包頭市小型農田節水灌溉工程中噴灌技術的應用設計及效果分析

苗興樂，馬俊青

（內蒙古自治區黃河鐙口灌區管理中心，內蒙古包頭 014010）

合理的農田灌溉是保證農業生產與種植的基本工作。在現階段工作中，如何實現農田灌溉用水的均衡性，保證農業生產與農耕行為不受水資源與自然降水等外界環境因素的影響等問題日益受到人們的重視。目前，有關單位采用健全農田灌溉技術的方式優化相關工作[1]。盡管當前大部分農村地區已在此項工作中做出了較大的投入與努力，并取得了階段性工作成果，但農業建設中的水利工程開發模式仍存在一定的問題。在深入相關工作的市場中調研發現，目前制約我國農業發展的主要原因集中在農業灌溉方面，主要體現在農田灌溉對水資源的利用率低、灌溉時常出現河道淤泥堆積、地區水資源分布不均導致的農田灌溉綜合水平不達標等[2]。為滿足農田作業的基本需求，有關單位提出了農田漫灌工作方式，即加大對農田灌溉中水資源的供應量，以確保農作物的量產需求[3]。但該灌溉方式會浪費大量的水資源，甚至會增加農田量產的風險。因此，在本研究中，引進一種噴灌節水技術，以內蒙古包頭市的小型農田為例，開展新技術在農田水利工程中的應用分析。通過引進噴灌節水技術，以期為提高農田灌溉水平與綜合灌溉效率、節約水資源、保證農作物在生產中的養分需求等方面提供一定幫助。

1 項目區概況

1.1 項目區農業產業發展現狀

本文選擇位于內蒙古包頭市土右旗的某個農業生產個體戶作為此次研究對象。該旗是我國糧食生產中心之一，全旗糧食作物面積9.24 萬hm2，產量81.89 萬t，連續十次榮獲“全國產糧大縣”稱號。2021 年，該旗春灌引水任務完成春灌引水316 萬m3，灌溉面積約為1 133.33 hm2，為夏糧豐產豐收打下了堅實基礎。

1.2 項目區農田灌溉基礎設施建設現狀

1）為滿足地區農業灌溉與農作物生產需求，農戶在耕地范圍內設置了多組農機井眼。2）在與包頭市土右旗農戶進行交涉過程中了解到包頭市土右旗不同農戶在農田灌溉時選擇的灌溉技術差異較大，主要灌溉方式為噴灌、管灌、微灌、防滲灌等。其中，小水塘、水窖、水池等可用于集水的基礎設施較多的地區，根據不同設施的有效存儲量可知道包頭市土右旗在大規模降水時集水基礎設施的有效容積大于10 萬m3。3）為避免農業生產對地區生態環境造成影響，地區環境綜合管理單位設置了多條排水渠道，用于排出灌溉用水，排水管道全長105.78 km 左右，可實現對1 980 m2污水的排出與調控。本文選擇的灌溉區域位于整個項目區的西部，灌溉農田坡度較小，地塊大致呈長方形分布，東西長1 210 m，南北寬450 m，合計面積36.33 hm2左右，其主要作物為小麥、玉米、馬鈴薯等生育期對水分要求較高，不能缺水的作物類型。

2 灌溉方式

目前主要的灌溉方式包括滲灌、噴灌、漫灌、滴灌等。1）滲灌即將灌溉水引入田面以下一定深度后，通過土壤的毛細管作用，濕潤農田根區土壤，以滿足作物生長需要的灌溉方式。2）噴灌指的是利用折射、旋轉或輻射式微型噴頭將水均勻噴灑到農作物的灌溉方式，在利用噴灌技術對小型農田進行大規模灌溉時，需使用噴灌設備，利用自然水在設備中的下降勢能，將水泵中的水體壓縮到管道中，此時管道噴嘴會對管道中的水體進行壓縮，并以噴射的方式噴灑到農作物種植環境中，實現農田節水灌溉[4]。噴灌還能實現對用水的控制與保持，及對農田小型氣候的綜合調節。3）漫灌為不在田間做任何溝埂，任由灌溉水在地面漫流，借助重力作用浸潤土壤的灌溉方式，較為粗放且水資源利用率低。4）滴灌指的是利用塑料管道將水通過直徑約10 mm 毛管上的孔口或滴頭進行局部灌溉的澆水方式，經常用于干旱缺水地區，節水效果較好，可使水的利用率達95%。一般來說，滲灌與微噴灌的灌溉方式更適用于蔬果的灌溉，漫灌與滴灌更適用于水稻類農作物的灌溉?？紤]到灌區地塊坡度較小，且噴灌技術具有將水均勻噴灑到農作物上、有效節約水資源、用于坡度較小的農田的優勢，本研究引進噴灌技術對該地區的農田進行灌溉。

3 小型農田節水灌溉工程中噴灌技術的應用方法設計

3.1 計算小型農田最大凈灌水定額

為提高我國小型農田水利工程建設效果，實現小型農田節水灌溉，本研究根據個體農戶農田占地面積、占地規模與灌溉基礎設施構成，布置小型農田水利工程灌溉管網。根據種植農作物對水資源的需求，基于節水灌溉角度，進行基本條件計算，即根據公式（1）計算小型農田最大凈灌水定額與灌水周期、小型農田灌水定額最大凈灌水定額。

式中：mmax為最大凈灌水定額，單位為mm；γ為土壤容重，單位為g·cm-3；z為土壤計劃濕潤層深度，單位為cm；P為設計土壤濕潤比，單位為%；θmax為適宜土壤含水量上限，單位為%；θmin為適宜土壤含水量下限，單位為%。

根據公式（2）計算灌水周期。

式中：T為灌水周期，單位為d；r為水利用系數，取值范圍為0.7～0.9；e為日耗水強度，單位為mm·d-1。

在此基礎上布置水利工程中的可控放水器進行灌溉過程中水源與水量的調節。

3.2 布置小型農田水利工程灌溉管網

1）為實現內蒙古包頭市小型農田水利工程的規范化建設，在引進噴灌技術前，需在小型農田中進行灌溉管網的規范化布置。為實現灌溉的集約化利用，選擇管網輸水管，設計輸水管的輸水壓力在0.5～0.7 MPa[5]。布置灌溉管網中的出水管口、主干灌水線路、分支灌水線路與分干灌水線路，將所選擇的輸水管埋入灌溉農田中，設計管道埋深在60～80 cm。同時，由于包頭市設置了較多的隔水溝，可將管網中的高壓輸水管線布置在隔水溝處，根據農田灌溉用水需求，在隔水溝中設計增壓循環泵，通過調節泵管壓力保證農田灌溉效果[6]。

2）包頭市農田中的小麥、玉米、馬鈴薯等主要作物在生育期內不能缺水，且需均勻噴灑，因此需合理設計管網的布置方式。在玉米等農作物的灌溉設計時，可將管網輸水管道的出水壓力設定為0.5 MPa，在此基礎上，對管網中輸水管的孔口出流量進行計算，計算中需獲取管網中輸水管的孔口處流量設計值（流量設計值的計算單位為m3·s-1）、單位時間內管道流量系數（根據本次研究需求，設定管道流量系數的取值為0.6～0.8 的常數，此次計算設定管道流量系數的取值為0.7）、孔口截面面積（單位為m2）、管網輸水管道的出水壓力（單位為MPa，本次研究設定出水壓力的取值為0.5）、單次沖擊壓力下水體徑流長度（單位為m）等數據。在掌握相關數據后，按照標準化方式進行孔口出流量的設計。

3）選用φ50 的鍍鋅材質鋼管作為管網出水口的構成材料。在此基礎上，對不同等級或用于不同灌溉方式的管道徑流流速進行設計。在管道徑流流速參數設計時，獲取管道徑流流速、水體在灌溉介質中的流速等數據[7]。通常情況下水體在灌溉介質中的流速取值在0.5～1.8 m·s-1，本次研究計算取值流速為1.5 m·s-1。且本次水利工程灌溉管網中的主干管網與分支管網所選的管線類型為φ250，將管線沿著農田隔水溝布置即可[8]。按上述方式進行工程灌溉管網相關參數的設計，完成布置小型農田水利工程灌溉管網的規劃。

3.3 小型農田水利工程中可控放水器的調節布置

為保證農田灌溉的及時性，確?；竟喔葷M足農作物生產需求，在小型農田水利工程中布置可控放水器對灌溉過程進行綜合調節。在此過程中，需將農田所在區域的環境、氣候、土壤等作為灌溉的主要參數，根據工程實際部署，將可控放水器布置在農田灌溉進水管的前端。可控放水器的上端由頂蓋、塑料桿、出水口、操作桿、洞身、消力坎等結構構成，可控放水器的中部由活動控制片進行主動控制，可控放水器的下端由2個固定控制片、止水環、進水腔、進水孔構成[9]。

通常情況下，需設置濕潤深度。本次研究設計的濕潤深度取值區間：1）對于中型或大型農田，濕潤深度的取值在0.4～0.6 m；2）對于農業種植中的蔬菜農田，可將濕潤深度的取值控制在0.2～0.3 m；3）對于農業種植中的果樹農田，可將濕潤深度的取值控制在0.8～1.0 m。至此，完成小型農田節水灌溉工程中噴灌技術的應用方法設計。

4 方法應用效果分析

當灌溉的管道水進入承壓腔內時，水體將通過此裝置進入終端進行消力與耗能，通過該調節方式，保證灌溉過程中的出水與放水平穩，從而實現對灌溉中水量的綜合調節。將灌溉過程中的水資源利用量作為評價本次設計成果的指標，在農田灌溉用水渠道中集成傳感器，用于采集灌溉過程中的農田灌溉用水數據。對比在一個指定周期內，農田灌溉過程中的農田灌溉用水數據與灌水定額（見圖1）。

圖1 指定周期內農田灌溉用水與灌水定額

由圖1 可知，指定周期內代表農田灌溉用水與灌水定額的兩條曲線基本重合，說明灌溉過程中農田排水基本為0，說明按照本次研究所設計的方法進行小型水利農田建設，可減少灌溉需用水，有利于提高區域資源高效利用效果，為當地農業經濟發展提供用水保障。

為進一步證明噴灌技術的節水效果，將涉及的農業灌溉區劃分為A～E 共5 個地區，利用排水管道計算排水量，從而得到灌溉水資源的有效利用量，在此基礎上計算不同區域的灌溉水利用率，即有效利用量/灌溉水量，得出不同區域灌溉水利用率（見表1）。

表1 不同區域灌溉水利用率

由表1 可知，A～E 區每個區域所需的灌溉水量不同，但采用本研究設計方案后，各區域的灌溉水利用率均在99%以上，證明了應用本研究設計方法可有效減少水資源浪費，最大限度地利用灌溉用水，具有一定的應用價值。

5 結語

為提高農業農作物種植過程中的灌溉水利用率，本文選擇位于內蒙古包頭市土右旗的某個農業生產個體戶作為本次試驗的研究對象，從獲取小型農田水利工程灌溉信息與基礎設施部署、布置小型農田水利工程灌溉管網、小型農田水利工程中可控放水器調節布置3 個方面，開展噴灌技術在小型農田節水灌溉工程中的應用效果分析建設研究。1）按照本次研究所設計的方法進行小型農田節水灌溉建設，可提高農田灌溉用水利用率，在灌溉周期為12 h 內，灌溉用水量和灌水額定量保持一致，水資源浪費率為0，且不同區域的灌溉水利用率均在99%以上，能有效利用水資源。2）農業種植中的蔬菜農田濕潤深度可有效控制在0.2～0.3 m，農業種植中的果樹農田濕潤深度可有效控制在0.8～1.0 m，以提升農業灌溉綜合水平，促進現代農業種植結構調整和綠色發展。通過該設計方式能有效提高噴灌效率、提高農業水資源利用率，有利于促進我國農業產業的可持續發展與農業種植效益的全面提升。