摘要：延庆县作为京郊山区农业县，农业的发展在很大程度上依赖于灌溉。发展节灌，改变干旱山区“干旱缺水”造成农民收入减少的局面，建立节水型社会，必须以水利基础设施建设作后盾，从改变设施，改变灌水方法，改变节水思路为出发点，大幅度提高农业水利用率和田间单方净耗水量的农作物产出率是我们工作的出发点和落脚点。国家大力倡导农民进行农业结构调整，而我县可利用水资源相对短缺的情况，成为制约农业发展与增加农民收入的主要因素。解决缺水问题，减少耗水作物，发展高效农业，就需要高起点、高标准、高效益的节水灌溉工程。

关键词：自压管道灌溉系统灌区节水改造

　　白河堡水库灌区是北京市十大灌区之一，灌区内有输水干渠4条，总长度92.12公里，控制灌溉面积32.4万亩，是延庆县最大的自流灌区。灌区原规划支渠82条，1998年前建成43条，全部都是浆砌石或砼衬砌渠道。由于衬砌渠道有输水损失大、占地多、对地形起伏变化适应能力差、受冻胀影响变化大、维修管理困难、使用寿命短等多方面的缺陷，因而从1998年至2002年白河堡水库灌区进行节水改造时，我局根据干渠大部分渠段都在高处与田间落差大，适合自压管道输水灌溉这一特点，在支渠建设中，改变传统的衬砌渠道方式，配套自压管道灌溉系统，在节水、节能、节地、省工、便于管理等方面取得较好的效果。实践证明，自压管道灌溉系统是一项值得在灌区节水改造中推广应用的技术。

　　1．自压管道灌溉系统的机理和组成

　　1．1自压管道灌溉系统的机理

　　自压管道灌溉系统就是利用地形的自然高差形成的压力水头，通过管道输水到田间的节水灌溉系统。它突出的特点就是充分利用自然压差，形成压力管道系统，不需要消耗电能就可配套低压管道灌溉、喷灌、滴灌等节水灌溉设施。

　　1．2自压管道灌溉系统的组成

　　自压管道灌溉系统包括：水源、首部枢纽（拦污栅、闸门、量水设备、输水渠或管、沉沙池和压力池）、输水管网系统、田间灌溉系统。

　　首部枢纽的作用主要是保证有足够的水量供应，同时，保证水质清洁，避免管网堵塞。

　　2．自压管道灌溉系统的规划和设计

　　2．1需要收集的基本资料

　　自压管道灌溉系统规划设计之前，必须收集以下基本资料，作为设计的依据。

　　1地形地貌；地理位置

　　灌区内地理位置基本地形和地貌要在局部地形图上标出，并绘出管网的走向及有关设施的位置。

　　2气象

　　灌区内的多年降水量、蒸发量、主风向及风速，最高、最低、平均气温，无霜期的长短，日照小时数。

　　3土壤特性

　　土壤质地，耕层厚度，养分状况。

　　4灌区内主要作物分布

　　灌区总面积，农作物种类，种植比例，各种作物的种植面积。

　　5经济情况

　　规划区内人口，劳动力，耕地面积，产量，人均收入，交通状况。

　　6管道材料

　　管道材料性能，生产厂家，管材类型。

　　2．2系统设计内容

　　自压管道输水灌溉工程设计主要包括八个方面的内容。

　　1确定管道长度及走向，并绘制管道纵断面图。

　　2灌溉制度的制定。计算灌水定额，灌水周期。

　　3水量平衡分析。根据灌溉面积确定供需水量。

　　4管道布局。确定管网的走向、管道各段的长度。

　　5确定灌溉方式、灌溉工作制度。

　　6管道水力计算。确定管网入口的工作压力、管道水头损失、管径的大小；管道内流速校核。

　　7工程概算。

　　8经济效益分析。

　　2．3系统管网布置及灌溉制度的确定

　　1管网布置

　　管网布置的合理与否，对工程投资、运行状况和管理维护有很大影响。一般管道布置应遵循以下原则。

　　ⅰ、充分利用压力水头。

　　ⅱ、力求管道总长度短、管线平直，减少折点和起伏。

　　ⅲ、灌区内田间固定管道的长度宜为6－10米/亩。

　　ⅳ、支管道走向宜平行于作物种植方向。支管间距单向控制时不应大于75米，双向控制时不应大于150米。

　　2灌溉制度的确定

　　灌溉制度是根据作物生育期内一定的气候、土壤和耕作技术条件为获得高产稳产进行适时适量灌水的一种制度。其内容包括灌水定额、灌溉定额、灌水时间及次数。

　　ⅰ、灌水定额的确定

　　在管网设计中，采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额。对于种植不同作物的灌区，通常采用设计时段内主要作物的最大灌水定额作为设计灌水定额。

　　一般灌水上限按田间持水量的85～95计算，下限按田间持水量的55～65计算。

　　灌水定额按式2—3—1计算。

　　2—3—1

　　式中：—设计灌水定额，mm、m³／亩；

　　—计划湿润层深度，cm；

　　—田间持水率；

　　₁、₂—土壤适宜含水量上、下限；

　　_土、_水—计划湿润层土壤干容重、水容重，t／m³。

　　ⅱ、灌水周期的确定

　　根据灌水临界期作物最大日需水量值，按式2—3—2计算理论灌水周期。因为，实际灌水中可能会出现停水、配水设备故障等原因，故设计灌水周期应小于理论灌溉周期。

　　t_理=m／ea＞t_设2—3—2

　　式中：t_理—理论灌水周期，d（天）；

　　ea—控制区内作物最大日需水量，mm／d；

　　t_设—设计灌水周期，d（天）；

　　m—同前。

　　控制区内种植不同作物时，按式2—3—3求权法计算理论灌水周期。

　　2—3—3

　　式中：t理、m—同前；

　　a—系统设计灌溉总面积，亩；

　　e_ai、a_i—设计时段内不同作物最大日需水量、作物种植面积，mm／d、亩。

　　ⅲ、灌水设计流量的确定

　　根据灌水定额、灌溉面积、灌水周期、每天工作的时间和灌溉水利用系数计算灌溉设计流量。用式2—3—4计算。

　　2—3—4

　　式中_设—灌溉设计流量，m³／h；

　　m、a、t—同前；

　　—灌溉水利用系数，一般取0.80－0.90；

　　t—每天工作的时间，h，一般取15－20h

　　ⅳ、水量供需平衡分析

　　水量供需平衡按式2—3—5计算。

　　q_供＞q_需2—3—5

　　式中：q_供—水源供给水量，m³；

　　q_需—灌溉需水量，m³。

　　为了达到规划区内节水增产的目的，应采用先进的节水灌溉技术，减少灌水定额。当出现供水量小于需水量时，应开辟新的水源。无新水源时应重新调整作物结构布局或减少灌溉面积。

　　3灌溉工作制度

　　传统灌溉方式是续灌和轮灌相结合的方法，即：支管之间采用轮灌，支管内采用续灌。

　　ⅰ、系统轮灌组数目的确定，用式2—3—6计算

　　n=int（nq／q_设）2—3—6

　　式中：n—系统轮灌组数；

　　n—系统出水口总数；

　　q—出水口的出水量，m³／h；

　　int—取整符号；

　　q_设—同前。

　　ⅱ、出水口实际出水量计算，按式2—3—7计算

　　q=nq_设／n2—3—7

　　式中：所有符号同前。

　　ⅲ、同时工作出水口数目的确定，按式2—3—8计算

　　x=int（n／n）2—3—8

　　式中：x—同时工作的出水口数

　　其它符号同前。

　　ⅳ、每个轮灌组工作时间，按式2—3—9计算

　　t_n=t／n2—3—9

　　式中：t_n—每个轮灌组工作时间，h；

　　t、n—同前。

　　2．4水力计算

　　1管网各级管道的流量计算

　　在管网管道流量计算时，采用自下而上的方式推求各管段的流量。

　　ⅰ、支管流量的确定

　　根据轮灌组及出水口的水量，同时工作的出水口数，计算支管道的流量。

　　2—4—1

　　式中：支—支管进口流量，m3／h；

　　—支管控制的出水口数；

　　—同前。

　　ⅱ、干管流量的确定

　　干管内的水量是同时工作支管水量的总和。即：

　　2—4—2

　　式中：干—干管进口流量，m3／h；

　　干—干管控制支管数；

　　支—同前。

　　2管网水力计算

　　ⅰ、给水栓工作水头

　　在采用移动软管灌溉系统中，一般软管直径为φ50～φ100，长度不超过100米。此时给水栓工作水头用式_3—4—3计算。

　　hg=h_yf △h_gy （0.2～0.3）2—4—3

　　式中：h_g—给水栓工作水头，m；

　　h_yf—移动软管沿程水头损失，m；

　　△h_gy—移动软管出口与给水栓出口高差，m。

　　当给水栓直接配水入渠道时：h_g=0.2～0.3，m。

　　香营乡3000亩蔬菜基地自压管道节水灌溉工程，以白河堡水库北干渠为水源地，设首部沉淀过滤池和调节池各一座，配套φ315管2410米，φ200管4000米，φ160管650米，φ110管35700米，出水口640套。自压管道节水灌溉系统完成后，项目区的面貌发生了根本性变化，灌溉条件得到明显改善。经济效益、社会效益、生态环境效益有了显著变化，在全县的节水灌溉建设和管理上起到了真正的示范样板作用，对延庆县农业产业机制改革和农业种植结构调整具有深远意义。

　　5．1经济效益分析

　　通过节水灌溉工程的建设，改善了当地的农业生产条件，结合农业种植结构调整和名、特、优、新品种的发展，必将会提高农产品的产量和质量，增加当地农民收入。

　　1增产效益

　　农田实行节水灌溉后，由于减少了渠道和田埂占地，可增加作物有效种植面积，并能适时灌水，提高灌水质量，提高作物产量和品质。每亩按2000kg产量，单价按1.2元/kg计，每亩年增加收入1250元，每年可增加收入375万元。

　　2节水效益

　　与土渠灌溉相比，自压管道灌溉每亩每年可节水100m³；项目区年节水总量为30万m³。每方水按0.12元计，可节约水费开支3.6万元。节水转移效益按每方水0.08元计，每年可增加效益2.4万元。

　　3省工效益

　　管灌每亩每年可节省人工3工日，项目区每年节省人工9000工日，节省人工支出18万元。

　　4节地效益

　　据测算，管灌可增加有效种植面积5左右，项目区可增加有效种植面积150亩。

　　实践证明，自压管道灌溉系统节水效果明显，减少了水资源的浪费，缓解了当地的水资源供需矛盾，提高了当地的灌溉水平和农业抗御干旱灾害的能力，促进了农业产业制度改革和农业种植结构调整。运用自压管道灌溉系统后，每年节约用水30万m³，节约的水为社会经济的其他发展提供了良好的基础。同时，项目区内外部环境和整体面貌也将发生根本性变化，不仅丰富了城乡居民的“菜篮子”，还绿化美化了环境，改变了当地农民的生产意识。使农民认识到节水改造的好处，深深体会到水利是农业的命脉，只有水利设施的发展，才能改变农业的面貌，才能富裕农民。

　　5．2生态环境效益分析

　　项目区应用自压管道灌溉系统以后，使得当地种植结构得到了调整，水土流失得到有效控制，土地成方连片，粮果丰收，绿树成行，水资源供需矛盾得到缓解，环境优美。同时，水土资源的利用更趋于合理，并可以把当地的种植、养殖、加工和旅游有机地结合起来，以开发促旅游，旅游促发展的生态农业雏形基本形成，项目示范区当地的生产生活环境面貌焕然一新。采用节水措施，减少农业用水量，相应减少了对地下水的开采量，对涵养补充地下水起到一定作用，节约的地表水，可增加对官厅水库的补水，对恢复官厅水库饮用水源功能有着重大意义。

　　6．结束语

　　延庆县作为京郊山区农业县，农业的发展在很大程度上依赖于灌溉。发展节灌，改变干旱山区“干旱缺水”造成农民收入减少的局面，建立节水型社会，必须以水利基础设施建设作后盾，从改变设施，改变灌水方法，改变节水思路为出发点，大幅度提高农业水利用率和田间单方净耗水量的农作物产出率是我们工作的出发点和落脚点。国家大力倡导农民进行农业结构调整，而我县可利用水资源相对短缺的情况，成为制约农业发展与增加农民收入的主要因素。解决缺水问题，减少耗水作物，发展高效农业，就需要高起点、高标准、高效益的节水灌溉工程。

　　我局结合白河堡水库灌区节水改造，先后在小浮坨、大浮坨、新保庄、延庆镇西北片、张山营镇等地区建成了多处自压管道灌溉系统，这些工程目前运行状况良好，效益显著。在水资源日趋危机的今天，应充分发挥自然优势，多搞一些自压式节水灌溉工程。为实现延庆县经济社会的可持续发展和“再造一个山川秀美的新延庆”宏伟目标需要广大水利科技人员及当地群众继续积极探索实践，为进行一次全新的技术革命而努力。

　　自压管网水力计算是根据：设计水量、管网入口压力确定管网中各级管径，各节点压力。最后选用与计算出的管径接近的商用管径。管径选定后要进行不淤流速（一般取0.5m／s）和最大允许流速（通常限制在2.5～3.0m／s）校核。

　　为了充分利用自然水头，其管径用式2—4—4计算。

　　2—4—4

　　式中：—管道内径，mm（m）；

　　—沿程水头损失摩阻系数；

　　—管道内设计流量，m3/h（m3/s）；

　　—流量系数；

　　—管径系数。

　　—平均水力坡度。为管段上游节点与下游节点水头差除以管段长度。

　　经济流速的确定原则：

　　通过流量大时，应选择较小值；反之，应选择较大值。干管选择较小值，支管选择较大值。

　　ⅲ、管网水头损失计算

　　沿程水头损失计算：

　　根据选定的管材、管径、设计流量、管道长度，按式2—4—5计算其沿程水头损失。

　　2—4—5

　　式中：—管道沿程水头损失，m；

　　—管道长度，m；

　　—管道内设计流量，m3/h（m3/s）；

　　—管道内径，mm（m）；

　　—沿程水头损失摩阻系数；

　　—流量系数；

　　—管径系数。

　　地面软管沿程水头损失通常采用塑料硬管计算公式计算，然后，乘以一个系数1.1～1.5。

　　局部水头损失一般以流速水头乘以局部水头损失系数来表示。

　　2—4—6

　　式中：—管道局部水头损失，m；

　　—管道局部水头损失系数；

　　—断面平均流速，m/s；

　　—重力加速度，m/s²。

　　一般为简化计算，按沿程水头损失的10～15计算。

　　3输水管道性能的选择

　　ⅰ、输水管道设计要求的工作压力确定。管材允许工作压力应为管道最大正常工作压力的1.4倍。当管道可能产生较大水击压力时，管材的允许工作压力应不小于水击时的最大压力。

　　ⅱ、管壁要均匀一致。

　　ⅲ、管材内壁要光滑。

　　ⅳ、管与管、管与管件连接要方便。

　　2．5水击压力计算与保护装置

　　1水击压力计算

　　ⅰ、水击波传播速度

　　=2—5—1

　　式中：—水击波传播速度（e/d＜1/20＝，m/s；

　　—。k：水的体积弹性模量，kn/m²；e：管材纵向弹性模量，km/m²；

　　—管径，m；

　　—管壁厚度，m。

　　ⅱ、水击类型判别

　　水击相时按式_3—4—8计算。当阀门关闭历时不大于一个水击相时，此时所产生的水击为直接水击。反之，则为间接水击。

　　2—5—2

　　式中：—水击相时，s；

　　—计算管段长度，m；

　　—同前。

　　ⅲ、水击水头的确定

　　直接水击水头：2—5—3

　　间接水击水头：2—5—4

　　式中：—直接水击水头，m；

　　—间接水击水头，m。关阀门为正，开闸门为负；

　　—闸门前水的速度，m/s；

　　—关闭阀门的时间，s；

　　、、、—同前。

　　2防止水击压力的措施

　　ⅰ、操作运行中应缓慢启闭阀门，以延长阀门启闭时间，从而避免产生直接水击，并可降低间接水击压力。

　　ⅱ、由于水击压力与管内流速成正比，因此，在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。

　　ⅲ、由于水击压力与管道长度成正比，因此，在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道长度，削减水击压力。

　　3安全保护装置

　　管道输水灌溉系统的安全保护装置主要有进（排）气阀、安全阀、调压装置、逆止阀等。

　　ⅰ、进排气阀的选择

　　进排气阀按式2—5—6选择。一般在顺坡布置安装在管道系统首部，逆坡布置时在管道系统尾端，安装在管道系统的凸起处，管道朝水流方向下折及超过10度的变坡处。

　　2—5—6

　　式中：—进排气阀通气孔直径，mm；

　　—被保护管道内径，mm；

　　—被保护管道内水流速度，m/s。

　　ⅱ、安全阀

　　安全阀是一中压力释放装置，安装在管路较低处，起超压保护作用。

　　3．自压式管道输水灌溉管理及技术要求

　　自压管道灌溉工程同其它水利工程一样，必须正确处理好建、管、用三者关系。建是基础，管是关键，用好增产是目的。在保证管道系统建设质量的前提下，只有管好用好才能充分发挥效益。

　　3．1管理制度

　　自压管道灌溉系统也需要有完善的管理制度，如果没有一套与其相适应的管理措施，也是不能正常运行的。要从以下四个方面完善管理制度：

　　1建立健全管理组织；

　　2依法管水；

　　3实行管理责任制；

　　4建立管理考核标准

　　3．2自压管道灌溉系统运行技术要求

　　1灌溉前必须首先打开应浇地块的给水栓，每条主管道打开的给水栓数不少于3个。

　　2打开给水栓后，再开进水闸，闸门开启度应根据渠道水位，满足管道用水量，待压力池水位和堰顶一平，稳定为好。

　　3灌溉结束后，先关闭进水闸，然后再关闭给水栓。

　　4冬灌结束后，必须将管道内的水排掉，防止冻坏管道。

　　5用前必须做好管道的检修工作。

　　4．自压管道灌溉系统效果分析

　　自压管道灌溉系统与明渠灌溉相比具有以下优点：

　　1节水、节能

　　自压管道灌溉系统输水损失小，渠系水利用率达95以上，比土渠提高30，比防渗渠道提高5，综合节水达40左右。

　　由于用管道输水，减少了渗漏和蒸发损失，综合节能在20～30。

　　　2省地、省工

　　自压管道灌溉系统中管道埋入地下，比明渠灌溉减少占用耕地2，对土地资源的充分利用有着重要意义。

　　管道灌溉不仅能减少大量的田间建筑物，而且还可以实现规范化、系统化；输水时间短，缩短了轮灌期，节省了工日。

　　3适应性强、管理方便

　　自压管道灌溉系统是有压供水，可适用于各种地形，如：越沟，跨路，拐弯和爬坡等。

　　管道灌溉设备比较简单，技术容易掌握，管理方便，用水量便于控制和计量，并为农业机械化、自动化的发展创造了有利条件。

　　4使用寿命长

　　管道埋入地下，塑料管不易老化、不宜腐蚀、不宜破坏，一般使用寿命在50年左右。