低压管道输水系统布置合理性问题研究——以江苏省盱眙县清水坝灌区为例

单陆丹，陈洁茹，陈 婷

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，223005，淮安）

一、工程背景

我国水资源区域分布不均匀，农业用水占用水量60%以上，大水漫灌现象明显，不仅造成水资源浪费，粮食产量也受到严重影响。“十三五”期间，我国持续加大对节水工程的投入，全国新增高效节水灌溉面积1亿亩（1 亩=1/15 hm2，下同）。 低压管道输水灌溉(以下简称“低压管灌”)作为一种有效的高效节水灌溉技术，与微灌、喷灌相比，其基础建设投资小、系统流量大、扬程低、运行能耗低、输水管道口径大、管理相对方便，尤其适用于大田作物，是苏北地区农业节水灌溉的有效途径，近年得到较大面积的推广和应用。

苏北地区低压管灌工程多以较大面积的大田作物为主，其灌溉用水时间集中，用水量大。随着社会的发展，群众对灌溉量及灌溉时间的要求日益提高，导致管灌系统各级管道的管径增加，系统投资随之上涨。综合近年项目工程特点，低压管灌主要采用河网提水灌溉，河网提水灌区低压管灌系统的泵站大多位于沟、河的一侧，灌区的管灌系统布置形式比较单一，合理布置管道系统显得尤为重要。本文针对江苏省盱眙县清水坝灌区2018年续建配套与节水改造工程中街北低压管灌片管网设计要点、管线布置方案进行探讨和分析。

二、工程概况

清水坝灌区2018年度工程中街北低压管灌片位于江苏省盱眙县穆店乡境内，片区内以水稻种植为主，采用低压管道灌溉形式。片区南北长700 m，东西宽600 m，总面积580亩，地势平坦，采用东南侧国庆干渠为水源，于项目片中心位置新建泵站提水灌溉，见图1。

图1 项目区平面概况图

三、工程布置

1.管网布置方案

提水灌区低压管灌系统的泵站大多位于水源一侧，因此管网系统主要分为梳齿式和鱼骨式两种。设计单干管、双干管2种布置方案，见图2。

（1）单干管方案

片区布置1根主干管贯穿南北，垂直于干管布置支管14根，支管2-5控制的田块另设3根斗管。

（2）双干管方案

将街北片区划分为两个区域（东片295亩，西片285亩），新建泵站采用两台水泵取国庆干渠水灌溉。东片布置1根主干管贯穿南北，垂直于干管布置支管9根；西片布置1根主干管，5根支管，3根斗管。

2.主要技术参数

灌溉设计保证率：根据该地区自然经济条件及《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—99），结合清水坝灌区灌溉设计保证率，取值85%。

灌溉水利用系数：因田间工程配套齐全、灌水方法合理、灌水定额适当，取管道水利用系数为0.95。

灌水定额：根据当地试验资料，灌溉区域全部种植水稻，泡田期水稻田灌水定额取100 m3/亩。

灌溉制度：根据灌区面积大小、多年形成的灌水习惯及农业生产劳动计划等因素，分别拟定两种方案的灌溉制度。单干管方案采用干管续灌、支管轮灌的方式，灌水延续时间采用4天；双干管方案采用干、支管续灌的方式，灌水延续时间采用3天，系统每天工作时间为20～22 h。

四、系统设计

1.设计流量

根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天的工作时间可计算灌溉设计流量。设计流量直接影响下级支管、斗管以及出水口流量变化。本次设计中采用支管流量计算，结合既选给水栓出厂流量值范围，推算各级管道流量，最终得出系统设计流量。采用公式：

式中：m为设计灌水定额，mm；A为支管控制面积，m2；T为每个轮灌组灌水时间，d；t为每天灌水时间，h；η 为灌溉水利用系数，取0.95。

2.管材及管径选择

从管材性能、施工、安装、运行可靠度以及本地高效节水项目管材使用经验等方面综合比较，管道选用聚乙烯管材（PE）。

各管段的管径计算采用经济流速法确定，公式为：

式中：D为管段内径，m；q为管段流量，m3/s；v为经济流速，m/s（硬质塑料管1.0～1.5 m3/s）。

3.出水口设计

孔口出流公式：

式中：q为孔口出流流量，m3/s；μ为流量系数，取0.7；A为孔口断面面积，m2；H为孔口工作水头，m。

给水装置是连接三通、立管、给水栓（出水口）的统称，一般情况是指给水栓。给水栓按照结构形式可分移动式、半固定式和固定式三大类型。根据项目区内种植作物及使用要求，每一个出水口必须安装一套给水装置，因此本设计中宜采用固定式给水栓。

4.管道水力计算

根据选用的管材和管径，计算管段沿程水头损失和局部水头损失。

管道沿程水头损失按下式计算：

式中：Hf为沿程水头损失，m；f为管材摩阻系数；Q为管道的设计流量，m3/h；L为管长，m；D为管内径，mm；m为流量指数；b为管径指数。

管道局部水头损失可按管道沿程损失的一定比例简化计算，一般为沿程水头损失的10%～15%。

末端出水口压力为出水口工作水头及水头损失和竖管高度之和。

管网入口设计压力考虑系统最大工作水头，管道系统最大工作水头按下式计算：

式中：Hmax为管道系统最大工作水头，m；∑hf，2为管道系统进口至参考点给水栓的管路沿程水头损失及地面高差，m； ∑hj，2为管道系统进口至参考点给水栓的管路局部水头损失，m；h0为给水栓工作水头，m。

图2 单干管和双干管方案布置图

5.校核验算

（1）允许设计流速

允许设计流速应根据管线、管材、管径、管网结构及管道投资运行成本等因素综合考虑确定。根据本工程的情况，允许设计流速应满足的条件为：在设计流量下，管内最小流速不低于0.3 m/s；设计流速不大于2.0 m/s，结合管材经济流速校核。

表1 管灌系统设计成果及投资对比

（2）给水装置流量

设计按照等距等流量多孔出流进行简化计算，实际运行中由于配水管首端的工作压力较大，因此实际出水流量大于出水口设计流量，配水管尾部放水口出水流量偏小。为保证系统灌溉的均匀性，应使同时工作的各给水装置流量满足下式要求：

式中：Qmin为同时工作的各给水装置中的最小流量，m3/h；Qmax为同时工作的各给水装置中的最大流量，m3/h。

五、方案比较

1.设计成果

对单干管和双干管两种布置方案，分别对管道系统及水源泵站进行设计选型，并编制预算，成果汇总如表1。

2.综合分析

根据表1中成果对比情况，结合设计参数选取以及当地使用习惯等因素，对如下3个方面进行分析。

（1）灌溉制度

随着当地农业条件的发展，管灌设计灌水周期从前几年的5～7天逐渐缩短为3～4天，灌区面积较小的情况下灌水周期降为2天左右。案例灌区总面积580亩，单干管方案采用干管续灌、支管轮灌方式，灌水延续时间采用4天；双干管方案采用续灌方式，灌水延续时间为3天。单干管方案中单元面积灌溉时间较短，更能满足人民群众对高效率灌溉的需求。

（2）工程投资

管道系统部分，双干管方案的投资比单干管方案高27.82万元。单干管方案的管道系统铺设总长度是4 480 m，双干管方案则为4 815 m。虽然单干管方案的支管及斗管管径总体大于双干管方案，但是双干管方案在使用同等级别干管的前提下管长多了近1倍。根据各大厂家的材料价格显示，规格大于DN355的PE管道单价随管长增加而大幅度上升，因此双干管方案投资较大。

水源泵站部分，双干管方案的投资比单干管方案高35.29万元。双干管方案采用两台水泵对划分的灌区独立灌水，势必增加土建等方面的投入。

（3）运行管理

单干管方案采用支管轮灌的方式，系统运行中需安排专门的放水员按照工作制度调节供水。工程建设过程中，需要对相关工作人员进行适当培训及管理，在保证灌溉系统安全运行的前提下及时满足灌区群众用水需求。本案例灌区涉及两个村组集体，双干管方案采用两套系统对两个村组的灌溉区域进行独立灌溉，互不影响，不会因为执行轮灌制度、缴纳电费、机电维修等在工程运行管理方面出现矛盾和纠纷。同时，鉴于以往的工程实践，双干管方案更能满足本案例灌区的实际情况，充分发挥效益。

六、结 语

在设计实践中，常规的设计思路已经慢慢随着用水者的需求发生着调整。譬如要求缩短灌水周期，不认同轮灌组设置，要求增大给水栓规格等，这些针对性的需求在设计成果上最直观的体现就是亩均投资越来越大。案例中两个方案的亩均投资分别是2 669元/亩和3 757元/亩，大大超出了传统低压管灌系统设计的投资。在满足使用的前提下，如何更加合理地进行设计计算，需要继续探索。

苏北地区低压管道灌溉系统主要用于水稻田，具备针对性明确、用水量大、涉及群众广等特点。得到用水者的认可是管理的第一步，这就需要管理主体对这种高效的输水措施进行必要的宣传。低压管道输水灌溉工程同其他水利工程一样，必须正确处理好建、管、用三者关系，在保证系统建设质量的前提下，要管好、用好，才能充分发挥农业增产效益。