農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉發(fā)展思路初探

陳 晨

（榆陽(yáng)區(qū)佳蘆河世行貸款項(xiàng)目辦公室，陜西 榆林 719000）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

榆林市榆陽(yáng)區(qū)2015 度小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目區(qū)總土地面積68.45 萬(wàn)畝，位于榆陽(yáng)區(qū)北部風(fēng)沙草灘區(qū)，地貌類型以半月形固定、半固定沙丘為主，期間分布有大小灘地，經(jīng)過多年改良，形成5.52 萬(wàn)畝耕地。涉及馬合鎮(zhèn)、小紀(jì)汗鎮(zhèn)、孟家灣鄉(xiāng)、小壕兔鄉(xiāng)、巴拉素鎮(zhèn)、紅石橋鄉(xiāng)共6 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、15 個(gè)行政村。

區(qū)內(nèi)耕地屬于純井灌區(qū)，主要依靠機(jī)井和多管井進(jìn)行灌溉。現(xiàn)有灌溉水源井264 眼。其中，機(jī)井50 眼、多管井214 眼，年供水總能力849.07 萬(wàn)m3，耕地灌溉以砂質(zhì)渠道和低標(biāo)準(zhǔn)漿砌磚渠道為主。由于田間渠道襯砌率不足50%，大田以漫灌為主，灌溉水利用系數(shù)僅為0.55，灌溉水利用率極低，造成水資源的極大浪費(fèi)。另外多年來由于歲修資金投入不足和管理落后，現(xiàn)灌溉水源井中有214 眼多管井抽水設(shè)備破損嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉改造方法

為改善現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行節(jié)水增效工程改造。規(guī)劃改善灌溉面積2.48 萬(wàn)畝，灌溉方式為低壓管道輸水灌溉和機(jī)組式噴灌，灌水定額均為30 m3/畝，灌水周期為7 天一次。其中，低壓管道輸水灌溉面積1.87 萬(wàn)畝，機(jī)組式噴灌面積0.61 萬(wàn)畝。按灌溉形式不同選取典型地塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 低壓管道輸水灌溉工程設(shè)計(jì)

低壓管道輸水灌溉工程選擇小紀(jì)汗鎮(zhèn)大紀(jì)汗村片區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì),面積0.52 萬(wàn)畝，以大紀(jì)汗村3 組4 號(hào)多管井為計(jì)算單元，計(jì)算單元灌溉水源為18 束吸水管6 吋多管井，井深18 m，出水量為60 m3/h。控制灌溉面積133.21 畝。

2.1.1 灌溉流量

單井控制灌溉面積按式（1）計(jì)算。

式中：F0為單井控制灌溉面積，畝；Q 為單井出水量，取60 m3/h；T 為輪灌一次所需要的時(shí)間，取7 d；t 為一灌溉期每天開機(jī)時(shí)間，取 14 h/d；η 為灌溉水利用系數(shù) 0.80；η1為干擾抽水的水量削減系數(shù)0.1；m 為凈灌水定額，取30 m3/畝。

經(jīng)計(jì)算：F0=141.12 畝。項(xiàng)目區(qū)計(jì)算單元有現(xiàn)狀多管井1眼，滿足該輸水灌溉系統(tǒng)的灌溉要求。由以上計(jì)算可知，水源井出水量可以滿足灌溉用水需求，此井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)根據(jù)多管井自成系統(tǒng)。

2.1.2 供水管網(wǎng)布設(shè)

每眼多管井都配有1 套完整的提水裝置和輸配水管網(wǎng)，灌溉季節(jié)各多管井獨(dú)立工作。由于項(xiàng)目區(qū)耕地畦塊面積較小、畦長(zhǎng)較短，低壓輸水管道只設(shè)有干管1 級(jí)系統(tǒng)，呈“工”字形布設(shè)，不設(shè)支管，輸水干管間隔20 m 布設(shè)1 個(gè)出水栓，共布設(shè)出水栓32 個(gè)。灌溉時(shí)一般采用集中輪灌，從多管井取水，，通過暗管輸水至田間出水栓后進(jìn)行灌溉，每次只打開1 個(gè)出水栓進(jìn)行灌溉。為了便于管理檢修，多管井出水管與輸水暗管連接處、管道分支處均設(shè)控制閥井。

管道選用PVC 管材，根據(jù)水源井的出流量，初步擬定管道流速為1.1 m/s，采用式（2）計(jì)算初選管徑。

式中：d 為管道內(nèi)徑，mm；Q 氣溫設(shè)計(jì)流量，取 60 m3/h；v 氣溫管內(nèi)設(shè)計(jì)流速，取1.1 m/s。

經(jīng)計(jì)算，取外徑160 mm 的PVC 管，壁厚4 mm。但是考慮到項(xiàng)目區(qū)為砂質(zhì)土壤，土體承壓能力較差，為防止農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械行走或意外性地面承壓對(duì)輸水管道的破壞，此次設(shè)計(jì)對(duì)PVC管材公稱壓力提高1 個(gè)等級(jí)配置，最終確定Φ160 PVC 管材公稱壓力值為0.6 MPa。

2.1.3 機(jī)泵的確定

灌溉系統(tǒng)水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，按照式（3）計(jì)算。

式中：Hp為灌溉系統(tǒng)水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m；H0為管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作水頭，為輸水管水頭損失和最后一個(gè)出水栓的工作水頭1.00 m的之和（田間高差為 0），即 H0=h損+h出=1.74 m+1.00 m=2.74 m；Z0為管道系統(tǒng)進(jìn)口高程，為1173.05 m；Zd為機(jī)井動(dòng)水位，為1158.47m；Σhf,0為水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的沿程水頭損失，多管井使用離心泵抽水，故沿程水頭損失忽略不計(jì)；Σhj,0為水泵吸水管進(jìn)口至管道系統(tǒng)進(jìn)口之間的局部水頭損失，多管井使用離心泵抽水，所以沿程水頭損失忽略不計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，水泵設(shè)計(jì)總揚(yáng)程Hp=17.32 m。故確定水泵型號(hào)為BJ50 型，揚(yáng)程18 m，配套動(dòng)力機(jī)功率為7.5 kW。

2.2 機(jī)組式噴灌工程設(shè)計(jì)

選擇紅石橋鄉(xiāng)馬路灣片區(qū)為典型進(jìn)行設(shè)計(jì)。面積0.23 萬(wàn)畝，灌溉水源為機(jī)井，共5 眼，井深120 m，出水量為32 m3/h。最不利管線（水源井向蓄水池輸水管線長(zhǎng)252 m）的水源井地面高程為1170.69 m、靜水位高程為1149.61 m、動(dòng)水位高程為1139.81 m。

選擇馬路灣村1 號(hào)噴灌機(jī)（R=350 m）為計(jì)算單元，噴灌機(jī)覆蓋半徑350 m，一個(gè)工作圓周灌溉面積577 畝。灌溉工作時(shí)，由操作人按照噴灌機(jī)操作規(guī)程在控制器面板中輸入灌水定額值后，噴灌機(jī)自動(dòng)工作，在7 天灌水周期內(nèi)完成覆蓋面積內(nèi)噴灑灌溉。

2.2.1 輸水管網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)灌溉面積需求，1 臺(tái)噴灌機(jī)由5 眼水源井供水。沿噴灌機(jī)四周輻射狀布設(shè)4 眼機(jī)井，中心布設(shè)1 眼，通過井用潛水泵出口后輸水管道向中心調(diào)節(jié)蓄水池供水。井用潛水泵出水口后采用長(zhǎng)度80 m 的DN80 mm 鋼管作為提水管（方便固定井用潛水泵），出井口后至蓄水池間的輸水管選用PVC管材。

根據(jù)水源井的出流量，初步擬定出井口后至蓄水池間的PVC 輸水管管道流速為1.25 m/s，采用式（2）計(jì)算初選管徑。其中：Q=32 m3/h，v=1.25 m/s。經(jīng)計(jì)算，取外徑 110 mm 的 PVC 管。本機(jī)組共布設(shè)5 條PVC 管，長(zhǎng)度分別為25 m、205 m、222 m、238 m、252 m。并考慮到項(xiàng)目區(qū)為砂質(zhì)土壤，土體承壓能力較差，為了防止農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械行走或意外性地面承壓對(duì)輸水管道的破壞，最終確定φ110 PVC 管材公稱壓力值為0.32 MPa，壁厚2.7 mm。

2.2.2 水源井水泵的確定

水源井水泵的揚(yáng)程，按照式（3）計(jì)算。其中：輸水管水頭損失和水泵降深30.00 m、管道出水口工作水頭1.00 m 的之和（地面高差為0），故H0=33.83 m；Z0=1170.69 m；Zd=1109.80 m；Σhf,0=7.13 m；Σhj,0=0.71 m。經(jīng)計(jì)算，水泵設(shè)計(jì)總揚(yáng)程Hp=102.56 m。故水泵選型為200QJ32-104，揚(yáng)程104 m，配套電機(jī)功率為15 kW。本典型設(shè)計(jì)單元共配置200QJ32-104 水泵5臺(tái)，每眼水源井1 臺(tái)。

2.2.3 中心調(diào)節(jié)蓄水池的確定

（1）容積計(jì)算

采用5 眼井（4 眼工作，1 眼備用）聯(lián)合作為一臺(tái)噴灌機(jī)的水源，選取的E2045-G（R350）中心支軸式圓形電動(dòng)噴灌機(jī)，額定流量為135 m3/h，日噴灌時(shí)間為18 h，則日需水量為2520 m3。并在蓄水池潛水泵后管道上安裝120 目鋼制網(wǎng)式過濾器1 臺(tái)，提高噴灌機(jī)水質(zhì)，防止噴灌機(jī)噴頭堵塞。

由于水源的最小日來水量能滿足噴灌機(jī)最大用水量，而來水流量小于用水流量，所以按日調(diào)節(jié)確定蓄水容積，根據(jù)下式計(jì)算：

式中：V 為調(diào)節(jié)蓄水池容積，m3；Q用為作物需水臨界期用水量，為135 m3/h；Q來為水泵給水量，為128 m3/h；t 為作物需水臨界期日噴灌時(shí)間，最小取18 h；K 為安全系數(shù)，考慮蓄水時(shí)因蒸發(fā)和滲漏的損失，取1.15。

經(jīng)計(jì)算，V=145（m3/h）。因此調(diào)節(jié)蓄水池的容積取150 m3。

（2）結(jié)構(gòu)

每臺(tái)噴灌機(jī)配備1 座圓形斷面蓄水池，容積150 m3，池深3.5 m，直徑7.8 m，C20 鋼筋混凝土現(xiàn)澆，底板厚25 cm，壁厚25 cm，水墜砂基礎(chǔ)，上墊碎石厚50 cm，壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.97，灰土層上澆筑10 cm 厚C15 混凝土墊層，雙層網(wǎng)狀配筋。

3 榆陽(yáng)區(qū)2015 度小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目區(qū)改造結(jié)果

（1）項(xiàng)目區(qū)前期典型地塊的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為后續(xù)項(xiàng)目的全面成功改造奠定了基礎(chǔ)。整個(gè)改造工程歷時(shí)（2016 年3 月～2016 年7 月）5 個(gè)月。

（2）改造多管井214 眼，田間出水栓5699 個(gè)、蓄水池 11座、潛水泵11 臺(tái)、中心支軸圓形噴灌機(jī)11 臺(tái)（單臺(tái)控制灌溉面積 92 畝 ～891 畝）。

（3）項(xiàng)目區(qū)未改造前（2014 年）供水能力為 849.07 萬(wàn) m3，農(nóng)業(yè)灌溉和居民生活用水需水總量844.58 萬(wàn)m3，富余量4.50 萬(wàn)m3。改造后農(nóng)業(yè)灌溉和居民生活用水需水總量403.94 萬(wàn)m3，富余量445.13 萬(wàn)m3，完全滿足項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。項(xiàng)目實(shí)施后，年可節(jié)約水資源440.63 萬(wàn)m3，灌溉水利用系數(shù)由0.65 提高到0.8。

4 結(jié)論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然。榆林市榆陽(yáng)區(qū)通過發(fā)展高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目，必將推動(dòng)全區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，對(duì)加快農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)全區(qū)農(nóng)業(yè)再上一個(gè)新臺(tái)階起到重要作用，對(duì)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，具有十分重要的意義。