低压管道灌溉在小型农田水利工程中的应用探究

夏忠朋

(聊城市东昌府区水利局，山东 聊城 252000)

1 低压管道灌溉的优势

现代农业的生态可持续发展与农业水利工程的支持密不可分，低压管道灌溉在农业水利工程中的应用具有诸多优势，低压管道的灌溉通常是指在不超过0.3 MPa的低压管道中进行供水和地面灌溉，主要由水源、取水、输配管网、田间灌溉系统构成，相比传统灌溉方法，低压管道灌溉在节水、节地、节约人工、节约时间等方面具有可观的效益，与喷灌和微灌技术相比，低压管道灌溉具有节能、低成本的优点。低压管道主要在地下铺设管道。地下铺设管道不仅能有效防止水的流失，还能有效防止渗水和二次蒸发。如果输水管道灌溉系统处于土层较薄的位置，在地形起伏较大的地区，逐步推广低压管道灌溉，不仅可以节约大量水资源，而且可以定期、定量地对植物进行营养补充，提高产量，取得显著的经济效益。因此，在现代农业中，低压管道灌溉广泛应用。然而，低压管道灌溉也有局限性，单个项目的控制面积较小。

2 在小型农田水利工程中的应用

随着我国对农业建设投入的持续加大，一些地区农田水利灌溉工程规划工作逐步完善，与此同时，农田水利工程在试运营过程中的灾害防御能力也呈现提升趋势。东昌府区的小型农田对于灌溉水资源的利用率降低，无法实现农田灌溉供应与需求的双向平衡；部分地区由于水资源均衡处理问题无法得到有效的解决，造成了田间河道淤泥堵塞严重等。

2.1 基于有效灌溉周期计算低压管道灌溉量

为了提高小型农田水利工程对水源的利用率，需要在相关研究前，在有效灌溉周期内，计算低压管道灌溉量。相比传统的灌溉模式，提出的灌溉模式具有及时性特点，可以结合不同类型农作物，进行灌溉量的及时调整[1-2]。通常情况下，不同农作物对于水源的需求量不同，但一般都会选择最大灌溉量定额作为灌溉制度。以小型农田浇灌中田间保水量95.0%～80.0%为例，进行灌溉定额量的计算[3]，如式(1)：

m=667H(β1-β2)/η

(1)

式中：m为小型农田水利工程灌溉定额量，m3/667 m2；H为预计灌溉后田间浸湿深度，取0.2～1.0，根据农作物类型进行不同取值；β1为农田灌溉量上限；β2表示为农田灌溉量下限；η表示为农田土壤密度，t/m3。将式(1)与小型农田有效灌溉周期进行对接，得到有效周期内管道灌溉量，如式(2)：

TL=m/Ep×Ts

(2)

式中：TL为有效灌溉周期内的低压管道灌溉量，m3/667 m2；Ep为农田灌溉最大需水量，mm；Ts表示为设计灌溉周期，d。按照上述计算公式，完成对灌溉量的计算。

2.2 灌溉管网选材与布局设计

大部分低压灌溉管道埋设在农田地下，因此需要在掌握灌溉量后，对灌溉管网选材进行设计[4]。为了满足灌溉需求，降低灌溉管网异常现象的发生概率，此次设计选择PVC材质的塑料管作为灌溉管道的主要构成材料，此种材料在使用中不仅具有强度高、抗变形等优势，还具有连接能力强等特点，因此，选择此种材料作为管道设计材料是十分可行的。

在完成管道材料的设计后，进行管网布局的设计，在此过程中，需要采用实地考察等方式，获取小型农田地质参数，掌握不同管道在灌溉中的承受压力，并确保敷设的管道可以满足全区域灌溉需求[5]。同时，在每个农田灌溉地区设置一条总干线和若干个分支供水干线(分支供水干线的数量需要结合农田规模设定)，控制每个分支供水干线之间的距离控制在80.0～110.0 m范围内。以此种方式，降低管道敷设与耗材的投入，减少工程在实施中不必要的投入。

灌溉管网的布局直接关系到灌溉面积和灌溉效率。农田形状和土壤坡度将影响灌溉管网的安装。因为灌溉管网一般埋在地下，呈树枝状分布。在确定管网的基本设计时，技术人员必须根据水源的位置、耕地的形状和土壤的坡度选择是否采用双轨水切换模式，并选择相应的给水栓型号。如果施工现场允许，技术人员应尽量选择双向分水方式，既降低了施工成本，又保证了灌溉性能。如果施工所在的农业用地地形变化较大，技术人员可以使用固定式给水栓确保农业区域的稳定性、均匀性和充分灌溉。

2.3 基于管道损失量的灌溉量补偿

考虑到不同分支供水干线对于水量的需求不同，为了避免分支灌溉工程出现供水量不足的问题，需要对不同管道分支进行损失量计算，结合损失量与对应的需求量，进行分支供水的补偿。损失量计算公式(3)如下：

(3)

式中：Q为管道分支损失量，m3；α为种植农作物的类型；A为可控制灌溉面积，m2；Tt为单分支线路的灌溉时间，min。按照上述计算公式，对不同的分支供水干线管道损失量进行计算，得到计算结果后，对于损失量较多的分支干线，可采用增设对向分支灌溉供水管线的方式，对灌溉量进行补偿，确保每个分支干线的灌溉量均可满足农田水利工程作业需求。

2.4 确定灌溉制度和灌水周期

灌溉系统应根据气候、土壤和种子生长时间，及时制定科学的灌溉系统，以增加产量、灌溉总量和灌溉次数。在规划时，灌溉量必须满足作物的长期需要。如果灌溉面积不同，需以农作物所需最大灌水量制定，对于灌水周期，幼苗的灌水时间是根据幼苗需要的水量理论计算的。需要考虑的问题包括缺水和设备故障。如果出现这两种情况，计算的灌溉周期将小于理论条件下的灌溉周期。这些农作物在播种和生长期间需要大量的水。根据该地区的种植面积，有必要确定灌溉方法是否需要轮换灌溉。如果需要轮灌，则使用水泵的低压管道向农田全范围供水。根据提前制定的灌溉计划，必须分组灌溉，每组的灌溉时间必须足够，以使耕地获得足够的水分。

2.5 选择水泵与动力机

水泵和动力机的合理选择是确保低压管道灌溉系统正常运行的关键。在选择水泵时，通常需要根据系统流量和系统扬程的确定进行合理选择。为了确定系统扬程，有必要适当选择参考点，将最难浇水的出水口处所需的龙头作为保守值，并通过参考点出水口中心线与地面之间的高度差、管道水头损失、泵进出水管水头损失、机井动态水位损失等进行合理计算，动力机根据供电情况选用发动机或柴油机；根据水泵的负载能力，科学选择性能型号。

3 低压管道灌溉实例应用效果

为了证明本文设计的低压管道灌溉方法在灌溉工程中应用的有效性，选择东昌府区的小型农田作为试验工程，在与农田产权所属个人签订了对应的试验协议后，开展如下实例应用试验。

此次选择的试验工程为聊城市东昌府区为例，基于场地宏观构成层面分析，农田呈现规则的长方形，对应两边的边长为1532.0 m与680.0 m，农田中有效耕地面积约为90 hm2，区域内种植的农作物以玉米、小麦为主，经济类农产品与蔬菜的种植比例相对较低。早期此地区由于地理位置较为偏远，没有实现管道灌溉技术的普及，大多需要地方泵站采用集中供水的方式，进行农田灌溉，灌溉的水源取自地区流域河水。根据试验工程的水源情况及其所在的地理位置，选择常规的低压管道灌溉方式对其进行田间灌溉设计。在其原有供水设备的基础上，增设一个小型供水管网，此管网对应一条总干线与五条分支供水干线，每个分支供水干线上对接一个低压灌溉管道。结合农田的地理位置，将低压灌溉管道设置为东→西方向，每个支线路之间的距离为85.0 m。在距离总供水干线200.0 m位置处，设置一个排气阀门，确保水源供应的可持续性，在每个分支供水干线的前端设置一个闸阀、水量计量表与镇墩，在对应供水干线的末端设置一个泄水阀门。为了确保田间水源供应的可持续性，应在田间配置移动计量水表，并在每个支线路中布置水栓，水栓之间的距离控制在35.0～65.0 m范围内。按照此种方式，完成对试验工程小型农田灌溉水源的供应。

现已知此试点农田未实行管道灌溉技术前，每日需求水量约为1.08 t。按照上述方式完成对农田的灌溉设计后，对农田每天的供水量与泄水量进行统计(统计水量可直接读取水量计量表数值)。完成水量的统计后，按照[(总供水量-泄水量)/总供水量×100.0%]的计算方式，进行低压管道灌溉模式供水利用率的计算，并将计算得到的结果作为评价本文设计成果可行性的关键指标。按照此种方式，对五条分支供水干线的随机某日的供应水量进行整理，完成整理后将结果整理成表格，如表1所示。

表1 试验工程每日供水量、泄水量与水源利用率统计

综合上述表格中的试验结果可知，五条分支供水干线对于水源的利用率均在97.0%以上，证明本文设计，并且按照[分支线路1供水量+分支线路2供水量+…+分支线路5供水量]的计算方法得出，试验工程每日所需的灌溉水源量为0.86 t，结果<试验工程早期田间水利工程每日需求水量1.08 t，证明低压管道灌溉模式的应用，不仅可以实现田间灌溉对水源利用率的提升，还可以起到一定程度上的节水效果。

4 结 语

考虑到现行的灌溉模式仍存在不足，因此，本文此次研究将以某小型农田为例，开展低压管道灌溉技术在灌溉工程中应用的研究，低压管道灌溉系统作为一种节水、节能、高效的灌溉系统，在现代农业产业化发展过程中，广泛应用于农业地区的小型节水工程中，在完成设计后，选择某地区的小型农田作为试验工程，通过实例应用的方式，证明低压管道灌溉模式的应用，不仅可以实现田间灌溉对水源利用率的提升，还可以起到一定程度上的节水效果。