岳阳县小型农田水利项目管灌工程的设计与研究

周利娅，彭杰帅，袁 信，邓仁贵

（湖南南方水利水电勘测设计院有限公司，湖南 长沙 410007）

引 言

中国水资源量占世界的6%，但是支撑世界人口的21%。我国水资源的供水总量为5 500 亿m3，80%是地上水，20%是地下水。用水结构：生活用水11%，工业用水量21%，农业用水68%，农业用水总量占比大。为响应习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，加大节水力度，减少单位面积灌溉用水量，提高灌溉水利用系数，以国家政策为导向，推广低压管道灌溉等高效节水工程，加强高标准农田建设。近年来，各地各有关部门认真贯彻党中央、国务院决策部署，大力推进高标准农田建设，取得了明显成效。

灌溉技术目前在国内呈现出专业化和多元化的趋势，并且相关的技术也随着应用推广更加成熟。低压输水管道技术的逐渐成熟使得节水灌溉的范围不断扩大，并且解决耕地与水源的长距离问题，减少输水损失，提高了水资源利用率。构建一个完善的节水自动灌溉系统，实现定量灌溉、定时灌溉、按需灌溉是农业发展的趋势。本文以岳阳县2017 年度小型农田水利项目为例，开展管灌工程的设计与研究。

1 工程概况

1.1 项目区基本情况

岳阳县2017 年度小型农田水利项目共涉及岳阳县长湖乡湖头村和自强村、杨林乡沙陂村、荣家湾镇北湖村以及筻口镇潼溪村5 个村5 个片区。其中，长湖乡湖头村片采用机埠取水，取水口高程为41.5 m，控制灌溉面积约200 亩，项目区地势平坦，高程在45.24～46.52 m 之间，区内全部种植优质稻；自强村片采用机埠取水，取水口高程为41.75 m，控制灌溉面积约200亩，项目区地势平坦，高程在45.65～48.33 m 之间，区内全部种植优质稻；沙陂村片采用范溪山塘作水源，干管进水口高程为60.00 m，控制灌溉面积约400 亩，项目区西高东底，可利用天然坡度优势，高程在45.0～60.0 m 之间，区内全部种植优质稻；荣家湾镇北湖村片采用机埠取水，取水口高程为27.50 m，控制灌溉面积约300 亩，项目区地势平坦，高程在26.12～28.10 m 之间，区内全部种植优质稻；筻口镇潼溪村片采用机埠取水，取水口高程为38.20 m，控制灌溉面积约900 亩，项目区地势平坦，高程在36.25～38.25 m 之间，区内全部种植优质稻。高效节水灌溉采用管灌方式，土壤类型为粘壤土。

1.2 工程总体布置

本项目建设坚持相对集中连片，形成规模和“建成一片，见效一片”，以工程配套和管护机制改革为手段，以整体推进为原则，合理安排工程建设内容。项目在布局上充分利用地势高低实现自流灌溉，地势较为平坦区则使用机埠取水。本次设计低压管道灌溉项目区位于长湖乡湖头村和自强村、杨林乡沙陂村、荣家湾镇北湖村以及筻口镇潼溪村共5 个村5 个片区，总灌溉面积约为2 000 亩。以水库为水源或机埠取水，采用自流方式，从水库低涵埋管或机埠引水至项目区供水。其中，长湖乡湖头村片设1 根干管，2 根分干管，16 根支管；自强村片设1 根干管，2 根分干管，22 根支管；杨林乡沙陂村片设2 根主干管（主干管01、主干管02），26根支管（主干管01 下设11 根支管、主干管02 下设15根支管）；荣家湾镇北湖村片设1 根主干管，1 根分干管，12 根支管；筻口镇潼溪村片设2 根干管，16 根支管。干管或分干管上每隔100 m 设置支管，支管布置在干管/分干管两侧或单侧，每条支管上布置若干个取水口，取水口间距40 mm。竖管及放水口竖管采用PVCU 塑料管，高出地面30 cm。项目区按标准田块30 m 宽（包括田埂）布置，每2 个田块设1 个出水口，出水口间距60 m，单侧灌水。出水口采用分体式给水栓，给水栓下设消力井，以防止出水口出水水流对田块的冲刷。

2 低压管道输水灌溉工程设计

2.1 灌溉制度

灌区全部种植水稻，一年两熟，参考邻近地区常规地面灌溉节水技术的有关资料，结合当地自然条件和灌溉设施状况及供水保障条件，灌区灌水定额取65 m3/s。灌水延续时间与作物种类、灌区面积大小及农业生产劳动计划等因素有关，根据灌区实际情况，取灌水延续时间7 d，系统每天工作时间24 h。

2.2 轮灌制度的确定

根据管网布置形式和水稻田管灌运行管理经验，同时考虑管理方便和可能出现的集中供水，考虑到各片区大部分以主干向各支渠供水，采用的灌溉制度为干支管续灌。分片计算每个轮灌组灌水持续时间7 d，每天灌水时间24 h。

2.3 设计灌水流量的计算

1）灌溉系统设计流量

Q0=mA（/ηTt）

式中 Q——设计灌水流量（m3/h）；

η——灌溉水利用系数（0.90）；

A——灌溉面积（亩）；

T——设计灌水周期（7d）；

m——作物的灌溉定额（m3/亩），取m=65m3/亩；

t——天灌溉时间（24h）。

经计算得：

Q0=65×200/（0.9×7×24）=85.98 m3/h（长湖乡湖头村片、长湖乡自强村片）；

Q0=65×400/（0.9×7×24）=171.96 m3/h（杨林乡沙陂村片）；

Q0=65×300/（0.9×7×24）=128.97 m3/h（荣家湾镇北湖村片）；

Q0=65×900/（0.9×7×24）=386.90 m3/h（筻口镇潼溪村片）；

2）管网各级管道的设计流量

Q=nQ0/N

式中 Q——某级管道的设计灌水流量（m3/h）；

n——该管道控制范围内同时开启的出水口个数；

N——全系统同时开启的出水口个数。

5 个片区最多有26 条支管，各条支管最大长度为1 050 m，各支渠控制的出水口个数为1～18 个。经计算得，支管流量为1.53～45.52 m3/h，支管最大流量为：45.52 m3/h。

2.4 管材与管径的选择

根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T 20203-2006）中管径选用方法，各段管道直径按经济流速计算公式为：

D=18.8×（Q/V）1/2

式中 D——管道直径（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

V——流速（m/s），PVC-U 塑料管取1.1 m/s。

设计管材选用管灌设备常配套的PVC-U 管、PVC管、PE 管做管材材质方案比较，使管材进一步优化。PVC-U 管优点：PVC-U 管材料的比重只有铸铁的1/10，运输、安装简易，成本低；抗化学性优越；安装简易，成本低廉；耐用，阻力小，流速高。PVC 管优点：PVC 管应用了生料，减少了油耗；PVC 管制造对能量消耗很低，能回收转化利用。PE 管优点：PE 管具有很好的柔韧性，适宜制作成软管，并且PE 管具有可熔接性及可回收利用，使其铺设时更加安全可靠和方便经济。综上所述，经三种管材的优缺点比较，考虑造价的经济性，结合目前市场PVC-U 管和PVC 管价格基本持平；综合确定本次设计管材材质均采用PVC-U。

管道实际采用的管径经计算管径和标准管径对比后，根据压力校核结果和施工方便与否确定。经计算，支管选用直径为200/110/90/50 mm 的PVC-U 塑料管，干管和分干管选用直径为250/200 mm 的PVC-U 管。计算成果见表1。

表1 管网干管的设计流量计算成果表

2.5 孔口计算

孔口出流公式：

q=μA（2gH）0.5

式中 q——孔口出流量（m3/h）；

μ——流量系数，取0.7；

A——孔口断面面积；

H——孔口工作水头。

孔口由支管经竖管引向田面，给水栓高出田面0.3 m，管道埋深0.6 m，竖管采用Φ50 mmPVC-U 塑料管。出口工作水头0.2 m，选用给水栓直径为50 mm。

2.6 取水管道设计

设计从山塘放水低涵埋管取水或机埠取水，取水管采用闸阀进行控制，各设置1 座闸阀井对取水闸阀及管道进行保护。

根据取水头部运行要求，设置的控制设施有：DN250/200 闸阀；量测设施有：DN250/200 智能水表、0～1.0 MPa 压力表；安全保护设施有：DN250/200 放空阀、排气阀。另外在给水栓处设消力井，以防止出水口出水水流对田块的冲刷。

2.7 管路损失水力计算

沿程水力损失由计算公式：

hf=0.948×105L Q1.774/d4.774

式中 d——管道直径（mm）；

Q——管道流量（m3/h）；

L——管道长度（m）；

hf——沿程水头损失（m）。

逐段确定沿程水头损失，局部水力损失按沿程水头损失的10%计算，末端所需压力为出水口工作水头及水头损失和竖管高度之和。末端出水口工作水头为1.5 m。

由于计算表格较长，仅列出湖头村片数据，计算结果见表2。

表2 管路损失水力计算成果表

根据管网计算结果，长湖乡湖头村片支管16 末端所处的位置相对较远，为最不利供水节点，该支管末端地面高程为45.24 m，末端总水头损失11.068 m，末端出水口工作水头为1.5 m，45.24+11.068+1.5=57.808 m，取水管高程41.5 m 不满足要求，需加压。

长湖乡自强村片支管22 末端所处的位置相对较远，为最不利供水节点，该支管末端地面高程为47.05 m，末端总水头损失0.765 m，末端出水口工作水头为1.5 m，47.05+0.765+1.5=49.315 m，取水管高程41.75 m不满足要求，需加压。

杨林乡沙陂村片支管26 末端所处的位置相对较远，为最不利供水节点，该支管末端地面高程为47.50 m，末端总水头损失8.481 m，末端出水口工作水头为1.5 m，47.50+8.481+1.5=57.481 m，取水管高程60.00 m满足要求。

荣家湾镇北湖村支管12 末端所处的位置相对较远，为最不利供水节点，该支管末端地面高程为28.10 m，末端总水头损失9.721 m，末端出水口工作水头为1.5 m，28.10+9.721+1.5=39.321 m，取水管高程27.50 m不满足要求，需加压。

筻口镇潼溪村支管A-6 末端所处的位置相对较远，为最不利供水节点，该支管末端地面高程为37.90 m，末端总水头损失10.768 m，末端出水口工作水头为1.5 m，37.90+10.768+1.5=50.168 m，取水管高程38.20 m 不满足要求，需加压。

3 项目效益

本项目实施后，项目区灌溉水利用系数将由原来的0.49 提高到0.70 左右，每年将节约用水约222.28万m3。新增节水能力可用来恢复和改善项目区内灌溉面积，确保农田旱涝保收，增大粮食稳产增产系数。项目实施后，农民实际负担的水费降低，间接增加农民收入；利于管理机构按用水量征收水费，建立良好的灌水秩序，减少水事纠纷等。同时，项目的实施有利于水土保持和节约用水，改善自然环境和水环境，改善农村人畜饮水状况，改良土壤，促进中低产农田改造，促进节能减排，具有广泛的生态环境效益。