2.3 灌区灌溉管道系统

随着喷灌、滴灌、微喷灌，渗灌和低压管道输水—地表灌溉等现代先进灌溉方式的出现和应用，以及农业机械化的发展，越来越多的灌区采用管道系统输水和配水，以节省农田，便利机耕。灌溉管道系统与灌溉渠道系统相比，有以下几个方面的优点：

（1）由于输配水部分（管网）大部分或全部埋在地下，一般可以少占7%～13%耕地，提高了土地利用率，并减少了对交通和耕作的影响。

（2）在工程完好的情况下，可以基本没有输水损失（渗漏损失和蒸发损失），节约了用水，提高了灌溉水利用系数，同时也可以避免因渠道浸水渗水而引起的盐渍化和冷浸田等问题。

（3）由于管道不但可以输送无压水，还可以输送有压水，这样不仅可以适应地面灌水方法的需要，还能符合喷灌，滴灌，微喷灌等有压灌水方法的要求。

（4）使用方便，便于控制，便于与施肥和施农药等结合，便于实现自动化。

（5）管道不一定要布置在最高处，不仅可以下坡也可以上坡布置。在地形复杂的情况下工程量小。

（6）杂物不易进入管道，减少了清淤的工作量；也不存在杂草的问题，所以管理劳动量少。

2.3.1 管道系统的组成

灌溉管道系统是从水源取水经处理后，用有压或无压管道网输送到田间进行灌溉的全套工程，一般由首部枢纽、输配水管网、灌水器等部分组成。

1.首部枢纽

首部枢纽的作用是从水源取水，并进行处理以符合管道系统与灌溉的要求。主要包括水量，水压，水质三方面。水量需根据水源总量、灌区需水量、管网水头损失等因素综合确定。灌溉水需具有一定压力，一般是用水泵机组（包括水泵和动力机）来加压。为使水质能达到要求，常用过滤或沉淀设备除去水中的固体杂质，用添加某些化学药剂的办法来杀死微生物和藻类或改变水溶液的化学组成。不同的灌水方法，对水质与水压要求不同，首部枢纽所包括的设备也不同。

2.输配水管网

根据灌区的大小及地形条件，管网一般分成干管，支管，毛管等几级。对于滴灌和微喷灌系统的末级管道一般为毛管，而对于喷灌系统的末级管道则为支管。管网由直管，管件和控制部件组成。管网的基本形状分为环状管网和树枝状管网两种。

（1）环状管网。

管网有一部分（某一级）形成环状，这样可以使管网压力分布均匀，保证率较高，在环状管道有部分损坏时，管网大部分仍可正常供水，但是在多数情况下会增加管道的总长度而增加投资，适用于随机用水或泡田等用水量较大的情况。

（2）树枝状管网。

管网是逐级向下分枝配水，成树枝的形状，如果上一级管道损坏，以下管道就只好停止供水。这种管网的管道总长一般较短，因此现在大多数灌溉系统都用这种管网。除上述两种基本形式外，有时还采用两者结合的混合形式。

3.灌水器

是直接将水均匀地分布到田间和湿润土壤的设备或装置。对于不同的灌水方法采用不同的灌水器。喷灌的灌水器是喷头、滴灌—滴头、微喷灌—微滴头、渗灌—渗头。

2.3.2 管道系统的分类

灌溉管道系统形式很多，特点各异，一般可按照以下几个特点来进行分类。

2.3.2.1 按结构形式分类

1.开敞式

在管道上下游高差不太大，可在一些重要位置设置有自由水面调节井的管道系统形式。调节井除具有调压作用外，一般还兼有分水功能。适用于低压管道输水的地面灌溉系统。

2.封闭式

水流在封闭的管道内连续流动。管内可以保持一定的压力，只有打开给水栓才能向外供水。适用于喷灌，滴灌等需要较高压力的灌水方法。

3.半封闭式

在输水过程中使用浮球阀等来控制阀门启闭的一种输水形式。这样可以避免无效放水，适用于水田灌溉系统。

2.3.2.2 按工作压力分类

工作压力是在正常工作状态下系统内水流的压力。不同的灌水方法要求在管网中保持不同的压力范围，而不同的工作压力对系统的结构与所用的管材有很大的影响。因此按工作压力对灌溉管道系统进行分类便于设计与管理。

1.无压灌溉管道系统

管道内水流有自由表面。其管材主要承受外面的土压力。由于管道是埋在地表以下，如在管内为无压流，则无法自流灌溉地表，要灌溉就要另加动力和水泵提水或临时提高水位，常用来为移动式喷灌机组供水或进行地下渗灌，其他情况用得比较少。

2.低压灌溉管道系统

其工作压力一般为200kPa以下。管内水流为有压流，所以水能从出流口自流溢出，进行地面灌、滴灌，或在地下进行渗灌。

3.中压灌溉管道系统

其工作压力一般为200～400kPa。可以用于滴灌，微喷灌和中、低压喷灌。

4.高压灌溉管道系统

工作压力在400kPa以上。由于压力较高所以对管道的强度要求较高，主要用于中、高压喷灌。

2.3.2.3 按照各部分在灌溉季节中可移动程度分类

1.固定式灌溉管道系统

除个别外，所有各组成部分在整个灌溉季节中，甚至常年都是不动的。管道多是埋在地下。这种系统的全部设备在一个灌溉季节中只能在一块地上使用，所以需要大量管材，单位面积投资高。

2.移动式灌溉管道系统

整个灌溉管道系统是可移动的，灌溉季节中轮流在不同地块上使用，非灌溉季节集中收藏保管。这样提高了设备利用率，降低了单位面积的投资，只是移动的劳动强度大，而且如果管理不善，设备极易损坏。

3.半固定式灌溉管道系统

又称半移动式灌溉管道系统。其组成部分有些是固定的，有些是移动的。最常见的是首部枢纽和干管是固定的，而末级配水管（支管和毛管）和灌水器则是可以移动的。由于首部枢纽和干管最笨重，固定下来就可以大大减少移动的劳动量。而末级配水管一般较轻，而且所占投资的比例又大，所以使之移动的劳动强度相对较小，而又可节约较多的投资。这样系统综合了固定式和移动式灌溉管道系统的优点，又在一定程度上克服了两者的缺点，因此使用最为广泛。至于哪些部分固定，哪些部分移动，则可在设计时根据具体情况经过经济分析，技术比较加以确定。

2.3.2.4 按灌水方法分类

不同灌水方法的灌溉系统，其主要区别在于采用不同的灌水器，所以按灌水方法分类，实际上也就是按灌水器分类。由于灌水器不同，压力也就不同，对水质的要求也不同，所以管道规格，布置与首部枢纽的组成也都不相同，因此有一种灌水器就有一种灌水方法，就有一种灌溉系统，常见的有以下几种：

1.喷灌系统

采用喷头作为灌水器，一般要求工作压力较高，所以常采用的是高压或中压灌溉管道系统。

2.滴灌系统

采用的灌水器是滴头或滴灌带。要有中压灌溉管道系统与之配合。主要由塑料管构成输配水管网。

3.微喷灌系统

以微喷头作为灌水器，采用中压灌溉管道系统。和滴灌系统相似，各级管道均采用塑料管。

4.低压管道输水地面灌溉系统

利用低压管道将水一直送到田间，而在田间仍为畦灌或沟灌，有时还采用闸门孔管在各灌水沟之间配水。

2.3.2.5 按压力的来源分类

灌溉管道系统多数是有压的，按其压力来源的不同可以分为自压和机压两大类：

1.自压灌溉管道系统

一般是水源的水面高程高于灌区的地面高程，用压力管道引到灌区就具有一定的压力，如这压力已能满足灌区内输水水头损失与灌水器工作压力的要求，就可不另外加压而构成自压灌溉管道系统。

2.机压灌溉管道系统

在水源的水面高程低于灌区的地面高程，或虽然略高一些但不足以形成灌区所需要的压力。这时就要利用水泵加压，以形成足够的压力。

以上是仅按某一特点来分类，而在生产实际工作中有时也有按三个或两个特点来分类的，例如固定式喷灌系统，半固定式滴灌系统，移动式微喷灌系统，自压喷灌系统等。

2.3.3 管道的种类及附件

管道是灌溉管道系统的主要组成部分。按照管道的使用条件，可以将灌溉管道分成固定式和移动式两大类：固定管道，即在灌溉季节中始终不移动的管道，多数是埋在地下，也有的在灌溉季节铺设在地面上，灌溉季节后立即拆除。移动管道是在灌溉季节中经常移动的管道，如移动式管道系统中的管道和半固定式管道系统中的末级管道。

固定管道包括水泥土管，素混凝土管，圬工涵管，石棉水泥管，塑料管，钢筋混凝土管，铸铁管和钢管。

移动管道按其软硬程度可以分为三种：一种是软管，用完后可以卷起来移动或收藏，体积小，运输方便。这样每节可以较长，一般10～50m，各节之间用快速接头连接；另一种是半软管，这种管子在水放空后横断面还基本能保持圆形，也可以卷成盘状，但盘的直径较大（1～4m）；第三种是硬管，为了便于移动，每节不能太长，一般6～9m，要用较多的快速接头。

在灌溉管道系统中，除直管和接头外，还要有一些特殊的配件，这些配件可以分为两大类，一是控制件，二是连接件。

1.控制件

控制件的作用是根据灌溉的需要来控制管道系统中水流的流量和压力。

（1）给水栓：是半固定式系统中固定管道和移动管道之间的连接部分，一般包括阀门和快速接头两种。不用时由阀门封闭。当要连接移动管道时，将快速接头接上，打开阀门就可以给移动管道供水进行灌溉。

（2）阀门：用以控制管道的启闭与调节流量的配件，按工作压力大小可以分为低压阀（＜1.6MPa），中压阀，高压阀和超高压阀。按结构分类则较多，常用的是闸阀，截止阀和球阀。

（3）安全阀：是用于排除管内超过规定的压力，例如在喷灌系统中阀门关闭太快就会造成闸门前管段压力突然上升，装了安全阀即可消除水锤，防止事故的发生。

（4）逆止阀：是一种根据阀前阀后压力差而自动启闭的阀门。它使流体只能沿一个方向流动，当要反方向流动时则自动关闭。

（5）空气阀：当管道系统开始工作时，在系统的最高位置和隆起的顶部，常会积累一部分空气无法排出，这样一方面影响了过水面积，另一方面，当水流流速变大时，又会带动一部分空气在管内移动而发生水力冲击。为消除这种现象，就要在这些部分安装空气阀，在系统充水时将空气排出，而在管内充满水后自动关闭。

（6）流量调节器：是用于自动调节流量的设备。当管道上压力增大时，有弹性的橡皮环过水孔缩小，当压力减小时橡皮孔扩大，这样当压力变幅在80m水头之内可以保证通过的流量差不超过设计值的10%。

（7）配水井：主要用于无压管网，也可用于低压管网起配水与联接干管和支管的作用，如管径较大也可作为检修管道的进出口。

（8）放水井：也是无压管网或低压管网的控制设施之一，管网内的水由此流到地面进行灌溉。

2.连接件

连接件的作用是根据需要将管道连接成一定形状的管网，也称为管件。

（1）三通和四通：主要用于上一级管道与下一级管道的连接，对于单向分支的用三通，对于双向分支的用四通。

（2）弯头（又称弯管）：是转弯或改变坡度时用的，一般按转角中心角的大小分类。

（3）堵头：用于封闭管道的末端，其形式，对于小口径管道可用螺丝封闭，大管可用盖板式堵头，需要经常取下的堵头可用快速接头联接。

2.3.4 管道量水基本原理

管道测流可以利用流量计，流速仪等设备进行，其基本原理可以归纳为两类。一类是通过测量一定时间内流体通过的体积或重量，称之为体积法，如容积法、重量法、往复式活塞测量法及盐水浓度法等。体积法虽然看来是一种古老原始的测流技术，但它的测流结果可以进行十分严谨精确的误差估算，因此常把体积法作为标准的流量测量手段。另一类通过测量流速和过流面积来计算通过的流量，而流速的测量又分为测量点流速和直接测量断面平均流速的方法，这种方法称之为速度法，如流速仪法、毕托管法、五孔球形探针法、均速管法等。这些具体的量水仪器其原理在本书后面章节中均有详细介绍，本节介绍一种用有压管道出流水舌来测流的方法。

其基本原理是：在一般用于测流的管道末端的水舌上，通过测量水舌上某一点的垂直与水平方向的坐标值，求出管道的出流量。测流用管道可以安装成垂直或者水平方向，又包括垂直管法与水平管法。

1.垂直管法

如图2-7所示，从一垂直竖管末端向上喷出的水流有两种水流状态。当水流喷出高度较小，即H＜0.37D时，其水流表现为环形堰流；当水流喷出高度较大，即H＞1.4D时，其水流成为射流；当水流喷出高度在上述值之间时，即0.37D＜H＜1.4D时，其水流处于过渡状态。流量计算如下：

当H＞1.4D时

式中 Q——流量，gal/min；

D——管道内径，in；

H——水舌高度，in。

注：1gal=7.78541L，1in=2.54cm。

当H＜0.37D时

当0.37D＜H＜1.4D时，其实际流量将比上述任何一个公式所求得的值要小的多，图2-8给出了管道直径从5.08～30.48cm，水舌高度在3.81～152.4cm的流量值（图2-8引自《美国量水手册》）。

2.水平管法

该法可应用于满管流和非满管流的情况。如图2-9所示，水平管法是通过测量水舌表面上某点的X，Y坐标来求流量。如果管内水流在出口处水深小于0.8D，则坐标Y可以在管端，即X=0处测量。当流量较大，即管内水流在出口处水深大于0.8D时，则可以在X=15.24cm、30.48cm或45.72cm处测量Y值。根据试验数据制成流量曲线图和数值表格使用。

在水平管法中，水平管必须安装成真正水平才能获得较准确的测量值。如果水平管上翘，测量值偏高；如果水平管下斜，则测量值偏低。