一、渠灌区发展管道输水的需要与可能国家对节水灌溉十分重视,要求大力普及节水灌溉技术。在“九五”期间建设300个节水增产示范县,以点带面,推动全国节水灌溉的普及,同时安排专项资金,用于大型灌区续建配套和技术改造,建设一批高标准的节水灌溉示范区,其意义重大。这对多年从事节水灌溉的技术人员是莫大鼓舞,深感责任重大。当前是发展节水灌溉技术的大好时机,机遇难得。
1.大中型灌区是我国生产粮食和棉花的生力军
水资源紧缺和水有效利用率低制约了我国农业的持续发展。目前渠灌区平均渠系水利用率约为50%,灌溉水利用率仅为40%。根据在井灌区推广低压管道输水灌溉的经验,以每公顷平均节水1800m3计(实际上渠灌区节水潜力比井灌区大得多),近期如有333.3万hm2通过灌区续建配套与更新改造,最少年节水60亿m3。经努力这一目标是完全可以实现的,对于高扬程提水灌区,节水即节电,这一效益尤为显著。
2.有必要对渠灌区实现管道输水
我国渠灌区大多数兴建于20世纪50-60年代,受到当时历史条件的限制,有不少工程当时只有骨干工程,缺乏田间配套工程,工程设施不全,经多年运行仍没有完全配套。已兴修的工程经多年运行,年久失修,工程老化严重。目前,全国有0.13亿hm2灌溉面积工程不配套,影响灌溉效益的发挥。灌区技术改造已提到重要议事日程上。根据我们在平原井灌区推广低压管道输水技术的经验,和近年少数渠灌区管灌试点取得的科技成果,在渠灌区实现管道输水,是必要的也是可能的。渠灌区管道输水,不但仍具有节水、减少土渠占有耕地、便于管理等井灌区管灌的一系列优点,而且由于管道埋在地下,避免了渠道混凝土衬砌冻胀问题。这一问题对“三北”地区尤为重要。据分析,其投资与明渠混凝土衬砌相当,并减少了地面桥涵建筑物。
3.渠灌区管道输水在国外的采用
发达国家新建灌区大都采用管道输水代替田间地面渠道,认为已是今后发展的趋势。美国:自20世纪20年代以来,管道输水发展较快。认为是最有效、投资省的一种节水措施,目前大型灌区约有一半左右实现了管道输水。美国管道灌溉系统中,地下部分多采用素混凝土管,地面采用柔性聚乙烯或铝管闸管系统。
前苏联:1985年以后,明确规定新建灌区都要实现管道化输水。一般从架空的U形渠槽的斗渠,通过虹吸管或管式放水口引水,引入地埋低压管网系统(相当于农渠)。地埋管道管材主要有钢筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管以及涂塑钢管等;毛渠采用移动式的薄壁钢管、铝合金管或尼龙布涂橡胶的软管作为输水管道。
日本:从60年代开始发展管道输水灌溉,旧灌区、干渠仍为明渠,支渠以下改为地下管道,采用明渠与管道相结合形式。而新建灌溉系统大都实现了管道化输水。日本是一个岛国,地形复杂,不少工程管道长几十公里,长距离输水,有的流量超过10m3/s,管径2m以上。专业工厂生产供应各类管材、管件,有较完整的技术标准和定型设计。1973年开始制定管道设计规范,经多次修订,1989年修订的规范我国已有译本。
以色列:以色列地处干旱沙漠地带,人均占有水资源量不足400m3。50年代,政府力排众多国际顾问提出的衬砌输水渠系的建议,现已基本实现了管道化输水灌溉。全国主要水系连接成统一水网,每年从北部太巴列湖抽水3.2亿m3,通过2.7m直径压力管道,以20m3/s的流量输送到以色列的南部,并把地表水、地下水和回归水互相连通,综合调节用水,并由国家统一管理。国家对供水实行严格配额制,在配额中,85%为平价水,15%为加价水,加价水比平价水高2-10倍,单方水生产粮食已达2.32kg(我国尚不足1.Okg),是世界上灌溉用水量最省的国家。
4.我国的现状
我国渠灌区管道化输水刚刚起步,虽有几处试点取得了初步技术经验,但仍处于试验阶段。这也表明,根据我国当前国民经济实力和我们的管灌技术发展水平,推行渠灌区管道输水已不是遥远的设想。但其技术比平原井灌区低压管道输水灌溉要复杂得多,绝不是简单地把井灌区管溉技术扩充到渠灌区加以引用的问题。目前还缺乏渠灌区管灌技术从规划设计、管材管件、施工技术到运行管理的一整套成熟经验,还不能像在平原井灌区那样大面积推广使用。其技术发展阶段,相当于平原井灌区管灌技术80年代中期水平,比井灌区管灌滞后了约10年左右时间。要想2000年以后推广应用,科技必须先行,现应下狠心把这项节水工程技术抓上去,经多处试点,取得成套技术经验,才有可能大面积推广应用。因此,实现我国渠灌区管道输水灌溉,是完全必要和可能的。
二、几个试点
1.河北冶河灌区试点
该试点为“八五”国家重点科技攻关项目内容之一,1994年秋完工。投入运行以来,取得了较好的经验和社会效益。试点位于河北省石家庄市西部太行山东麓,属山麓倾斜阶地,地形起伏较大。原有渠系工程年久失修,老化严重,部分耕地由于渠道送不上水而无法灌溉。根据当地条件,建立从干渠引水入管的自压式管灌系统,干管(相当于斗渠)为500钢筋混凝土管,支管为400双壁聚乙烯塑料管和300素混凝土管,采用开敞式管道系统,调压井具有调压和配水两项功能,总控制灌溉面积72hm2。属老灌区改造配套工程,其效益如下:
(1)节水。经实测,管灌比原土渠输水节水49%,每公顷年节水2925m3。
(2)节地。原斗渠、农渠破损严重,所占耕地较多,埋设管道后节约了耕地,提高了土地利用率。
(3)便于管理,省工。管灌工程建成后,由一人负责维修管理。全年按放水5次计,灌水周期由原5天减为2天,省工41%。
(4)增产效益。实施管灌后,增加灌溉面积,提高了灌溉质量,小麦每公顷增产300kg,玉米每公顷增产150kg;增加灌溉面积11.71hm2,合计增产粮食10.6万kg,增产12.6%。
1995年8月,该地区普降暴雨,灌区工程冲毁严重,试点内由于管道埋在地下,工程遭受洪水袭击完好无损,秋冬即恢复灌溉,深受当地群众欢迎。
2.陕西省桃曲坡水库试点
该试点为国内较早水库管灌试点之一,桃曲坡水库灌区位于渭北,原控制灌溉面积近2万hm2。灌区工程不配套,工程老化,水资源浪费严重。试点选在西干渠十斗,原规划试点控制灌溉面积63.7hm2,由于资金不到位,只实现原规划部分管灌。在干渠建进水闸一座,埋设分管一条(石棉水泥管)长为348m,下设三条引管长为540m,出水口16座,节制闸三处,每公顷平均投资4050元(1990年价)。经测试节水750m3/(hm2·次)。管道输水快,缩短了灌水时间,缓解了上下游用水矛盾。由于没有选用低压管道,而选用中高压石棉水泥管,试点投资较高(1990年价)。该试点探讨了利用有利地形条件,优先发展自压式管灌系统的途径。
3.甘肃景泰川高扬程灌区管灌试点
景泰川电力提黄二期工程,距兰州市北178km,东临黄河北与腾格里沙漠接壤,沿古长城脚下,由东向西,横跨景泰、古浪两县。干旱制约着该地区农业生产发展,是为解决甘肃中部干旱贫困地区人民群众生活温饱问题而兴建的灌区。
总灌溉面积3.47万hm2,平均提水高度545.52m,最大提水高度612.8m,多级提水共泵站30座。1984年开工,现已基本建成,支渠以上渠道全部为混凝土衬砌。试点位于灌区末端花庄东分支,面积为141.1hm2。从黄河引水到试点共经19级泵站,总扬程为709.14m,支渠以下灌溉工程属新建工程。这里水贵如油,节水即增产粮食,节水就是节约能源。
1994年秋冬试点建成,并进行了现场测试。铺设13条输水管道(相当于斗渠)。埋设塑料管(150)9017m,平均材料及设施费2220元/hm2(1993年价)。经测试,每公顷次节水600m3、节电2157kW·h,按年灌水五次计,年节水3000m3/hm2、节电10785kW·h/hm2,节约能源降低灌溉成本,节水节电效益极其显著。几年来运行正常,管道还没发生淤积现象。表明管道技术在高扬程引黄灌区,大有发展前景。
4.其他试点
山东省在阳谷县、梁山县分别建立引黄管灌试点,也取得相应科技成果和经验。梁山县引黄管灌面积已达0.27万hm2,所用自制大口径(400-600)管材。节水429m3/(hm2·次),节地20%,灌溉周期从原20天缩短为5~9天,灌水及时,粮棉增产15%。管道输沙入田,提高土壤肥力。也是引黄灌溉处理泥沙淤积有效途径之一。在陕西东雷抽黄灌区,建立40hm2管灌试点,探讨了低压管道输送浑水有关技术问题,经3年运行,认为在该地区运用低压管道输水灌溉,技术上是可行的。西北水科所承担的《渠灌区浑水低压管道灌溉试验工程》,已通过技术鉴定。南北方还有其他试点,就不一一列举了。
三、关键技术问题
1.管道输水灌溉模式
平原井灌区低压管道输水灌溉,每眼机井控制面积6.67—13.3hm2,1—2级输配水管网,管道系统最大压力一般不超过0.2MPa,地形平坦,其技术相对比较简单。在渠灌区(水库自流灌区,大中型机电扬水灌区)发展管道输水灌溉要比井灌区难度大,技术复杂得多,渠灌区管灌控制灌溉面积较大,所需管径大,管网级数多,地形复杂,管道压力分布复杂。因此应研究自流灌区和大中型机电提水灌区经济合理的管网布置形式,适宜的地形坡度上下限,自压和加压输水方式以及技术经济条件,研究适应不同条件和经济发展阶段的管灌模式。
考虑到我国当前的经济条件和渠灌区管灌技术水平,北方渠灌区发展管灌当前首先应以斗渠及其以下控制的田间渠系为重点,干、支渠道仍宜采用衬砌防渗工程措施。按其压力首先应选择有自然水头的渠道,采用自压式管灌系统。这种型式的管灌不用另外加压,投资省,管理费用也低。靠地形落差提供自然水头,满足自压式管灌压力要求的地形条件,在北方渠灌区是普遍存在的。对于经济条件较好的大城市郊县,也可适当发展一些管渠结合的机压式管灌系统。
2.大管径管材与管件
管材及其配套管件是管灌系统的重要组成部分,其投资约占总投资的70%-80%,渠灌区管灌要发展,必需有适合于农村的低价优质管材和管件。因地制宜经济合理地选用管材、管件,是发展渠灌区管灌的关键技术问题。当前市场上还没有适于发展渠灌区管灌管径大于400的管材和管件,工业和城建部门所用的管材和管件造价高,难以推广。
应在城建部门所用管道的基础上,研制适于农村优质的中、低压管道,并使造价大幅度降低。近年,一些地区在井灌区管灌应用的现场连续浇筑管技术,这是解决渠灌区所用大管径的途径之一,但其制管技术有待改进提高。如能引进国外设备,可以少走弯路。
3.输配水管网优化设计方法
研究输水管网的输水方式,多级管网水力计算与防水击技术措施,配水管网的配水方式以及配水管网布设形式等。建立不同类型输配水管网系统运行动态数学模型,为灌溉管理提供依据。
四、建议
(1)建议把渠灌区管道输水灌溉技术列入节水灌溉重要内容,并作为灌区续建配套和改造工程措施之一。
(2)结合“九五”国家300个节水重点县以及大型灌区续建配套高标准节水灌溉示范区的建设,建立几种类型渠灌区管道输水灌溉试验示范点,包括:水库自流灌区,西北高扬程提黄灌区,黄河中下游引黄灌区以及南方河网灌区等,以取得成套技术经验。
(3)建议引进国外先进的现场连续浇筑混凝土制管设备与技术,以填补国内技术空白。