都江堰灌区输配水优化方案研究综述

(1.四川省都江堰管理局，四川 都江堰，611830；2.四川省都江堰勘测设计院，四川 都江堰，611830；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

引言

我国于上世纪60、70年代开始兴建灌区，为我国农业生产的稳定发展提供了基础保障。但灌区渠道多以浆砌石衬砌，其防渗效果相对较差，渗漏问题严重。因此，进一步改善灌溉用水输配水工程措施，减少灌溉用水损失，提高灌溉水有效利用系数已成为解决我国农业用水紧张的必然趋势。

低压管道输水灌溉是以管道代替明渠输水灌溉的一种工程形式，其特点是出水口流量较大，出水口所需压力较低，管道不会发生堵塞。与明渠相比，低压管道灌溉具有减少渗漏和蒸发损失、增加耕地面积、缩短轮灌周期、提高灌溉效益及对地形更加适应等优点[1]，在国内外均已经得到了较大范围的应用[2，3]。在美国，全美近一半大型灌区都实现了管道化灌溉[3，4]。以色列的灌溉输水工程处于国际领先水平，全国基本全部实现了管道输水。旧灌区改造中发展管道输水技术也很受一些国家的重视，因为管道输水技术能大幅提高灌溉水有效利用率。如加拿大伯塔灌区，灌溉水利用率由改造前的35%～60%提高到75%；澳大利亚的伦马克灌区，改建地下管道后节约灌溉用水达33%。发达国家的管道输水灌溉有如下特点：管道种类多样，且质量较好；管网具有多级性，它们由直径大小不同的管道组成，灌水利用系数较高；量水和自动控制技术先进，科学管理水平较高，计算机操作控制在管道输水灌溉中得到广泛应用[1]。我国自20世纪50年代开始尝试低压管道输水灌溉技术的开发应用。截止2010年，我国低压管道输水灌溉面积已发展到667万hm2，约占全国节水灌溉面积的24.5%。

管道输水灌溉与明渠输水灌溉相比，具有节水、节地、省工、省时、省电，灌水及时，地形适应性强等优点，低压管道输水灌溉工程技术在我国井灌区取得了较大范围的推广应用，而渠灌区自压管道输水灌溉还处于试验示范阶段[5]。都江堰灌区作为四川省最大的特大型灌区，其输水方式主要为渠道输水，渠系老化，输水损失严重，大大制约着灌区的发展，为此，对都江堰灌区进行渠道改管道输水灌溉是节水灌溉发展的必然趋势，也是必要措施。

1 都江堰灌区灌溉输水现状

都江堰创建于公元前256年，是一座历史悠久的特大型水利灌溉工程。历经2000多年的不断完善和发展，至2017年，灌区有效灌面达到69.52万hm2，灌溉保证率为90%，有力地保障了成都、德阳、绵阳、遂宁、资阳、眉山、乐山7市37个区(市、县)生活、生产、生态用水的需要，极大地支撑了当地社会经济的快速发展，都江堰灌区成为我省工农业生产最发达、经济最繁荣的地区，同时也是成渝经济区的核心之一，中国西部和全省主要工业基地、商品粮基地，是四川最具有区位优势和经济潜力的地区。

都江堰灌区的渠系复杂，建筑物众多，包括干渠、分干渠、支渠和末级渠系，及其相关水工建筑物。灌区工程大部分修建于20世纪60-70年代，受人力、财力、技术等因素的影响，大多渠道标准低、配套不齐、弯道多、遗留问题多，加之运行时间较长，病险、老化工程较为普遍。主要存在问题包括：

(1)渠道工程配套差。灌区渠系工程中，引水口绝大多数没有闸门，少数有闸门的工程也比较简陋，启闭设备多为手动螺杆启闭，操作极不方便，闸门以木质为主，无止水设备，漏水很大。丘陵灌区及平坝灌区的支、斗、农、毛渠的配套情况更差。

(2)渠道断面不够、不规则、糙率大。灌区建设初期，缺乏统一长远的总体规划，对灌区发展估计不足。灌面发展很快就超过了原有设计，加之干渠运行多年后，损坏、老化严重，实际输水能力还达不到设计水平，更加剧了供水的矛盾。特别是丘陵区的部分石渠，采用爆破成型，边坡凹凸不平、糙率很大，也是渠道过流能力严重不足的原因之一。

(3)渠道防渗措施少、渗漏严重。灌区渠道由于建造年代较早，基本都是浆砌石衬砌，加之使用多年，渠道损坏情况严重，尽管灌区常年有相应资金进行修缮整治，但由于渠道防渗措施少，渠道漏损情况依然难以遏制。

2 都江堰灌区当前主要节水灌溉形式

都江堰灌区目前主要的节水灌溉形式为渠系防渗。都江堰灌区干支渠众多，历经2000余年经验总结，渠道的防渗型式主要有。

2.1 粘土料防渗

粘土材料是含沙粒极少，有粘性的土壤，因水分不容易从中通过，所以被先人用于渠道防渗。又因其可塑性好，分布广泛，取材容易且施工极其简易，故可用于灌溉渠道防渗。尤其平原地区，粘性土料几乎随处可取，不用单独寻找材料来源，大部分田间直接就是由粘性土料形成，直接开挖做简单修整即可达到防渗效果。都江堰灌区上世纪80年代以前多将该种防渗方式应用于末级渠系，田间地头的小渠道多采用该防渗方式进行渠道防渗。但由于粘土抗冲性能极差，且容易受动植物生存影响，需要频繁进行维护工作，目前已经难以见到单纯的采用粘土防渗的渠道。粘土料防渗的优点是材料分布广泛，造价低廉，施工简易，维护简单；缺点是防渗效果一般，抗冲性能差，工程寿命极短。

2.2 浆砌石防渗

上世纪中叶60-80年代，都江堰灌区灌溉渠系主要防渗型式，尤其是各条干渠和主要支渠，基本都采用浆砌石防渗方式。浆砌石结构具有坚固、抗冻性好、耐磨等特点，就地取材便于人力施工，一度成为都江堰灌区主要的渠道防渗衬砌方式。早期的浆砌石防渗体系使用的胶结材料多为“三合土”，水泥因其质地坚硬、产量少而较少使用，因此耐久性普遍较差。随着社会经济的发展，水泥供应逐渐增多，后期浆砌石多采用水泥砂浆进行砌筑，保证了强度的同时耐久性亦有提升。浆砌石衬砌施工方法主要有两种，一种为灌浆法，先将卵石干砌好再向缝隙中填入细石混凝土或砂浆，再以铁钎或其它硬且细的工具捣实，最后进行水泥砂浆勾缝。另一种为坐浆法，先将水泥砂浆或细石混凝土均匀铺筑后再以干砌挤浆方式分层砌筑卵石，最后进行灌缝、勾缝。浆砌石防渗的优点是抗冲、耐磨性能较好，施工简便，占地少；缺点是防渗效果一般，造价较高，机械化施工程度低，质量稳定性差。

2.3 土工膜防渗

目前常用的防渗土工膜材料主要为聚乙烯，主要是由乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性；化学稳定性好，具有较高的刚性和韧性，机械强度好，耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好，随着密度的上升，机械性能和阻隔性能会相应提高，耐热和抗拉强度也更高；可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。土工膜以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。土工防渗膜防渗效果好，具有很强的不透水性，只要材料质量符合标准，做好接头处理，几乎滴水不漏。防渗土工膜的铺设方式主要有两种，一种是在原有渠道断面上铺设土工膜，再设置保护层进行防护；一种是将原有渠道断面开挖成规则断面的基槽，铺设土工膜后再还原成原有梯形断面，不再设置防护层。防渗土工膜可以适应小型或较大的渠道断面，小型渠道铺设断面较简单，随着渠道断面的放大，防渗土工膜的型式也逐步复杂，断面型式以尽量减小土工膜变形量来设计。土工膜防渗的优点是防渗效果好，造价低，施工简便，适应性强；缺点是必须采取面层保护，易受动植物生存破坏。

2.4 混凝土防渗

混凝土防渗为目前应用最为广泛的渠道防渗型式。因混凝土具备良好的防渗性能，优秀的和易性和耐久性，成为了目前采用最多的渠道防渗型式。各类型渠道均有应用。

混凝土渠道主要有以下优点：

(1)防渗效果非常好，能够大幅度减少渠道渗流量。渠道经混凝土防渗后水利用系数普遍能达到0.97以上；

(2)耐久性强。常规浇筑混凝土使用时限均大于30年；

(3)糙率小。糙率值在0.015左右，远低于其它渠道防渗型式；

(4)具备高强度，管理维护较简单。较高的强度能有效避免渠道衬砌变形、破坏，同时可以有效避免动植物等其他外力损坏，有效降低管理难度；

(5)适用性广。混凝土具有良好的模塑性能，可以根据设计要求采用现浇或预制的方式制成不同的结构形式和尺寸，同时机械化施工程度高，各种环境条件下均可以应用。

相对于混凝土的优点，混凝土劣势也相对明显：

(1)混凝土防止冻胀变形能力较差，因此，在低温、高寒地区采用混凝土防渗施工时，必须采取相应的防冻措施，技术要求相对较高；

(2)在缺乏混凝土原材料如砂砾石等地区的造价较高。

2.5 末级渠系喷灌、滴灌

2.5.1 喷灌

喷灌是借助水泵和管道系统或利用自然水源的落差，把具有一定压力的水喷到空中，散成小水滴或形成弥雾降落到植物上和地面上的灌溉方式。利用机械和动力设备，使水通过喷头(或喷嘴)射至空中，以雨滴状态降落田间的灌溉方法。喷灌设备由进水管、抽水机、输水管、配水管和喷头(或喷嘴)等部分组成，可以是固定式的、半固定式的或移动式的。喷灌的优点是节省水量、不破坏土壤结构、调节地面气候且不受地形限制；缺点是投资费用大，受风速和气候的影响大，在气候十分干燥时，蒸发损失增大，也会降低效果。

2.5.2 滴灌

滴灌是利用塑料管道将水通过直径约10mm毛细管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。它是目前干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95%。滴灌较喷灌具有更高的节水增产效果，同时可以结合施肥，提高肥效一倍以上。可适用于果树、蔬菜、经济作物以及温室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。滴灌的优点是不破坏土壤结构，蒸发损失小，不产生地面径流，几乎没有深层渗漏，需要的工作压力低，能够较准确地控制灌水量，可减少无效的棵间蒸发，不会造成水的浪费，同时滴灌还能自动化管理；缺点是滴灌毛细管容易堵塞，水源要求高，造价高。

3 管道输水灌溉的优点

管道输水是指以管道代替明渠的一种输水工程措施，它通过一定的压力将灌溉水由分水设施输送到田间。管道输水灌溉系统与混凝土明渠输水灌溉系统相比具有以下优点：

(1)节水效率更高。管道输水由于其封闭的特性，较明渠减少了输水过程中的渗漏与蒸发损失，管道灌溉比土渠灌溉可节水45%左右，比混凝土衬砌渠道节水7%，比石砌防渗渠道节水15%左右[6]；

(2)占用耕地少，利于机械耕作。渠道输水流量大，但渠道占用耕地面积大，而管道输水灌溉系统中管道埋于土中，减少渠道占用耕地的优点尤为突出。在我国土地资源紧缺，人均耕地不足0.1hm2的情况下，管道灌溉具有显著的社会效益和经济效益。另外，农机跨越管道作业也不会造成管道损坏；管道灌溉设备比较简单，用水量便于控制和计量，为农业机械化、水量控制自动化的发展提供了基础条件；

(3)减少冻胀变形。混凝土复合材料防渗渠道和小型混凝土U型渠道具有防渗效果好、造价低等优点，目前在灌区已大面积推广应用，但是其存在冻胀破坏严重、适应地形条件差等问题。管道输水灌溉系统中管道全部或部分埋入土中，能有效提高管底地温，同时管道断面为圆形，可有效释放土体冻胀应力，减少管道冻胀变形；

(4)适时适量灌溉，缩短灌溉周期。管道输水灌溉比土渠输水快、供水及时，可缩短轮灌周期，改善田间灌水条件，有利于适时适量灌溉，从而及时有效地满足作物生长期，特别是作物需水关键期的需水要求。土渠灌溉往往因为轮灌周期长，灌水不及时而影响作物生长，造成减产。管道输水灌溉较好地克服了这一缺点，起到了增产增收的效果。另外，管道代替土渠之后，避免了跑水漏水，也节省了管理用工；

(5)成本低，效益高。试验表明，在机井或提水站供水的情况下，管道灌溉比渠道灌溉约减少能耗30%。由于管道输水灌溉是有压供水，可适应各种地形，使原来土渠难以达到的耕地实现灌溉，从而扩大了灌溉面积。管道灌溉成本也较低。在已有机泵的条件下，采用移动式聚乙烯软管灌溉，投资为75元/hm2～90元/hm2，可使用2a左右，而半固定式管道系统造价为600元/hm2～900元/hm2。由于扩大了灌溉面积，增加了灌水次数且灌水适时，因而，即使是一般干旱年份，也可增产20%左右[6]；

(6)适应性强，便于推广。管道灌溉设备比较简单，技术易于掌握运用，管理较为方便。地面软管可以越沟、爬坡、跨沟和拐弯；硬塑料管埋在地下，可延缓老化年限，防止冻裂；水泥管则便于就地取材。可以说，管道灌溉对于不同的水源、作物、土壤及流量都有较强的适应性。鉴于管道输水灌溉的优点，该项技术在我国已经有了较大的发展。特别是20世纪80年代，随着塑料工业的发展，质量轻、长度大、输水阻力小、施工简便的塑料管道在输水中得到了日益广泛的应用，更加促进了管道输水这项节水工程技术在我国尤其渗漏损失大、干旱缺水地区的发展[7]。

4 都江堰灌区灌溉输水优化方案

都江堰灌区渠系复杂，漏损严重，管理计量困难，制约灌区发展，通过渠道改管道输水，可有效解决以上问题。因此，都江堰灌区拟采用渠道改管道输配水系统的措施来优化输配水。

管道输水灌溉是以地埋管道代替地面明渠进行输水的灌溉系统。系统主要由水源、输水管道、分水闸(阀)及终端田间农(毛)渠或移动灌溉软管组成，分类上仍属于地面灌溉范畴。管道输水系统有开敞式、半封闭式、封闭式3种结构。开敞式系统中依靠调压井(分水井)调整管道压力，可以设计成无压或低压管道，输水能力高于明渠但低于封闭式系统，系统相对比较简单；半封闭式管道输水灌溉系统是指在管道系统内部适当位置设置具有自由水面的分水减压池，在分水减压池内设置浮子阀用以调节灌溉用水和管道来水；封闭式系统中则以水源水头控制管道压力，管道中压力一般较高，输水能力较强，但系统相对比较复杂。

4.1 开敞式管道输水灌溉系统

开敞式管道输水系统是在管道系统内部适当位置设置具有自由水面的调压井或分水井的管道系统形式。在调压井或分水井处常设有闸门或阀门用来调节流量和压力，当管网系统输配水时，如管道进水多于灌溉需水量，剩余水则从调压井或分水井上设置的溢流口、排水管中排走。开敞式管道输水系统管网布置形式一般为低压的树枝状管网。

开敞式管道输水系统由于采用分水井、调压井等设施分割管线，可降低系统最大静压，从而为降低工程造价、采用低压管道创造了条件。对由于采用开敞式分水井、调压井所产生的水流外溢，要考虑排水出路问题，还应通过设置调节设施和采用相应的水管理方式来防止无效放水。我国水资源紧缺，但发展节水灌溉的潜力很大。采用管道输水灌溉可使水的有效利用率提高20%～30%，粮食增产10%～20%[8]。

4.2 半封闭式管道输水灌溉系统

在渠灌区采用半封闭式的管道输水灌溉系统结构，能避免管道输水和配水时发生不必要的水量损失，可以根据田间作物需水要求进行自动取水灌溉并达到节水目的。

渠灌区半封闭式管道输水灌溉系统的一整套工程解决方案，包括水源、拦污栅、闸门、通气孔、管道、量水装置、安全与保护装置、分水减压池、浮子阀、田间给水栓等，其关键设施是浮子阀。渠灌区输水流量大，需要的管道直径也大，其直径多超过500mm。常用的管材为混凝土管、钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管、塑料管等。管道占工程总投资的大部分，经济合理地确定适合工程要求的管道材质和管径，对工程安全运行、节省工程投资和运行管理费用意义重大。

半封闭式管道输水灌溉系统的分水减压池内具有自由水面，则管道进入分水减压池后即可将管内水的压力卸掉，下级管道进口可设于池内以便于向下级管道分水，安装在池内的浮子阀则用于调节田间用水量和管道供水量。半封闭式管道输水灌溉系统具有开敞式的沿管线设置的分水减压井以降低管道工作压力[9]，又具有封闭式的可根据用水需求随时打开的给水栓。

我省目前还没有开展灌区自压管道输水灌溉示范工程。为在渠灌区开展自压管道输水灌溉工程提出可供借鉴的技术模式，中国水利水电科学研究院和山西禹门口黄河提水工程管理局在禹门口灌区进行了管道输水灌溉示范工程建设，并进行了相关的试验观测。示范区控制灌溉面积约667hm2，已建成管道输水灌溉面积约334hm2。示范工程建设有干渠节制闸、分水闸、测流装置、沉沙池、分水调压井、浮子阀分水减压池、倒虹吸、出水口以及排水排沙井等，主干管和分干管分别采用φ1000mm和φ600mm的加筋混凝土管，支管采用PVC管。管道输水系统结构型式采用开敞式和半封闭式。试验工程自2010年建成以来运行良好，设计制造的浮子阀启闭灵活，通过试验，取得了渠灌区进行自压管道输水灌溉从规划、设计、施工到运行管理的一整套工程技术经验。

4.3 封闭式管道输水灌溉系统

封闭式管道输水灌溉系统常用于机泵加压的田间灌溉输水系统。封闭式管道输水对水源的压力要求高，对管材的材质和承压性要求也较高，不适宜长距离、大流量、高水头压力的输水工程。即使是发达国家，如日本也较少将封闭式用于管道自压输水灌溉系统，倒是多采用半封闭式和开敞式的管道输水灌溉系统。因此，不建议采用此方案。

5 结论

综上所述，适宜都江堰灌区的输配水优化方案为：

(1)都江堰灌区宜采用中低压的自压管道输水灌溉系统替换当前的渠道灌溉系统，主干渠改主干管，宜采用开敞式结构；支渠改支管，宜采用半封闭式结构；

(2)以浮子阀为特征的半封闭式管道输水灌溉系统是较好的结构模式，但浮子阀的设计制造急需系列化、标准化、产业化，以满足渠灌区半封闭式管道输水灌溉工程建设之需；

(3)总结渠灌区管灌工程经验，制定渠灌区管道输水灌溉工程技术规范，规定开敞式、半封闭式和封闭式管道输水灌溉系统的应用模式，使渠灌区自压管灌工程建设规范化。