹缠绕复合管。竹缠绕复合管的公称内径介于dn150～ dn3000之间共23种尺寸，公称压力有0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 MPa等8个压力规格[45]，其密度介于1 150～1 350 kg/m3之间，密度比PVC管小，比PE管略大，是PE管的1.19～1.48倍。

2.2 管道力学性能比较

管道的力学性能直接关系到有压条件下管道的工作状态，由于玻璃钢夹砂管和PCCP管的性能参数是多种材料协同工作的结果，在本节中只比较其他几种管道的参数，见表4。从拉伸强度和弹性模量上讲，PVC-U管和PE管的弹性模量基本相当[46,47]，竹缠绕复合管是塑料管道的2～3倍[45]，PE管的拉伸屈服应力比二者都小[37,38,45]。镀锌焊接钢管和球墨铸铁管强度最高，其拉伸屈服强度在185 MPa以上[40,41]，钢管的弹性模量和球墨铸铁管相当，在17 GPa以上[48]，是塑料管道和竹缠绕复合管的67～244倍。

表4 不同类型管道的力学性能参数比较

注：①为PE80级管材参数;②为牌号Q195，壁厚t>16 mm时的值;③为牌号Q195，外径D>168.3 mm时的值;④为离心球铁管参数;⑤为长期抗拉强度设计值。

断裂伸长率是管道的韧性指标。所有管道中，PE管道的断裂伸长率最大[38]，表明PE管的韧性最好，除此之外其他管道的断裂伸长率下限介于10%～15%之间[37,40,41,49]。

2.3 管道水力学性能比较

我们采用糙率系数n对不同管道的水力学性能进行对比分析。在过流量、管道坡度一定的情况下，糙率系数n越大，相应的管道直径也越大。不同类型管道的糙率系数见表5。在一般条件下，PVC-U管、PE管和玻璃钢夹砂管的糙率系数较小，介于0.008～0.01之间，在设计中可能取较大值[31,50-52]。镀锌钢管和球墨铸铁管的糙率系数n在0.010 5～0.014之间变化[52,53]，当在管内设有聚氨酯内衬时，管道的糙率系数n减小到0.008 1左右[54]。PCCP管的糙率系数n与制造工艺有直接关系，我国目前预应力混凝土管糙率系数设计值的推荐范围为0.011 0～0.011 5，糙率系数试验值的范围为0.009 5～0.012 3[55]，竹缠绕复合管道的糙率为0.011[45]。

表5 不同类型管道的糙率系数比较

3 灌溉现代化对管道的需求

灌溉现代化的核心内涵为供水可靠化、调度灵活化、用水精准化和管理信息化[56]。灌溉现代化需要现代化的手段。我国是一个水资源供需矛盾十分突出的灌溉农业大国，实施水资源严格管理是一项长期国策，发展管道输水灌溉易于实现总量控制、定额管理，在灌溉现代化过程中发展管道输水灌溉是重要的方向。

(1)管道的密闭性。开放式的渠道中水流为重力式流动，而管道内是一个密封的空间，可以加压提高水流流速，提高供水及时性。同时管道渗漏少，可埋于地下不易受到破坏，有助于提高供水的可靠性。

管道的密闭性有助于通过变频设备和闸阀联动调节，对管道内的水量和流速进行实时控制。水肥一体化是现代农业发展的趋势，除了节省人力外，容易实现肥随水走，提高灌溉施肥肥效和养分利用率，减少施肥总量，降低因过量施肥带来的水体和环境污染问题，进而增加投资收益率[57,58]。

(2)管道的灵活性。管道的灵活性体现在其管径范围跨度大，其管径介于16～4 000 mm之间。管道的灵活性有助于实现输配水的灵活性。在输配水过程中，依据用水户的需求进行灵活的调度是供水可靠化涵义的延伸，也是实现用水精准化的前提条件。灌溉调度的目的在于实现水资源的时空优化配置。一方面，管道可以深入田间地头，比渠道增加灌溉空间调度的灵活性；另一方面，管道输水速度快，可以缩短轮灌时间，管道输水比渠道输水更易于实现灌溉调度时间的灵活性。

管道的灵活性有助于实现用水精准化。用水精准化是灌溉现代化的最后一环，其表现为田间灌溉的现代化，其含义为借助信息化手段，确保灌溉水均匀、适量和及时送到作物根部，满足作物生长需求。用水精准化需要通过建设喷灌、滴灌、微喷灌和小管出流高效节水灌溉工程来实现。在建设过程中，需要在田间铺设大量的管道，实现灌溉地块的灵活分区、轮灌和自动控制，在节水的同时，节约劳动力，提高产量和肥料利用率[59-61]。随着农村土地流转和规模化经营的出现，对高效节水灌溉规模化的需求也日益凸显[62]。

(3)管道内壁光滑。由于管道的糙率系数更小，在有压条件和自压条件下，流速比渠道大，在适当的条件下以管道代替渠道，可以提高供水及时性，为田间精准灌溉的实现提供保证。在输配水工程建设中，大口径管道的遴选是灌区管网建设的新需求，产出投入高、工作性能优良、耐候性好、糙率系数小、易运行维护的大口径管道是发展大型灌溉管网的理想选择。

4 结语

本文对灌溉输水涉及的管道分类以及性能参数进行了归纳，对管道的分类进行了有效的扩充，首次将生物基质复合管纳入分类体系。与经典管道相比，新兴管道具备类似的性能和特征。

在农业集约化规模化发展过程中，规模化的灌溉管网是灌溉现代化的必然趋势。在发展管道灌溉的进程中，应当充分认识到管道输水灌溉的优越性；按照因地制宜和分步实施的原则，对输水工程和灌溉工程改造的过程中，充分论证管道输水的可行性，分步推进；应该坚持在高标准条件下的低投入原则，增加灌溉工程投资，保证工程建设标准和质量。

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