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PE管道輸水灌溉中的淤堵原因與防控措施

發布單位:廣西蝶塑管業有限公司 發布人:碟塑管業 發布時間:2019-9-2 23:19:04 關注度:258

管道輸水灌溉工程由水泵加壓或自然落差形成有壓水流,通過hdpe灌溉管道輸送到田間給水裝置,并采用地面灌溉,具有節水、節地、省勞、増產、管理方便等優點,正在農業生產中大范圍 推廣應用。水利部等 5 部委 2016 年 發布的《“十三五”新增 1 億畝高效節水灌溉面積實施方案》明確指出:“十 三 五”期間,全國將新增高效節水灌溉面積1億畝(1畝=1/15 hm2 ,下同), 其中PE管道輸水灌溉面積 4015 萬畝。 在實際推廣應用中,pe農田灌溉管道的淤堵問題始終是一個無法回避的技術問題。 此問題雖然不像滴灌系統灌水器堵塞那樣備受關注,但隨著管道輸水灌溉工程推廣范圍的擴大與運行時間的延續,此問題也逐漸顯現并影響灌溉管網的正常運行。《管道輸水灌溉工程技術規 范》(GB/T 20203-2017)規 定:采用多泥沙水源時,PE管道輸水灌溉系統的設計流速應大于管道臨界不淤流速。 管道臨界不淤流速宜通過試驗確定;缺乏試驗條件時,可按附錄 A 規定的經驗公式計算。 然而灌溉管道淤堵問題并非只有引黃灌區或以多沙河流為灌溉水源的灌區會遇到,南方平原河網灌區同樣會遇到管道淤堵問題,而且以生物淤堵為特征的管道淤堵問題遠比單純的懸移質多沙水流為特征的物理淤堵問題復雜,準確確定不淤允許流速的閾值更加困難。受農作物種植結構與灌水習慣等因素的影響,設計中的灌 溉分區往往不能按既定目標 實現,使得PE農田灌溉管網的運行會偏離設計工況,管網中各管段的斷面平均流速常常偏離設計值。因此研究PE管道輸水灌溉工程管網淤堵問題仍然有重要的應用價值。本文分析了農田管道輸水灌溉中的淤堵原因與防控措施。農田灌溉管道輸水過程中的淤堵問題困擾著管道輸水灌溉工程的推廣應用,直接影響管道輸水灌溉工 程的正常運行與使用年限。通過對管道輸水灌溉工程中管道淤堵原因分析,提出了農田灌溉管網淤堵防控措施。針對農田灌溉管網淤堵機理相對復雜、理論研究尚不深入的現狀,建議從水源水質管理、灌溉管網規劃設計與運行管理等方面入手,進一步研究灌溉管網淤堵防控的綜合性技術措施,以最大限度提高管道輸水灌溉工程使用壽命,維持灌溉輸水管網高效運行。輸水灌溉管網淤堵的可能原因,對農田輸水灌溉管網淤堵防控措施進行探討,力求從管道輸水灌溉工程設 計、施工、運行管理與后期管護等 方面入手,降低管網淤堵風險,提高管道輸水灌溉工程運行的可靠性。

一、淤堵原因 

1.物理淤堵

物理淤堵主要是灌溉水中含有的微小有機懸浮物和微小固體顆粒物引起的管道淤堵。一般包括藻類、水生植物和浮游動物的殘體殘屑、淤泥質顆粒等。 其中,粒徑小于 0.074 mm 的 黏粒很容易在流場流速小而紊動作用較弱的情況下,出現凝結、沉淀。當灌溉水源為河流、輸水渠 道時,水體中通常含有一定數量的懸移質泥沙,一旦進入hdpe灌溉管道,隨著管道流速的降低或運行過程中某一段管道積水等,都可能發生沉積,附著在管壁上。當首部有水肥一體化設備時,水溶肥可能存在未徹底溶解的懸浮性微粒也同樣會在管壁附著,逐漸引發管道物理淤堵。從灌溉輸水PE管網的運行工況來看,農田灌溉PE管網通常是間歇性輸水,運行工況受農田種植結構、降雨、灌水習慣等諸多因素影響,管道流速會出現不同程度的變化,導致靜水淤堵和動水淤堵都可能發生。靜水淤堵的產生通常由于管網系統未設置排水排沙設施或灌溉過程結束時未及時放空沖洗管道。動水淤堵主要發生在灌溉管網運行過程中,隨管網工作狀態的變化,管道壓力與流速發生相應的波動,當管道流速小于相應含沙量時的不淤允許流速時,水流的挾沙能力又不足以挾帶水中的懸移質繼續前進,這時就可能出現運行過程中的動水淤堵。

2。化學淤堵 

化學淤堵與水中化學物質的種類密切相關。以地下水為灌溉水源的地區,如果該區域地下水中的碳酸鹽、硫酸鹽含量較高,則容易出現輸水PE管道水垢沉積,沉積物主要成分為硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂等。在水肥一體化實施過程中,無機肥料中磷酸鈣鎂、硫酸鈣、磷酸鐵等難溶性化學物質也容易在管壁沉積。某些有機肥料及灌溉水中含有的大分子有機物則可能發生絮凝沉淀。以平原河網區地表水為灌溉水源的管道輸水灌溉工程,因該區域的經濟社會發展水平往往比較高,水體富營養化現象比較突出,hdpe灌溉管網中殘留的水體營養鹽往往成為藻類和微生物繁殖生長的溫床,化學物質加速生物淤堵。從實際情況來看,PE管道中逐年累積沉淀的水垢層和微生物累積層一般是很難徹底清除的。在給水管網中常用的管道清洗技術是高壓沖洗,但不少農田灌溉管網在設計階段并沒有考慮管道高壓沖洗需要,或為了節省管網造價,或受制于管網地形布置,在實際工程中,很多管道輸水灌溉管網不具備高壓沖洗功能,導致PE管道的運行狀況越來越差。

3。生物淤堵

生物淤堵是指水中的生物質(包括藻類、浮游動物、細菌黏質等)在管道系統不斷増長繁殖,并在管壁附著生長,通俗形象地稱其為灌溉管道生長環。 在天然地表水環境中,細菌等微生物很少以游離態存在,90%以上的微生物都會附著到固體基質表面,管壁毫無例外地成為微生 物的附著壁面。這些組分復雜附生生物膜,主要是由微生物群體(細菌、原生動物、真菌等)、無機礦物顆粒和有機聚合物基質(胞外多聚物質、腐殖質等)等組成,表現為一種表面特征復雜的多孔介質結構。這些微生物群體在生長和增殖過程中,會分泌黏性的胞外多聚物,保證了附生生物膜整體結構的穩定,并進一步吸附水源中的懸浮顆粒物、微生物、有機質等,導致附生生物膜結構不斷増長。而農田灌溉水源 中氮、磷等營養物質的富集,又為PE灌溉管道中藻類及其他微生物的生長提供了良好環境。水體中的微生物在管道系統內壁面不斷地附著——生長——脫落——衰亡,當附生生物膜的生長厚度增加到一定程度,附著力會減小,在水流脈動和水力剪切力的共同作用下,生物膜會脫落。 這又進一步加劇了生物淤堵的發生 ,對微灌系統而言,這是致命的堵塞物質,將引起灌水器報廢。從實際情況來看,地表水源中的微小顆粒物、有機質、化 學沉淀等物質難以完全消除,必然會在附生生物膜上富集,與之發生相互的黏附累積,降低PE灌溉管道過流能力。

缅甸玉祥娱乐平台 二、淤堵防控措施

從前述原因分析可知,農田灌溉水源中殘存的懸浮顆粒物、水體PH值、含鹽量、微生物種類與數量、化學沉淀物種類與數量、有機質含量、氮磷營養物含量等,是管道出現淤堵現象的內因。管道 結構形式的任何變化,都可能導致流場流速分布狀況的變化,出現局部低流速、靜水區在所難免,而灌溉管網的間歇性運行,尤其是灌水周期、灌水頻率、工作壓力、工作范圍或區域等因素,也會引起管網系統工作狀態的改變,這些都是導致hdpe管道淤堵現象發生的外因。 認清引起PE農田灌溉管道淤堵的原因,就能夠有針對性地采取相應的技術措施,其防控措施分述如下。 

1.控制灌溉水源水濁度

農田灌溉水質必須符合《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)。 該標準設定的控制項目共計27項, 其中農田灌溉用水水質基本控制項目16項,選擇性控制項目11項。 這些基本的理化檢測指標主要是為了防止土 壤、地 下 水 和 農 產 品 污 染,保證農產品品質和保障人體健康,與農田灌溉 管道防控淤堵關系并不大。 《微灌工 程設計規范》對水源中懸浮固體物、硬度、不溶固體、pH值以及Fe、Mn 和H2S含量的閾值提出了規定, 且規定進入微灌管網的水不應有大粒徑泥 沙、雜草、魚卵、藻類等物質”,主要是為了防止灌水器堵塞,至于輸水管網 的淤堵問題,并未給予特別關注。《管道輸水灌溉工程技術規范 》(GB/T 20203-2017)只是從管網設計的角度出發,對防控灌溉水中的懸移質泥沙提出了不淤允許流速控制條件,但PE農田灌溉管網的運行并非只有設計工況,管道中的流速變化也較大,且灌溉水源的水質除了懸移質泥沙之外,還有其他微生物、有機懸浮物等存在。 按照《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2005)控制農田灌溉水質,按照《管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203-2017)控制管網流速大于不淤允許流速,并非能有效防控管網輸水過程中的淤堵,應控制灌溉水源水的濁度,以最大限度降低管網淤堵風險。

2.構筑多級沉淀過濾系統

從管道輸水灌溉工程長期正常穩定運行的角度考量,有必要構筑多級沉淀過濾系統,以盡可能減少灌溉水中含有的顆粒懸浮 物、微生物、藻類 、水草等 ,降低水源與濁度,降低管壁結垢風險或減緩灌溉管道內壁生長環的生長速度。盡管有相關研究提出可采用磁化技術對灌溉水 進行前處理,或添加化學制劑、生物菌劑等對灌溉水進行后處理,以減輕淤堵問題,但水處理成本相對較高 ,某些殺藻劑 、殺菌劑(水霉 菌)、管道清潔劑(一般是酸性化學物質)等會對農作物生長帶來不利影響,實際工作中也很少應用。 換言之,農田灌溉水不可能也沒有必要像自來水一樣進行預處理,其處理成本也是灌溉工程不可能承受的,只能采取造價相對低廉的沉淀過濾系統 。初步設想的多級沉淀過濾系統應由以下三部分組成: 
①攔污柵。在水源取水口設置多級多規格攔污柵,以攔截河流底部較大粒徑的推移質泥沙以及枯枝敗葉、水草等水面漂浮物,實現水源的初級清潔。
②沉淀池。 根據懸移質泥沙的粒 徑與水源水質特點,在攔污柵后設置沉淀池。沉淀池應根據當地地形情況、地質條件、來水水質狀況等,通過多方案比較,確定其結構型式。沉沙池應具有排沙、沖沙功能,以去除池底沉積的泥沙等雜物。沉沙池應盡可 能具備較大的容積,以兼具澄清、絮凝作用。在地表水環境狀況普遍較差的現實條件下, 根據需要與可能,設計必要的輔助性水環境改善措施,如設置適量的生物浮床,養殖適量的食藻食草生物等,以達到在沉淀池改善 水質之目的。
③砂石過濾系統。 農業生產或農產品品質對灌溉水水質要求更高時, 可考慮設置砂石過濾系統,以進一步 提高灌溉水質量,實現水源水的精細過濾。對于采用水肥一體化的項目,更要注意評估管道輸送過程中灌溉水質對管網輸水能力的不良影響,以保證HDPE灌溉管道長期高效運行。

3.設計上優先保證管網流速達到允許流速

缅甸玉祥娱乐平台 管道的允許流速是灌溉輸水管網運行過程中出現的技術上可靠、經濟上合理的流速,其值應大于臨界不淤流速,且不致引起過大的水擊壓強 升高值。從工程設計與運行管理的角度考慮,當管道流速滿足以下幾方面要求時,可以認為達到了允許流速要求。①在設計流量下,PE管內最小流速不宜低于0。3m/s;當配水管網兼有施肥或施藥任務時,管內最小流速不宜低于0。6m/s。②自壓管道輸水灌溉系統設計流速不宜大于2。5 m/s;機壓管道輸水灌溉系統設計流速不宜大于2。0m/s。③采用多泥沙水源時,管道輸水灌溉系統的設計流速應大于管道臨界不淤流速。從降低年運行費與防止PE管道水擊影響的角度考慮,要求的斷面平均流速都不可能很大。而關注管道淤堵問題,則更應該關注不淤允許流速。不淤允許流速值的選擇,既影響輸水管網的正常穩定運行,也直接影響管網工程的年運行費。選擇的不淤臨界流速值偏大,無形中會增大供水水泵的設計揚程,導致工程投資成本與年運行費增加。選擇的臨界不淤流速值偏小,又極易引起管道結垢或懸移質泥沙沉積。《管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203-2017)附錄中推薦了多泥沙水源管道輸水臨界不淤流速的計算公式,對于灌溉水中含有的有機懸浮物、藻類、微生物等情況, 則缺少相應的不淤判斷標準或相應的最小流速閾值。

4.加強工程運行維護與管理

從運行管理的角度考慮,加強工程運行維護與管理是提高hdpe灌溉管網使用壽命的重要舉措,是其他工程技術措施的重要補充,也是必不可 少的灌溉管網淤堵防控措施。 具體要求是:①水源工程應進行經常性的維護,及時清淤、除障或整修;②停灌期間,每隔l~2個月應進行1 次養護性管網通水;③灌溉管網使用完畢之后,應及時排空管道中的積水;④有條件的情況下,可在較高壓力條件下進行管道沖洗,把泥沙等管道沉積物從泄水點排出。實際工作中,以地表水為灌溉水源的管道輸水灌溉工程很難從根本上消除水中固體微粒與水中微生物、有機懸浮物等,只能通過加強工程運行維護與管理手段,提高pe灌溉管網的運行可靠性。 受渠灌區運行管護習慣的影響,管道輸水灌溉工程的運行管理依然比較粗放,有必要在政策、制度、人員、經費等方面給予傾斜,以便從根本上提高管道輸水灌溉工程管護水平。

三、結論和建議

管道淤堵問題不但是北方渾水灌區亟須解決的技術問題,也是南方地區利用河網水系發展PE管道輸水灌溉工程面臨的新問題。渾水灌區的影響因素以懸移質泥沙為主, 研究時間比較長,有一定的研究成果,《管道輸水灌溉工程技術規范 》(GB/T 20203-2017)也推薦了不淤流速計算公式。 但對南方河網地區藻類與水生生物、微生物、營養鹽相對富足的水體而言,依然缺少相應的灌溉輸水管道物理淤堵,化學淤堵、生物淤堵及其相互交織影響下的hdpe農田灌溉管網淤堵評判方法。本文根據上述農田灌溉管網淤堵的原因,結合工程實踐提出相應的淤堵防控措施 ,以保證管道輸水灌溉工程正常穩定運行。從實際情況來看,由于不同灌區的灌溉水源條件、灌區地形、管網布置形式、農業種 植結構、農民灌水習慣等基本條件差異較大,管道輸水灌溉工程的管網設計方法又偏于簡單,通常是采用經濟流速或經驗公式確定管徑,按經驗公式計算沿程水頭損失,使得設計成果與實際運行效果存在偏差,不少實際灌溉管網在運行過程中都出現了不同程度的管道淤堵現象。 為此,建議開展以下兩方面的研究:①針對不同水質特性(含泥沙、微生物、營養鹽等),開展PE灌溉管網優化設計與防止管道淤堵方面的試驗研究(包括實際工程的原型觀測研究),探索不同運行管理方式對減輕PE管道淤堵的影響,最大限度提高管道輸水灌溉工程的使用壽命,維持PE農田灌溉管網高效運行。②從管道輸水灌溉工程的規劃布置、輸配水管網設計、管材選定及管道附屬設施布設等方面入手,對管道輸水灌溉工程的技術體系進行分析和模式化研究。從源頭控制開始,探索綜合性技術措施,通過攔截、沉沙、絮凝以及可能的水質改善措施,提高進入pe灌溉管網的水流品質。通過合理設計臨界不淤流速、合理布置干支管控制設施以及及時放空管道積水等管護措施,降低管網運行過程中泥沙等雜物淤堵風險,實現管道輸水灌溉工程的長期高效穩定運行。

關鍵詞:HDPE灌溉管  HDPE雙壁波紋管

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