自流灌区节水灌溉工程模式探讨

郑丽娜

（昌邑市水利局，山东 昌邑 261300）

自上世纪50年代开始，灌排事业得到了较快发展，许多大型灌区得到了建设。主要有引黄灌区、水库灌区和引河（湖）灌区，规划灌溉面积在2万hm2以上的灌区有65个。部分灌区的灌溉水源比灌溉田地高，灌溉水可以借助重力作用通过引水、输水、配水等设施自流进入农田。自流灌溉是引黄灌区、水库灌区和引河（湖）灌区主要节水灌溉模式之一。自流灌溉条件下的节水灌溉输水工程模式分为防渗衬砌渠道输水、渠道（骨干）结合管道（末级）输水以及压力管道输水3 类。

1 防渗衬砌渠道灌溉输水模式

为减少土渠输水过程中的渗漏损失，采用透水性小的防护层进行防渗处理，既可减少水的渗漏损失，又可提高输水速度，提高灌溉效率。

1.1 渠道衬砌材料

1）土料衬砌。为黏性土、沙、石、石灰和水等材料拌和后而成。可用于气候温和地区的4、5 级渠道衬砌，可就地取材、施工简便、造价低，但是抗冻性、耐久性较差，工程量大，质量不易保证。2）水泥土衬砌。为壤土、砂壤土、水泥和水等拌和后而成。可用于气候温和地区附近有壤土或砂壤土的3～5 级渠道衬砌，可就地取材、施工简便，而且水泥用量只占干土重的10%～15%，造价低，但是抗冻性较差。3）砌石衬砌。为卵石、块石、料石、石板、沙和水泥等混合搅拌而成。可用于石料来源丰富、有抗冻、抗冲、耐磨要求的各级渠道衬砌，其抗冻、抗冲、耐磨和耐久性好，施工简便，但是防渗效果一般不易保证。4）埋铺式膜料衬砌。主要材料有膜料、土料、沙、石和水泥等，防渗效果好、重量轻、运输量小。当采用土料保护层时，可用于4、5 级渠道衬砌，造价低，但占地多，允许流速小；采用刚性保护层时，可用于各级渠道衬砌，但是造价高。5）混凝土衬砌。是目前采用较多的一种渠道防渗技术措施，防渗效果、抗冲性和耐久性好。在设计、施工和养护得当的情况下，其使用年限平均为40～60年。混凝土衬砌能适应各种大小渠道、不同工程环境条件及流速不同的渠道。即使当衬砌破裂漏水时，可用沥青混合剂封堵，且养护方便。6）沥青混凝土衬砌。为沥青、沙、石和矿粉等材料混合而成。防渗效果好，适应地基变形能力较强，使用年限约为10～20年，其造价与混凝土防渗衬砌结构相近。

1.2 渠道断面形式

明渠可采用的防渗渠道断面形式有矩形断面、梯形断面、U 形断面和梯弧形复式断面。1） 矩形断面。是一种较为原始的断面形式，多为长方形或正方形，目前应用于一些小型渠道工程中。该断面设计、施工简单，但水力半径小，湿周不足，使渠道的水力条件较差，从而过水能力较低，且抗冻效果差，在大型渠道工程中往往不采用矩形断面。2）梯形断面。是在矩形断面不足基础上发展起来的一种形式，水力条件较好，过水能力相对较高，抗冻能力依然较差。这种断面呈倒梯形，两侧渠边坡常采用1∶1～1∶1.5，最大可取到1∶2.0 以上，水力最优断面的宽深比为0.83～0.61，最小值可为0.47，对于大型渠道宽深比为1～3，防渗衬砌材料常采用黏土料，浆砌块石（砾、卵石）或混凝土、钢筋混凝土。3）U 型断面。其形式为半圆直边式和圆弧斜边式2种，前者多用于小型工程，后者用于较大工程。该形式相对湿周较矩形、梯形的水力半径大，在其他条件相同的前提下，U 形断面流量大，水力条件和抗冻能力有所提高。混凝土U 形渠道比混凝土预制板衬砌梯形渠道节省投资20%～30%，减少工程量30%～40%，特别是因为底弧半圆拱的作用，整体结构的抗冻性较好。4）梯弧形复式断面。这种断面形式是在梯形和U 形渠道断面基础上演变成的一种新型断面形式，在大、中型渠道工程中被广泛应用，该断面底部为圆弧状，两侧渠边坡为直线段，边坡系数根据渠底弧中心角确定，一般类同于梯形断面边坡，范围在1∶1～1∶1.75 之间，个别取值1∶2.0 以上；圆弧中心角不小于90°。梯弧形复式断面同时具备了梯形和U 形断面的优点；湿周较小、水力半径大、过水条件好、抗冻性能高、占地少、投资省。

1.3 渠道布置

斗、农渠的规划和农业生产要求关系密切。山丘、丘陵地区的斗渠长度较短，控制面积较小。平原地区的斗渠较长，控制面积较大。我国北方平原地区一些大型自流灌区的斗渠长度一般为3～5 km，控制面积200～333.3 hm2。斗渠的间距主要根据机耕要求确定，和农渠的长度相适应。农渠是末级固定渠道，控制范围为一个耕作单元。农渠长度根据机耕要求确定，在平原地区通常为500～1 000 m，间距为200～400 m，控制面积为13.33～40 hm2。丘陵地区农渠的长度和控制面积较小。在有控制地下水位要求的地区，农渠间距根据农沟间距确定。这种模式减少了输水过程中的水量损失，但与管道输水相比，占地较多，施工技术要求相对较高。

2 渠道（骨干）结合管道（末级）灌溉输水模式

考虑管道输水具有省地、省水、节能、节时、增产等优点，将渠道与管道输水相结合，采用骨干渠道输水后末级渠系采用管道（代替斗、农渠道）进行自流灌溉。

末级管道安装标高与坡降与明渠（斗渠、农渠）相同，管道一般采用无压水泥管输水自流灌溉，管道输水与渠道输水相比，输水损失可减少约10%。水泥管分为混凝土管和钢筋混凝土管。

与明渠相比，影响自流管道灌溉系统投资的主要因素是安装施工费、管材造价及后期维护费等。在此只与明渠相同的安装方式作对比，即在地面上按照一定标高和坡降安装。其工程投资由土方工程、安装施工费、材料费组成。

按照规定，农渠在平原地区长度为500～1 000 m，间距为200～400 m，控制面积为13.33～40 hm2。据此计算不同控制面和流量下，明渠衬砌（梯形渠道，预制混凝土板衬砌）和管道（预制混凝土管）灌溉2种形式的工程材料造价对比见表1。经估算，当农渠控制面积大于36.67 hm2，即管径大于400 mm 时，管道的造价大于明渠衬砌的造价，不宜采用管道代替渠道。但考虑到明渠改为管道土方开挖与回填方量，约减少50%，土方施工费用将大大减少。另外，明渠改为管道减少了占地，减少了明渠所带来的对机耕作业的影响，减少了部分渠系建筑物的投资，减少了自然淤积，避免了渠道的冻胀破坏。因此，管道直径在1 500 mm 以下过水流量所控制的灌溉面积，明渠原则上都可以用水泥管道替代。

表1 明渠衬砌与管道灌溉工程造价对比表

3 压力管道灌溉输水模式

山地丘陵区的灌溉遵循高水高用、低水低用的原则，利用自然水头落差进行管道输水灌溉，因地制宜采用适当的高效灌溉方式。水头差在5～30 m 之间时，可采用微喷灌；水头差在10 m 左右可采用滴灌；水头差大于20 m 可采用喷灌。要实现上述节水灌溉，最重要的是采用压力管道输水。

由于山地丘陵区输水管道需承受一定压力，管材选择指标包括抗压强度、耐腐蚀性、吸水能力和输水能力等。管道施工时均埋置在地下，覆盖土层约50 cm。由于是有压条件下的输水灌溉，管壁一般无淤积现象，管理费用相对较低。采用固定式管道灌溉系统，亩均投资在200～250 元，投资回收时间在15年左右（静态分析），农民是可以承受的。而且管道灌溉比渠灌可扩大灌溉面积及适时灌溉，提高了复种指数，从而增产15%～20%。