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我国管道输水灌溉发展概况与展望

2018-11-08 11:26:46

摘要:本文系统总结了我国在井灌区和渠灌区进行管道输水灌溉技术研究和推广应用的发展情况,提出了目前我国管道输水灌溉存在的问题和发展方向。

关键词:管道输水灌溉;发展;展望

绪言

水,是生命之基。在农业八字宪法(即土、肥、水、种、密、保、管、工)中,“水利是农业的命脉”。在农业立国时代,兴水利,主要为灌溉;然至今,我国农田灌溉用水占全国用水量的60%以上,仍为大头。从靠天吃饭,到建土渠引水灌溉,进而对渠道防渗节水,开展高效节水灌溉,灌溉输水途径也由土渠向防渗渠道和管道转变。管道输水灌溉以其省地、省工省时、输水快、易调控等优点,成为当前最受群众欢迎的灌溉方式。本文系统总结我国管道输水灌溉方面的经验教训,对于推动我国管道输水灌溉事业的健康发展,十分必要。

我国管道输水灌溉发展概况

根据我国管道输水灌溉发展历史和在不同类型灌区应用情况,可划分为以下几个阶段。

2.1 萌芽与起步阶段(1980年以前)

据称,我国利用地下陶管进行城市排水已有上千年的历史,但采用埋地管道用于农田排灌则是20世纪50年代以后的事情,如1957年河南省堰师县采用埋地陶土管代替沟渠进行灌溉排水,1965年江苏省无锡县采用石灰粘土建造暗灌、暗降、暗排工程,1966年河南省温县采用埋地混凝土管道代替明渠进行灌溉并在全县推广应用10多万亩。

1979年,我国从国外引进软管输水灌溉技术(亦称“小白龙”),这种地面移动软管在黑龙江、山东以及临时抗旱中得到了较大面积的应用。上海市农科院和上海制品工业塑料研究所于1978年和1979年相继研制的塑料管和波纹塑料管经试用,也取得了较好的效果[1]

2.2 (井灌区)试验研究阶段(1980年-1990年)

20世纪80年代以来的持续干旱和水资源短缺,助推了我国北方地区低压管道输水灌溉技术的应用研究。1979年水电部将低压管道输水灌溉技术研究与推广项目列入水电部科技重点项目进行了研究,1986年又作为重点专题列入“七五”国家科技攻关计划项目继续进行研究。该攻关项目由水电部主持,组织了中国水利水电科学研究院等十多个单位的近百名科技人员进行研究,并取得了大量科研成果。根据各地自然特点和经济条件,在“黄淮海”平原建成了5个有代表性的万亩试验区,研制开发了多种材料的管道,如在塑料管道材料方面,开发了薄壁聚氯乙稀管、聚氯乙稀双壁波纹管和塑料软管;在水泥预制管方面,试制了水泥砂土管、水泥砂管、水泥土管、水泥石屑管、水泥炉渣管、薄壁混凝土管、立式挤压制管机与水泥预制管材;在现场连续浇注管方面,研制了内衬塑膜现浇管、电动滑模二次成型现浇混凝土管、制铺机一次成型现浇混凝土管等。研制的各种类型管材均在示范区进行了应用验证,强调实证研究。在各种管材的研制和试验验证中,以PVC薄壁管材最为成功。

特别值得一提的是,“七五”攻关研究的突出贡献之一就是灌溉用薄壁硬聚氯乙烯管材的开发。针对当时我国灌溉用管材短缺价格昂贵的制约因素,而低压管道输水系统工作压力通常小于0.2Mpa,若采用厚壁管材功能过剩的实际情况,中国水科院课题组提出了减小管材壁厚降低造价来促进PVC管材推广应用的思路。为验证壁厚减薄后的管材性能,中国水科院和上海塑料制品工业研究所共同研制了壁厚最薄的管材样品并进行了工程应用性能试验,通过蠕变开裂的长期强度试验研究,确定了薄壁PVC管材的许用应力、适宜的工作压力,预测了管材的使用寿命;又通过大量土工模拟试验,论证了薄壁PVC管材承受外压的能力是管材本身刚度和回填土反作用模量的组合。研制的薄壁PVC管材较国标管降低原材料43%以上,单价降低30%左右。

1991年,低压管道输水灌溉技术研究与推广项目获得了水电部科技进步二等奖,评奖委员会委员在评价时说,本项目应该可以获得国家一等奖。由此说明低压管道输水灌溉技术研究成果的应用效果和前景被认可,也印证了水利科研人的务实贡献。

薄壁PVC管材的研发和推广应用,对获奖、尤其是促进塑料管材在灌溉中的应用,乃至发展至今的全国1.3亿亩的应用面积(2015年底统计),居功至首。

2.3 (井灌区)推广应用阶段(1988-至今)

对于研发的低压管道输水灌溉技术,有关领导相当重视。时任国务院副总理田纪云和水电部部长钱正英等均发表了推广节水灌溉技术、发展管道灌溉的有关讲话。1988年12月12日,水电部向北方十七个省、自治区水利厅转发了“关于在北方缺水地区积极发展低压管道输水灌溉技术的建议”的通知,通知要求各地要积极推广低压管道输水灌溉技术,把低压管道输水灌溉技术作为农田节水的一项基础设施列入议事日程。建议中提出,各地要编制低压管道输水灌溉发展规划并安排年度计划,加强技术开发工作,水电部要尽快编印技术手册,制定技术标准,以及资金安排、塑料原材料优惠价格供应等。

随后,水电部及有关省、市、地举办了40多次低压管道输水灌溉技术培训班。设在中国水科院的“全国低压管道输水灌溉学组和科技情报网”于1988年5月、1990年5月、1993年10月、1997年10月分别于河北雄县、山西忻州、河南郑州和山东泰安召开了4次全国低压管道输水灌溉科技交流研讨会,其中前3次会议均出版了论文集。同时,管道科技情报网还印发了40多期低压管道输水灌溉技术通讯。上述工作,对促进低压管道输水灌溉技术水平提高和推动工程建设应用起到了重大作用。

为将“七五”攻关取得的低压管道输水灌溉技术的规划、设计、施工和运行管理等方面的系统配套且较成熟的科技成果和经验快速转化为生产力并保障低压管道输水灌溉技术的规范化发展,水利部及时将有关科研成果制定成标准,如组织制定了《低压输水灌溉用薄壁硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》(GB/T 13664-92)(起草单位:中国水利水电科学研究院水利所,天津市水利科学研究所,沈阳久利塑料管材有限公司,沧州第三塑料厂)、《低压管道输水灌溉工程技术规范(井灌区部分)》(SL/T 153-95,中国水科院主编)等。此后,根据技术发展情况,又对这些标准进行了修订,如将GB/T 13664-92修订为《低压输水灌溉用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》(GB/T 13664-2006)(起草单位:中国水利水电科学研究院水利所,河北宝硕管材有限公司),将井灌区规范SL/T 153-95修改上升为国家标准《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203-2006,GB/T 20203-2017),尽管该规范主要适用于单井灌区且控制面积通常不大于150亩。

1998年10月召开的党的十五届三中全会上提出:“大力发展节水农业,把推广节水灌溉作为一项革命性措施来抓”。进入新世纪以来,连续10多个中央1号文件和中央水利工作会议,都要求把节水灌溉作为重大战略举措,2012年印发的《国家农业节水纲要(2012-2020年)》,对节水灌溉提出了明确的发展目标和要求。在中央和地方一系列政策措施出台和不断加大投入的情况下,“东北节水增粮、华北节水压采、西北节水增效、南方节水减排”等行动计划以及《“十三五”新增1亿亩高效节水灌溉面积实施方案》的实施,使采用管道输水的高效节水灌溉发展进入前所未有的快车道。

截至2015年底,全国灌溉面积达到10.81亿亩(7206万公顷),其中节水灌溉工程面积4.66亿亩(2711万公顷),约占灌溉面积的43%。在节水灌溉工程面积中,采用管道输水的高效节水灌溉面积2.69亿亩(1792万公顷),约占节水灌溉面积的58%,占灌溉面积的25%,其中管道输水灌溉1.34亿亩(891万公顷)、喷灌0.56亿亩(374万公顷)、微灌0.79亿亩(526万公顷),具体情况见表1。

表1 截至2015年底全国灌溉发展情况统计 单位:万亩

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根据表1中全国灌溉发展情况统计,我国灌溉面积上的平均管道化率仅达25%,与世界发达国家差距还很远。总体来看,北方缺水地区的管道化率较高。虽然京、津、冀、新、晋、蒙的管道化率已达50%以上,但未来发展的潜力仍在这些地区。

换个角度看,若能兴建水源工程且水源有保证的话,以全国18亿亩耕地为红线计,则我国目前的平价管道化率仅15%。管道在灌溉中的应用,前景广阔,任重道远。

2.4 (渠灌区)试验研究与示范阶段(1992-至今)

由于机井出水量小,可控制的灌溉面积一般只有几十亩,至多上百亩,通常只需开启一个给水栓进行灌溉。由于技术简单,实用可靠,维修方便,农民易于掌握,故管道输水灌溉技术在井灌区得到了大力发展。

渠灌区控制的灌溉面积成千上万亩,具有管道输水流量大、管线长、地形复杂、管道工作压力大等特点,这些条件制约着管道输水灌溉技术在渠灌区的发展,在渠灌区开展管道输水灌溉技术研究的难度很大。

2.4.1 开敞式管道输水灌溉系统试验研究阶段(1992-1995)

“八五”期间,中国水利水电科学研究院承担了国家重点科技攻关项目中的“渠灌区管道输水灌溉技术试验研究”专题,专题研究的试验区选在石家庄冶河灌区。该试区为山前倾斜阶地,坡度为1/23至1/80,地形落差达20多米,控制灌溉面积1080亩。试区内原有的部分浆砌石衬砌渠道已老化损坏,部分土渠渗漏损失很大,水流对耕地和道路冲刷破坏严重,部分耕地因地势高,用原渠道已无法输水灌溉,迫切需要修建管道输水灌溉工程。试区输水管网采用De500mm加筋混凝土管为干管,DN400mm塑料波纹管为支管。专题研究在管网布置上创新性地设置了9个溢流式分水调压井进行管网系统的减压和水量调配。通过试验研究,初步取得了渠灌区自压管道输水灌溉从规划、设计、施工、运行管理、管网水力特性和管网系统运行计算机模拟等一整套的技术经验和试验数据。专题研究成果于1995年底经水利部鉴定为国内领先水平。

专题研究任务完成并通过验收鉴定后,课题组继续进行总结提炼,将这种具有分水调压井的管网定义为开敞式管道输水灌溉系统,并于1997年10月在山东泰安召开的第4次全国低压管道输水灌溉科技交流研讨会上首次交流,由此宣告了我国首起开敞式管道输水灌溉系统的诞生。该示范工程自1994建成至今,运行良好,深受农民欢迎。截至目前,开敞式管道输水灌溉系统在全国也仅有几座。

2.4.2 半封闭式管道输水灌溉系统试验研究阶段(2010-2014)

进入新世纪以来,全国各地的渠灌区节水输水模式仍只有渠道防渗。为在规模化的渠灌区采用管道输水灌溉技术提供可借鉴的经验,2010年水利部设立了水利部公益性行业科研专项经费项目“灌区管道输配水及灌溉技术集成研究”。该水利部公益性科研专项承担单位中国水利水电科学研究院选取山西禹门口黄河提水灌区进行了管道输水灌溉示范工程建设并进行了相关的试验观测。示范区涉及4个行政村,区内地形复杂,最大地形落差达40多米,控制灌溉面积1万多亩。示范工程建设有干渠引水节制闸、分水闸、测流装置、沉沙池、分水调压井、浮子阀分水减压池、倒虹吸、出水口以及排水排沙井等,主干管和分干管分别采用De700mm和De600mm的加筋混凝土管,支管采用PVC管。管道输水系统结构型式采用开敞式和半封闭式。

项目研究取得了多项突破性成果,在国内首次提出了渠灌区半封闭式管道输水灌溉系统结构模式,提出了开敞式管道输水灌溉系统结构模式及其组成,在国内首次提出了钢筋混凝土管道结构内力计算配筋方法;在国内首次提出了管网水力分区的概念,首次提出了管道系统输配水压力与流量均衡技术和输配水压力与流量调节技术,提出了渠灌区管网选型要求以及规划设计方法;提出了采用浮子阀进行管道输水调压的设施,提出了渠灌区管道输配水系统防掺气、防水击、防负压、防淤积等技术及其工程管理措施,提出了与管道输配水相配套的田间灌溉技术模式。

项目研究并经工程验证的半封闭式管道输水灌溉系统获得了国家发明专利,是截至目前为止我国唯一的半封闭式管道输水灌溉系统。试验工程自2010年建成以来运行良好,设计制造的浮子阀启闭灵活。通过田间工程应用试验,获得了开敞式管道输水灌溉系统的结构优化数据的和半封闭式管道输水灌溉系统的试用经验,并取得了渠灌区进行自压管道输水灌溉从规划、设计、施工到运行管理的一整套工程技术经验。

2.4.3 渠灌区管道输水灌溉的其他研究(2002年-至今)

自“十五”起,我国还进行了渠灌区管道输水灌溉的其他研究工作,如渠灌区管网输水系统水力计算及模拟仿真技术研究,渠灌区管道防淤堵技术研究,竹-塑高分子复合管材(道)的研制,规模化灌溉管网输配水技术研究等。

在竹-塑高分子复合管材研制方面,科技部曾将其作为“十五”国家重大科技专项(863计划)“农业高效用水技术研究与创新”的项目内容进行过研究。目前,“十三五”国家重点研发计划“竹资源全产业链增值增效技术集成与示范”项目中的“竹质管道用材连续化制造成套技术集成示范”课题正在进行中,期望该课题研究成果能在渠灌区大口径管材的选材中获得应用。

在渠灌区管网优化设计及模拟仿真技术研究方面,多数研究成果尚未见可应用于某一实际灌溉工程的规划设计中,发表的论文大多属理论探讨范围,离实际应用还远。

值得注意的是,那些对渠灌区管道输水系统的复杂性认识不深,简单套用井灌区管道输水模式进行渠灌区管道输水灌溉建设的项目,很多归于失败。如前几年,某些渠灌区自压管道输水灌溉试点工程,采用高压至0.8MPa、管径大至800mm、输水距离达几十公里的管道,全部采用仿城镇供水式的封闭式管道输水灌溉系统,对灌溉输水的要求和特点考虑不周,在系统安全设施、管道内水压力分布、分水配水、给水栓流量等方面均存在程度不同的问题,不仅造成工程投资过高,还给管道系统运行埋下了重大的安全隐患。更严重的,如经中国水科院现场事故调查的河北某地建成的自水库取水的长达4km多的聚乙烯塑料管道(DN500mm)输水工程,设计时对管道安全设施重视不够,且忽视了PE材质管道的工程特性,自工程建成通水之日起,一年内即连续发生了四十多次的管道爆破事故。山东省平原县规划发展管道输水灌溉面积15万亩,其技术模式为:每个灌区控制灌溉面积1500亩-3800亩,抽水泵站由1-3台水泵组成,灌区设计流量1000m3/h-2300m3/h,设计扬程17m-24m,每个出水口设计出水流量40m3/h,大口径的干管采用玻璃钢管,小口径管材采用PVC管。管径范围为DN110mm-DN600mm,管道设计流速DN110mm-315mm为1m2/s,DN355mm-450mm为1.3m2/s,DN500mm-DN600mm为1.5m2/s,DN700mm-DN800mm为1.8m2/s。经赴平原县赵庄、大杨、后宋等灌区和泵站实地灌水调研后,发现存在以下问题:出水口的出水量小;各出水口的出水量不均匀;有些出水口的出流量太小,一两天都灌不完一畦地;将有的出水口的出水量改为100m3/h后,就很受农民欢迎。

渠灌区管道输水灌溉系统按结构形式可分为开敞式、半封闭式、封闭式共三种型式。除仿城镇供水的封闭式管网系统外,我国已经研发了开敞式和半封闭式两种结构型式并在实践工程中得到了成功应用。

形势与展望

3.1 形势与任务

水资源紧缺是我国的基本国情,必须进一步发展节水农业,提高水的利用效率才是出路。我国政府把节水灌溉作为一项革命性措施来抓,并持续加大投入,落在实处。

根据《“十三五”新增1亿亩高效节水灌溉面积实施方案》中各地规定的任务(见表2[4]),方案实施已两年,每年完成2000万亩高效节水灌溉任务。在2018年3月的“两会”政府工作报告中,确定2018年全国再新增高标准农田8000万亩以上,实施高效节水灌溉面积2000万亩。

表2 “十三五”高效节水灌溉发展任务 单位:万亩

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3.2 问题与展望

3.2.1 存在问题

根据水利部办公厅关于印发《2018年农村水利工作要点》的通知,2018年要完成新增2000万亩高效节水灌溉面积建设任务,必须“扎实做好项目建设前期工作,多方筹集建设资金,制定序时进度计划,挂图作战、节点控制”,“有条件的地区整体设计、集中投入,建设一批重大高效节水灌溉工程”。从通知的措辞看,对能否顺利完成2000万亩高效节水灌溉面积的建设任务,不容乐观。

来源:中国塑胶管道网