低压输水技术在多水源农田灌区节水改造中的应用

吴占学

(金塔县鸳鸯灌区水利水保所，甘肃 金塔 735300)

当前，甘肃省农业灌溉用水矛盾日益突出，主要表现为：斗口计量精度低，水费负担不均，矛盾纠纷多，灌溉管理和服务水平低下，制约了农村经济的发展；灌区输水渠道过长，用水量大，供水困难，管理手段落后，管理人员不足等。在经济社会转型加速的背景下，如何推进灌区现代化，采取合理节水措施，缓解水资源供需矛盾，实现传统灌溉向高效节水灌溉的跨越，是改善生态环境、保证农业可持续发展急需解决的问题。

低压输水技术主要通过管道进行输水，在实际使用时，主要将压力水源通过管道输送到沟渠与田埂。与传统渠道灌水相比，低压输水技术具有出口流量大、压力低、节水节地、输水效率高、使用寿命长等优点，并且使用的塑料管材具有重量轻、长度大、耐水、结构简单等优点。低压输水技术应用于多源农田灌区节水改造，可以解决目前存在的问题。

1 项目区概况

金塔县鸳鸯灌区位于甘肃省河西走廊北部，酒泉市东北部，巴丹吉林沙漠西南部，黑河以西，紫来河下游。该灌区包括5个镇、2个乡、2个国营农林站，总人口1245万，其中耕地880km2，有效灌溉面积为90.67万亩左右。该灌区是河西重要的商品粮基地，也是全省大型的灌区之一。

金塔县鸳鸯灌区目前仍采用传统的灌溉管理和服务方式，人工配水，准确度和透明度不高，人工监测检测，管理效率低，监测模式落后，无法满足当前灌溉的需要。在无通信设施的情况下，采用低压输水技术对灌区进行节水改造。

2 低压输水灌溉工程建设内容

低压输水技术在应用时，主要利用地形的高低差形成的压头，通过压力将水输送到田间。其优点是能够充分利用地形地势，降低电能的损耗[1]，在一定程度上，降低了资金的投入。

低电压管路灌溉系统工程包括取水工程、管头工程、管路工程、田间灌溉工程[2]、管路结构(压力调节井，排气阀等)。

3 多水源农田灌区节水改造

3.1 工程总体布置

管道系统采用开放式和半封闭两种方式进行灌溉。供水时，管道系统不能完全封闭[3-5]。在管网中的适当位置安装有导流调压井和浮球阀，以控制闸门(阀)的开启和关闭。管线布置与地形地貌紧密结合，管线最大限度地平滑，力求管线长度整体最小，减少投资。通过对首端进口闸的流量调节，使低压输水水流处于非恒定流状态。分段低压输水系统平面概化见图1。

图1 分段低压输水系统平面概化

支管间距一般在250～350m之间，出水口间距一般在100～150m之间。在各支管端(最低处)，根据实际地形条件，设置排沙设施，在附近自然低洼区的自流排水管中，设置排水阀和排沙孔，将水直接排到低洼区。采用晶闸管地面灌溉、改良沟槽灌溉[6-10]、小管流灌溉等方式进行灌溉。

3.2 取水工程

引水工程的主要目标是在鸳鸯灌区西干渠上修建引水闸门，在西干渠上副干渠42km处设有控制、引导闸门。节制阀采用敞口式，引水闸门采用胸墙涵式，为C20现浇混凝土结构。

3.3 渠首工程

引流渠用于干渠控制闸门与沉沙池之间的水力连接，采用长10m、宽1.0m、深1.0m的长方形截面，为C20现浇混凝土结构。开槽采用C20混凝土现浇开放式单槽结构，总容积150m3，槽体与引流槽间由2.8m长的渐变段连接，槽口右侧为集水坑，槽口两侧为沉沙池。为防止杂物进入管道，在入口处设置了一道拦污栅。池底设计为倒坡结构，考虑主管内流动情况，充分发挥沉沙池的作用，以达到较好的沉沙效果。

3.4 管道部分

3.4.1 灌水定额与管网设计流量的确定

确定灌水量，主要以农作物最大需水量作为灌溉的定额，同时在分析中，需要针对不同农作物进行不同需水量的设计。灌水定额依据下述公式计算：

m=66.7γH(β1-β2)p

(1)

式中m——灌水定额，m3/亩；

H——待灌溉区域农作物蓄水深度，m；

β1——灌溉区域土壤最大含水量，取田间含水量的95%；

β2——土壤含水量的最低值，取田间持水量的65%；

p——待灌溉区域的持水量，取25%。

在此基础上，计算灌溉系统设计流量，其表达式为

Q0=amA/(ηTt)

(2)

式中Q0——系统设计流量，m3/h；

a——作物的种植比例；

m——设计灌溉定额；

A——需要灌溉的面积；

η——灌溉水有效利用系数；

T——设计管水时间；

t——系统每天的工作时间。

3.4.2 管材与管径选择

在此基础上，选择管径，主要依据低压输水技术规范进行选择，以保证经济地输水[11]。表达式为

D=18.8(Q/v)0.5

(3)

式中D——管道的直径，mm；

v——管道水流流速，此次研究取值为1.15m/s；

Q——管道设计流量计算参数。

3.4.3 管道水力计算

在实际输水过程中，会存在管道沿程水头损失情况，管道沿程水头损失[12-15]按下式计算：

hf=fQmL/Db

(4)

式中hf——沿程水头损失；

L——管长；

Q——管道的体积流量；

f——管道在输水过程中沿程阻力系数；

D——管内径；

b——管径指数；

m——流量指数。

上述计算中涉及到的参数f、b、m主要参考表1得出。

表1 f、b、m取值

对于支管，采用运输、安装方便，造价低廉的 PVC普通塑料管道，按上面所述的公式计算水头损失。通过计算得出，支管的直径分别为315mm和250mm，每段6m。

同时，在输水过程中水流会受到一定的扰动，使流态在一定时间内发生交替改变，最终达到平衡，为了便于进行数值模拟分析，采用下式进行计算：

(5)

式中Hj——下一时刻水流水位；

ξ——淹没系数；

g——流量系数；

v——局部磨损系数。

基于上述计算，能够满足项目的需求量，以此完成低压输水技术对多水源农田灌区节水的改造。

4 改造效果分析

为了验证多水源农田灌区应用低压输水技术后的改造效果，进行改造效果分析，将改造前的灌溉效果与改造后的灌溉效果进行对比。

实验分析中以某灌溉区域为例，以灌溉区的10个灌溉地点为实验对象。

4.1 输水时间对比

分别对比改造前、改造后此地区的输水时间，对比结果见图2。

图2 输水时间对比

由图2可知，应用低压输水技术后，灌溉区的输水时间明显少于改造前。原因是，应用低压输水技术后，能通过各个分支渠道进行输水，减少了输水时间。

4.2 节水量对比分析

多水源农田灌区改造后，与改造前的节水量对比结果见图3。

图3 节水量对比分析

由图3可知，在多水源农田灌区应用低压输水技术后，节水量大大提高，较改造前节水效果好。因为在应用低压输水技术后，能够在很大程度上减少水的蒸发损失和渗漏损失，大大减少了水的损失，提高了节水效果。

4.3 灌溉水利用率对比

灌溉水利用率计算公式如下：

(6)

式中w净——灌溉区净灌溉用水总量；

w毛——灌溉区用水总量。

灌溉水利用率对比结果见图4。

图4 灌溉水利用率对比

由图4可知，应用低压输水技术后，灌溉水利用率明显提高，较改造前灌溉水利用率高。

4.4 灌溉面积达到率对比

灌溉面积达到率计算公式如下：

(7)

式中L——灌区实际达到的灌溉面积；

O——改造设计的灌溉面积。

由图5可知，应用低压输水技术后，灌溉面积达到率明显大于没有应用低压输水技术的灌溉面积达到率。

图5 灌溉面积达到率对比

4.5 间接效益对比

该实验地区内原有渠道建于山体附近，封堵严重，滑坡严重、杂草丛生，需经常进行清理加固，日常运行维护管理困难，成本高。根据调查，原渠道每年维修费用约8万元，因此，将间接效益作为比较转化效果的一个指标，进行比较，结果见图6。

图6 间接效益对比

由图6可知，应用低压输水技术的效益明显高于改造前。原因是低压供水技术应用后，管道埋设于地下，不需大修，仍可正常运行，减少了维修费用，提高了间接效益。

5 结 语

将低压输水技术应用到多水源农田灌区节水改造中，实验证明，能够避免因水资源分配不均而造成的浪费，降低了农业用水成本，减少了管理人员，提高了总体经济效益。由此可见，低压管道灌溉技术实用先进，能够适用于农田灌区节水改造。此次研究仅针对特定的项目进行，由于各地地形条件与种植作物不同，在实际使用低压输水技术时还需要结合具体情况具体分析，以最大程度提高输水效果。