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白河堡水庫灌區是北京市十大灌區之一，灌區內有輸水干渠4條，總長度92.12公里，控制灌溉面積32.4萬畝，是延慶縣最大的自流灌區。灌區原規劃支渠82條，1998年前建成43條，全部都是漿砌石或砼襯砌渠道。由于襯砌渠道有輸水損失大、占地多、對地形起伏變化適應能力差、受凍脹影響變化大、維修管理困難、使用壽命短等多方面的缺陷，因而從1998年至2002年白河堡水庫灌區進行節水改造時，我局根據干渠大部分渠段都在高處與田間落差大，適合自壓管道輸水灌溉這一特點，在支渠建設中，改變傳統的襯砌渠道方式，配套自壓管道灌溉系統，在節水、節能、節地、省工、便于管理等方面取得較好的效果。實踐證明，自壓管道灌溉系統是一項值得在灌區節水改造中推廣應用的技術。

1．自壓管道灌溉系統的機理和組成

1．1自壓管道灌溉系統的機理

自壓管道灌溉系統就是利用地形的自然高差形成的壓力水頭，通過管道輸水到田間的節水灌溉系統。它突出的特點就是充分利用自然壓差，形成壓力管道系統，不需要消耗電能就可配套低壓管道灌溉、噴灌、滴灌等節水灌溉設施。

1．2自壓管道灌溉系統的組成

自壓管道灌溉系統包括：水源、首部樞紐（攔污柵、閘門、量水設備、輸水渠或管、沉沙池和壓力池）、輸水管網系統、田間灌溉系統。

首部樞紐的作用主要是保證有足夠的水量供應，同時，保證水質清潔，避免管網堵塞。

2．自壓管道灌溉系統的規劃和設計

2．1需要收集的基本資料

自壓管道灌溉系統規劃設計之前，必須收集以下基本資料，作為設計的依據。

1地形地貌；地理位置

灌區內地理位置基本地形和地貌要在局部地形圖上標出，并繪出管網的走向及有關設施的位置。

2氣象

灌區內的多年降水量、蒸發量、主風向及風速，最高、最低、平均氣溫，無霜期的長短，日照小時數。

3土壤特性

土壤質地，耕層厚度，養分狀況。

4灌區內主要作物分布

灌區總面積，農作物種類，種植比例，各種作物的種植面積。

5經濟情況

規劃區內人口，勞動力，耕地面積，產量，人均收入，交通狀況。

6管道材料

管道材料性能，生產廠家，管材類型。

2．2系統設計內容

自壓管道輸水灌溉工程設計主要包括八個方面的內容。

1確定管道長度及走向，并繪制管道縱斷面圖。

2灌溉制度的制定。計算灌水定額，灌水周期。

3水量平衡分析。根據灌溉面積確定供需水量。

4管道布局。確定管網的走向、管道各段的長度。

5確定灌溉方式、灌溉工作制度。

6管道水力計算。確定管網入口的工作壓力、管道水頭損失、管徑的大小；管道內流速校核。

7工程概算。

8經濟效益分析。

2．3系統管網布置及灌溉制度的確定

1管網布置

管網布置的合理與否，對工程投資、運行狀況和管理維護有很大影響。一般管道布置應遵循以下原則。

Ⅰ、充分利用壓力水頭。

Ⅱ、力求管道總長度短、管線平直，減少折點和起伏。

Ⅲ、灌區內田間固定管道的長度宜為6－10米/畝。

Ⅳ、支管道走向宜平行于作物種植方向。支管間距單向控制時不應大于75米，雙向控制時不應大于150米。

2灌溉制度的確定

灌溉制度是根據作物生育期內一定的氣候、土壤和耕作技術條件為獲得高產穩產進行適時適量灌水的一種制度。其內容包括灌水定額、灌溉定額、灌水時間及次數。

Ⅰ、灌水定額的確定

在管網設計中，采用作物生育期內各次灌水量中最大的一次作為設計灌水定額。對于種植不同作物的灌區，通常采用設計時段內主要作物的最大灌水定額作為設計灌水定額。

一般灌水上限按田間持水量的85～95%計算，下限按田間持水量的55～65%計算。

灌水定額按式2—3—1計算。

2—3—1

式中：—設計灌水定額，mm、m3／畝；

—計劃濕潤層深度，cm；

—田間持水率；

1、2—土壤適宜含水量上、下限；

土、水—計劃濕潤層土壤干容重、水容重，t／m3。

Ⅱ、灌水周期的確定

根據灌水臨界期作物最大日需水量值，按式2—3—2計算理論灌水周期。因為，實際灌水中可能會出現停水、配水設備故障等原因，故設計灌水周期應小于理論灌溉周期。

T理=m／Ea＞T設2—3—2

式中：T理—理論灌水周期，d（天）；

Ea—控制區內作物最大日需水量，mm／d；

T設—設計灌水周期，d（天）；

m—同前。

控制區內種植不同作物時，按式2—3—3求權法計算理論灌水周期。

2—3—3

式中：T理、m—同前；

A—系統設計灌溉總面積，畝；

Eai、Ai—設計時段內不同作物最大日需水量、作物種植面積，mm／d、畝。

Ⅲ、灌水設計流量的確定

根據灌水定額、灌溉面積、灌水周期、每天工作的時間和灌溉水利用系數計算灌溉設計流量。用式2—3—4計算。

2—3—4

式中設—灌溉設計流量，m3／h；

m、A、T—同前；

—灌溉水利用系數，一般取0.80－0.90；

t—每天工作的時間，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計算。

Q供＞Q需2—3—5

式中：Q供—水源供給水量，m3；

Q需—灌溉需水量，m3。

為了達到規劃區內節水增產的目的，應采用先進的節水灌溉技術，減少灌水定額。當出現供水量小于需水量時，應開辟新的水源。無新水源時應重新調整作物結構布局或減少灌溉面積。

3灌溉工作制度

傳統灌溉方式是續灌和輪灌相結合的方法，即：支管之間采用輪灌，支管內采用續灌。

Ⅰ、系統輪灌組數目的確定，用式2—3—6計算

N=int（nq／Q設）2—3—6

式中：N—系統輪灌組數；

n—系統出水口總數；

q—出水口的出水量，m3／h；

int—取整符號；

Q設—同前。

Ⅱ、出水口實際出水量計算，按式2—3—7計算

q=NQ設／n2—3—7

式中：所有符號同前。

Ⅲ、同時工作出水口數目的確定，按式2—3—8計算

X=int（n／N）2—3—8

式中：X—同時工作的出水口數

其它符號同前。

Ⅳ、每個輪灌組工作時間，按式2—3—9計算

tN=T／N2—3—9

式中：tN—每個輪灌組工作時間，h；

T、N—同前。

2．4水力計算

1管網各級管道的流量計算

在管網管道流量計算時，采用自下而上的方式推求各管段的流量。

Ⅰ、支管流量的確定

根據輪灌組及出水口的水量，同時工作的出水口數，計算支管道的流量。

2—4—1

式中：支—支管進口流量，m3／h；

—支管控制的出水口數；

—同前。

Ⅱ、干管流量的確定

干管內的水量是同時工作支管水量的總和。即：

2—4—2

式中：干—干管進口流量，m3／h；

干—干管控制支管數；

支—同前。

2管網水力計算

Ⅰ、給水栓工作水頭

在采用移動軟管灌溉系統中，一般軟管直徑為φ50～φ100，長度不超過100米。此時給水栓工作水頭用式3—4—3計算。

Hg=hyf+△Hgy+（0.2～0.3）2—4—3

式中：Hg—給水栓工作水頭，m；

hyf—移動軟管沿程水頭損失，m；

△Hgy—移動軟管出口與給水栓出口高差，m。

當給水栓直接配水入渠道時：Hg=0.2～0.3，m。

Ⅱ、管網各管段管徑的確定

自壓管網水力計算是根據：設計水量、管網入口壓力確定管網中各級管徑，各節點壓力。最后選用與計算出的管徑接近的商用管徑。管徑選定后要進行不淤流速（一般取0.5m／s）和最大允許流速（通常限制在2.5～3.0m／s）校核。

為了充分利用自然水頭，其管徑用式2—4—4計算。

2—4—4

式中：—管道內徑，mm（m）；

—沿程水頭損失摩阻系數；

—管道內設計流量，m3/h（m3/s）；

—流量系數；

—管徑系數。

—平均水力坡度。為管段上游節點與下游節點水頭差除以管段長度。

經濟流速的確定原則：

通過流量大時，應選擇較小值；反之，應選擇較大值。干管選擇較小值，支管選擇較大值。

Ⅲ、管網水頭損失計算

沿程水頭損失計算：

根據選定的管材、管徑、設計流量、管道長度，按式2—4—5計算其沿程水頭損失。

2—4—5

式中：—管道沿程水頭損失，m；

—管道長度，m；

—管道內設計流量，m3/h（m3/s）；

—管道內徑，mm（m）；

—沿程水頭損失摩阻系數；

—流量系數；

—管徑系數。

地面軟管沿程水頭損失通常采用塑料硬管計算公式計算，然后，乘以一個系數1.1～1.5。

局部水頭損失一般以流速水頭乘以局部水頭損失系數來表示。

2—4—6

式中：—管道局部水頭損失，m；

—管道局部水頭損失系數；

—斷面平均流速，m/s；

—重力加速度，m/s2。

一般為簡化計算，按沿程水頭損失的10%～15%計算。

3輸水管道性能的選擇

Ⅰ、輸水管道設計要求的工作壓力確定。管材允許工作壓力應為管道最大正常工作壓力的1.4倍。當管道可能產生較大水擊壓力時，管材的允許工作壓力應不小于水擊時的最大壓力。

Ⅱ、管壁要均勻一致。

Ⅲ、管材內壁要光滑。

Ⅳ、管與管、管與管件連接要方便。

2．5水擊壓力計算與保護裝置

1水擊壓力計算

Ⅰ、水擊波傳播速度

=2—5—1

式中：—水擊波傳播速度（e/d＜1/20＝，m/s；

—。K：水的體積彈性模量，KN/m2；E：管材縱向彈性模量，Km/m2；

—管徑，m；

—管壁厚度，m。

Ⅱ、水擊類型判別

水擊相時按式3—4—8計算。當閥門關閉歷時不大于一個水擊相時，此時所產生的水擊為直接水擊。反之，則為間接水擊。

2—5—2

式中：—水擊相時，s；

—計算管段長度，m；

—同前。

Ⅲ、水擊水頭的確定

直接水擊水頭：2—5—3

間接水擊水頭：2—5—4

式中：—直接水擊水頭，m；

—間接水擊水頭，m。關閥門為正，開閘門為負；

—閘門前水的速度，m/s；

—關閉閥門的時間，s；

、、、—同前。

2防止水擊壓力的措施

Ⅰ、操作運行中應緩慢啟閉閥門，以延長閥門啟閉時間，從而避免產生直接水擊，并可降低間接水擊壓力。

Ⅱ、由于水擊壓力與管內流速成正比，因此，在設計中應控制管內流速不超過最大流速限制范圍。

Ⅲ、由于水擊壓力與管道長度成正比，因此，在設計中可隔一定距離設置具有自由水面的調壓井或安裝安全閥和進排氣閥，以縮短管道長度，削減水擊壓力。

3安全保護裝置

管道輸水灌溉系統的安全保護裝置主要有進（排）氣閥、安全閥、調壓裝置、逆止閥等。

Ⅰ、進排氣閥的選擇

進排氣閥按式2—5—6選擇。一般在順坡布置安裝在管道系統首部，逆坡布置時在管道系統尾端，安裝在管道系統的凸起處，管道朝水流方向下折及超過10度的變坡處。

2—5—6

式中：—進排氣閥通氣孔直徑，mm；

—被保護管道內徑，mm；

—被保護管道內水流速度，m/s。

Ⅱ、安全閥

安全閥是一中壓力釋放裝置，安裝在管路較低處，起超壓保護作用。

3．自壓式管道輸水灌溉管理及技術要求

自壓管道灌溉工程同其它水利工程一樣，必須正確處理好建、管、用三者關系。建是基礎，管是關鍵，用好增產是目的。在保證管道系統建設質量的前提下，只有管好用好才能充分發揮效益。

3．1管理制度

自壓管道灌溉系統也需要有完善的管理制度，如果沒有一套與其相適應的管理措施，也是不能正常運行的。要從以下四個方面完善管理制度：

1建立健全管理組織；

2依法管水；

3實行管理責任制；

4建立管理考核標準

3．2自壓管道灌溉系統運行技術要求

1灌溉前必須首先打開應澆地塊的給水栓，每條主管道打開的給水栓數不少于3個。

2打開給水栓后，再開進水閘，閘門開啟度應根據渠道水位，滿足管道用水量，待壓力池水位和堰頂一平，穩定為好。

3灌溉結束后，先關閉進水閘，然后再關閉給水栓。

4冬灌結束后，必須將管道內的水排掉，防止凍壞管道。

5用前必須做好管道的檢修工作。

4．自壓管道灌溉系統效果分析

自壓管道灌溉系統與明渠灌溉相比具有以下優點：

1節水、節能

自壓管道灌溉系統輸水損失小，渠系水利用率達95%以上，比土渠提高30%，比防滲渠道提高5%，綜合節水達40%左右。

由于用管道輸水，減少了滲漏和蒸發損失，綜合節能在20%～30%。

2省地、省工

自壓管道灌溉系統中管道埋入地下，比明渠灌溉減少占用耕地2%，對土地資源的充分利用有著重要意義。

管道灌溉不僅能減少大量的田間建筑物，而且還可以實現規范化、系統化；輸水時間短，縮短了輪灌期，節省了工日。

3適應性強、管理方便

自壓管道灌溉系統是有壓供水，可適用于各種地形，如：越溝，跨路，拐彎和爬坡等。

管道灌溉設備比較簡單，技術容易掌握，管理方便，用水量便于控制和計量，并為農業機械化、自動化的發展創造了有利條件。

4使用壽命長

管道埋入地下，塑料管不易老化、不宜腐蝕、不宜破壞，一般使用壽命在50年左右。

5．典型工程效益分析

香營鄉3000畝蔬菜基地自壓管道節水灌溉工程，以白河堡水庫北干渠為水源地，設首部沉淀過濾池和調節池各一座，配套φ315管2410米，φ200管4000米，φ160管650米，φ110管35700米，出水口640套。自壓管道節水灌溉系統完成后，項目區的面貌發生了根本性變化，灌溉條件得到明顯改善。經濟效益、社會效益、生態環境效益有了顯著變化，在全縣的節水灌溉建設和管理上起到了真正的示范樣板作用，對延慶縣農業產業機制改革和農業種植結構調整具有深遠意義。

5．1經濟效益分析

通過節水灌溉工程的建設，改善了當地的農業生產條件，結合農業種植結構調整和名、特、優、新品種的發展，必將會提高農產品的產量和質量，增加當地農民收入。

1增產效益

農田實行節水灌溉后，由于減少了渠道和田埂占地，可增加作物有效種植面積，并能適時灌水，提高灌水質量，提高作物產量和品質。每畝按2000Kg產量，單價按1.2元/Kg計，每畝年增加收入1250元，每年可增加收入375萬元。

2節水效益

與土渠灌溉相比，自壓管道灌溉每畝每年可節水100m3；項目區年節水總量為30萬m3。每方水按0.12元計，可節約水費開支3.6萬元。節水轉移效益按每方水0.08元計，每年可增加效益2.4萬元。

3省工效益

管灌每畝每年可節省人工3工日，項目區每年節省人工9000工日，節省人工支出18萬元。

4節地效益

據測算，管灌可增加有效種植面積5%左右，項目區可增加有效種植面積150畝。

實踐證明，自壓管道灌溉系統節水效果明顯，減少了水資源的浪費，緩解了當地的水資源供需矛盾，提高了當地的灌溉水平和農業抗御干旱災害的能力，促進了農業產業制度改革和農業種植結構調整。運用自壓管道灌溉系統后，每年節約用水30萬m3，節約的水為社會經濟的其他發展提供了良好的基礎。同時，項目區內外部環境和整體面貌也將發生根本性變化，不僅豐富了城鄉居民的“菜籃子”，還綠化美化了環境，改變了當地農民的生產意識。使農民認識到節水改造的好處，深深體會到水利是農業的命脈，只有水利設施的發展，才能改變農業的面貌，才能富裕農民。

5．2生態環境效益分析

項目區應用自壓管道灌溉系統以后，使得當地種植結構得到了調整，水土流失得到有效控制，土地成方連片，糧果豐收，綠樹成行，水資源供需矛盾得到緩解，環境優美。同時，水土資源的利用更趨于合理，并可以把當地的種植、養殖、加工和旅游有機地結合起來，以開發促旅游，旅游促發展的生態農業雛形基本形成，項目示范區當地的生產生活環境面貌煥然一新。采用節水措施，減少農業用水量，相應減少了對地下水的開采量，對涵養補充地下水起到一定作用，節約的地表水，可增加對官廳水庫的補水，對恢復官廳水庫飲用水源功能有著重大意義。

6．結束語

延慶縣作為京郊山區農業縣，農業的發展在很大程度上依賴于灌溉。發展節灌，改變干旱山區“干旱缺水”造成農民收入減少的局面，建立節水型社會，必須以水利基礎設施建設作后盾，從改變設施，改變灌水方法，改變節水思路為出發點，大幅度提高農業水利用率和田間單方凈耗水量的農作物產出率是我們工作的出發點和落腳點。國家大力倡導農民進行農業結構調整，而我縣可利用水資源相對短缺的情況，成為制約農業發展與增加農民收入的主要因素。解決缺水問題，減少耗水作物，發展高效農業，就需要高起點、高標準、高效益的節水灌溉工程。

我局結合白河堡水庫灌區節水改造，先后在小浮坨、大浮坨、新保莊、延慶鎮西北片、張山營鎮等地區建成了多處自壓管道灌溉系統，這些工程目前運行狀況良好，效益顯著。在水資源日趨危機的今天，應充分發揮自然優勢，多搞一些自壓式節水灌溉工程。為實現延慶縣經濟社會的可持續發展和“再造一個山川秀美的新延慶”宏偉目標需要廣大水利科技人員及當地群眾繼續積極探索實踐，為進行一次全新的技術革命而努力。