大中型灌区自压输水系统建设与管理

王 炜

(太原市水利技术推广服务站，山西 太原 030002)

随着我国经济的快速发展，农田灌溉用水需求不断加大，但农业用水浪费非常严重，我国农田灌溉用水利用率仅有45%[1]。提高灌溉用水利用率，把灌溉过程中水损降到最低是农业发展的新要求，灌区节水改造工程建设以及节水灌溉技术的推广显得尤为重要[2- 4]。自压输水管网全程采用管道输水，减少了水分的蒸发，由于管道的沿程阻力小所以灌溉水利用系数大大增加，提高了水资源利用率，因此研究大中型自压输水管网建设及管理很有必要。

1 灌区输水灌溉形式的选择

1.1 自压输水灌溉

灌溉输水方式可分为加压输水灌溉和自压输水灌溉。加压输水灌溉为传统灌溉方式，采用电力蓄水来满足田间灌溉所需要的压力水头。自压输水灌溉利用自然地势落差通过积蓄一定的势能来满足田间灌溉所需要的压力水头，所以自压输水灌溉不需要消耗电能。自压输水管网一次性投资要大于加压输水系统，但随着其运行自压输水系统的总成本(一次性投资与运行费用总和)要远远低于加压输水系统总成本，并且自压输水系统的稳定性较好，使用寿命长。

1.2 自压输水灌溉的优点

与传统输水灌溉相比，自压输水灌溉主要有以下几个优点：

(1)提高水资源利用率，缓解水资源供需不平衡的矛盾

自压输水灌溉从引水到田间灌溉均采用管网输水，不仅减少输水过程水分的蒸发，由于管道沿程阻力较小，大大提高了灌溉水利用系数，提高了有效水资源的利用率。三种灌溉形式的灌溉水利用系数比较见表1[5]。

对常规地面灌、加压节水灌溉和自压节水灌溉三种灌溉形式的灌溉水利用系数进行比较可知，自压输水灌溉与加压输水灌溉以及常规地面灌溉相比可分别节水17.5%、30%。

(2)缓解用电供需不平衡的矛盾

农业灌区的灌溉面积大多在几万到几十万亩，并且灌溉时间比较集中，每年到灌溉高峰期时用电量大，造成输电不稳定，输水灌溉系统运行得不到有效保障，影响了农作物的生长。自压输水管网的应用有效缓解了用电高峰供电量不足这一矛盾，保证农作物及时灌溉不受外界影响。

(3)降低灌溉系统运行成本

对于大中型灌区来说，使用加压输水灌溉时，仅电费一项就花费巨大。不仅如此，节水灌溉系统中的灌溉装置对水质有着比较高的要求，例如滴灌装置，往往装置中需要安装过滤装置，过滤装置在运行过程中需要自动清洁，以保障正常工作的进行，这就要求对整个系统施加更大的水压；而自压输水系统能够提供足够的水压不需要引进多余电

表1 不同灌溉形式灌溉水利用系数比较

能，从而减少能耗，降低了该系统的运行成本。

(4)使用寿命更长，维修管理工作较少

传统的输水灌溉渠道使用寿命一般为30年，由于裸露在地表，在使用过程中会遇到各种问题，如变形、冻涨等，所以日常维修工作较多，耗费大量财力物力；而自压输水灌溉系统全程为管道输水，由于在地下运行，所以使用寿命较长，一般为70年，并且不易损坏，在维修管理工作减少的同时也使维修成本也大大降低。

(5)便于实施系统自动化管理

自压输水灌溉系统主要包括沉砂池、输水管网和田间管网三部分构成，为一个有机整体，系统内各个构成部分相互影响。各个系统主要通过管网连接，各个节点由电动阀门进行控制，可实现系统一体化控制，从而保证灌溉系统安全稳定运行。

2 自压灌溉系统布置方式

常见的自压灌溉系统布置有梯田灌溉区布置和山丘管灌区布置。

2.1 梯田管灌区布置

梯田管灌区布置图如图1所示。该布置方式适宜平坦地形，输水系统可控制面积较大，管网主要有斗管、分管和引管组成，并且全部埋于地下。田间灌溉时一般用移动软管，在引管处引水，该类管灌区由于有一定的坡度，所以一般采取单向输水。

图1 梯田管灌区布置

图2 山丘区管灌辐射树枝状布置

2.2 山丘管灌区布置

山丘管灌区辐射树枝状布置图如图2所示。该种铺设方式适合铺设地形坡度较陡，来水经干管流向支管最后由斗管向田间引水，为了使管线最短，干管一般垂直等高线布置，支管平行于等高线布置，在斗管上安装出水口给水栓，使其平行等高线双向配水或灌水浇地。

3 灌区工程设计

3.1 设计灌水定额

灌水定额是指单位面积一次灌水的灌水量或水层深度。不同作物(小麦、棉花和玉米)在不同生育期灌水湿润层深度和适宜含水率可参考表2。

m=100γsh(β1-β2)

(1)

式中，m—设计净灌水定额，m3/hm2；h—计划湿润层深度，m；γs—计划湿润层土壤的干容重，kN/m3；β1—土壤最适含水率上限；β2—土壤最适含水率下限。

3.2 灌水设计周期

在灌水临界期依据作物单日最大用水量值计算作物灌水周期，公式如下：

(2)

式中，T理—理论灌水周期，d；T—灌水设计周期；Ed—作物单日最大用水量，mm/d。

3.3 灌溉设计流量

可由灌水定额、灌水周期、灌溉面积以及相应

表2 土壤计划湿润层深度和适宜含水率表

的工作时间推算出灌溉流量，公式如下：

(3)

式中，Q0—管灌系统的灌溉设计流量，m3/h；η—灌溉水利用系数，取0.80～0.90；t—日均灌水事件；A—灌区面积；a—修正系数，一般默认取1。

4 灌区运行管理

4.1 组织管理

组织管理可归纳为：“逐级管理、画区专门负责、对外专业承包、责任到人”等组织管理办法[6- 7]。首先要由相关部门成立领导小组，对自压输水管网进行设计、铺设，建设完成后制定自压输水管网系统运行管理细则；以管理员负责制为前提在各个灌区设立灌溉管理员。

管理员主要负责以下具体任务：

(1)管理管网系统相关设施，确保系统能良好运行。

(2)提前制定好灌溉时间及灌溉流量，确保农作物及时及量灌溉

(3)按规范要求进行操作实施灌溉，确保系统良好运行

(4)及时记录系统开关时间、用水量、以及灌溉亩数等数据。

4.2 灌溉用水管理

(1)完善用水管理制度，为了加强用水管理，必须在现有的用水制度基础上进行完善，实现智能化、一体化灌溉，有计划的进行灌溉，提高水资源利用率。

(2)合理规划土地使用，调整农作物布局。灌区施行对外承包后，土体使用较为零散，导致灌溉效率普遍偏低，为了提高灌区一体化灌溉及水资源利用，应当重新规划土地使用，尽量使同一种作物连片种植，确保灌溉有序高效进行。

(3)科学制定配水顺序。配水应遵循先远后进、先整后零以及先急后缓的原则有序进行。

(4)对管理人员进行专业培训。加强相关管理人员的技术培训以及职业道德教育有助于提高灌溉用水管理水平，有助于灌区一体化的推行。

4.3 工程管理

工程管理的主要任务就是确保灌溉系统(包括引水、输水、灌溉设施)能够良好运行，从而能够使灌溉系统发挥其最大效益[9- 11]。

4.3.1水泵的运行与维修

在系统运行前对水泵进行全面检查，首先检查零部件的连接是否稳固，转动处是否灵活；系统开启后观察抽水量、水泵声响以及相关仪表数据是否正常，如果有反常现象应立即停止作业对水泵进行检修；灌溉完成后对水泵进行放水操作防止水泵生锈。

4.3.2管道的运行与维修

(1)按规范程序进行操作。在输水系统开启及关闭时，管网内的水会产生水锤作用，使得管道内的压力急剧变化，这种不稳定容易引起管裂，所以应当按照规范进行安全操作。

(2)灌溉过程中，当上一组灌溉完成需换下一组继续灌溉时，为了防止管网内水压过大应当在彻底打开下一组管网水阀之后再缓慢关闭上一组管网水阀。

(3)灌溉过程中定时观察管网内部水压，以及出水量是否正常，若出现反常情况应当及时检修，确保灌溉顺利进行。

5 结论

自压输水灌溉方式对比传统灌溉方式可提高水资源利用率，缓解水资源及用电供需不平衡的矛盾，便于自动化管理。

灌区运行管理应完善制度，责任到人，科学管理。通过对灌区进行一系列节水工作的开展，最终提高农业水资源的综合利用率。

由于自压输水管网的一次性投资比较大，导致目前自压输水管网的覆盖率比较小，所以应当在推广节约用水理念的同时提高自压输水管网的覆盖率，从而加快节约型社会的建设。