以榆陽區為例探析風沙區節水灌溉措施

李欣卓

(榆林市水利工程建設中心，陜西 榆林 719000)

陜北風沙區，天然植被已破壞殆盡，只有溝坡保留一些次生灌草，立地條件較好的平緩坡地，零星分布有棗、果、杏等經濟林木和油松、樟子松等喬木樹種。區內降雨稀少，要進行種樹種草、防風固沙以及農作物生產，就必須推進節水灌溉工作，以保障作物用立城增長。現以榆陽區大河塔鎮大河塔小流域為例，對風沙區節水灌溉措施進行探析。

1 概況

榆陽區屬毛烏素沙漠南緣與黃土高原丘陵溝壑接壤地帶，大河塔小流域距榆林市主城區約43 km，涉及大河塔鎮的11個行政村，人口11885人。流域總面積為13.63 km2，水土流失面積為12.89 km2，年平均降雨量414.1 mm。為了推進風沙區治理，項目規劃在巴拉素、小壕兔、紅石橋3個鄉鎮實施滴灌工程60處，以實現節水灌溉。

2 水資源供需平衡分析

2.1 水資源開發利用現狀

項目所在的西北部風沙草灘區屬中等富水地區，地下水埋深在5 m～150 m，單井出水量在1000 m3/d～2000 m3/d，沙層較厚，沙粒較細，平均滲透系數4 m/d，一般為水化學類型為HCO3-Ca·Na型水，礦化度0.5 g/L以內，屬于良好的灌溉水源，保證率為85%時補給模數17.6×106m3/(km2·a)，西北部風沙草灘地區可開采模數為7.5×106m3/(a·km2)。項目所在的東南部丘陵溝壑地區屬貧水地區，在梁峁之間、河谷川地區地下水埋深50 m～150 m，單井出水量在100 m3/d～700 m3/d，東南部丘陵溝壑地區可開采模數為1.0×104m3/(a·km2)。

項目區涉及行政村總土地面積58.21萬畝，總耕地面積4.13萬畝，地下水補給面積為388 km2，地下水可開采量為2731.89萬m3。項目區目前主要采用地下水作為水源、采用井泵站抽水、襯砌明渠與田間土渠結合輸水、長形畦灌的方式進行農業灌溉，存在水資源浪費嚴重、灌溉水有效利用率低等問題，嚴重制約了該村農業生產的可持續發展。同時，灌區部分機電井因年久老化失修，地下水位下降，無法保證群眾生產生活需要，灌溉保證率低，給農業生產造成一定難度，所以必須進行節水灌溉。

2.2 項目區年度需水量分析

項目區內無工礦企業用水，只考慮農業和農村居民用水。項目區主要種植玉米和紫花苜蓿，灌溉水源為地下水。按照《陜西省行業用水定額》(DB61/T 943-2014)，陜北長城沿線風沙區主要農作物灌溉制度模式設計，農業灌溉需水量為1258.17萬m3。農村居民用水定額為65 L/(人·d)，即23.7 m3/(人·a)，人口11885人，計算出項目區農村居民需水量為28.17萬m3。

2.3 項目區水量供需平衡計算

項目區水量平衡計算見表1，由表1可知，項目區現狀年可開采水量大于年需水量，年富余量1445.55萬m3，完全可以滿足項目區農業溉用水和農村居民生活用水需求。

表1 項目區水量平衡表

3 節水灌溉工程設計

根據工程建設內容及規模，將灌溉設計保證率選定85%，灌溉水利用系數取值0.90，管灌區取值0.85，本次設計項目區內各地塊均屬井灌區，節水灌溉工程采用地表滴灌帶滴灌，總面積2700畝，規劃節水灌溉工程共計60處(以灌溉面積每3 hm2計節水灌溉工程一處)，其中巴拉素鄉新廟灘村滴灌面積135畝，小壕兔鄉掌高兔村滴灌面積1845畝，紅石橋鄉西左界村滴灌面積720畝。

3.1 典型區選擇

現以榆陽區紅石橋鄉西左界村項目為例，作典型設計。該村地處風沙草灘區，屬典型的井灌區，農業種植以玉米、紫花苜蓿為主。根據典型區選擇原則，本次滴灌設計選取1號新鉆水源井控制灌溉區域為典型區，控制灌溉面積113畝。滴灌系統由首部樞紐、管網(干管、支管和毛管三級管道)、控制與保護設備和附屬工程等組成。

3.2 灌水器選擇與毛管布置方式

本次設計灌溉作物為紫花苜蓿，毛管選用外徑d外為16 mm的內鑲貼片式PE滴灌帶，滴頭間距Se為0.3 m，滴頭平均流量qd為2 L/h，滴頭工作壓力hd為10 m，流態指數為0.5。灌溉水通過水泵從機井抽出后，先經施肥罐、過濾器，然后經由PVC-U干管輸送至各支管，通過支管分流進入下一級的毛管，支管垂直干管且垂直于作物種植方向布置，毛管垂直于支管并沿作物種植方向布置。

3.3 灌溉制度設計

(1)設計參數的選擇

計劃濕潤層深度H=0.55 m；適宜含水量上限θmax=85%θ田；適宜含水量下限θmin=60%θ田；田間持水量(重量比)θ田=22%；灌溉水利用系數η=0.90；作物日耗水強度Ea=7.0 mm/d；土壤容重γ=1.45 g/cm3；設計土壤濕潤比P=90%。

(2)設計灌水定額

根據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)的規定，設計灌水定額用下列公式計算：

式中：m為設計灌水定額，mm；γ為土壤容重，取1.45 t/m3；H為計劃濕潤層深，取0.55 m；P為土壤濕潤比，取90%；θ田為土壤田間持水量(占土體重)，θ=22%；θmax為適宜土壤含水率上限，取0.85θ田；θmin為適宜土壤含水率下限，取0.60θ田；η為灌溉水利用系數，取0.90。

則設計灌水定額為：

m=1000×1.45×0.55×0.22×0.90×(0.85-0.60)/0.90=43.86 mm=29.26 m3/畝

根據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)，結合榆陽區種植紫花苜蓿的經驗，取灌水周期為6天。

(3)滴灌系統工作制度

根據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)，一次灌水延續時間用下列公式計算：

(2)

式中：t為一次灌水延續時間，h；m為毛灌水定額，取43.86 mm；Se為滴頭間距，取0.3 m；S1為毛管間距，取0.5 m；qd為滴頭流量，取2 L/h。

則一次灌水延續時間為：t=43.86×0.3×0.5/2=3.29 h

取t=4 h。

本系統擬采用輪灌方式進行灌溉，輸配水系統工作時間為16 h，一次灌水時間取4 h，結合典型設計中管網布置及已成井出水量，每個地塊均擬劃分為24個輪灌組，一個輪灌組大小約為88 m×36 m，面積約3168 m2，即每個灌區面積4.75畝。每次輪灌開啟支管上相對的毛管控制閥，灌水時間4 h，然后換入下一輪灌組，每天灌溉4個輪灌組，6 d灌完。

(4)毛管網布置

毛管采用內鑲片式滴灌管，管徑16 mm，滴頭間距0.3 m，滴頭流量2 L/h，滴頭工作水頭ha=10 m。平坡條件下，毛管極限孔數按下式計算：

(3)

式中：Nm為毛管極限孔數；Δh2為毛管允許水頭偏差，Δh2=β2Δh，平坡條件下β2取0.55；Δh為灌水小區允許水頭偏差，Δh取2.27 m；d內為毛管內徑，取15.2 mm；k為水頭損失擴大系數，一般取1.1～1.2，本工程取1.1；qd為滴頭流量，取2 L/h；Se為滴頭間距，取0.3 m。

經計算：毛管極限孔數為293個。

毛管極限長度Lm按下式計算:

Lm=Se(Nm-1)+S0

(4)

代入數值S0=Se=0.3 m，Nm=293個，經計算得：Lm=88 m。

本次毛管(迷宮式滴灌帶)長度取88 m，符合要求。

(5)管網布置

各地塊的灌溉系統均布置三級管道，即干管、支管、毛管(灌水帶)。毛管平行于作物種植行西南～東北方向布置，單向分水；支管近似垂直于毛管東南～西北方向布置，單向分水；干管垂直于支管西南～東北方向布置。

單條毛管進口流量為0.587 m3/h。根據管網布置和灌溉制度，一次灌溉每條輔管同時最多開啟55條毛管，則：Q輔=Q滴×55=0.587×55=32.28 m3/h。管道經濟流速按1.25 m/s進行計算。

(5)

式中：Q為設計流量，m3/h；D為管道管徑，mm；V為設計流速，1.2 m/s。

經計算，管徑為D輔=97.51 mm。

本次支管選用Ф110 mm×4.2 mm、承壓1.0 MPa的PVC-U管。

(6)干管流量及管徑確定

Q干=Q支×1=32.28×1=32.28 m3/h

干管經濟流速按1.2 m/s進行計算。

本次干管也選用Ф110 mm×4.2 mm、承壓1.0 MPa的PVC-U管。

(7)滴灌水力計算

依據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)，在管道輸水管網設計計算中，根據不同的材料管材適用范圍的流態，通常采用下式計算有壓管道水頭損失：

h損=hf+hj

(6)

a)沿程水頭損失hf，采用下式計算：

(7)

式中：hf為沿程水頭損失，mm；f為摩阻系數，PVC-U管取0.948×105，PE管取0.505×105；L為管道長度，取最不利輪灌組的PVC-U、PE管長，m；d為管內徑，PVC-U管取101.6 mm，PE管取15.2 mm；Q為管道設計流量，PVC-U管(干支管)取機井設計流量32 m3/h，PE管(毛管滴灌帶)取0.59 m3/h；m為流量指數，PVC-U管取1.77，PE管取1.75；b為管徑指數，PVC-U管取4.77，PE管取4.75。

b)局部損失采用近似計算法，采用下式計算：

hj=hf×10%

以最不利支管原則，考慮到作物栽培時用水情況，支管、干管流量從下至上推求，流量推算結果、各段管徑及水頭損失見表2。

表2 滴灌系統管網水力計算結果

(8)水泵選型

根據滴灌系統設計流量和設計揚程，選擇200QJ32-169/13型潛水泵，其流量32 m3/h，揚程169 m，揚水管直徑75 mm，配用功率30 kW。該水泵選擇對于部分地塊有一定余量，考慮典型區可能適當擴大灌溉面積。

4 首部樞紐設計

根據滴灌工程布置，本次滴灌水源為機井、多管井，通過水泵加壓后輸送至田間管道。滴灌首部樞紐由加壓泵和過濾站、施肥罐、流量計、壓力表和保護裝置等組成。

4.1 過濾器選擇

在滴灌系統中，為了防止滴灌帶堵塞，因此常常在首部設置過濾器。本工程水質比較清澈，泥沙含量很少，無明顯漂浮物。本設計過濾器選擇離心+網式過濾器(3吋W0301+L0301)，過濾精度120目，設計流量Q<40 m3/h。

4.2 施肥罐選擇

滴灌時可同時施入化肥，使水肥一起輸送至作物根部。在實際工程中，一般多采用壓差式肥料系統。施肥罐根據系統控制面積的不同容積也不同，本次選擇100 L。

4.3 節水灌溉設計成果

根據滴灌系統設計參數，統計本次節水灌溉工程設計成果見表3。

5 結語

陜北風沙區水資源緊缺、生態環境惡劣，要進行防風固沙，促定農業生產，對經濟作物必須采取節水灌溉措施。經過探討，采用滴灌較為科學。滴灌帶選用Φ16PE貼片式，PVC-U管選用Φ110 mm，采取三級管道布置模式，可有效促進節水，滿足作物灌溉需求，為促進風沙區農業生產和農業經濟發展提供了重要支撐。