低压管道输水灌溉技术在松原灌区中的应用

孙立娟 王连广 侯 薇

（吉林市水利水电勘测设计研究院 吉林 长春 130021）

1 松原灌区工程概况

松原灌区工程是哈达山水利枢纽工程的主要配套工程，灌区灌溉水源是自第二松花上的江哈达山水库取水，通过哈达山输水总干渠输水直接灌溉，或输水入灌区水源调蓄泡塘，再经泵站提水，各干渠输水灌溉。

松原灌区范围总土地面积511.66万亩，设计灌溉面积为285万亩，其中：水田131.02万亩，旱田123.93万亩，天然草场灌溉30.05万亩。规划引用第二松花江水灌溉，多年平均供水量为10.40亿m3。

潜字灌片位于乾安县乾安镇和让字镇境内。灌片范围内土地面积18.29万亩，现有耕地面积12.47万亩（其中水田0.01万亩、旱田12.46亩）、盐碱荒地面积1.48万亩。

潜字灌片土壤类型主要为中低产田，产出效益低，主要种植作物是玉米，其多年平均亩产不足300kg，灌区内旱作耕地多年平均减产幅度在50%以上。造成大面积低产的主要原因是干旱缺水和土壤的盐渍化。根据乾安县多年旱灾减产情况分析，自1980年以来主要作物旱灾多年平均减产幅度接近50%，五年一遇的旱灾减产幅度为96%，十年一遇的旱灾减产幅度为85%。在该区域实行旱田低压管道输水灌溉，解决该地区干旱少雨而造成旱田产量长期上不去的问题，尤其是缓解因春旱造成缺苗断条的问题，使粮食产量得到提高同时防止土壤的盐渍化。

2 低压管道输水灌溉技术的特点

低压管道输水灌溉技术是节水灌溉技术之一，是利用低压输水管道代替土渠将灌溉水直接输送至田间，水在封闭的管道中输送减少了渗漏和蒸发。低压管道输水灌溉技术与目前采用的传统的大水漫灌相比，节水节能、少占耕地、投资成本低、管理方便、省时省工。低压管道输水灌溉系统与喷灌系统比较，低压管灌系统无需另添置加高压的机泵设备，也无需承压能力高的管材、管件，故投资可大为降低低压管道输水灌溉技术在渠灌区中的推广应用有很大的潜力。

3 低压管道系统规划布置

低压管道输水灌溉系统渠道水为水源，首部枢纽与水源一起布置在地块边缘，管道系统由干管、支管两级组成，干管采用固定式布置形式，埋在地面以下，支管采用移动式布置，在灌溉时接在干管上，非灌溉期回收保管。

根据潜字灌片灌溉范围分布及其灌溉区域地形、土壤、村屯、道路等自然社会情况，综合分析比较后，选择潜字一支渠控制范围内的一个灌溉片作为低压管道灌溉项目区，项目区地块呈长条形，东西方向长1225m，南北方向长570m，灌溉面积为1046亩。采用一支渠渠道水作为项目区水源，首部枢纽设置在地块边缘。该地块地形较平坦，面积适中，能充分揭示田间工程配套中可能遇到的问题并加以解决，以使灌排工程设计更能反映实际情况，对灌区规划低压管道灌溉的田间布置具有一定的代表性。

3.1 管网布设原则

（1）首部枢纽、灌溉管道、道路、排水系统统一规划，形成完整体系；

（2）由首部取水通过水泵加压给灌溉管道系统供水，干管垂直于作物种植行布置，支管平行于作物种植行布置；

（3）干管及支管采用双向供水布置，节省管材，沿路边及地块等高线布置。

3.2 管网布置形式

固定管网的布置形式根据水源位置、控制范围、田块形状等条件，选择树枝状管网形式。在以地表水为灌溉水源的灌区中，水源为渠道水，水源及首部枢纽在地块边缘，主要采用丰字形布置，如图1。

3.3 输水管网布置

项目区地块呈长条形，东西方向长1225m，南北方向长570m。干管首端布置首部取水枢纽，与输水干管接连接，灌溉水通过水泵抽水进入输水干管，再通过支管输送至田间。

干管采用双向供水，长度1180m。干管下级管道为支管，支管垂直于干管布置，支管采用双向供水，支管间距采用86m，共布置支管30条，每条支管长度270m。出水口采取单侧分水，出水口纵向间距为45m，横向间距为86m布置。

3.4 项目区管材的选择

管材是低压管道输水灌溉系统的重要组成部分，项目区低压管道输水灌溉系统管材选用塑料管材。低压管道输水灌溉系统目前主要使用的塑料管材有聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管等。

聚丙烯管材价格较高，因此本次设计不采用。与聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材不含有毒的氯，且管材更柔软更轻便，可作为地埋管道亦可作为地面移动管道；在相同压力下使用聚乙烯管材壁厚更薄，输水面积更大，而在相同壁厚下聚乙烯管材可承受的压力更大，输送能力更高。与聚氯乙烯管材相比，聚乙烯管材抗冲击性能更高，柔韧性更高。聚乙烯管材使用寿命长，最长可以埋在地下50年，还具有材料环保、耐腐蚀等优点。因此本次设计干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯软管。

图1 丰字形管网布置图

3.5 项目区排水与田间路布置

干管末端设置一泄水阀，对应泄水阀布置一条排水支沟，在非灌溉期，将干管内的水排入支沟，防止干管在冬季存水冻胀破坏。

对应干管布置两条排水斗沟，干管与排水斗沟为相间布置。排水斗沟与排水支沟垂直布置，斗沟的水排入支沟中。

对应每条排水沟布置一条田间道路，每7条支管约间隔600m布置一条田间生产路，田间路路宽均为3m。路面采用20cm厚的沙石路面。

4 低压管道系统水力计算

4.1 管灌系统的设计参数

根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB／T 20203-2006）及自然条件和经济条件确定本次设计灌溉设计保证率为75%。

管系水利用系数0.95，田间水利用系数0.90，灌溉水利用系数0.86。

灌溉系统的设计流量可按下式计算：

式中：Q0——管灌系统的灌溉设计流量，m3/h；A——项目区的面积，hm2；m——灌水高峰期作物的灌水定额，m3/hm2；T——项目区设计灌水周期，d；η——项目区灌溉水利用系数：0.86；t——项目区每天灌水时间，取 18h。

经计算灌溉系统的设计流量Q0=318m3/h。

在灌水期间，干管以下采用分组轮灌方式灌溉。通过计算来划分轮灌组。

划分轮灌组可按下式计算：

式中：N——轮灌组数；qi——单个出水口流量，m3/h；int——取整符号；n——控制范围内同时开启的出水口总数。

灌溉管道系统共布置支管30条，每条支管上布置6个给水栓，共布置给水栓180个,计算的轮灌组数为30组。设定每组轮灌组灌溉时，一条支管只开启一个出水口，每条支管上的分水口按照离干管的距离从近至远编号1～6。干管口根据项目区地块综合布置及每条支管的出水口数量，可知灌溉时每组轮灌组中有6条支管灌水。

4.2 管道设计流量

树状管网中，管网的上级管道流量等于下一级管道流量之和，当各出水口流量相同时，支管设计流量可按下式计算：

式中：Q支——支管设计流量，m3/h；Q0——灌溉系统设计流量，m3/h；N——全系统同时开启的出水口个数；n——支管控制范围内同时开启的出水口总数

由轮灌组数及灌溉设计流量计算可得每个出水口实际出水流量，从而根据公式计算得出每条管道的流量，计算的干管流量为318 m3/h，支管流量 53 m3/h。

4.3 管径的确定及管道的水力计算

4.3.1 管径的确定

管道的管径运用经济流速法进行确定，可按下式计算：

式中：D——管道内径；Q——计算管段的设计流量，m3/h；V——管道内水的流速，m/s。

选定管道内水的流速，需要满足以下两个流速要求。

1）允许流速：为防止管道发生水击产生破坏，应不大于设计流速2.5m/s～3.0m/s，不小于防淤流速0.6m/s。

2）经济流速：从管径计算公式可以看出，在管道内流量确定以后，管径的平方与流速成反比，因此保证管网造价和管理费用的最优经济选择的最小流速为经济流速。

根据以上条件及管道的管材，管道内水的流速选取1.25m/s。

经计算干管管径选择Φ315mm，支管选取Φ125mm。

4.3.2 管道的水力计算

1）干、支管沿程损失

管道沿程损失可按下式计算：

式中：hf——沿程水头损失，m；L——管道长度，m；d——管道内径，mm；Q——计算管道的设计流量，m3/h；m——流量指数，取1.77；b——管径指数，取4.77；f——沿程水头损失摩阻系数，取0.948×105；

支管采用移动软管，对于地面移动软管，管道管壁薄、材质软且具有一定的弹性，沿程阻力系数和沿程水头损失不仅取决于流量及管径，与工作压力及管道铺设地面平整程度有关。因此支管的水头损失采用公式计算后在乘以1.2倍。

2）干、支管局部损失

局部水头损失选取沿程损失的10%，

式中：hj——局部水头损失，m。

3）总水头损失

式中：h——总水头损失，。

经计算，h干=13.03m。

干管选取公称压力为0.4MPa，公称外径为Φ315mm的硬聚乙烯管，支管选取公称压力为0.25MPa，公称外径为Φ125mm的聚乙烯软管。

4.3.3 水泵选型

水泵扬程按下式计算：

式中：Hp——灌溉系统设计扬程，m；Z0——管道系统进口高程，m；Zd——支渠进口水位高程，m；h——管道总水头损失，m。

经过计算得出扬程18.04m。

根据流量及扬程所选水泵型号为SD150-290A。

4.3.4 埋设深度

埋设深度主要考虑两个因素：

1）农业机械在地埋管道的地面上经过不能破坏地埋输水管道，一般要求埋深在0.4m～0.7m；

2）在北方地埋管的埋深要考虑地区最大冻层深度，避免地埋管道冻胀破坏。

根据以上因素确定项目区内地埋管道埋置深度为1.2m，开挖断面采取梯形断面，断面底宽采用0.5m，开挖边坡选取1∶0.3。

地埋管道的坡度采用1/1000～1/2000，防止管道内淤积及方便灌溉期结束时将管内的水排入排水沟中。

5 结语

根据在以地表水为灌溉水源的吉林省松原灌区选取项目区进行低压管道输水灌溉设计，得出以下结论：

（1）项目区中间布置一条干管，干管采用双向供水，支管垂直于干管布置，支管采用双向供水，出水口采取单侧分水。

（2）本次设计干管采用硬聚乙烯管，支管采用聚乙烯软管。对比土渠输水速度以及混凝土衬砌渠道流速，管道输水灌溉系统供水及时，缩短的灌水时间及轮灌周期，提高了灌区的灌水工作效率。

（3）项目区低压管道输水灌溉系统采用两级管道代替斗渠与农渠输水，减少了渠道占地约12.2亩，有很好的节省耕地效果。

（4）项目区内埋地干管在灌溉结束后将水排入到排水沟内，支管采用移动式布置在非灌溉期统一回收保管，避免冬季低温冻胀。相比于防渗渠道冻胀问题难以避免的情况，低压管道输水灌溉技术适宜大面积推广。陕西水利

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