引黄灌溉中管道输水技术的研究与推广

引黄灌溉中管道输水技术的研究与推广

王栋、张珂

摘要：

山东聊城位山灌区是保证聊城农业增产丰收的重要基础设施，而管道输水技术在该灌区已经取得了较为成功的经验。本文就以山东聊城位山灌区某支渠为例，谈谈引黄灌溉中低压管道输水技术的应用。

关键词：引黄灌溉；管道输水；位山灌区

一、管道输水技术研究

（一）工程设计

1、水源

要用管道输水灌溉技术对于水源的压力有一定的要求，只有水源满足了管网体系水头的损失才能保证水流的正常。通常为了降低工程成本，可以利用输水管道中的自然压力，这种方法不仅降低成本，而且操作简单，维护方便。

2、泥沙处理

黄河水的含沙量非常大，泥沙淤积是引黄管灌技术的难点。现阶段国内外的经验都尚有不足，因此我们可以经过理论分析并与相关的泥沙试验成果相结合，求取出相关参数：黄河水中有6.1%的泥沙粒径在0.1mm以上，如果泵站前池的流量速度不大，多数可以沉淀下来；按照水力学计算结果，泥沙的料径在0.5到1.0mm之间，临界流速则要达到0.69到1.2m/s；参照相关的泥沙试验成果：平均粒径为0.6mm，最大粒径不大于4mm，设计的管进直径为450mm，流速为2.60m/s，淤积小于管径的十分之一；如果泥沙的平均粒径为0.5mm，最大粒径不超过3.0mm，可以采用直径200mm的管道输送，临界流速为1.47m/s。由上述资料可以看出，泥沙淤积处理的关键技术是管道流速的设定。设定好合理的管道流速后，在管道内进行冲刷，就能将管道内因轮灌产生的死水以及淤积的泥沙冲走。此外，在春灌和冬灌时，黄河水的含沙量就会相对较小，此时也可以发挥其冲洗的作用。

（二）系统流量设计

管灌的系统流量可以采用以下公式表示：

Qo=amA/ηTt

其中：Qo表示管道灌溉系统的理论流量，单位：m3/h

a 表示作物的种植比例，按照相关标准，取值0.8

m 表示灌溉的定额，单位：m3/hm2

　　　　 A 表示灌溉面积，单位：hm2

η灌溉的水利系数，取值0.8

Tt表示一次灌水的延续时间。

（三）布置管网

管灌系统管网的布置原则为：为防止泥少的淤积，在可以满足灌溉要求的前提下管网的分级通常越简单越好，以方便排沙。先布置首部的枢纽，管灌系统从三泵压力管直接取水，输入系统的干管，再进入系统的管网；干管通常由分水干管与输水干管采用“丁”字型分布，首部的水源通过输水干管输入分水干管，然后再由分水干管进行双向的分流，将水源分配至各支管；支管可以采用沿等高线平行分布的形式，间隔50米布置一条；最后将给水栓直接布置在各支管上即可，间隔也是相应的50米。

（四）管网的水力学计算

按照上述的管网分布，该管灌系统由主管道取水，取水口假定高程21.9m，假定压力水头为29.2m，假定管网的取水中与计算点的地形差为-4.5m，则系统可利用水头为33.7 m。计算管网水力学的目的是为了验证管灌系统的可利用水头是否可以满足设计需求，以及选择更为经济、合理的管道直径。按照沿程摩阻损失计算公式：

hf=f（Qm/Dm）L

以及管道的经济管径计算公式：

D=(4Q/πV)1/2

经过反复计算、比较确定出管道的流速、水头损失以及管道的直径。此外，还要在首部的最高点设置一个进排气阀，从而防止管道产生负压。在管网运行的过程中，因为首部井口的水头是恒定的，取水变化不会直接影响到它，也就是说泵站压力管道是管网系统中最佳的保护设备，无须另设装置。要在首部的最低处设计一个放水阀，以防冬季寒冷冻胀破坏设备。

（五）设计给水栓

一般给水栓选用直接为110mm的专用给水栓，可以将“小白龙”（移动软管）直接与其连接，把水输入田间进行灌溉；为了防止上拔竖管在冬季被冻胀损坏，要将竖管外套在预制砼管中，间隙要填充砂粒保温；给水栓的立管和支管利用三通连接，并设置砼镇墩。

（六）管网施工

为了保证管灌系统的施工质量，要求施工单位要富有经验，且严格按照施工的标准程序以及质量要求施工，工程监理要全程现场监控。选择管材原料时，要采用公开招标的方法进行选择，而且要对不同厂家的各种管材做打压测试，以保证管材原料的质量。在安装首部枢纽时，首部从三泵站的第二台镇墩三条支管接出，各个支管均需安装一个直径600的蝶阀，并联后一起并入一条输水主管，主管的首部在露出地面，其中一部分要使为直径600的厚壁焊管，并在首端设置直径600的伸缩节，末端的变径口为450*600的，并与塑料管相连接，逆料管直径为450，在首部的顶端设置进排气阀，水源入口处的主压力管道内要设置拦污栅栏。管灌系统的主干管以及分支管均要采用PVC材质的管道，采用扩口承插连接，止水选用橡胶圈，并且为了防止天气寒冷被冻坏，要埋至地下至少1.2m。分水干管和支管要能保证大于1/2000顺坡，坡度的实际大小要与实际地形的坡度大小相匹配，末端留排水阀，以便结束灌溉后排除管道的泥沙以及存水。各个支管的排水蝶阀以及进水阀处要安装一个直径为1.2m的检查井，配备活动井盖，以便于闸阀的开关控制。

（七）日常维护

通常管灌技术的管理原则为以村为单位，安排专人负责，有计划用水并采用顺序轮灌，要制定出一套严格的操作规程，并落实执行。以在各引灌区以材为单位，建立起村级的管灌系统维护小组，可以采用两种服务方法，一是从机泵到灌溉区统一管理，专门负责给农户进行灌溉；另外一种村管户用，管理服务小组负责对泵机、管道等设备进行日常管理，用水计划统一安排，安排轮灌的顺序以及控制出水口闸阀，而农户则负责劳动灌溉，农户要定期按时缴水费。要在各灌溉区制定出各个供水渠道的输水计划，再以村为单位制定出各村的用水计划，接着仍以村为单位制定出每个管道的配水计划，每级管道实行分片供水，供水的顺序及时间都要具体的规定出来，农户再按计划的时间灌溉。此外，因为管灌系统的运行相对比较复杂，在管理及运行时，要符合水流的运动规律，不然容易导致事故的发生，甚至有可能导致管道破裂。

二、技术总结

由于黄河水的含沙量较高，而国内目前还没有成熟的经验可供借鉴，因此在设计管道时，可以分析水源泥沙的淤积特点，并参考国内外的相关泥沙试验成果，设计管道时，保证管内的水源流动速度要大于泥沙的不淤流速度，以避免泥沙淤积。在主管道上直接取水，可以利用自然压力水头向管灌系统供水，即节约建设专用泵站的费用，也减少了管灌工程的运行成本，并且对压力主管理剩余压力加以合理利用，可以实现恒压供水，对于管网工程的运行安全非常有帮助。

三、效益分析

位山灌区对于缓解聊城的旱情起到了至关重要的作用，其经济效益以及社会效益主要表现在以下几个方面：第一，增产。管道输水缩短了农田的灌水周期，已经可以基本实现适量、适时的灌溉，这种灌溉方法对比传统的水沟灌溉可以使粮食作物的产量提高近三成，同类耕地渠灌亩产玉米350公斤，而采用该管灌工程则每亩可增产约100公斤，则整个灌区每年的增产效益是非常可观的。第二，节水。管灌系统的输水渠道可以将水源利用率提高到90%，这是传统的渠道灌溉无法比拟的，管灌系统和渠道灌溉相比，利用率可以提高一倍，站在节水的角度上来看，其效益仍非常可观。第三，节地。管灌系统的管道均埋于地下，除了阀井以及取水口会占据小部分农田外，其它的基本上不占用耕地，并且无需考虑田间排水的问题，与渠道灌溉相比，管灌系统至少节地三到四个百分点，这对于位山整个灌区来说节地效益也是非常可观的。第四，节省劳力。明渠灌溉要开沟、建坝，每年还要耗费相当的资金进行维修以及清淤等工作，而管灌系统只要制定输水计划按照开闸即可，节省了大量的人工费用以及运行费用，并且速度快效率高，比渠道灌溉节约近一半时间，管理也方便。第五，各种地形均适用。由于管灌系经是有压供水，因此适用于各种复杂地形，明渠灌溉无法抵达的耕地也可以通过管道输水实现自流灌溉，不仅降低了工程成本，还扩大了灌溉的面积。

参考文献：

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