石上灌区节水配套改造措施分析与应用

张秋香， 廖 欢

（1.江西中煤水利环保集团有限公司，南昌 330000；2.江西省煤田地质勘察研究院，南昌 330001）

0 引 言

输水管道是灌区的主要节水配套设施，随着使用年限的增加，输水管道在人为破坏、自然腐蚀下，会出现不同程度的破损，影响灌溉水运行效率，造成大量水资源无故浪费。为提升节水率，需要充分结合灌区节水配套设施的运行状态，以及目前灌区工程的实际情况，对输水管道进行升级改造。石上灌区设计农田灌溉面0.39 万hm2，建成投入使用的年限比较长，目前普遍存在结构变形、构件碳化、裂缝、脱落、钢筋裸露、锈蚀等现象；渡槽槽身接头、节制闸、分水闸闸门止水多已损坏，闸门锈蚀严重等问题。水资源浪费现场非常严重，灌溉水利用率不高。基于此，需要对石上灌区输水管道节水配套进行科学有效的升级改造。

1 工程概述

石上灌区位于宁都县贡水支流梅江中游，地处E115°54′～116°12′，N26°23′～26°42′之间，东西宽约30km，南北长35.6km。灌区涉及石上、安福和梅江等3 个乡镇，耕地面积4 233hm2，设计灌溉面积3 867hm2，有效灌溉面积2 573hm2。灌区现有分干渠110 条，分干渠总长257.43km，其中衬砌长度9.85km，未衬砌长度247.58km；支渠70 条，支渠总长123.34km，其中衬砌长度2.1km，未衬砌长度121.24km。经现场调查，灌区骨干渠道以土质渠道为主，分干渠渠道主要从岗地山坡中通过，渠道土质主要由坡残积粉质壤土组成，土体呈可塑状，存在渗漏问题，但淤积不太严重；支渠大部分从山沟冲积堆积地貌上通过，渠道土质主要由冲积粉质壤土组成，土体呈可塑状，存在渗漏问题，淤积严重。宁都县属赣南中低山丘区，以丘陵、山地为主，属中亚热带季风湿润气候区。气候温和，日照充足，四季分明，雨量充沛，冬无严寒，无霜期长，适宜于亚热带作物的正常生长。石上灌区位于宁都县北部，属构造剥蚀低山丘陵地貌和河流冲积堆积地貌，渠系呈条带状分布。灌区地形总体上较平坦，高差较小，一般相对高差为50～100m。周边山体山顶高程一般为300～500m。灌区渠系沿线分布的地层岩性主要有人工堆积层、第四系冲积层和第四系残坡积层，下伏基岩主要为白垩系沉积岩、石炭系沉积岩、寒武系变质岩、震旦系变质岩及燕山期早期侵入的花岗岩。

2 石上灌区节水设施现存的问题

石上灌区始建于20 世纪60～70 年代，石上灌区是由若干零散的灌片发展起来的，由于分散灌片小水源经常出现水资源不足、不均衡等问题，经常在大旱年导致灌水保证率不高。在施工建设中受到当时技术条件、经济条件、现场地形地貌的影响和限制，相比于现代化灌区工程，石上灌区建设标准比较低，施工质量比较差，节水配套设施也不够完善[1]。再加上常年存在管理经费不足的问题，致使灌区养护管理技术没有得到及时更新，石上灌区现场老化非常严重，工程效益和灌溉面积呈现出逐年递减的趋势，抗干旱、抗洪涝等自然灾害的能力比较低。现有的灌溉渠道大多为土渠，经过多年的运行，在人力、自然联合破坏的情况下，使得石上灌区能够正常通水渠道不足一半，渠道水利用系数仅在0.49 左右，灌区衬砌渠道老化破损、建筑物漏水现象严重。

3 灌区节水配套改造的必要性

随着经济社会的快速发展，石上灌区农田灌溉基础设施建设滞后于经济社会发展，难以适应农业特别是粮食生产的新形势和新要求。灌区不仅建设年代早，运用时间长，资金短缺、工程设施老化损坏严重、供水能力下降、灌溉水利用率较低，灌溉效益衰减严重等，而且工程性和管理性缺水是灌区供需水矛盾的主要原因，严重制约了当地粮食生产和农村经济发展[2]。为加快灌区建设改造步伐，改善农业生产条件，提高灌溉水利用效率，增强灌溉及抗旱能力，迫切需要进行续建配套与节水改造，其必要性和紧迫性主要表现在：

1）防灾减灾的需要：据2008—2013 年间资料统计，宁都县旱涝灾情不断，年均因旱涝受灾面积2 607hm2，粮食减产1 545t。因涝受灾面积合计3 347hm2，成灾面积1 387hm2，粮食减产1 493t。

2）经济发展的需要：石上灌区是宁都县重要的粮食生产基地，是宁都县经济发展的重要阵地。目前，石上灌区水利基础设施较为薄弱，抵御自然灾害的能力差，灌溉保证率不高，已成为灌区农业经济发展的“瓶颈”。开展石上灌区节水配套改造，能够有效改善农业生产条件，促进农民增收，是宁都县实现如期脱贫摘帽的基础保障，也是宁都县经济稳定发展的重要引擎。

3）农业产业结构调整的需要：水利是农业的命脉，农业现代化离不开水利现代化。农业产业结构调整对灌区水利工程建设提出了新要求，迫切需要建设一批设施先进，管理科学的灌溉排水工程。石上灌区骨干工程进行管道化改造，能够充分利用山丘区灌区水头，便于发展喷灌、微灌等高效节水灌溉，为宁都县蔬菜产业发展提供水利基础保障。

4）社会效益的需要：石上灌区设计灌溉面积3 867hm2，灌区内总人口8.26 万人。本工程的实施可改善灌溉面积233hm2，新增、恢复灌溉面积427hm2（均为农田灌溉面积），项目区内农作物灌溉保证率将由目前的50%提升至75%，灌溉水利用系数由目前0.42 提升至0.7，可新增粮食产量158 万kg，新增农业总产值359.2 万元，切实减少农田撂荒，改善城乡生活条件和生态环境，工程实施后人民生活水平将得到显著提高。工程总投资为2 172.93 万元。从国民经济评价和财务分析结果来看，本工程的内部收益率为13.7%，大于经济基准收益率8%，经济净现值1 165.89 万元。成本水价为0.213 元/m3。

各项经济指标均符合国家要求和有关规定，经济效益和社会效益较为显著，本设计经济上是合理的。工程实施后，灌溉成本水价远低于受益农户的年均收入，不会增加农民的负担，受益农户完全能够承受。综上所述，本灌溉工程的设计建设是十分必要和合理可行的。

4 灌区节水配套设施输水管道改造的措施

4.1 明确改造的内容

为保证灌区节水配套设施输水管道改造各道工序能够高效、有序的开展，在正式改造之前，必须明确改造的措施。石上灌区改造范围确定为陈坊灌片与陈岭灌片，其主要建设内容有：

1）输水管道工程。新建PE输水管道29.29km，其中新建输水干管2条，总长11.57km；新建分水管34条，长17.72km。

2）新建附属建筑物229 座，其中新建拦水堰2 座，进水池2 座，新建各类阀门水表井225 座。

3）配套管道计量水表29 套，电磁流量计2 套。

4.2 工程选型

工程选型是灌区节水配套设施输水管道改造的重点，在进行工程选型时，需要严格按照国家农业节水发展的要求，全面提升灌溉水电利用率，以提升新型节水灌溉技术在灌区节水配套设施中的占比，促使当地农业实现可持续发展。就石上灌区而言，骨干渠系工程改造可选择渠道防渗和管道化改造，通过对比分析渠道防渗和管道化改造优缺点，来确定工程改造选型。管道灌溉通常为有压灌溉，方便后期发展喷灌、滴灌等先进的高效节水灌溉技术，无需后期加压，也不会对周围环境造成影响[3]。而沟渠并不具有这些条件，且后期管理非常麻烦。管道输水灌溉更加符合未来农业发展趋势。因此，石上灌区节水配套设施改造采用了管道输水灌溉。

4.3 管线布置

陈坊灌片与陈岭水库和神仙陂水库灌片在曾坊村处进行连接，其主要目的是为了提高陈岭水库和神仙陂水库灌片供水保证率。陈坊水库集水面积5.78km2，而陈岭和神仙陂水库集水面积仅为1.58km2，当遇到特枯旱年，陈岭和神仙陂水库灌片可能会因为来水不够，造成灌片灌水得不到保障，此时可通过陈坊水库灌溉曾坊村，减少陈岭和神仙陂水库的灌溉面积，提高灌溉保证率[4]。其具体运行规则为：

1）灌溉期，当陈岭和神仙陂水库灌片水源水量不足以灌溉其控制面积时，开阀通过陈坊水库灌溉曾坊村农田。

2）非灌溉期，当陈坊水库有弃水时，开阀向曾坊村山塘进行补水，增加陈岭和神仙陂水库灌片水源可供水量。

4.4 管材选择

在石上灌区输水管道施工中，管材的选择直接关系到工程的造价，以及整个输水系统运行的安全性、可靠性，需要高度重视。在灌区输水管道施工中常用的管材有3 种，包括球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、PE 管。需要结合工程特点和市场供应情况选择合适的管材，本工程管材管径采用了DN630mm 以下的管材，因此，仅仅对比球墨铸铁管和PE 管。

价格对比：当管径≥300mm 时，球墨铸铁管的价格要小于PE管价格。因此，从价格的角度来看，当管径≥300mm，可采用球墨铸铁管[5]。

优缺点对比：球墨主体管道的优点是安装比较方便，安装后内外承压好，密封性好，可通过内壁喷锌的方法，提升防腐效果。缺点是球墨铸铁管道的连接会受到人为操作水平的影响，并且长期运行二次污染比较明显。PE 管道的优点是经济性比较好，接口稳定可靠，材料抗冲击，抗开裂，耐老化。缺点是需要采用有效的连接措施，且对连接技术的要求比较高。

施工方便程度对比：案例工程施工现场比较宽阔，管道运输方便，从保证水质角度来看，若采用球墨铸铁管，需要在管道内部涂抹一层水泥，作为内衬。若采用了PE 管，则需要水泥内衬。从施工方便的角度来看，若采用球墨铸铁管道，尤其管道重量大，在具体施工中，需要对球墨铸铁管的承插口进行填缝处理，施工过程比较复杂，施工难度比较大。但若采用PE 管，由于管道质量比较轻，在具体施工可不用大型吊车，采用小型吊车即可。而PE 管需要采用热熔连接，接口密封性能比较好。

综合对比价格、优缺点、施工方便程度，在结合当地施工条件，所选择的施工技术，以及后期维护管理的便捷性，最终采用PE100型给水管[6]。

4.5 管径计算

由于采用管道输水，本工程的灌溉水利用系数达到0.7，由于本次工程中管道均为自压流动，因此在确定管径时应结合地形高差、管道流量综合选定管道管径，应尽量利用地势差消除管道水头损失。沿程水头损失计算公式采用海森-威廉公式计算，局部水头损失按沿程水头损失的15%考虑。

式中：hf为沿程水头损失（m）；

Q为管道流量（m3/h）；

L为管道长度；

Cw为沿程水头损失（m），塑料管取150；

D为管道内径（mm）。

管道水力计算结果如表1 所示。

表1 管道水力计算结果表

5 施工效果分析

灌区节水改造配套项目实施后，现有灌溉系统的各项性能指标均得到提高，对灌区的良性发展将发挥巨大作用。项目区干渠输水能力基本达到设计要求，灌溉水利用系数由现状0.42 提高到0.7，年均节约灌溉用水322.59 万m3。因渠系水利用系数提高，灌溉制度优化，种植结构调整等，节约了灌溉用水量，提高企业粮食的生产能力和农业产值。

6 结 语

综上，结合石上灌区实际案例，分析了灌区节水配套改造的措施及应用，结果表明，灌区节水配套设施对整个灌区工程运行的稳定性有很大影响，尤其是输水管道是否完善、是否渗漏，有效的提高灌区水资源的综合利用率。在进行升级改造中，充分考虑灌区特点，选择合适的管材，最大限度保证改造效果。