浅谈节水输水灌溉技术

浅析节水输水灌溉技术王志真1，任传栋2，任重琳3（1.山东省农业规划设计院，济南，250013；2.山东省水利勘测设计院，济南，250013；3.水利部海委漳卫南运河管理局）摘要：我国是一个严重缺水的国家，而农业是用水较多的行业，发展农业节水灌溉意义重大。农业节水灌溉技术最为常见的当属输水节水灌溉。本文通过典型设计，分析比较了低压管道与渠道防渗两种输水节水灌溉技术的优劣，并为其它地区节水灌溉方法的选取提供了一定的借鉴依据。关键字：节水灌溉；低压管道；防渗渠道ElementaryAnalysisonWater-savingIrrigationeduringWaterDeliveryWangZhi-zhen1,RenChuan-dong2（1.AgriculturalPlanningandDesignInstituteofShandongProvince,Jinan,250013；2.WaterConservancySurveyandDesignInstituteofShandongProvince,Jinan,250013）Abstract:Chinaisaseriouswatershortageinthecountry,Whileagricultureismorewaterindustry,Thedevelopmentofagriculturalwatersavingirrigationissignificant.Waterconveyance-savingirrigationismostcommonamongtheagriculturalwater-savingirrigationtechnology.Inthispaper,Throughthetypicaldesign,Analyzeandcomparethetwoofwatersavingirrigationtechnology-lowpressurepipeandseepagecontrolofcanaladvantagesanddisadvantages,italsohasprovidedbasisontheselectionofthewater-savingirrigationmethodinotherregions.Keywords:water-savingirrigation;lowpressurepipe;seepagecontrolofcanal水是生命的源泉，是维系社会进步、生态系统和人类文明的基础因素,但我国水资源相对紧缺。据预测，到2030年前后我国人口将达到16亿高峰，粮食需增长至6.4~7.2亿吨才能满足需求，按现有水平预测，为了满足粮食需求，农业灌溉面积需发展到9.0亿亩，此时，用水量将从现状的4000亿m3增长到6650亿m3，而从目前我国水资源供需状况来看，如此大量的农业水资源供给是不可能实现的，出路只有一条，那就是提高水资源利用率和利用效率。如果我们把农业灌溉水的利用率由目前的0.45提高到发达国家的0.70，则每年仅节水灌溉一项即可节水900~950亿m3，不仅可以解决7亿吨左右食物生产的用水，还可以节余出400~500亿m3的水用于国民经济的其它重要领域[1]。因此，发展农业节水灌溉已迫在眉睫！1节水灌溉含义节水灌溉，即以最低限度的用水量获得最大的产量或收益，也就是最大限度地提高单位灌溉水量的农作物产量和产值的灌溉措施，其目的是提高水的利用率和水分生产率。节水灌溉包括水资源的合理开发利用，输配水系统的节水、田间灌溉过程的节水、用水管理的节水以及农艺节水增产技术措施等方面。2节水灌溉类别节水灌溉技术大致可分为节水灌水方法、节水输水方法、节水灌溉制度和节水田间辅助措施四大类别[2]。2.1节水灌水方法灌水方法即如何将已送到田头的灌溉水均匀地分布到作物根系活动层中去。按灌溉水进入根系活动层途径，节水灌水方法可分为地面灌溉、喷灌、微灌和地下灌溉等。2.2节水输水方法节水输水灌溉常用的方法有渠道防渗和管道输水两种。渠道防渗是为减少渠道水量渗漏损失而采取的对土渠进行衬砌的工程措施；管道输水是利用管道将水直接送到田间灌溉，以减少水在输送过程中的渗漏和蒸发损失的工程措施。二者均具有输水快、有利于农业生产抢季节、节省土地等优点，是当前我国节水灌溉的主要工程措施。2.3节水灌溉制度不充分灌溉：即灌溉的目的并不是要达到最高的单位面积产量，而是要使单位用水量的作物产量较高。水稻薄浅湿晒灌：针对传统的水稻灌溉长期保持较深水层、水肥流失等严重问题，新采用的薄、浅、湿、晒的灌溉制度。2.4节水田间辅助措施为了减少土表蒸发而采取的田间辅助措施，常用的方法有中耕保墒，麦杆覆盖等[3]。上述四种节水灌溉方法中，节水输水方法是目前我国采用最广，技术最成熟的节水灌溉方法，因此，本文重点对其进行论述并通过典型设计分析其优缺点。3输水节水灌溉技术分析本文选取山东省梁山县区域站内75亩试验田作为典型地块进行设计并比较分析。3.1设计概况地块面积：地块南北长200m，东西宽为250m，总面积75亩。作物种类：冬小麦、夏玉米（以用水量较多的冬小麦作为典型作物设计）。灌溉水源：灌溉水源为地块南部的一眼机井，出水量为40m3/h。灌溉标准：灌溉保证率75%；渠系灌溉水利用系数0.75；管道灌溉水利用系数0.90；工程标准：田间固定管道长度宜为90～150m／hm2；农沟间距为100～200m，长度200～400m。灌溉定额：参照《山东省主要农作物灌溉定额》（DB37/T1640-2010），本地块在75%设计保证率下，小麦的毛灌溉定额m为47.60m3/亩。3.2工程设计方案3.2.1管道灌溉布置方案（1）管网布置依据地块、道路、水源位置等情况，按照使管线最短，控制面积最大，便于机耕，管理方便，节约用水的原则布置管道系统：①管道系统采用树状管网布设；②干管平行种植方向，支管垂直干管布置，采用两侧分水灌溉；③出水口间距在50m，支管间距100m。具体布置方案为从在地块南边机井向北引出一条长为150m的干管；由机井开始在干管50m、150m处依次布置两条东西向的支管，每条支管长200m，均以间距50m布置5个给水栓，全地块共布置10个给水栓，给水栓双向分水，每个给水栓的控制面积为7.50亩。图1管网布置示意图1-机井，2-干管，3-支管，4-给水栓，5-地块边缘（2）管道输水灌溉系统设计流量的确定根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天工作的时间，按下式计算系统的灌溉设计流量：)/(TtmAQ＝管设式中：管设Q——管道灌溉系统的灌溉设计流量，m3/h；——作物种植比例，取为1；A——地块面积，亩；T——灌水周期，取7d；——灌溉水利用系数，管道系统取为0.90；t——灌水时间，取20h。计算得：管设Q=28.33m3/h，取管网系统的设计流量为28m3/h。（3）管道输水灌溉系统工作制度的确定为使灌溉管理方便，系统工作采用一条支管一次只开一个给水栓放水灌溉的轮灌制度，系统同时有2条支管工作。则一个给水栓的出水量为14m3/h，控制面积为7.50亩，灌水量为357.00m3，故一个给水栓的灌溉放水时间为28.07h。则允许轮灌组数目按下式计算：07.28TtN计算得，N4.99，典型区有10个给水栓，5个轮灌组，满足允许轮灌组要求。（4）管材及管径的选择固定管道包括干管、支管，均采用0.6Mpa的PVC管材。按经济流速法确定各级管径：vQd8.18式中：d——管道内径，mm；Q——流量，m3/h；干管为28m3/h，支管为14m3/h；v——经济流速，取1.0m/s。计算得干d＝90.81mm，支d＝64.21mm。综合考虑输水效率及经济因素，干管选用Φ110mm的PVC管，支管选用Φ90mm的PVC管。3.2.2渠道灌溉布置方案（1）渠系布置在典型地块内，从机井一端沿地块边缘布置一条长为125m的农渠，分别在农渠上机井东西两侧62.5m处布置两条南北向的毛渠，每条毛渠的长度同地块长度，为200m，根据规范，农渠、毛渠均实行续灌。图2渠系布置示意图1-机井，2-农沟，3-毛沟，4-地块边缘（2）渠道输水灌溉系统设计流量的确定渠道的田间净流量计算公式同前，灌溉水利用系数取0.75，计算得农渠Q=0.009m3/s，毛渠的田间净流量为毛渠Q=0.005m3/s。（3）渠道输水灌溉系统设计水深计算浑水渠道设计水深按下式计算：3/1Qh式中：h——渠道设计水深（m）；——常数，一般取0.76。其它符号意义同前。经计算，得：农h0.16m，毛h0.13m（4）渠道输水灌溉系统断面的确定明渠可采用的断面型式主要有矩形断面、梯形断面、“U”型断面和复合型断面，经分析比较并结合当地已有节水工程的经验，设计新建灌溉渠道采取“U”型断面。渠道宽深比可按下式计算：10/1NQ式中：——渠道底宽与设计水深的比值；N——常数，一般为2.35-3.25，本设计取3.00；其它符号意义同前。经计算，农=1.88，毛=1.76，则，农渠计算直径为0.30m，毛渠为0.22m。渠道岸顶超高计算公式为：2.041bbhF式中：bF——岸顶超高，m；bh——渠道通过加大流量时的水深，m。经计算，bF农=0.24m，bF毛=0.23m。结合计算结果，渠道初选断面要素见表1：表1灌溉渠道断面要素表设计流量m3/s设计水深cm超高cm渠底比降计算断面（cm)采用断面（cm)堤顶宽（cm)直径渠深底宽渠深左右0.00916241/40003040404030300.00513231/4000223640403030（5）渠道断面复核各级渠道的平均流速可按下式计算：RiCV式中：V——渠道平均流速，m/s；C——谢才系数；R——水力半径，m；i——渠底比降。谢才系数采用曼宁公式：6/11RnC式中：n——渠床糟率,对于预制混凝土板砌筑渠道，取0.025。RiACQ式中：Q——渠道设计流量，m3/s；A——渠道过水断面积，m2。其他符号意义同前。经计算，农级渠道的过流能力为0.017m3/s＞农渠Q=0.009m3/s。毛渠的过流能力为0.015m3/s＞毛渠Q=0.005m3/s。由计算复核结果可知，渠道的初选横断面满足设计要求。3.3灌溉方案比较分析在75亩典型地块内，两种输水节水灌溉技术方案成果归纳如下：低压管道工程方案：需铺设直径110mm的PVC干管150m，直径90mm的PVC支管400m，给水栓10个，同时，配置三通、弯头等管件。防渗渠工程方案：需新建直径0.4m、深0.4m的U型农渠125m，新建直径0.4m、深0.4m的U型毛渠400m。表2节水灌溉方案设计成果比较灌溉方式节水节地投资配套设施管理方式施工难易度水利用系数结论占地结论造价结论m2元低压管道0.9低压管道在工程完好的情况下，基本没有输水损失，节水效果较好0低压管道可提高土地利用率，并减少了对交通和耕作的影响14750低压管道主体部分投资较低，但配套设施较多，且后期管护费较高配套机泵、射频系统及电力等杂物不易进入，可减少清淤工作量施工复杂衬砌渠道0.7557831500配套建设农门、桥涵等工程地上工程，易维修施工简便注：1.在此，仅就两种工程方案主体部分进行比较分析，未考虑其它配套设施的设计、资金及施工等因素；2.概算资金由典型地区材料造价信息求得。4结论与建议低压管道输水灌溉与防渗渠灌溉两种节水输水灌溉技术均可以减少渗漏损失，节省灌溉用水量，有效的利用水资源；均能减少渗漏对地下水的补给，有利于控制地下水位和防止土壤盐碱化；均有利于提高经济效益、社会效益和环境效益，改善劳动条件，减轻劳动强度，促进农业产业化和农村经济的发展。但通过比较分析，上述两种工程措施又各有优缺点，这就要求我们在对某地进行节水灌溉工程规划时，首先需收集当地水源、气象、地形、土壤、作物、能源、材料、设备、社会经济状况等方面的基本资料，在此基础上进行比较论证，确定最佳节水方案。同时，节水灌溉工程的规划尚应符合当地农业区划和农田水利