南岸干渠自流灌区管道输水减压方案分析比较

张震义

水资源紧缺已成为严重制约我国国民经济可持续发展的瓶颈。农业是我国的用水大户,农业用水中的浪费现象相当严重,我国农田灌溉水的利用率平均仅为45%左右。如何发挥节水农业技术、提高农田灌溉水的利用率,对我国经济的持续性发展和社会安全稳定具有举足轻重的意义。

管道输水技术因成本低且具有节水、节能、省地、输水速度快、供水及时、便于田间农机作业、管理方便等特点,已成为开展农业灌区节水改造的必要措施。但管道输水的成败主要取决于对减压方式的选取,好的减压方案对管道的安全性、供水保证率等更好。本文结合新疆某自流灌区减压方案的比选实例,从安全、可实施性、适应性、经济性等多方面综合论证,确定最优方案,为后续工程提供参考依据。

1 工程概况

新疆南岸干渠自东向西全长为168 km,主要为下游灌区供水。总干渠上游90 km渠道的主要任务是向下游输水,整个灌区90%的灌溉面积集中在干渠下游的78 km段。其中自流灌区控制面积108万亩,包括已开发的引山沟水自流灌溉(灌溉保证率很低)和机井灌溉灌区(井深80 m以上)控制面积约为22万亩,待开发灌区控制面积86万亩。该灌区规划从南岸干渠引水,灌区内骨干水利工程主要包括主干管、分干管、地埋支管、地面管四级管网系统工程。

自流灌区主要集中在总干渠的下游段,地貌上属冲洪积倾斜平原,海拔高程650 m～825 m,东西长 80 km、南北宽4.5 km～10 km。灌区内大部分区域地形较平坦,坡向相同,即东高西低、南高北低,地面东西向自然坡降为1.67‰～0.25‰、南北向自然坡降为 28‰～15‰,地形落差在150 m～200 m之间。根据该自流灌区的地形、地貌、冲沟及排洪通道、自然落差大等特点,采用何种减压方式来消除地形累计落差,达到喷滴灌所需压力,对工程投资、系统的安全运行等起着决定性作用。经过多方论证,决定在干管上采用设置减压阀减压和稳流池减压两种减压方案及布置形式进行现场试验。进一步为后续干管的设计及实施奠定基础。

2 方案布置

南岸干渠自流灌区工程全部采用管道输水,地埋管道布置分为干管、分干管、地埋支管三级,地面管道喷灌为移动支管并加装喷头,滴灌为支管和毛管。试验干管管网系统主干管主要是为下游管道和作物输送灌溉所需水量、累计自压灌溉所需压力。干管布置主要结合地形地貌、现有道路、洪沟等由南向北基本垂直等高线布置,管道上布置有镇墩、阀门井、排水井等工程设施。由于工程区域从南至北地形累计落差较大,达到约170 m。本工程结合实际采用了两种减压方案,即机械减压方案和水工减压方案进行现场试验,现就采取的两种减压方案主干管的布置形式分述如下。

2.1 机械减压方案

输水干管由南向北一根管道布置,采用有压管道输水,在系统中部适当位置串联一个套筒式多喷孔减压阀,形成一个封闭的运行系统,以分段累计压力,每段的最大地形落差控制在100 m以内,减小系统的设计水头和节省工程投资。多喷孔套筒式减压阀气蚀产生在管道中心,而不是产生在管壁上,从而减小了噪声和气蚀对阀体的破坏,能较好地解决气蚀问题。干管由进水池供水,进水池自南岸干渠分水口引水。主干管道全长9.6 km,采用PCCP管与钢管相结合一管到底的方式,静水压力为0 MPa～1.6 MPa。管道设计流量为1.66 m3/s,控制灌溉面积4.13万亩,分干管入口处设置减压阀,分干管间距850 m。

2.2 水工减压方案

输水干管采用有压管道、无压管道伴行输水,在管道首部设一个进水池,同时接有压管和无压管,在无压管末端设置一个稳流池,在稳流池出口再接有压管的布置方式。该布置形式将干管分为两段累计地形落差,每段的最大地形落差控制在70 m～80 m水头以内,减小系统的设计水头和节省工程投资。干管组分别由进水池和稳流池供水,进水池自南岸干渠分水口引水,稳流池由进水池通过无压管供水。主干管道全长17 km,主干管采用PCCP管与PVC管相结合,两管并行的方式,静水压力为0 MPa～1.0 MPa。管道设计流量为1.55 m3/s,控制灌溉面积3.84万亩,高压区分干管入口处设减压阀,分干管间距850 m。

3 投资分析

由于两种减压方案,分干管及地埋支管的布置形式相同,本次分析工程投资仅为主干管及各分干管进水口处的建筑物及设备在相同投标报价的基础上进行。两种减压方案工程投资详见表1。

表1 两种减压方案工程投资对比表

4 方案分析比较

两种减压方案的综合比较见表2。

4.1 安全性

1)水工减压方案采用常规的无压输水,分段累积地形落差,总累积落差小,减压效果稳定。对下游管道的正常运行是安全可靠的。2)机械减压方案采用减压阀减压,生产工艺先进,科技含量较高,灵敏度较高。但减压阀电动执行机构频繁工作,对阀门的使用年限有一定影响。累积地形落差较大,一旦出事对下游管道的安全影响较大,减压阀全程用电,必须有较高的用电保证率和频繁的养护、维修,才能保证下游管道的正常运行。

4.2 可实施性

水工减压方案施工工期较长,冬季施工难度较大,质量不易控制;机械减压方案外业施工简单,施工工期短,工厂化生产,质量易于控制,对管道工程实施的影响较大。

4.3 适应性

两种减压方式均可适用于喷灌及滴灌。

表2 两种减压方案的综合比较表

4.4 经济性

1)水工减压方案管道总长17 km,灌溉面积3.84万亩,工程投资2 319.3万元,机械减压方案管道总长9.6 km,灌溉面积4.13万亩,工程投资2 773万元,较前一方案增加投资453.7万元。2)减压阀方案可降低输水过程中的渗漏和蒸发损失,提高灌溉水利用系数。3)减压阀方案一管到底,占地面积小,稳流池方案,无压管与有压管并行,占地面积大。

5 结语

两种减压方式都存在投资高、技术难度大、维护任务重等问题,但综合比较其工程实际情况,认为采用水工减压方案在运行条件受到影响的情况下,更有利于下游管道的安全,减压效果稳定、灌溉保证率高、维修方便、投资小、设备简单等特点,但对灌区管理人员的要求较高、劳动强度大。因此,该灌区骨干水利工程易在自动化控制不能满足的前提下,应优先采用无压与有压并行输水、稳流池减压的布置方案。

[1]许 迪.现代节水农业技术研究进展与发展趋势[J/OL].灌溉网www.irrigation.com.cn,2005:4.

[2]GB 50085-2007,喷灌工程技术规范[S].

[3]水利部农村水利司.管道输水工程技术[M].北京:中国水利电力出版社,1998.

[4]张军亮.浅谈灌区渠道防渗工程管护技术[J].山西建筑,2009,35(9):356-357.