关于深季节冻土区浅埋低压管道输水灌溉技术的调查

杨培

摘要：浅埋低压管道输水灌溉水田技术是一种以管道输水代替明渠输水的灌溉形式，本文介绍了黑龙江省肇源县头台镇、林甸县东兴乡、巴彦县富江乡浅埋低压管道输水灌溉水田项目情况，分析了浅埋低压管道输水灌溉的优势、注意问题及推广前景。

关键词：深季节冻土区；灌溉技术；调查

浅埋低压管道输水灌溉水田技术是一种以管道输水代替明渠输水的灌溉形式，通过压力管道系统，将水输送到灌溉农田。灌水时管道工作压力一般不超过0.4MPa，灌溉系统需要配套适宜的水泵和动力、压力表、拦污栅及沉淀池、泵房等建筑物。从2013年开始，黑龙江省农业开发办分别在肇源县头台镇、林甸县东兴乡、巴彦县富江乡规划建设了灌溉面积1392亩、7855亩、3210亩和2480亩的浅埋低压管道输水灌溉水田项目区。从几年的运行情况看，深季节冻土区具备推广浅埋低压管道输水灌溉水田的条件。

一、浅埋低压管道输水灌溉水田项目区基本情况

（一）肇源县头台镇项目区。肇源县头台镇革新村项目区紧靠大庆中南引泄水干渠，项目区无霜期146天，多年平均气温4℃，最高气温39.1℃，最低气温-37.2℃。项目区面积1392亩，地势西高东低，南北高中间低，地势高差达到5米。由于受地形条件限制，采用明渠输水渠道土方量大，配套建筑物多，适合水稻种植的地块一直没有种植水稻。

2013年春季，农业开发办对该地块进行了浅埋低压管道输水灌溉水田工程规划设计。低压管道供水系统由渠首、供水干管、供水支管、出水桩、排水系统构成，渠首是在中南引泄水干渠中设置浮船，水泵及电机安装在浮船上，用水泵將水注入干管，管道由设计流量600立方米/小时的水泵供水。输水管道选用PE管道。根据项目区规划的145块80米×80米方田，沿着地块边缘布置干管1条，总长1646米，支管8条，总长6142米，支管与干管垂直连接沿田埂布置，支管上设出水桩，出水桩由两个阀门控制出水。输水管道最浅埋深0.7米，管道沿水流方向以一定比降铺设安装，在支管道末端设置排水阀门。2013年4月中旬开始工程建设，5月中旬工程竣工并投入运行。

（二）林甸县东兴乡项目区。林甸县东兴乡福兴村项目区位于北引总干西部，处于引嫩灌区上游。项目区无霜期125天，多年平均气温2.3℃，最高气温38.8℃，最低气温-38.1℃。项目区地势东北高、西南低。项目区原为水田，灌溉方式是农民用小四轮分散从渠道中提水灌溉，一户农民安装好设备挡住道路，另一户农民就灌不了地，用水无计划，灌溉不方便，灌溉费用高，农民增产不增收。

2014年秋季，农业开发办将东兴乡福兴村0.83万亩水田规划为浅埋低压管道输水灌溉水田项目区。在北引总干右侧新建泵站1座，泵站设计流量0.75立方米/秒，泵站共设4台离心泵，其中1、2号泵为供水系统Ⅰ，4号泵为供水系统Ⅱ，3号泵为备用泵。单泵设计流量900立方米/小时，设计扬程31米，水泵三用一备。系统Ⅰ设计流量0.5立方米/秒，系统Ⅱ设计流量0.25立方米/秒。管材选用PE管道。主干管直径630毫米、450毫米，干管直径450—200毫米，支管直径200—110毫米，斗管直径110毫米。项目区布设主干管两条，总长2364米；干管9条，总长6075米；支、斗管179条，总长43780米。斗管上设出水装置，每个出水管设置两个出水球阀，给水栓处设混凝土防护井及保护体，配置出口消能及调压装置。2014年10月开始工程施工，冬季停工3个月，2015年5月15日工程竣工并投入运行。

（三）巴彦县富江乡项目区。巴彦县富江乡位于巴彦港提水灌区范围内，以松花江水为灌溉水源，需二级提水灌溉。项目区无霜期133天，多年平均气温3.4℃，最高气温38℃，最低气温-37℃。项目区地势较高，需设置提水泵站两座，分别从巴彦港灌区总干渠经二级提水灌溉水田。

2015年8月，农业开发办对该项目区进行浅埋低压管道输水灌溉水田规划设计，分两个灌溉系统。项目区一号泵站灌溉面积3210亩，泵站设计流量0.27立方米/秒；二号泵站灌溉面积2480亩，泵站设计流量0.2立方米/秒。一号泵站选3台水泵，单泵设计流量为485立方米/小时；二号泵站选2台水泵，单泵设计流量为720立方米/小时。一号泵站采用2用1备，二号泵站采用1用1备，水泵设计扬程均为16米。管材选用PE给水管，干管直径450毫米、315毫米，支管直径200—160毫米。一号泵站设干管2条，总长3282米；支管23条，总长13951米。二号泵站设干管1条，总长1510米；支管20条，总长12467米。斗管上设出水装置，每个出水管设置两个出水球阀，给水栓处设混凝土防护井及保护体。2015年10月开始管道工程施工，冬季停工3个月，2016年5月灌溉系统竣工并正式运行（具体情况见表1、表2）。

二、浅埋低压管道输水灌溉水田的优势

浅埋低压管道输水对地形适应性强，具有节地、节水、建设成本低、运行费用少、建设工期短、便于耕作和自动控制及运行管理费用低等优势。

（一）对地形适应性对比。管道输水对地形适应性强，可实现水由低处向高处输送，减少水田种植平整土地的工程量，适应各种地形，有利于在微地形变化大和渠道渗漏量大的地区大面积推广。

（二）占地对比。明渠输水占用耕地面积大，从四个项目区的实际情况看，低压管道输水以管代渠，避免因修渠占地产生的纠纷，比明渠灌溉可节约耕地4.67%。

（三）节水对比。低压管道输水灌溉系统可以减少渗漏和蒸发，避免明渠输水造成的跑水、漏水问题，提高水的利用率。从四个项目区的运行情况看，低压管道输水比明渠混凝土衬砌节水26%以上，亩节水150立方米以上（具体见表3）。

（四）工程成本对比。铺设低压管道每亩投资1400元左右，与明渠混凝土衬砌造价相差不大。管道埋地下，使用年限可达30年以上，比明渠使用年限长15年以上，亩年均投资比渠道混凝土衬砌少40元以上。从工程成本上分析，低压管道输水灌溉更具有优势。

（五）运行费用对比。低压管道输水灌溉与泵站提水到明渠灌溉，增加了出水压力管道沿程水头损失和管道局部水头损失。按照现行农用电每度0.5元计算，亩增加用水费用15元左右，但考虑工程占地减少增加的效益，亩增加收入在50元以上（具体见表4）。

（六）工程施工对比。管道铺设施工技术简单，要求工期短，基本能实现当年立项，当年建成，当年投入使用。而明渠输水灌溉工程建设工期一般需2—3年。

（七）输水及耕作对比。低压管道输水灌溉比明渠输水快、供水及时，缩短轮灌周期，可实现精准灌溉，自动控制。明渠输水改为地埋管道输水，有利于大机械耕作和标准化生产。

（八）工程管理对比。管道输水代替明渠之后，避免跑水漏水，节省管理维护用工，节约灌水劳动力。地埋低压管道冬季需防止冻胀侵害，入冬前需将管道内余水排空，出水口需要拆卸，春季重新安装。

三、浅埋低压管道输水灌溉水田应注意的问题

田间灌溉系统发展的趋势是实现地下管道化。由于受到管材力学指标和造价的制约，我国管道输水灌溉系统发展缓慢。随着石油化工工业的发展和科学技术的进步，管道输水技术开始推广应用。对于北方中高纬度地区，极端气温零下30多度，最大冻土深度达到2米以上，田间土壤含水量高，浅埋管道输水技术受到限制。从肇源县头台镇、林甸县东兴乡和巴彦县富江乡浅埋低压管道输水灌溉系统设计、实施、运行和管理的情况看，把握好设计和施工关键技术，浅埋低压管道输水灌溉从技术上、经济上、管理上在中高纬度地区推广成为可能。

（一）管道系统设计。低压管道输水灌溉系统的水利计算应满足《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203—2006）规定要求，以控制流速1.5米/秒计算管道管径，局部水头损失按沿程损失的10%计算。为减少沿程损失和选择经济管径，轮灌组均衡分布每条支管上，从末端向首端轮灌。水稻生育期用水量不同，为节省运行成本，建议采用变频电机。出水桩宜设在田埂上，避免机械作业时损坏。在深季节冻土地区，地埋管道末端应设置排水阀门和排水井。排水系统结合管道布局和实际地形按规范进行规划设计。

（二）材料选择。经过实际运行和综合实验比较，管材应选择具有一定柔韧性的材料，以适应冬季由于冻胀引起的变形。管材除满足国家给水管材标准（GB/T13663—2000）要求外，还应满足以下要求：

管材的环刚度：在深季节冻土区，埋地管材除承受管道上方土体重量及农机作业产生的压力外，还要承受土体冻胀变形对管壁产生的压力。土壤自然含水率情况下，管道埋深70—80厘米，不加套管满足通过载重20吨汽车，管材环刚度应大于4.5KN/cm2。

管材的线性膨胀系数：温度变化会引起管道的伸长或缩短，应考虑管材线性膨胀系数要求。满足冻土浅埋的管材线性膨胀系数应小于0.086×10-3/℃，允许的直径变形率小于5%。

管材的断裂伸长率：满足冻土浅埋的管材要有更好的柔韧性，国家标准规定管材的断裂伸长率为大于350%，冻土浅埋的管材的断裂伸长率为大于620%.

管材冻融变形：国家标准规定管材的冻融变形小于5%，冻土浅埋的管材的冻融变形应小于1%。

（三）管道施工。土方施工：管道埋深应满足管顶覆土70—80厘米，管道坡降一般掌握在0.3—0.5‰。严格控制管道纵坡，以保证排水通畅。为保证管底密实，防止局部沉降，应在管底垫沙20厘米以上，应使用松散并比较纯净的土，尤其是冬季施工，回填冻土粒径不能过大，做到分层对称回填、分层对称压实。

管道焊接：管道安装需要专业技术人员，使用专用管道焊接设备，进行热熔焊接，按照埋地聚乙烯给水管道工程技术规范要求施工。管道焊接工艺为，管口清洁、切削、加热、加压、保压、冷却、完成。根据国家标准，当环境温度低于-5℃时不允许施工，如冬季施工，需采取搭建帐篷等保护措施，帐篷内设置加热装置，提高焊接时的环境温度，保证焊接质量。冬季施工，在加热温度、加压压力、保压时间、冷却时间都需要调整到合适参数，以保证焊接质量。

（四）运行管护。输水管道运行中各供水、排水阀门应经常检查，防止锈蚀或滴漏。发现管道漏点应及时维修。在大型车辆通过的地段铺设管道时应添加套管，做好标识，避免大型车辆损坏管道。灌区应做好轮灌计划管理，落实管护责任人，保证系统正常运行。在入冬前打开所有出水阀门，排空管道积水，防止在极端低温天气下管道被水冻实，影响第二年春季灌溉。管理单位应做好管道漏水时应急抢修预案。

四、低压管道输水灌溉水田推广前景

低压管道输水灌溉技术最大的优势在于解决了旱田改水田工程占地问题，减少了旱田改水田过程中繁杂的群众思想工作，消除了政府与农民之间产生矛盾的隐患。低压管道输水灌溉对地形、土壤有较强适应性。特别是在渗漏损失大、填方渠道和水资源紧张地区具有广阔的推广前景。

据黑龙江省水利部门统计，2013年全省市、县水田灌溉面积3486万亩（全省5837万亩），其中地表水灌溉水田1220万亩，需要地表水置换地下水面积在300万亩左右。按照亿亩生态高产标准农田建设规划，用现有的水源发展自流灌溉的空间几乎没有，用地表水发展水田主要依靠提水灌溉。从规划情况看，沿松花江、嫩江、黑龙江、乌苏里江、兴凯湖、引嫩工程、引汤工程提水灌溉可发展水田800万亩。按照肇源、林甸、巴彦三个县项目区的实践成果，如果全省1100萬亩水田提水灌区推广该项技术，可节省耕地51.37万亩，增加优质粮食生产能力6.16亿斤。节约的水量可再发展394万亩水田，按亩增粮食200斤计算，可增加粮食产能7.88亿斤。两个因素可增加优质粮食产能14.04亿斤，相当于再造一个中等产粮大县，不但可实现水资源的可持续利用，而且经济、社会和生态效益显著。

（作者单位：黑龙江省农业综合开发办公室综合处）

责任编辑：凌玉