黃土丘陵區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)研究

張 斌

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西 西安 710003)

以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)、 提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力核心、 依據(jù)黨的十八大確定的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展的總要求，按照《國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，立足于項(xiàng)目區(qū)資源和優(yōu)勢，進(jìn)行水、林、田、路綜合治理，開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田工程建設(shè)，穩(wěn)步提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力；統(tǒng)籌協(xié)調(diào)項(xiàng)目區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)內(nèi)容、相關(guān)措施及項(xiàng)目布局、使水源工程、灌區(qū)改造與田間水利設(shè)施、道路、林網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目相配套，水利措施與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、科技、良種等措施同步開展；支持生態(tài)綜合治理，為生態(tài)文明建設(shè)提供綠色屏障，鼓勵(lì)新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體參與項(xiàng)目建設(shè)，促進(jìn)土地適度規(guī)模經(jīng)營，引導(dǎo)金融資金和社會資本投入，推動(dòng)一二三產(chǎn)融合發(fā)展，逐步把高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目區(qū)建成國家糧食安全支撐區(qū)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的示范區(qū)，機(jī)制創(chuàng)新的樣板區(qū)。

1 數(shù)據(jù)處理方法

1.1 灌溉制度設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)凈灌水定額m凈

m凈=1 000γsh(β1-β2)

(1)

式中：m凈為設(shè)計(jì)凈灌水定額，m3/hm2；γs為計(jì)劃濕潤層土壤干容重，KN/m3；h為土壤計(jì)劃濕潤層深度，m；β1為適宜土壤含水率上限(占干土重量的百分比)，%；β2為適宜土壤含水率下限(占干土重量的百分比)，%。

(2)灌水周期

根據(jù)灌水臨界期內(nèi)作物最大日需水量，按下式計(jì)算最大灌水周期：

Tmax=m凈/Ea

(2)

式中：m凈為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm；Tmax為最大灌水周期，d；Ea為作物需水高峰期設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，mm/d。

(3)設(shè)計(jì)灌水周期(T)

根據(jù)T≤Tmax。

1.2 設(shè)計(jì)流量

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算確定：

(3)

式中：Q為灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量(m3/h)；A為灌溉面積(m2)；為灌溉水利用系數(shù)；t為日工作小時(shí)數(shù)；T為一次灌水持續(xù)時(shí)間。

1.3 輪灌制度確定

輪灌組劃分原則

(1)各輪灌組之間面積近似相等；

(2)輪灌區(qū)要集中連片，便于管理，減少勞動(dòng)強(qiáng)度；

(3)注意村界、地界，盡可能的將一個(gè)村組劃分在同一輪灌組。

1.4 管徑計(jì)算

按下列公式計(jì)算管道直徑：

(4)

式中：D為管道直徑，mm；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；v為管內(nèi)流速，m/s。

1.5 管材選擇

不同管道管材，其水力學(xué)特性、耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易等方面均不同。管材選用不當(dāng)會造成事故或增加不必要的資金投入。因此，輸水管材的選擇對節(jié)省投資，方便施工及安全運(yùn)行意義重大。

目前常用管材有：鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、PE管、PVC-U管等。

1.6 水力計(jì)算

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算，管道的水頭損失按下列公式計(jì)算：

h栓=hf+hj

(5)

(6)

hj=0.1hf

(7)

式中：h栓為給水栓水頭損失，m；hf為給水栓沿程水頭損失，m；hj為給水栓局部水頭損失，取沿程損失的10%，m；Q為流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，mm；f為摩阻系數(shù)，f=0.948×105；L為管道長度，m。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

本次根據(jù)黃陵縣店頭鎮(zhèn)轄區(qū)地下水資源等情況，擬對店頭鎮(zhèn)共計(jì)4 813畝農(nóng)田實(shí)施高效節(jié)水。目前實(shí)施區(qū)域主要種植作物為玉米，結(jié)合當(dāng)?shù)匾延械墓喔染鏊考暗叵滤宦裆睢⑺考把a(bǔ)給等條件，本次水源擬選擇集水井作為實(shí)施高效節(jié)水的水源工程，布置集水井8座。

2.2 低壓管道灌溉工程

典型設(shè)計(jì)工程位于黃陵縣店頭鎮(zhèn)，規(guī)劃水源為5號集水井，灌溉面積為600畝，工程區(qū)種植作物為玉米，水量及水質(zhì)滿足灌溉要求。

1)灌溉設(shè)計(jì)保證率為75%，灌溉水利用系數(shù)取0.85；

2)計(jì)劃濕潤層土壤干容重取13.5 KN/m3；土壤計(jì)劃濕潤層深度取0.42 m；適宜土壤含水率上限取田間持水率θ田=16%的90%；適宜土壤含水率下限取田間持水率θ田=16%的65%。經(jīng)計(jì)算得：設(shè)計(jì)凈灌水定額為15.1 m3/畝(22.7 mm)。

3)作物需水高峰期設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度取1.8 mm/d。經(jīng)計(jì)算，最大灌水周期12.6 d，根據(jù)T≤Tmax，確定設(shè)計(jì)灌水周期為8 d。

4)設(shè)計(jì)灌溉面積為600畝(400 020 m2)，灌溉水利用系數(shù)取0.85，日工作小時(shí)數(shù)取18 h，根據(jù)灌溉制度確定一次灌水持續(xù)時(shí)間為8 d。經(jīng)計(jì)算得：系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量74.1 m3/h，取75 m3/h。

5)灌溉系統(tǒng)布置三級管道，即干管、分干管、支管。干管連接5號集水井布置，分干管垂直干管方向布置，支管垂直分干管方向布置，共布置1條干管，3條分干管，9條支管，41套給水栓。采用輪灌的灌水方式，為了便于管理，每次工作1～2條支管，一組灌溉完后再開下一組出水口灌溉。輪灌組可根據(jù)出水口數(shù)確定，系統(tǒng)出水口共有41個(gè)，確定為8個(gè)輪灌組，灌溉周期8 d小于最大灌溉周期 12.6 d，因此劃分的8個(gè)輪灌組合理且滿足灌溉需要。

6)不同管道管材，其水力學(xué)特性、耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易等方面均不同。管材選用不當(dāng)會造成事故或增加不必要的資金投入。因此，輸水管材的選擇對節(jié)省投資，方便施工及安全運(yùn)行意義重大。目前常用管材有：鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、PE管、PVC-U管等。

(1)從管道的承壓能力來看，鋼管、球墨鑄鐵管的承壓能力相對較好。

(2)從管道接口看，鋼管采用焊接，球墨鑄鐵管為承插口連接、橡膠圈密封，PVC-U管可承插式柔性接口、也可插入式溶劑粘結(jié)接頭或法蘭接頭等剛性接頭。PE管應(yīng)采用熱熔連接、電熔連接和機(jī)械連接。

(3)從管道重量及施工方面看，球墨鑄鐵管最重，鋼管重量居中，施工不便。PVC-U管、PE管最輕，施工方便。

(4)從耐腐蝕角度出發(fā)，鋼管耐腐蝕最差，球墨鑄鐵管次之；PVC-U管、PE管耐腐蝕性能良好。

(5)從安全性及市場信譽(yù)度來說，鋼管承壓最高，適應(yīng)性最廣；PVC-U管、PE管耐壓最低。

綜合以上分析比較，為了保證輸水安全、可靠性，參考其他已成工程，結(jié)合本工程地形相對簡單、障礙物不多的地形狀況管材選取時(shí)，需考慮不同地質(zhì)條件、不同管徑、不同水壓等要求綜合選取。本次設(shè)計(jì)推薦輸水管道采用PVC-U管。

(6)給水栓設(shè)計(jì)流量取10/3 600 m3/s，支管設(shè)計(jì)流量取10/3 600 m3/s，分干管設(shè)計(jì)流量取37.5/3 600 m3/s、干管設(shè)計(jì)流量取75/3 600 m3/s；管內(nèi)流速取1.0 m/s。經(jīng)計(jì)算，干管選用dn200/0.6MPaPVC-U管(壁厚5.9 mm)，分干管選用dn110/0.6MPaPVC-U管(壁厚3.2 mm)，支管選用dn63/0.6MPaPVC-U管(壁厚2.0 mm)。

水力計(jì)算見表1～表4。

表2 1分干管水力計(jì)算表

表3 2分干管水力計(jì)算表

表4 3分干管水力計(jì)算表

3 結(jié)語

(1)針對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)部分群眾仍然沿襲傳統(tǒng)的大水漫灌、串灌等方法，加強(qiáng)灌溉設(shè)施配套，減少滲、漏、跑水現(xiàn)象，強(qiáng)化灌溉用水管理，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，對更新農(nóng)民的用水觀念，科學(xué)用水是必然的選擇。目前，項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)體系不斷完善，經(jīng)濟(jì)作物比重也在增加，因此，發(fā)展實(shí)施高效節(jié)水灌溉十分必要。

(2)通過高效節(jié)水農(nóng)田建設(shè)，將給有著五千年歷史的古老農(nóng)田注入新的活力，進(jìn)一步提高農(nóng)田灌溉建筑物的配套率，并通過與科學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，從而有效地改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。