浅谈农田水利低压管道灌溉设计要点

【摘 要】本文主要根据农田水利灌溉重要性，从宏观上阐述低压灌溉技术的重要性并指出低压管道灌溉是将来农田水利灌溉的主要方式，阐述低压灌溉技术的设计要点。

【关键词】农田水利；低压管道；灌溉；利用率

1.前言

我国是一个拥有十几亿人口的发展中农业大国，农业在中国历来被认为是安天下、稳民心的战略产业。2011年中央一号文件将农田水利建设提升到粮食安全的战略高度，这是我国农田水利政策的一个重大转折，必将对农田水利建设产生积极而深远的影响。世界淡水资源日益紧缺，而人类对粮食的需求也不断上升，淡水资源已经成为农业发展和世界粮食供应的安全威胁。要破解耕地面积有限、淡水资源紧缺和世界粮食需求上涨之间的难题，发展节水灌溉成为关键。

2.农田水利灌溉前景及发展趋势

目前我国农田水利灌溉中输水系统以明渠为主，灌溉水的利用系数只有0.4左右， 60%的水在输水、配水和田间灌水工程中被浪费，如果采用先进的节水灌溉技术，则可大大提高灌溉水利用率。根据我国农村的技术和经济条件，发展低压管道输水应是农业灌溉节水的主要措施。管道输水可以减少水在明渠输送过程中的渗漏和蒸发损失，与渠道输水相比，具有省地、节水、节能、高效、增产等优点，是现代农业节水灌溉技术中的重要措施。

美国等发达国家的灌溉输水已大量采用管道，其低压输水控制的灌溉面积占整个地面灌溉系统面积的1/2以上。我国自20世纪50年代开始尝试低压管道输水灌溉技术的开发应用，目前已由北方旱作区向南方水田区、由井灌区向提水灌区、由平原区向丘陵山区发展。

3.低压管道灌溉设计

3.1低压管道系统的布置原则

管网布置前首先应对灌区面积进行分区规划，分区时主要考虑：（1）同一区域内种植作物要一样；（2）各区所需流量应相近，便于轮灌；（3）尽量考虑与农业管理体制的范围相一致，以便于管理；（4）一个系统中应有一定数目的轮灌区，以便于充分利用每天可灌溉的时间安排轮灌。

管道规划设计主要根据出水量和输水距离等条件，合理选用适宜的管材、管径和长度，进行管道合理规划。要求线路短，控制面积大，输水通畅。地势平坦的地区，可沿田间道路、林网线路铺设；地势复杂的地区，应选择最佳路线。

3.2低压管道系统的灌溉制度

管道系统的工作制度有续灌方式、轮灌方式和随机取水方式三种，拟定灌溉制度时应根据灌区面积、灌区内作物种植及作物用水情况综合考虑。

续灌时，所有管道过水时间也就等于灌水时间，其特点是下一级管道的设计流量小、工作时间长。轮灌一般有集中轮灌与分组轮灌两种，轮灌的划分及灌水的先后次序直接影响到上一级管道的投资，其方式主要适合灌区内作物单一的地区，用水单位较少的地区。当灌区面积非常大，区内作物种植分散，用水单位较多，且各个用水单位在各个时期内用水要求不同，需要采用随机取水方式，因此这个方式也叫“按需分配”方式。

3.3 低压管道系统的灌溉流量

灌溉低压管道设计首先应根据灌溉面积的分区进行管道布置的设计，统计各级管道长度、控制灌溉面积等，根据灌区作物种植情况、设计灌溉标准相应的灌溉制度、灌溉方式确定设计灌水模数，进而推算管道设计流量，根据管道设计流量选择管材及管径，进行管道水利计算以确定管首工作压力。

以水稻田灌溉为例，首先根据设计灌溉标准确定水稻田设计灌水率。

水稻田设计灌水率计算公式如下：

（1）

式（1）中qs设计灌水率，m3/（s*100hm2）；m泡为水稻泡田定额，m3/hm2，水稻田泡田定额上海地区取值为1200m3/hm2；T为灌水延续时间，一般取3d-5d；t为一天开机时间，一般取18～22h，自流灌区取24h。

管道灌溉流量为管道设计流量，即管道控制面积内作物实际需要的水量。水稻田灌溉流量计算公式如下：

Q= （2）

式（2）中Q为管道设计流量，m3/s；为设计灌水率，m3/（s*100hm2）；A为灌溉面积，hm2；ηs为该管道控制范围内的灌溉水利用系数，上海地区低压管道灌溉一般可取0.80～0.85。

根据水稻田灌溉流量计算公式计算出每根支管的设计流量后，需要根据灌溉制度确定主管流量。根据水稻田面积大小，拟定灌溉制度，若水稻田按轮灌方式灌溉，主管的流量为各轮灌组中流量最大值，则主管的流量会偏小，设计工作水头也会相应偏小，反之不轮灌时，总流量为各支管流量之和，主管流量及设计工作水头均会偏大。

3.4低压管道系统的管径计算

根据所拟定的灌溉制度、灌溉流量，结合所选管材的经济流速可以推算出初拟的管径。计算时假设均为满管流，则：

Q=VA （3）

式（3）中Q为管道设计流量，m3；V为管道经济流速，m/s；A为管道截面面积，m2。

管径计算出后，根据相关公式计算工作水头，工作水头包括出口工作水头、管道沿程水头损失、管道局部水头损失。其计算公式为：

（4）

hj= （5）

式（4）中hf为管道沿程水头损失，m；f为摩阻系数；L为管道长度，m；d为管道内径，mm；Q为管道内通过的流量，m?/s；b为管径指数；m为流量指数；式（5）hj为管道局部水头损失；ξ为管道局部阻力系数；V为管道流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）。

根据以上公式，计算出工作水头后，就可以根据下式计算泵站最大工作水头。

（6）

式（6）中H总为泵站工作水头，m；hi为沿程水头损失，m；hj为局部水头损失，m；H0为管道出口水头，m。

根据水力计算结果及流量计算，推算出水源工程中泵站的设计参数后，即可进行下一步取水泵站的设计，本文主要介绍管道设计，对取水泵站设计不详细介绍。

3.5低压管道系统的管材选取

（1）钢筋混凝土管

钢筋混凝土管的特点是：节省钢材，价格低廉，防腐性能好，不会减少水管的输水能力，能够承受比较高的压力，具有较好的抗渗性、耐久性， 能就地取材，节省钢材。但钢筋混凝土管重量大而质地较脆，装卸和搬运困难，管配件缺乏，日后维修难度大。

（2）塑料硬管

地下输水管道中硬塑管主要类型有：PE管、PVC-U管、ABS管等。

PE管优异的性能特点为卫生条件好；柔韧性好，抗冲击强度高，耐强震、扭曲；独特的电熔焊接和热熔对接技术使接口强度高于管材本体，保征了接口的安全可靠。PVC-U管材不导热，不导电，阻燃。突出应用于高腐蚀性水质的管道输送，质量和经济效果达到最佳。ABS管的主要优点为耐腐蚀性极强、耐撞击性极好以及韧性强。

（3）金属管

现在应用较多的金属管为钢管和给水球墨铸铁管。

钢管的机械强度最好，可承受高的内外压力，管身可焊性强，方便制造各种管件、地形复杂及要求较高的管线使用，但易腐蚀是其最大缺点。给水铸铁管能承受较大工作压力（0.45-1.00MPa）、耐腐蚀、价格便宜，管内壁涂沥青后较光滑，被大量用于外部给水管上，其缺点是质硬而脆、重量大、施工困难。

在我国禁止用镀锌钢管后，农田水利灌溉低压管道设计中PVC-U管和PE管成为了常用的管材。

4.结语

目前全世界的总耕地面积仅为15亿公顷，有灌排设施的耕地面积仅占27%，却生产出全世界55%的粮食，预计今后新增的粮食产量中80%至90%将来自有灌排设施的耕地。因此，在有条件的地方结合实际积极发展低压管道灌溉，是今后农田水利节水灌溉发展的大势所趋。管道输水仅减少了输水过程中的水量损失，而要真正做到高效用水，还应配套田间节水措施，以避免造成浪费。低压灌溉管道系统的投资在整个管道输水系统投资中占的比重最大，因此，对管道系统进行总体优化设计将会显著降低工程投资，提高灌溉效益，今后要进一步完善由给水拴或出水口向田间输水垄沟灌水的配水装置及配水技术，经一步完善运行管理制度，使低压灌溉管道系统利用率达到最高。

参考文献：

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