宁夏高标准农田建设“以管代渠”工程技术实践

王林华

（石嘴山市惠农区农业综合开发中心，宁夏 石嘴山 753000）

宁夏惠农区农业综合开发中心科技人员，结合畦田灌溉，因地制宜地对田间末级渠道进行了管道化改造。通过2021年冬季灌溉实践，尝试性地总结了一些值得推广的经验，同时也发现一些存在的问题，为今后的研究工作指明了方向。

1.问题提出背景和意义

1.1为深入贯彻习近平生态文明思想，落实习近平总书记关于推动黄河流域生态保护和高质量发展的重要讲话精神和指示批示精神，落实《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》，打好黄河流域深度节水控水攻坚战，提升水资源集约利用水平。

1.2宁夏深处西北内陆，位于中国版图几何正中心，西北侧，西、北、东三面分别被腾格里、乌兰布和、毛乌素三大沙漠所包围，3/4的国土面积处于干旱半干旱地带。降水量呈现出南多北少，且年内年际变化极不均匀，汛期降水占到全年的70%以上，多以暴雨形式出现，难以利用。全区多年平均降雨量289毫米，是全国平均水平的45%、长江流域的27%、黄河流域的65%，从南向北每推进1公里，降水大约衰减1毫米；当地水资源量少质差，总量11.63亿立方米，其中矿化度大于2g/L的苦咸水占水资源总量的30%，不易灌溉和人畜饮用，可利用量仅1.5亿立方米，加上国家分配的40亿立方米黄河水，人均可利用水资源量仅603立方米，不足全国平均水平的1/12，黄河流域平均水平的1/3，远低于世界人均1700立方米缺水警戒线，是全国水资源最为匮乏的省区之一。多年平均水面蒸发量1250毫米，干旱指数达4.3。因此，探索干旱地区农田渠道输水过程中的蒸发损失问题极为迫切。

1.3宁夏银北灌区部分农田位于灌区末梢，有些农田灌溉因缺水而得不到实时灌溉。据统计资料反映，近5年农业平均取水量占全区总取水量的85.8%，平均耗水量占全区总耗水量的81.4%，农业取耗水最多，田间输配水渠道占线长渗流损失也较大。因此，为提高农业用水效率，必须减少田间输水损失。

1.4在我国新疆地区自古就能够看到地下暗渠（坎儿井）工程，另外在宁夏石嘴山潮湖灌区也有暗渠工程，人类祖先采用这项技术，解决了干旱地带的人类生存繁衍问题，为人类社会发展带来丰厚财富，为地方经济发展做强大支撑。因此，消化吸收古老灌区取用水技术及理念，结合自动化控制灌溉技术，因地制宜地规划布局现代农业农村新格局。

1.5宁夏银北地区由于自然地理条件，有近56%的区域地处低洼盐碱地区。灌区内输水渠道80%以上属于挖方渠道，出现渠道渗漏和盐碱，渠道砌护工程破坏比较严重等问题。采用以管代渠技术，可以解决低洼盐碱地区渠道砌护工程冻涨等破坏突出问题。

1.6据资料可查银北渠道占地3%-8%，可将这部分土地合理规划为基本农田。另外，结合渠道稳定性处理措施，即能够改善渠道输水条件，又能够将地下水通过合理的渗透方式排出。以管代渠技术示范，能够节约土地。

1.7宁夏引黄灌区农田除15%左右的灌溉方式采用管道，实现微喷、滴灌技术以外，其他85%以上大田灌溉方式均采用渠道灌溉。在引黄灌区实现管道输水为主的高效节水方式意义深远、前景可观。

2.以管代渠技术实践

2.1项目区选址。结合惠农区2021年高标准农田建设规划，惠农区礼河乡永平片区地处宁夏引黄灌区末稍段，属惠农区2021年高标准农田项目区。南起永平电排沟，北至白浆滩渠，西靠第六排水沟，东以星火村中心路为界。

2.1.1项目区灌溉方式：为引黄自流灌溉区，属于畦灌，分干渠-支渠-农渠三级灌溉，分干渠为宁夏引黄灌区惠农渠下游的一条分干渠昌渠，控制支渠是白浆滩渠灌溉，支渠直接控制农渠。片区内共有农渠10条，总长5.641km，其中砌护5.449km，未砌护0.192km。砌护率96.6%。农渠为全U型断面，采用R=200-250mm的U型混凝土预制板，农渠冻胀损坏率较高。为此在该处选择两条冻胀损坏严重的农渠作为本次以管代渠试验示范目标。

2.1.2项目区排水方式：区内为三级自流排水，由干沟、支沟、农沟组成。干沟为第六排水沟，支沟为永平沟。干、支沟均在近年进行系统的干砌石治理，断面平顺，现状良好。片区内共有10条农沟，沟道总长6.083km。虽然沟道体系基本建立完善，但部分农沟沟道排水不畅的问题，沟道建筑物冻涨损毁严重的问题依然存在，需要清淤、翻建进行解决沟道排水畅通的问题。

2.1.3项目区灌溉水源：项目区内农业灌溉水源是黄河水，依靠惠农渠分干渠昌渠供水，农业田间灌水主要为白浆滩渠控制灌溉，根据当地水管部门所提供资料计算，亩均用水量497m³/亩。片区总灌溉面积为823亩，总供水量为40.90万m³。

2.2规划设计。本次规划选择片区内两条具有能够代表惠农区引黄灌区内的两条农渠，总长0.846km，每条农渠均为双向灌溉，设计灌溉面积152亩。两条农渠均直接接入白疆滩支渠。

在规划设计中，根据《高标准农田建设通则》（GB/T30600）、《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288）、《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363）、《管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203）、《农田排水工程技术规范》（SL4-2013）、《自治区人民政府办公厅关于印发宁夏回族自治区有关行业用水定额（修订）的通知》（宁政办规发[2020]20号）以及《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》和农业农村部《高标准农田建设质量管理办法》等规范文件，从灌溉水源水质、灌溉面积、作物种植、灌溉制度、灌溉定额、管道流量、管道管径、管道比降以及管材的选定和拦污栅选择等方面进行计算分析。

通过分析计算，本次试验示范“以管代渠”管材选用双壁中空PE缠绕管两条，每条长为423m，每条控制灌溉面积为76亩，为双向灌溉；种植作物为玉米，根据《自治区人民政府办公厅关于印发宁夏回族自治区有关行业用水定额（修订）的通知》中的“宁夏不同灌区农业灌溉用水定额表”确定，以及当地农田灌溉水利用系数，设计计算试验示范“以管带渠”的灌溉制度、灌水率以及管道的管径，管道管径为φ400。根据《黄河泥沙研究》查阅黄河灌溉水源水质中的泥沙粒径级配和武汉水利电力学院河流动力学教研组推导出的泥沙启动平均流速和泥沙止动流速公式、计算出不同泥沙粒径的泥沙启动平均流速（）和泥沙止动流速（），以及通过对淤积情况分析如下：

（1）灌溉制度

规划种植小麦、玉米，种植比例分别为20%，80%。根据《自治区人民政府办公厅关于印发宁夏回族自治区有关行业用水定额（修订）的通知》中的“宁夏不同灌区农业灌溉用水定额表”确定，本次试验示范区隶属于宁夏青铜峡河西银北灌区，春小麦畦灌灌溉定额为290m³/亩，玉米畦灌灌溉定额为270m³/亩。根据宁夏十四五水安全规划，到“十四五”农田灌溉水利用系数达到0.56。

（2）设计灌溉制度及灌水率

灌水率按下述公式计算：

q=a*m/(8.64*T)（m³/s/万亩）

式中：q—某作物某次灌水的灌水率，m³/s/万亩

a—各作物种植面积与灌区总灌溉面积的比值；

m—某作物某次灌水定额，m³/s/万亩；

T—某作物一次灌水延续时间，d。

经计算灌水制度及灌水率设计灌水率0.733（m³/s/万亩）。

（3）管道比降及流速的设计

a、灌溉水源水质中的泥沙粒径

通过查找资料，根据《黄河泥沙研究》渠道泥沙级配选用石嘴山水文站近年颗粒级配分析，黄河石嘴山段的悬移质泥沙主要以粘粒、粉粒、中砂、粗砂、砂砾组成。

b、管道启动（临界）和止动流速不淤（临界）流速的计算

根据武汉水利电力学院河流动力学教研组考虑了细泥沙粘结力的影响，推导出的泥沙启动平均流速（）和泥沙止动流速（）公式，计算出不同泥沙粒径的泥沙启动平均流速（）和泥沙止动流速（），公式如下。

c、淤积分析

灌溉引黄水泥沙颗粒组成：粘粒24.19%,粉粒34.46%,砂砾24.13%,中粗砂12.8%,砂砾4.42%。

由启动流速计算分析，管道淤积以粘粒的粘结力为主要因素。

当以管代渠管道比降1/500运行工况时，流量0.104m³/s，流速0.92m/s，大于粘粒的启动（临界）流速0.83 m/s，管道不淤。

当以管代渠管道比降1/700运行工况时，流量0.092m³/s，流速0.81m/s，略小于粘粒的启动（临界）流速0.83 m/s，管道基本不淤。

当以管代渠管道比降1/1000运行工况时，流量0.081m³/s，流速0.72m/s，小于粘粒的启动（临界）流速0.83 m/s，管道淤积，但淤积量不大。

当以管代渠管道比降1/1500运行工况时，流量0.072m³/s，流速0.64m/s，小于粘粒的启动（临界）流速0.83 m/s，管道淤积，淤积量较大。

由管道启动（临界）和止动流速计算成果可知：当管道流速小于0.593m/s时，管道中粘粒开始淤积；当管道流速小于0.321m/s时，管道中粉粒开始淤积；当管道中流速小于0.241m/s时，管道中粉砂开始淤积；当管道流速小于0.198m/s时，管道中中粗砂开始淤积；同时，当管道流速小于0.284m/s时，管道中砂砾开始淤积。

d、管道不同比降流速计算

根据分析，结合我们2021年在宁夏惠农区礼和乡永平村高标准农田建设项目中，建设的两条实验渠道，渠道的比降分别为1/500、1/700，流速计算分别为0.92m/s、0.81m/s，通过冬灌运行后，观察管道内无淤积现象。

管道流量0.081m³/s。管道比降设计管道比降分别为1/700、1/1500。管道运行时可分为无压力状态和有压力状态，本次按不利条件无压力状态计算。分水口按照每20m设一座双向分水，分水口采用四通流槽井外接异径接头，并安装PVC马门进行控制灌溉。共设32座。

2.3初测实验效果。根据分析，结合我们2021年在宁夏惠农区礼和乡永平村高标准农田建设项目中，建设的两条实验渠道，渠道的比降分别为1/500、1/700，流速计算分别为0.92m/s、0.81m/s，通过冬灌运行后，观察管道内无淤积、管道无冻胀损坏现象。

表现出以下五个特点。一是节水效益明显：可比混凝土渠道节水5%-10%,灌溉时间缩短近一半;二是节约土地：以管代渠相对R20-25混凝土预制板砌护渠道在渠灌区节约3%左右的土地,具有很大的社会和经济效益;三是解放劳动力：以管代渠后，减少了原有渠道清淤、维护、岁修等工作量，节省田间分水灌溉的用工，节约了工费和维修费;四是能够有效解决现有混凝土渠道冻胀问题，管道埋入地下，提高工程使用寿命;五是适应现代化农业与农村现代化发展的需要，管道输水灌溉能够更好地适应现代化作业需求和现代化管理需求。

3.存在问题及应对措施

3.1管道设计比降需进一步优化。建议通过水工模型实验及建立模型数据分析，对泥沙年淤积情况进行科学分析与理论预测。

3.2在田块出水口出现的冲坑现象。建议下一步通过水力计算，制定处比较合理的安装高度和出水口规格。

3.3本次没有在管道输水口将智能计量设施进行安装试验示范。建议下一步对自动化、智能化的设施积极引进，探讨农田灌溉管理精准计量和智能管理。

3.4工程造价经济比数据不明显。建议对原渠道砌护及以管代渠工程进行综合评价，优选价廉物美的管道工程材料。同时，对实践过程中能够定型模具及材料，及时形成专利产品。

总之，以管代渠技术，充分考虑干旱区水资源禀赋条件，尊重自然、顺应自然，按自然规律办事为原则。以爱水、惜水、节水为前提，以建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区为理念，结合宁夏高标准农田建设项目，科学合理地逐步将田间明渠改变为管道输水方式，以减少灌溉用水过程蒸发损失，实现田间节水，解决冻胀，提高田间输水设施运行年限，引进智能计量管控设施，实现灌溉运行自动化、智能化，从而最终实现农业灌溉管理现代化的目标。