噴灌技術(shù)在秦嶺國家秦嶺植物園中的應(yīng)用

李品利

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

秦嶺國家植物園綜合治理灌溉工程主要建設(shè)內(nèi)容是20個(gè)專類園園區(qū)的灌溉系統(tǒng)以及現(xiàn)狀管網(wǎng)至專類園園區(qū)的管線和相配套的蓄水池、泵房、調(diào)蓄湖的建設(shè)。秦嶺植物園植物遷地保護(hù)區(qū)各類園區(qū)植物灌溉面積609.85畝。遷地保護(hù)區(qū)灌溉工程主要由專類園灌溉工程組成，灌溉系統(tǒng)分為四個(gè)系統(tǒng)。其中系統(tǒng)一包含綜合園、木蘭園、蔬菜園、楊柳園、牡丹園5個(gè)?？茖ｎ悎@灌溉工程；系統(tǒng)二主要是秦巴園灌溉工程；系統(tǒng)三為棕櫚園灌溉工程；系統(tǒng)四包含千屈菜園、竹園、芳香園、海棠園、梅園、忍冬園、松科杉科園、榆科園、百果園、槭樹科園、薔薇園、木犀科園、銀杏園13個(gè)?？茖ｎ悎@灌溉工程。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)噴灌工程參數(shù)及灌溉制度進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程建設(shè)的必要性和可行性

1.1 工程建設(shè)的必要性

（1）秦嶺國家植物園植物遷地保護(hù)區(qū)專類園涵蓋植物種類豐富，植物受氣候、土壤、水文條件的制約因素較多。該區(qū)域雨水灌溉的降雨量及降雨時(shí)間均不能滿足遷地保護(hù)區(qū)植物的耗水量，必須建設(shè)儲(chǔ)存、灌溉設(shè)施提供灌溉季節(jié)用水。

（2）工程20個(gè)專類園位置分布于整個(gè)遷地保護(hù)區(qū)，僅有部分專類園位于現(xiàn)狀管網(wǎng)敷設(shè)區(qū)域內(nèi)，且現(xiàn)狀管網(wǎng)僅為干管設(shè)計(jì)，各專類園區(qū)內(nèi)部節(jié)水灌溉系統(tǒng)并未涉及。因此，必須針對(duì)秦嶺植物園遷地保護(hù)區(qū)20個(gè)專類園區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)秦嶺植物園遷地保護(hù)區(qū)20個(gè)專類園區(qū)的節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)，對(duì)水資源進(jìn)行調(diào)蓄、分配和利用，是秦嶺植物園遷地保護(hù)區(qū)環(huán)境保護(hù)的需要。

（4）灌溉技術(shù)將向著節(jié)水節(jié)能、優(yōu)化調(diào)度、現(xiàn)代化的管理等方向發(fā)展。對(duì)秦嶺植物園遷地保護(hù)區(qū)20個(gè)專類園區(qū)推行節(jié)水灌溉，是秦嶺植物園遷地保護(hù)區(qū)節(jié)水的需要。

1.2 工程建設(shè)的可行性

（1）秦嶺國家植物園是由陜西省政府、國家林業(yè)局、中國科學(xué)院、西安市政府聯(lián)合共建，為世界第一大植物園，為國家重點(diǎn)扶持項(xiàng)目，政策方面國家給予大力支持。

（2）秦嶺國家植物園遷地保護(hù)區(qū)位于西安市周至縣境內(nèi)，緊鄰S107旅游專線，園區(qū)內(nèi)緊鄰田峪河有硬化道路覆蓋。區(qū)內(nèi)通訊、交通條件良好。

（3）園區(qū)地理位置優(yōu)越，位于赤峪河、田峪河兩大河流之間，田峪河為黑河一級(jí)支流，上游基本無居民居住，水質(zhì)良好未經(jīng)污染，從未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，作為灌溉用水水量充足。

（4）根據(jù)周至縣水政水資源委員會(huì)批復(fù)，項(xiàng)目可在田峪河取水，取水量最高可達(dá)0.5 m3/s，現(xiàn)狀工程實(shí)際引水設(shè)計(jì)最大引用流量0.15 m3/s，水量充沛，可滿足植物園遷地保護(hù)區(qū)灌溉用水。

2 工程規(guī)模

2.1 已建成調(diào)蓄工程規(guī)模

已成蓄水池共三座和翠湖作為調(diào)蓄用水。三個(gè)蓄水池中1#、2#中位水池池底高程為555.00 m，容量合計(jì)為2000 m3；云橫路東側(cè)拆遷原址的高位水池，容積2000 m3，池底高程635.00 m。翠湖位于距中位水池約200 m西側(cè)，調(diào)蓄容積為4萬m3。調(diào)蓄水池作為管網(wǎng)調(diào)壓蓄水所用，供人飲、集賢產(chǎn)業(yè)園、專列園灌溉用水。

2.2 新建調(diào)蓄工程規(guī)模

根據(jù)各專類園和特色植物區(qū)布置位置，結(jié)合地形地質(zhì)及人文地理?xiàng)l件，布置蓄水池一座，容積100 m3，調(diào)蓄湖一座，容積60000 m3，40 m2泵房一座，60 m2泵房一座。蓄水池結(jié)構(gòu)均采用國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集，為矩形結(jié)構(gòu)，使用《矩形鋼筋混凝土蓄水池》（05S804）。池頂覆土厚度0.5 m，設(shè)檢修孔、溢流管和放空管。

3 噴灌工程設(shè)計(jì)

根據(jù)20個(gè)專類園的植物特點(diǎn)及位置分布，將灌溉系統(tǒng)分為四個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)使用噴灌、微灌相結(jié)合的方式進(jìn)行灌溉。根據(jù)其所栽種植物的習(xí)性以及當(dāng)?shù)鼐唧w情況選擇旋轉(zhuǎn)式噴頭、扇形噴頭、滴灌帶、涌泉噴頭、根部灌水器等灌水器進(jìn)行灌溉。灌溉形式有噴灌、滴灌及小管出流等形式。下面以蔬菜園噴灌為例進(jìn)行計(jì)算和布置。

3.1 水量平衡計(jì)算

設(shè)計(jì)用水量:

式中:Q為設(shè)計(jì)用水量，m3/h；A為設(shè)計(jì)灌溉面積，hm2；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.95；Ea為設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度，mm/d；Po為當(dāng)?shù)赜行Ы邓?，mm/d，取 0。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)用水量為9.47 m3/h。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

根據(jù)蔬菜園植物需水實(shí)驗(yàn)資料，結(jié)合設(shè)計(jì)的具體情況，噴灌工程設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 管網(wǎng)布設(shè)

噴灌系統(tǒng)輸水管網(wǎng)由主管、支管和輔管組成。其中主管沿道路布置，支管用異徑三通與主管相連，每條支管根據(jù)灌溉面積不同來控制輔管，控制長(zhǎng)度140 m，支管安裝電磁閥與田間控制器，輔管平行于主管布置，輔管每隔5 m接噴頭，噴頭選用旋轉(zhuǎn)噴頭，噴頭射程為6.9 m，流量為0.22 L/s。

3.4 灌水器選擇

灌水器包括微噴頭和滴頭，其質(zhì)量的好壞直接影響到微灌系統(tǒng)工作是否可靠、灌水質(zhì)量好壞和工程投資。因此灌水器的選擇必須考慮以下條件:（1）作物種類和生長(zhǎng)階段；（2）土壤性質(zhì)，對(duì)輕質(zhì)土壤可選擇大流量灌水器；（3）出水均勻、穩(wěn)定；（4）抗堵塞能力好；（5）制造精度高，制造偏差系數(shù)CV=0.03～0.07；（6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造安裝；（7）堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉。

根據(jù)上述選擇條件，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)狀況以及種植作物的特點(diǎn)。選用與雨鳥散射噴頭通用的可安裝在雨鳥散射噴頭1800和US的噴體上的旋轉(zhuǎn)噴嘴。其噴灑半徑4 m～7.3 m，噴灑強(qiáng)度15.2 mm/h。它區(qū)別于一般散射噴頭的特點(diǎn)是灌溉強(qiáng)度低至15.2 mm/h。灌溉均勻度更高，適應(yīng)性更強(qiáng)，可以按照等噴灌強(qiáng)度噴嘴設(shè)計(jì)[1]。

3.5 同時(shí)工作的噴頭數(shù)

式中:Q為系統(tǒng)灌溉流量，32 m3/h；q為噴頭流量，0.04 m3/h。

根據(jù)系統(tǒng)流量及單個(gè)噴頭流量，確定系統(tǒng)控制的噴頭個(gè)數(shù)為150個(gè)，同時(shí)工作的支管數(shù):

式中:n噴頭為1根支管上的噴頭數(shù)，一根支管控制四根輔管，每條輔管長(zhǎng)度140 m，噴頭間距5 m。

經(jīng)計(jì)算最大支管數(shù)為5條。

3.6 灌溉制度與系統(tǒng)工作制度的確定

3.6.1 設(shè)計(jì)灌水定額

設(shè)計(jì)灌水定額，即每一次灌水?dāng)?shù)量，其計(jì)算公式采用:

式中:m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm或m3/畝；γ為土壤容重，γ=1.40 g/cm3；Z為計(jì)劃濕潤層深度，噴灌Z=30 cm；P為土壤濕潤比，取60%；β為田間持水量，為24%；θmax為適宜土壤含水量上限，θmax=90%β；θmin為適宜土壤含水量下限，θmin=65%β；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.95。

經(jīng)計(jì)算，m=15.92 mm=10.61 m3/畝。

3.6.2 設(shè)計(jì)灌水周期

設(shè)計(jì)灌水周期，即在連續(xù)無雨條件下，某種作物需水臨界期的允許最大灌水間隔時(shí)間，采用下式計(jì)算:

式中:T為設(shè)計(jì)灌水周期，d；Ea為作物日耗水強(qiáng)度，mm/d；η為灌溉水利用系數(shù)。

計(jì)算滴灌灌水周期T=3.36 d，取T=4 d。

3.6.3 一次灌水延續(xù)時(shí)間

式中:m為設(shè)計(jì)灌水定額，15.92mm；q為1個(gè)噴頭的流量，0.04m3/h；b為支管間距，5 m；l為沿支管的噴頭間距，5 m。

計(jì)算一次灌水延續(xù)時(shí)間，t=6.12 h。

3.6.4 噴灌系統(tǒng)灌溉制度

此次噴灌工程以一條支管控制的灌溉范圍為基本灌水單元，一條支管構(gòu)成一個(gè)輪灌組。每個(gè)輪灌組運(yùn)行時(shí)，該輪灌組內(nèi)的支管上輔管全部開啟，一個(gè)輪灌組灌水完成后開啟下一個(gè)輪灌組內(nèi)的支管，再關(guān)閉前一個(gè)輪灌組內(nèi)的支管。此種輪灌方式水量相對(duì)集中，管理簡(jiǎn)便。

4 結(jié)語

噴灌技術(shù)是一種較為先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)約用水是我國十分重要的項(xiàng)目，國家需利用科學(xué)技術(shù)促進(jìn)噴灌技術(shù)的發(fā)展，以便于水資源的高效利用和節(jié)約[2]。根據(jù)本工程建設(shè)條件，工程總體布置按照技術(shù)方案合理，投資節(jié)省、施工容易、運(yùn)行管理方便等目標(biāo)，對(duì)輸水線路進(jìn)行方案的比較，擇優(yōu)選取施工條件好、線路較短、地形起伏相對(duì)較小的輸水線路，同時(shí)，結(jié)合輸水線路比選，對(duì)不同輸水管材、管徑及敷設(shè)方式等方案進(jìn)行比較。因此，從工程總體布置及其各組成部分的工程布置看，均按照前述目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)選，工程的建設(shè)和運(yùn)行都將會(huì)取得較好的節(jié)水效果。