低压管道输水灌溉在石堡川灌区应用的技术要点探讨

龚裕凌

（陕西省水利发展调查与引汉济渭工程协调办公室，陕西 西安 710004）

1 工程概况

石堡川灌区位于关中平原北沿，横跨延安洛川、渭南白水和澄城三县，现有设施灌溉面积28466.67 hm2，灌区受益范围包括洛川、白水、澄城、蒲城等四县18个乡镇，79个行政村，31.7万人口，其中农业人口24.8万人次。灌区属寒温带大陆干燥性气候，常年多风沙，降水稀少，年平均气温12.4℃，年均降水量550.1 mm，年均蒸发量1229 mm，年内日照时数达2475 h，无霜期平均211 d。灌区位于渭北黄土塬区，黄土覆盖层较厚，地下水埋深大，灌区内土壤主要由黄锦黏土、褐色垆土和砂砾料组成，土壤有机质含量约0.901%，孔隙率49.7%，质地肥沃，结构良好，蓄水保墒能力较优。灌区主要作物为小麦、玉米、苹果树，是陕西省内较大的粮食和苹果优产区。灌区地下水埋深为50 m～90 m，灌区现状灌溉模式主要由枢纽、干渠、支渠、抽水站及田间工程构成，灌区内有干渠一条，长37.88 km，其余建筑物201座，设计灌溉流量10.2 m3/s，加大灌溉流量12.3 m3/s，8条支渠和13条分支渠总长度241.3 km。灌区现有抽水站10座，装机容量共1550 kW，抽扬水能力1.78 m3/s。田间灌溉斗渠395条，总长568.4 km，分引渠共2392条，长2315.2 km。石堡川灌区现有干渠大多数已进行过硬化衬砌处理，由于管理维护较为及时，渠道渗透和淤积并不十分严重，但是将现有干渠输水改为低压管道输水后许多管径将超1.0 m，导致工程投资增大。在2017年灌区开始引进和实施低压管道输水灌溉技术。

2 低压管道输水灌溉的技术要点

2.1 确定灌溉模数

灌溉模数（灌水率）也就是单位灌区内所需要的灌溉流量，灌溉模数是确定渠首引水流量，渠道设计流量计灌区用水计划的主要依据，灌溉模数取值过大会导致材料、资金的浪费，取值过小则难以满足灌溉所需[1]。灌溉模数按下式确定：

式中：qin净为第i种作物第n次灌水所需的灌溉模数，m3/（s·万亩）；σi为第i种作物种植面积占比，%，石堡川灌区主要作物为小麦、玉米、苹果树，种植面积占总灌区面积之比分别为42.7%、25.8%、30.2%；min为第i种作物第n次灌水定额，m3/hm2，石堡川灌区小麦、玉米、苹果树等主要作物灌水定额见表1；Tin为第i种作物第n次灌水持续时间（h），本灌区为自流灌区，取Tin=24 h。

表1 石堡川灌区主要作物灌水定额参照表 单位：m/hm2

经计算得，P=25%，小麦的qin净为冬灌期0.1236、拔节期0.1030、抽穗期为0.0927；P=50%时，小麦的qin净为冬灌期0.1236、拔节期和抽穗期都为0.1133；P=75%，小麦的qin净为冬灌期0.1338、拔节期为0.1133，抽穗期为0.1030。P=25%，玉米的qin净为冬灌期0.0622、拔节期0.0560、抽穗期为0.0560；P=50%时，玉米的qin净为冬灌期0.0684、拔节期和抽穗期都为0.0622；P=75%，玉米的qin净为冬灌期0.0747、拔节期为0.0684，抽穗期为0.0622。P=25%，苹果树的qin净为花期0.0874、果期0.0728、采收期0.0728；P=50%时，苹果树的qin净为花期0.0947、果期为0.0728，采收期0.0801；P=75%，苹果树的qin净为花期0.0947、果期为0.0874，采收期为0.0801。

从灌溉模数确定的过程可知，参数σin、min、Tin是影响灌溉模数的主要因素，而这三个因素又受作物结构、种类、灌溉方式、灌溉管理制度等的影响[2]，所以在石堡川灌区低压管道输水灌溉模数确定的过程中，必须十分慎重。

2.2 管网布置型式的选择

2.2.1 输水灌溉管网系统首部枢纽布置

为了保证灌溉管网系统首部与灌溉环境的适应性与协调性，石堡川灌区低压管道输水灌溉采用不设井房的室外射频卡控制灌溉技术，设置地下保护池、逆止阀、闸阀、水表、压力表、进排气阀保护装置，在井口设置保护盖便于水泵安装和养护，除射频控制卡系统外，其余装置均隐蔽式安装，低压管道输水灌溉管网系统首部枢纽布置见图1。

图1 低压管道输水灌溉管网系统首部枢纽布置图

2.2.2 管网布置

按照《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203-2006）的要求，低压输水灌溉管道必须短且直，水头损失小，总费用节省，便于运行和管理，各用水单位均应设置独立的配水口，并保证配水口位置、给水栓型式、管道连接方式等与灌溉方式的匹配性；输水管道必须避开填方、滑坡等区域而布置于坚实的地基之上，若灌区地形复杂，则应实施变管坡布置，保证管道中心线铺设纵坡≤1∶1.5，倾角≤土壤内摩擦角。为预防输水管道拐弯处可能出现的真空，必须预留2 m～3 m水头的余压。对于寒冷地区的灌区，固定输水管道和易损管材等应埋设于≥60 cm的冻土层以下。

依据水源地、管网控制灌溉范围、坡面、田块形状、作物种植结构确定石堡川灌区低压管道输水系统固定管网布置采用树枝状型式，干管布置于灌区边缘，并与现状干（支）渠垂直，长度一般在1.8 km～2.5 km；支管与干管垂直，支管按与作物种植走向平行的模式布设，且间距为60 m～150 m，长度即为干管间距，且在350 m以内；农管间距也就是田间灌水沟畦的长度，在100 m以内。灌区内平整性较好的地块，必须双向灌水，以便减少给水栓数量，本工程设置三个给水栓（出水口）；而对于平整性差、起伏大的地块，应将移动软管连接于固定式（出水口）给水栓，以保证灌水均匀度。石堡川灌区低压管道输水系统管网布置型式见图2。渠系水利用系数应≥0.95，田间固定管道长度在100 m/hm2～150 m/hm2范围。（出水口）给水栓必须与软管相连进行灌溉，此外，石堡川灌区低压管道输水系统还应设置安全保护装置以及排水、泄空、防冻害措施，其中排水泄空装置安装于地势较为低洼的支管1的尾部，在冬季灌溉结束后，及时打开排空装置，将管道内灌溉水排空处理。工程运行结果表明，对于石堡川灌区内冻胀性强的黏土和冻胀性弱的砂砾料，排水泄空措施实施后抗冻胀性显著提高。

图2 低压管道输水系统管网布置型式

2.3 管材选择与管径的确定

2.3.1 管材的选择

输水管材的经济性与耐用性对于管道输水灌溉系统投资影响较大，当前，低压管道输水灌溉管材方面可以选用薄壁PVC-U塑料管、PPR塑料管、PE管材、地埋塑料软管、素混凝土管等。塑料软管种类较多，具有良好的适用性和耐水压性，素混凝土软管造价低，但是对地形的适应性、耐水压性及连接可靠性一般。各类低压管道输水灌溉管材性能比较见表2，选择材料时应充分考虑农业灌溉管材压力等级要求不高的特点，避免盲目套用市政、给排水等行业规范，导致输水管材压力等级无谓提高和工程投资的无谓增加[3]。

表2 低压管道输水灌溉管材性能比较

本工程选用低压管道输水灌溉管材时，严格遵循《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203-2006）和《灌溉用塑料管材和管件基本参数及技术条件》（GB/T 23241-2009）的要求，根据石堡川灌区地形条件，在地势平坦的东北区，采用薄壁PVC-U塑料管，而在地势高低起伏的西南区采用PE管材，结合使用。同时，结合管网压力分布特征进行管材压力等级确定，石堡川灌区低压管道输水灌溉管道压力应≤0.4 MPa。

2.3.2 管径的确定

根据经济流速法[4]进行低压管道输水灌溉管径确定，具体如下：

式中：D为管径，mm；Q为管段设计流量，m3/h；v为管道内设计流速，m/s。

为防止灌溉管道内水击破坏的发生，石堡川灌区灌溉工程管道内允许设计流速≤3.0 m/s，且≥防淤流速0.5 m/s。《节水灌溉工程技术标准》（GB/T 50363-2018）规定，管径 100 mm～250 mm，经济流速v=0.6 m/s～0.9 m/s，管径≥250 mm 时，v=0.9 m/s～1.4 m/s，根据此标准及式（2）的管径平方与流速呈反比例关系，取石堡川灌区低压管道输水灌溉管网造价与管理费用最低情况下的管道内设计流速为1.25 m/s，干管管径为Φ286 mm，支管管径为Φ105 mm。

3 结论

石堡川灌区低压管道输水灌溉系统建成运行后，农作物灌溉用水得到有力保障，种植面积进一步扩大，工程运行后，严格按照小麦、玉米和苹果树的灌溉制度进行灌溉，确保了主要作物各个生长阶段灌溉需水量，起到了极大的增产作用。工程实施后，灌区还新增加了花生、西瓜等经济作物，经济效益和社会效益显著提高，也为灌区农业产业结构调整奠定了坚实的基础。据测算，灌区渠系水利用系数从原先的0.67提高到当前的0.96，渠道糙率减小，再加上低压管道输水灌溉系统全部采用管道深埋设置，节约耕地约2.4 hm2，也省去了大量的渠道维护工作量。