【摘 要】本文主要根據(jù)農(nóng)田水利灌溉重要性，從宏觀上闡述低壓灌溉技術(shù)的重要性并指出低壓管道灌溉是將來(lái)農(nóng)田水利灌溉的主要方式，闡述低壓灌溉技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)田水利；低壓管道；灌溉；利用率
1.前言
我國(guó)是一個(gè)擁有十幾億人口的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在中國(guó)歷來(lái)被認(rèn)為是安天下、穩(wěn)民心的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。2011年中央一號(hào)文件將農(nóng)田水利建設(shè)提升到糧食安全的戰(zhàn)略高度，這是我國(guó)農(nóng)田水利政策的一個(gè)重大轉(zhuǎn)折，必將對(duì)農(nóng)田水利建設(shè)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。世界淡水資源日益緊缺，而人類對(duì)糧食的需求也不斷上升，淡水資源已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展和世界糧食供應(yīng)的安全威脅。要破解耕地面積有限、淡水資源緊缺和世界糧食需求上漲之間的難題，發(fā)展節(jié)水灌溉成為關(guān)鍵。
2.農(nóng)田水利灌溉前景及發(fā)展趨勢(shì)
目前我國(guó)農(nóng)田水利灌溉中輸水系統(tǒng)以明渠為主，灌溉水的利用系數(shù)只有0.4左右， 60%的水在輸水、配水和田間灌水工程中被浪費(fèi)，如果采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，則可大大提高灌溉水利用率。根據(jù)我國(guó)農(nóng)村的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件，發(fā)展低壓管道輸水應(yīng)是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的主要措施。管道輸水可以減少水在明渠輸送過(guò)程中的滲漏和蒸發(fā)損失，與渠道輸水相比，具有省地、節(jié)水、節(jié)能、高效、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)中的重要措施。
美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的灌溉輸水已大量采用管道，其低壓輸水控制的灌溉面積占整個(gè)地面灌溉系統(tǒng)面積的1/2以上。我國(guó)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始嘗試低壓管道輸水灌溉技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，目前已由北方旱作區(qū)向南方水田區(qū)、由井灌區(qū)向提水灌區(qū)、由平原區(qū)向丘陵山區(qū)發(fā)展。
3.低壓管道灌溉設(shè)計(jì)
3.1低壓管道系統(tǒng)的布置原則
管網(wǎng)布置前首先應(yīng)對(duì)灌區(qū)面積進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃，分區(qū)時(shí)主要考慮：（1）同一區(qū)域內(nèi)種植作物要一樣；（2）各區(qū)所需流量應(yīng)相近，便于輪灌；（3）盡量考慮與農(nóng)業(yè)管理體制的范圍相一致，以便于管理；（4）一個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)有一定數(shù)目的輪灌區(qū)，以便于充分利用每天可灌溉的時(shí)間安排輪灌。
管道規(guī)劃設(shè)計(jì)主要根據(jù)出水量和輸水距離等條件，合理選用適宜的管材、管徑和長(zhǎng)度，進(jìn)行管道合理規(guī)劃。要求線路短，控制面積大，輸水通暢。地勢(shì)平坦的地區(qū)，可沿田間道路、林網(wǎng)線路鋪設(shè)；地勢(shì)復(fù)雜的地區(qū)，應(yīng)選擇最佳路線。
3.2低壓管道系統(tǒng)的灌溉制度
管道系統(tǒng)的工作制度有續(xù)灌方式、輪灌方式和隨機(jī)取水方式三種，擬定灌溉制度時(shí)應(yīng)根據(jù)灌區(qū)面積、灌區(qū)內(nèi)作物種植及作物用水情況綜合考慮。
續(xù)灌時(shí)，所有管道過(guò)水時(shí)間也就等于灌水時(shí)間，其特點(diǎn)是下一級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量小、工作時(shí)間長(zhǎng)。輪灌一般有集中輪灌與分組輪灌兩種，輪灌的劃分及灌水的先后次序直接影響到上一級(jí)管道的投資，其方式主要適合灌區(qū)內(nèi)作物單一的地區(qū)，用水單位較少的地區(qū)。當(dāng)灌區(qū)面積非常大，區(qū)內(nèi)作物種植分散，用水單位較多，且各個(gè)用水單位在各個(gè)時(shí)期內(nèi)用水要求不同，需要采用隨機(jī)取水方式，因此這個(gè)方式也叫“按需分配”方式。
3.3 低壓管道系統(tǒng)的灌溉流量
灌溉低壓管道設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)灌溉面積的分區(qū)進(jìn)行管道布置的設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)各級(jí)管道長(zhǎng)度、控制灌溉面積等，根據(jù)灌區(qū)作物種植情況、設(shè)計(jì)灌溉標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的灌溉制度、灌溉方式確定設(shè)計(jì)灌水模數(shù)，進(jìn)而推算管道設(shè)計(jì)流量，根據(jù)管道設(shè)計(jì)流量選擇管材及管徑，進(jìn)行管道水利計(jì)算以確定管首工作壓力。
以水稻田灌溉為例，首先根據(jù)設(shè)計(jì)灌溉標(biāo)準(zhǔn)確定水稻田設(shè)計(jì)灌水率。
水稻田設(shè)計(jì)灌水率計(jì)算公式如下：
�。�1）
式（1）中qs設(shè)計(jì)灌水率，m3/（s*100hm2）；m泡為水稻泡田定額，m3/hm2，水稻田泡田定額上海地區(qū)取值為1200m3/hm2；T為灌水延續(xù)時(shí)間，一般取3d-5d；t為一天開(kāi)機(jī)時(shí)間，一般取18～22h，自流灌區(qū)取24h。
管道灌溉流量為管道設(shè)計(jì)流量，即管道控制面積內(nèi)作物實(shí)際需要的水量。水稻田灌溉流量計(jì)算公式如下：
Q= （2）
式（2）中Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/s；為設(shè)計(jì)灌水率，m3/（s*100hm2）；A為灌溉面積，hm2；ηs為該管道控制范圍內(nèi)的灌溉水利用系數(shù)，上海地區(qū)低壓管道灌溉一般可取0.80～0.85。
根據(jù)水稻田灌溉流量計(jì)算公式計(jì)算出每根支管的設(shè)計(jì)流量后，需要根據(jù)灌溉制度確定主管流量。根據(jù)水稻田面積大小，擬定灌溉制度，若水稻田按輪灌方式灌溉，主管的流量為各輪灌組中流量最大值，則主管的流量會(huì)偏小，設(shè)計(jì)工作水頭也會(huì)相應(yīng)偏小，反之不輪灌時(shí)，總流量為各支管流量之和，主管流量及設(shè)計(jì)工作水頭均會(huì)偏大。
3.4低壓管道系統(tǒng)的管徑計(jì)算
根據(jù)所擬定的灌溉制度、灌溉流量，結(jié)合所選管材的經(jīng)濟(jì)流速可以推算出初擬的管徑。計(jì)算時(shí)假設(shè)均為滿管流，則：
Q=VA （3）
式（3）中Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3；V為管道經(jīng)濟(jì)流速，m/s；A為管道截面面積，m2。
管徑計(jì)算出后，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算工作水頭，工作水頭包括出口工作水頭、管道沿程水頭損失、管道局部水頭損失。其計(jì)算公式為：
（4）
hj= （5）
式（4）中hf為管道沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，mm；Q為管道內(nèi)通過(guò)的流量，m?/s；b為管徑指數(shù)；m為流量指數(shù)；式（5）hj為管道局部水頭損失；ξ為管道局部阻力系數(shù)；V為管道流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。
根據(jù)以上公式，計(jì)算出工作水頭后，就可以根據(jù)下式計(jì)算泵站最大工作水頭。
�。�6）
式（6）中H總為泵站工作水頭，m；hi為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m；H0為管道出口水頭，m。
根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果及流量計(jì)算，推算出水源工程中泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)后，即可進(jìn)行下一步取水泵站的設(shè)計(jì)，本文主要介紹管道設(shè)計(jì)，對(duì)取水泵站設(shè)計(jì)不詳細(xì)介紹。 3.5低壓管道系統(tǒng)的管材選取
（1）鋼筋混凝土管
鋼筋混凝土管的特點(diǎn)是：節(jié)省鋼材，價(jià)格低廉，防腐性能好，不會(huì)減少水管的輸水能力，能夠承受比較高的壓力，具有較好的抗?jié)B性、耐久性， 能就地取材，節(jié)省鋼材。但鋼筋混凝土管重量大而質(zhì)地較脆，裝卸和搬運(yùn)困難，管配件缺乏，日后維修難度大。
�。�2）塑料硬管
地下輸水管道中硬塑管主要類型有：PE管、PVC-U管、ABS管等。
PE管優(yōu)異的性能特點(diǎn)為衛(wèi)生條件好；柔韌性好，抗沖擊強(qiáng)度高，耐強(qiáng)震、扭曲；獨(dú)特的電熔焊接和熱熔對(duì)接技術(shù)使接口強(qiáng)度高于管材本體，保征了接口的安全可靠。PVC-U管材不導(dǎo)熱，不導(dǎo)電，阻燃。突出應(yīng)用于高腐蝕性水質(zhì)的管道輸送，質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效果達(dá)到最佳。ABS管的主要優(yōu)點(diǎn)為耐腐蝕性極強(qiáng)、耐撞擊性極好以及韌性強(qiáng)。
�。�3）金屬管
現(xiàn)在應(yīng)用較多的金屬管為鋼管和給水球墨鑄鐵管。
鋼管的機(jī)械強(qiáng)度最好，可承受高的內(nèi)外壓力，管身可焊性強(qiáng)，方便制造各種管件、地形復(fù)雜及要求較高的管線使用，但易腐蝕是其最大缺點(diǎn)。給水鑄鐵管能承受較大工作壓力（0.45-1.00MPa）、耐腐蝕、價(jià)格便宜，管內(nèi)壁涂瀝青后較光滑，被大量用于外部給水管上，其缺點(diǎn)是質(zhì)硬而脆、重量大、施工困難。
在我國(guó)禁止用鍍鋅鋼管后，農(nóng)田水利灌溉低壓管道設(shè)計(jì)中PVC-U管和PE管成為了常用的管材。
4.結(jié)語(yǔ)
目前全世界的總耕地面積僅為15億公頃，有灌排設(shè)施的耕地面積僅占27%，卻生產(chǎn)出全世界55%的糧食，預(yù)計(jì)今后新增的糧食產(chǎn)量中80%至90%將來(lái)自有灌排設(shè)施的耕地。因此，在有條件的地方結(jié)合實(shí)際積極發(fā)展低壓管道灌溉，是今后農(nóng)田水利節(jié)水灌溉發(fā)展的大勢(shì)所趨。管道輸水僅減少了輸水過(guò)程中的水量損失，而要真正做到高效用水，還應(yīng)配套田間節(jié)水措施，以避免造成浪費(fèi)。低壓灌溉管道系統(tǒng)的投資在整個(gè)管道輸水系統(tǒng)投資中占的比重最大，因此，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)顯著降低工程投資，提高灌溉效益，今后要進(jìn)一步完善由給水拴或出水口向田間輸水壟溝灌水的配水裝置及配水技術(shù)，經(jīng)一步完善運(yùn)行管理制度，使低壓灌溉管道系統(tǒng)利用率達(dá)到最高。
參考文獻(xiàn)：
[1]薛克宗.國(guó)內(nèi)外壓力管道灌溉發(fā)展概況 [J].節(jié)水灌溉， 2003（1）： 35-37.
[2]吳景社.國(guó)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) [J].世界農(nóng)業(yè)， 2004（1）： 20-30.
[3] GB 50288-99（2008）灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4] 2012-2016年中國(guó)節(jié)水灌溉市場(chǎng)深度調(diào)研及投資前景戰(zhàn)略研究報(bào)告[R].北京：北京產(chǎn)業(yè)信息研究院，2012
