低压管道输水节水灌溉技术在石头河灌区的运用

王文平

(陕西省石头河水库灌溉管理局,陕西杨凌712100)

石头河水库灌区是在原梅惠渠基础上发展起来的一个新老结合的灌区,位于关中西部,始建于1941年,灌区设输水干渠4条,支渠14条,总长191.2 km,控制灌溉面积2.467×104hm2,灌区地形南高北低,地面坡降较大,由于灌区渠道基本依据地形比降布设,生成的渠道就成为“顺地跑”渠道,渠道比降大都在1/35～1/300之间,由于渠道比降过大,冲刷破坏比较严重,这样不但使渠道工程的使用寿命大大降低,而且造成了水资源的严重浪费。因而从2002开始我们在石头河水库灌区进行节水改造时,根据灌区自然高差较大,且属清水灌溉,适合低压管道输水灌溉这一特点,在建设中,改变传统的衬砌渠道方式,在东干九支渠率先实施了以低压管道输水节水灌溉为主的万亩节水示范园工程,在节水、节能、节地、省工、便于管理等方面取得较好的效果。实践证明,低压管道灌溉系统是一项值得在灌区节水改造中推广应用的技术。

1 低压管道灌溉系统的机理和组成

1.1 低压管道灌溉系统的机理

低压管道灌溉系统就是利用地形的自然高差形成的压力水头,通过管道输水到田间的节水灌溉系统。它突出的特点就是充分利用自然压差,形成压力管道系统,不需要消耗电能就可配套低压管道灌溉、喷灌、滴灌等节水灌溉设施[1]。

1.2 低压管道灌溉系统的组成

低压管道灌溉系统包括:水源、输水系统、给配水装置、保护设备(调压阀或排气阀等)、田间灌水设施。

2 低压管道灌溉系统的规划和设计

2.1 资料收集

基本资料的收集及有关技术参数的选用,是低压管道灌溉系统规划的前提,必须做到准确可靠,必要时应对有关数据进行观测、试验和分析论证。必须收集以下基本资料,作为设计的依据。

2.1.1 地形地貌

地形地貌可应用已有的航测图、乡村农田基本建设图或灌区平面图作为参考。在规划阶段应使用1/5000—1/10000地形图;管网布置阶段应使用1/2000—1/5000地形图。并在地形图上标出行政区划、村庄、道路等基本地形、地貌,并绘出管网的走向及有关设施的位置。

2.1.2 气象

灌区内的多年降水量、蒸发量、主风向及风速,最高、最低、平均气温,无霜期的长短,日照小时数,地温,湿度等。

2.1.3 土壤特性

土壤质地,耕层厚度,养分状况。

2.1.4 灌区内主要作物分布

灌区总面积,农作物种类,种植比例,各种作物的种植面积。

2.1.5 经济情况

规划区内人口,劳动力,耕地面积,产量,人均收入,交通状况[2]。

2.1.6 管道材料

管道材料性能,生产厂家,管材类型。

2.2 系统设计内容

低压管道输水灌溉工程设计主要包括八个方面的内容。

(1)确定管道长度及走向,并绘制管道纵断面图。

(2)灌溉制度的制定。计算灌水定额,灌水周期。

(3)水量平衡分析。根据灌溉面积确定供需水量。

(4)管道布局。确定管网的走向、管道各段的长度。

(5)确定灌溉方式、灌溉工作制度。

(6)管道水力计算。确定管网入口的工作压力、管道水头损失、管径的大小;管道内流速校核。

(7)工程概算。

(8)经济效益分析。

2.3 系统管网布置及灌溉制度的确定

2.3.1 管网布置

管网布置的合理与否,对工程投资、运行状况和管理维护有很大影响。一般管道布置应遵循以下原则。

(1)充分利用压力水头。

(2)力求管道总长度短、控制面积大,管线平直,减少拐弯、起伏等。

(3)支管道走向应与作物种植方向及地形坡度相适应。支管间距单向控制时不应大于75 m,双向控制时不应大于150 m。

2.3.2 灌溉制度的确定

灌溉制度是根据作物生育期内一定的气候、土壤和耕作技术条件为获得高产稳产进行适时适量灌水的一种制度。其内容包括灌水定额、灌溉定额、灌水时间及次数。

2.3.2.1 灌水定额的确定

在管网设计中,采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额。对于种植不同作物的灌区,通常采用设计时段内主要作物的最大灌水定额作为设计灌水定额。

一般灌水上限按田间持水量的80%～95%计算,下限按田间持水量的60%～65%计算。

灌水定额m=667Hγ(β1-β2)/η计算。

式中:m为设计灌水定额(m3/亩);H为计划湿润层深度(m),一般大田可取0.4～0.6,蔬菜0.2～0.3,果树0.8～ 1.0;β1、β2为土壤适宜含水量上、下限;γ为土壤干密度(t/m3);η为田间水有效利用系数,一般取0.85～0.95。

2.3.2.2 灌水周期的确定

根据灌水临界期作物最大日需水量值,按下式计算理论灌水周期。因为,实际灌水中可能会出现停水、配水设备故障等原因,故设计灌水周期应小于理论灌溉周期。

式中:T理为理论灌水周期(d);Ep为控制区内作物最大日需水量(mm/d);T设为设计灌水周期(d)。

2.3.2.3 设计流量的确定

根据灌水定额、灌溉面积、灌水周期、每天工作的时间和灌溉水利用系数计算灌溉设计流量。

式中:Q设为灌溉设计流量(m3/h);m、T同前;A为系统设计灌溉面积(667m2);η为管道输水效率,一般取0.95～0.98;t为每天工作的时间(h),一般取12 h～16 h。

2.3.3 灌溉工作制度

传统灌溉方式是续灌和轮灌相结合的方法,即:支管之间采用轮灌,支管内采用续灌。

(1)系统轮灌组数目的确定,用式

N=int(nq/Q设)计算

式中:N为系统轮灌组数;n为系统出水口总数;q为出水口的出水量(m3/h);int为取整符号;Q设同前。

(2)出水口实际出水量计算,按式

q=NQ设/n计算

(3)同时工作出水口数目的确定,按式

X=int(n/N)计算[3]

式中:X为同时工作的出水口数,其它符号同前。

(4)每个轮灌组工作时间,按式

tN=T/N计算

式中:tN为每个轮灌组工作时间(h);T、N同前。

2.4 水力计算

2.4.1 管网各级管道的流量计算

在管网管道流量计算时,采用自下而上的方式推求各管段的流量。

2.4.1.1 支管流量的确定

根据轮灌组及出水口的水量,同时工作的出水口数,计算支管道的流量。

按式 Q支 =n支q计算

式中:Q支为支管进口流量(m3/h);n支为支管控制的出水口数;q同前。

2.4.1.2 干管流量的确定

干管内的水量是同时工作支管水量的总和。即:

式中:Q干为干管进口流量(m3/h);n干为干管控制支管数;Q支同前。

2.4.2 管网水力计算

2.4.2.1 给水栓工作水头

在采用移动软管灌溉系统中,一般软管直径为φ 50～φ 100,长度不超过100 m。此时给水栓工作水头用式Hg=hyf+△Hgy+(0.2～0.3)计算。

式中:Hg为给水栓工作水头(m);hyf为移动软管沿程水头损失(m);△Hgy为移动软管出口与给水栓出口高差(m)。当给水栓直接配水入渠道时:Hg=0.2～0.3 m。

2.4.2.2 管网各管段管径的确定

低压管网水力计算根据:设计水量、管网入口压力确定管网中各级管径,各节点压力。最后选用与计算出的管径接近的商用管径。管径选定后要进行不淤流速(一般取0.5 m/s)和最大允许流速(通常限制在2.5 m/s～3.0 m/s)校核。

为了充分利用自然水头,其管径用下式计算。

式中:d为管道内径,mm或m;f为沿程水头损失摩阻系数;Q为管道内设计流量,m3/h或m3/s;m为流量系数;b为管径系数;i为平均水力坡度。为管段上游节点与下游节点水头差除以管段长度。

2.4.2.3 管网水头损失计算

沿程水头损失计算:

2.4.3 输水管道性能的选择

(1)输水管道设计要求的工作压力确定。管材允许工作压力应为管道最大正常工作压力的1.4倍。当管道可能产生较大水击压力时,管材的允许工作压力应不小于水击时的最大压力。

(2)管壁要均匀一致。

(3)管材内壁要光滑。

(4)管与管、管与管件连接要方便。

2.4.4 防止水击压力的措施

(1)操作运行中应缓慢启闭阀门,以延长阀门启闭时间,从而避免产生直接水击,并可降低间接水击压力。

(2)由于水击压力与管内流速成正比,因此,在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。

(3)由于水击压力与管道长度成正比,因此,在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀,以缩短管道长度,削减水击压力。

2.4.5 安全保护装置

管道输水灌溉系统的安全保护装置主要有进(排)气阀、安全阀、调压装置、逆止阀等。

2.4.5.1 进排气阀的选择

式中:d0为进排气阀通气孔直径(mm);D0为被保护管道内径(mm);V为被保护管道内水流速度(m/s)。

2.4.5.2 安全阀

安全阀是一种压力释放装置,安装在管路较低处,起超压保护作用。

3 低压式管道输水灌溉管理及技术要求

低压管道灌溉工程同其它水利工程一样,必须正确处理好建、管、用三者关系。建是基础,管是关键,用好增产是目的。在保证管道系统建设质量的前提下,只有管好用好才能充分发挥效益。

3.1 管理制度

低压管道灌溉系统也需要有完善的管理制度,如果没有一套与其相适应的管理措施,也是不能正常运行的。要从四个方面完善管理制度:一是建立健全管理组织;二是依法管水;三是实行管理责任制;四是建立管理考核标准。

3.2 低压管道灌溉系统运行技术要求

①灌溉前必须首先打开应浇地块的给水栓,每条主管道打开的给水栓数不少于3个;②打开给水栓后,再开进水闸,闸门开启度应根据渠道水位,满足管道用水量,待压力池水位和堰顶齐平,稳定为好;③灌溉结束后,先关闭进水闸,然后再关闭给水栓;④冬灌结束后,必须将管道内的水排掉,防止冻坏管道;⑤用前必须做好管道的检修工作[4]。

4 低压管道灌溉系统效果分析

低压管道灌溉系统与明渠灌溉相比具有以下优点:

(1)节水、节能

低压管道灌溉系统输水损失小,渠系水利用率达95%以上,比土渠提高30%,比防渗渠道提高5%,综合节水达40%左右。

由于用管道输水,减少了渗漏和蒸发损失,综合节能在20%～30%。

(2)省地、省工

低压管道灌溉系统中管道埋入地下,比明渠灌溉减少占用耕地2%,对土地资源的充分利用有着重要意义。

管道灌溉不仅能减少大量的田间建筑物,而且还可以实现规范化、系统化;输水时间短,缩短了轮灌期,节省了工日。

(3)适应性强、管理方便

低压管道灌溉系统是有压供水,可适用于各种地形,如:越沟,跨路,拐弯和爬坡等。管道灌溉设备比较简单,技术容易掌握,管理方便,用水量便于控制和计量 ,并为农业机械化、自动化的发展创造了有利条件。

(4)使用寿命长

管道埋入地下,塑料管不易老化、不宜腐蚀、不宜破坏,一般使用寿命在50 a左右。实践证明,低压管道灌溉系统节水效果明显,减少了水资源的浪费,缓解了当地的水资源供需矛盾,提高了当地的灌溉水平和农业抗御干旱灾害的能力,促进了农业产业制度改革和农业种植结构调整。运用低压管道灌溉系统后,每年节约用水30×104m3,节约的水为社会经济的其他发展提供了良好的基础。同时,项目区内外部环境和整体面貌也将发生根本性变化,不仅丰富了城乡居民的“菜篮子”,还绿化美化了环境,改变了当地农民的生产意识。使农民认识到节水改造的好处,深深体会到水利是农业的命脉,只有水利设施的发展,才能改变农业的面貌,才能富裕农民。

5 结 语

灌区管道输水节水灌溉技术,是适用于提水或低压灌区多种作物应用的节水灌溉技术,已形成系统设计、设备选型、工程施工、灌溉管理等成套技术体系,具有节水、省地、省工和工程造价低、施工简便、使用管理方便及工程寿命长、增产效益显著等多种优势。这项技术的推广应用,深受灌区群众欢迎。该技术的应用对缓解水资源危机,提高农业生产水利设施条件,改善农业生态环境,增加农民收入发挥了重要作用。建议在大力推广该项技术的基础上,加强用水的计量管理,严格按照作物的经济灌溉定额,进行科学的灌溉,进一步提高水的利用率和生产效率。

[1] 吴普特,牛文全,郝宏科.现代高效节水灌溉设施[M].北京:化学工业出版社,2002:138-139.

[2] 王景武.石头河水库志[M].北京:中国水利水电出版社,2005:158-263.

[3] 刘文俊,吴玉柏.江苏省灌区低压管道工程主要技术参数研究[J].中国农村水利水电,2008,(10):69-71.

[4] 陈炯新.低压管道输水灌溉技术[M].北京:水利电力出版社,1991:6-117.