淺析掛馬溝村田間高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)

楊建軍

（寧夏名禹建設(shè)工程有限公司,寧夏銀川）

彭陽(yáng)縣地處寧夏南部山區(qū)，水資源嚴(yán)重不足一直是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，尤其是古城鎮(zhèn)掛馬溝村缺水問(wèn)題更加嚴(yán)峻[1]：一是水資源不能得到高效利用。彭陽(yáng)縣多年平均降水量486 mm，雖然比全區(qū)平均值高很多，但由于空間分布不均勻，造成南面降水量明顯高于北面，西面降水量比較豐富，東面降水量卻嚴(yán)重不足。同時(shí)，由于地形比較復(fù)雜，山比較高坡比較陡，田遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出水面，水資源很難利用，降雨又分布十分不均，水量過(guò)分集中，汛期容易產(chǎn)生大量廢棄水，非汛期水量卻十分稀缺，形成兩極分化使，不能高效率地利用水資源。二是群眾節(jié)水意識(shí)差。一方面群眾習(xí)慣了大水漫灌的灌溉方式，一下子改為節(jié)水灌溉，群眾需要有個(gè)適應(yīng)過(guò)程；另一方面大規(guī)模的節(jié)水灌溉宣傳還不到位，尤其是群眾對(duì)高效節(jié)水技術(shù)不熟悉，不相信采取這樣的措施就一定能夠節(jié)約大量農(nóng)業(yè)灌溉用水，所以一下子讓高效的節(jié)水灌溉代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式需要時(shí)間和精力。三是沒(méi)有高效水利設(shè)施可以利用。U 型渠道在引黃灌區(qū)已經(jīng)普遍使用，但是目前大多數(shù)山區(qū)受條件限制，都還在使用十幾年前建設(shè)的土渠灌溉，多數(shù)渠道還沒(méi)有砌護(hù)，渠道水利用系數(shù)很低，渠道水利用率很低，甚至多數(shù)群眾種田都是靠天吃飯，種田的收益很低，群眾種田的積極性逐年下降。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民被迫放棄種田而選擇了外出打工，造成了山區(qū)大量農(nóng)田逐步撂荒，當(dāng)?shù)卣ㄔO(shè)高效農(nóng)田水利設(shè)施的積極性也不高，久而久之形成惡性循環(huán)。當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施越來(lái)越薄弱，撂荒地越來(lái)越多，農(nóng)戶流失、土地流失現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，實(shí)施高效節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決缺水問(wèn)題的有效措施之一。為落實(shí)寧夏回族自治區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)現(xiàn)代高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展，彭陽(yáng)縣決定在古城鎮(zhèn)掛馬溝村實(shí)施現(xiàn)代高效節(jié)水農(nóng)業(yè)項(xiàng)目。因此，本文重點(diǎn)闡述該項(xiàng)目田間高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

1 田間高效節(jié)水灌溉布置

本次田間工程涉及面積0.19 萬(wàn)畝，規(guī)劃種植玉米，灌溉方式采用滴灌，系統(tǒng)數(shù)量2 個(gè)[5],具體見(jiàn)表1。

表1 灌區(qū)高效節(jié)水灌溉規(guī)劃表

2 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)《滴灌工程設(shè)計(jì)圖集》、《寧夏滴灌玉米技術(shù)規(guī)程》和《寧夏滴灌枸杞技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際，確定基本參數(shù)[3-5]。

2.1 灌溉設(shè)計(jì)保證率

根據(jù)國(guó)家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，要求微灌工程設(shè)計(jì)保證率一般不要應(yīng)低于85%，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)為85%。

2.2 土壤容重、田間持水量

項(xiàng)目區(qū)屬于土質(zhì)以砂壤土為主，查閱區(qū)域資料，選擇土壤容重取值1.45 克/立方厘米，田間持水量取值22%。

2.3 土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度

土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度應(yīng)根據(jù)作物根系分布情況確定。項(xiàng)目區(qū)種植作物參照全區(qū)玉米設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)深度，計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度為700 mm，詳見(jiàn)表2。

表2 物計(jì)劃濕潤(rùn)層深度統(tǒng)計(jì)表

2.4 微灌設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比

被濕潤(rùn)土體積除以計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層總土體體積的比值為微灌設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、植物分類、種植方式和灌溉形式等，綜合區(qū)域試驗(yàn)資料等因素綜合確定土壤濕潤(rùn)比為50%（詳見(jiàn)表3 壤濕潤(rùn)比統(tǒng)計(jì)表）

表3 土壤濕潤(rùn)比統(tǒng)計(jì)表

2.5 灌溉水利用系數(shù)

參照國(guó)家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂虻茸匀粭l件，確定該項(xiàng)目微灌首部樞紐以下滴灌灌溉水利用系數(shù)為0.9。

2.6 滴灌帶、灌水器間距

滴灌帶及灌水器間距主要根據(jù)植物的種植模式確定，項(xiàng)目區(qū)玉米按照寬窄行布置，最窄間距40 cm，最寬間距70 cm，株距30 cm，采用“一管兩行”方式布置滴灌帶，滴頭流量1.39 升/小時(shí)；滴灌帶初步確定為內(nèi)鑲貼片式，具體參數(shù)詳見(jiàn)表4 作物種植株行距、毛管行距及灌水器統(tǒng)計(jì)表。

表4 作物種植株行距、毛管行距及灌水器統(tǒng)計(jì)表

2.7 耗水強(qiáng)度

根據(jù)這個(gè)項(xiàng)目所在區(qū)域即掛馬溝村的氣候、土壤等自然條件，綜合國(guó)家、自治區(qū)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和導(dǎo)則，確定該項(xiàng)目微灌作物耗水強(qiáng)度為作4，詳見(jiàn)表5 作物對(duì)應(yīng)耗水強(qiáng)度表。

表5 作物對(duì)應(yīng)耗水強(qiáng)度表

2.8 日工作小時(shí)C

按照相關(guān)規(guī)范，微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)每天工作小時(shí)不應(yīng)該大于22 h，結(jié)合實(shí)際情況，確定該項(xiàng)目日工作小時(shí)為20 h。

2.9 灌水定額

mmax、m 設(shè)- 分別為最大和設(shè)計(jì)凈灌水定額（mm）；z- 土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度（cm）；p- 設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比（%）；Θmax- 重量百分比上限；θmin- 重量百分比下限；θ'max- 體積百分比上限；θ'min- 體積百分比下限）；Ia- 設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（mm/d）。

2.10 工作水頭

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)掛馬溝村灌水器水力性能、種植結(jié)構(gòu)、實(shí)際地形、管道鋪設(shè)長(zhǎng)度（毛管）、等綜合因素確定該項(xiàng)目毛管工作壓力小于等于0.11 mpa。

2.11 一次灌水延續(xù)時(shí)間

《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提供的一次灌水時(shí)間計(jì)算公式為：對(duì)于n 個(gè)灌水器繞植物布置時(shí)：

t=m′SrSt/nqd

式中：m′——設(shè)計(jì)毛灌水定額；Sr——植物的行距；St——植物的株距；qd——灌水器設(shè)計(jì)流量；n——每株植物的灌水器個(gè)數(shù)。

2.12 輪灌組

根據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》

式中：N- 設(shè)計(jì)最大輪灌組數(shù)，個(gè)；C- 系統(tǒng)日工作時(shí)間，h；T- 設(shè)計(jì)灌水周期，d；t- 設(shè)計(jì)每次最大灌水時(shí)間，h。

2.13 灌溉參數(shù)選取表

灌溉參數(shù)選取結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 灌溉基本參數(shù)選取表

（1） 灌水小區(qū)的構(gòu)成。依據(jù)國(guó)家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[4]，一個(gè)灌水小區(qū)負(fù)責(zé)灌溉范圍只有一條支管，按照此布局再進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，據(jù)此確定灌水小區(qū)由支管和支管控制的滴灌帶構(gòu)成。（2）灌水小區(qū)的水力設(shè)計(jì)。①灌水小區(qū)允許水頭偏差及其在滴灌帶和支管上的分配。按照國(guó)家、自治區(qū)微灌工程技術(shù)規(guī)范[4]，正常情況，當(dāng)?shù)喂嗑鶆蛳禂?shù)（Cu）大于81%時(shí)，滴頭設(shè)計(jì)允許流量偏差率（qv）必須小于或者等于21%，當(dāng)?shù)晤^流態(tài)指數(shù)（x）等于0.6 時(shí)，滴灌允許設(shè)計(jì)水頭偏差率（hv）應(yīng)為:[hv]≤[qv]/x{1+0.15(1-x)/x[qv]}≤0.2/0.60×{1+0.15×（1-0.60）/0.60×0.2}≤34%當(dāng)?shù)晤^額定工作壓力為0.11 Mpa 時(shí)，灌水小區(qū)允許水頭偏差[ΔH]為：[ΔH]=[hv]hd=0.34×10=3.4 m。由于灌水小區(qū)的水頭偏差分別是滴灌帶和支管兩級(jí)管道共同產(chǎn)生的，根據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》5.2.6 條規(guī)定，滴灌帶分配0.5，支管分配0.5。滴灌帶與支管允許水頭偏差:[ΔH]毛=[ΔH2]=β2[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m[ΔH]輔=[ΔH1]=β1[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m

②滴灌帶極限長(zhǎng)度計(jì)算。灌水器間距0.3 m，灌水器流量q=1.38 L/h，滴灌帶選用PE 管de16 內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，工作壓力≤0.1 MPa，壁厚0.21mm；滴灌帶應(yīng)該平行等高線鋪設(shè)，并按均勻坡來(lái)計(jì)算其極限長(zhǎng)度。

式中：γ- 降比；J- 沿滴灌帶地形比降，比降0.01%；d- 滴灌帶外徑，16 mm；k- 水頭損失擴(kuò)大數(shù)，k=1.15；f- 摩阻系數(shù)，滴灌帶（PE 管），f=0.505；qd- 滴灌帶（管）出水孔設(shè)計(jì)流量。

計(jì)算得γ=±2278。

式中：G- 壓比；Se- 滴灌帶（管）上分流孔間距；hd- 孔口設(shè)計(jì)水頭，10 m；

計(jì)算G=6.299×10-8。

滴灌帶（管）極限孔數(shù)Nm：

計(jì)算出γ＞1（順坡）時(shí)，應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm：

計(jì)算Pn′=INT（1+γ0.571）=83。

試算求得：順坡時(shí)Nm=346，L 毛順極

=0.3×(346-1)+0.15=103.65m；

計(jì)算γ＜1 時(shí)，應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm：

逆坡時(shí)Nm=285，L 毛逆極=0.3×（285-1）+0.15=85.0m；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際鋪設(shè)極限長(zhǎng)度小于計(jì)算極限長(zhǎng)度，結(jié)合寧夏多年工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定及當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣與條田寬度和走向，本工程滴灌帶雙向均鋪設(shè)50。

③分支管極限長(zhǎng)度計(jì)算

支管允許水頭偏差[ΔH1]＝1.7 m；本工程選用de75PE盤管（壁厚3.6 mm，內(nèi)徑63.8 mm），壓力等級(jí)為0.4 Mpa；滴灌帶在地面分支管上的布設(shè)間距S=1.1 m，流量16.56 m3/h（按雙向鋪設(shè)總長(zhǎng)100 m 時(shí)滴灌帶的流量）；支管垂直滴灌帶布置，按均勻坡計(jì)算支管的極限長(zhǎng)度。

式中：γ- 降比；J- 沿支管鋪設(shè)方向地形比降。d-支管內(nèi)徑；k- 水頭損失擴(kuò)大數(shù)，k=1.15；f- 摩阻系數(shù)，支管（PE 管），f=0.505；

qd- 支管出水孔設(shè)計(jì)流量；

計(jì)算得γ=±52。

式中：G- 壓比；Se- 支管上分流孔間距；hd- 孔口設(shè)計(jì)水頭，10 m；計(jì)算得G=1.057×10-5。支管極限孔數(shù)Nm：

計(jì)算出γ＞1（順坡）時(shí)，應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm：

計(jì)算Pn′=INT（1+γ0.571）

計(jì)算的Pn′=10。

試算求得：

順坡Nn=50，L 支順極=1.1×(50-1)+0.55=54.45m；計(jì)算γ＜1 時(shí)，應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm：

④試算求得：

逆坡Nn=47，L 支順極=1.1×(47-1)+0.55=51m；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際鋪設(shè)極限長(zhǎng)度小于計(jì)算極限長(zhǎng)度，考慮支管供水安全以及田塊地形現(xiàn)狀情況，本工程分支管順坡鋪設(shè)距離50 m。

3 田間管網(wǎng)布置[2-3]

3.1 滴管帶布置

滴灌帶基本平行等高線、垂直于支管雙側(cè)布置，一管一行，選用de16 內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，灌水器流量q=1.38 L/h，工作壓力≤0.1 MPa，內(nèi)徑16 mm，壁厚0.2 mm。

3.2 分支管布置

分支管垂直支布置，并沿支管兩側(cè)雙向豐字形布置，分支管間距為100 m（一對(duì)毛管的長(zhǎng)度），分支管在地面敷設(shè)，管材采用PE 盤管，管徑為de75，壁厚3.6 mm，壓力等級(jí)為0.4 MPa。

3.3 支管布置

支管垂直分支管、分干管布置，并沿支管兩側(cè)雙向豐字形布置，支管間距為80 m（一對(duì)毛管的長(zhǎng)度），支管位地埋管，管材采用PVC-U，管徑為de160、de110，壓力等級(jí)0.63 MPa。

3.4 分干管布置

分干管接干管布置，地埋敷設(shè)，管材采用PVC-U，管徑為de225、de160，壓力等級(jí)0.63 MPa。

3.5 干管布置

干管主要從首部閥井上銜接。干管接分干管，干管和分干管交接處布設(shè)1 座閘閥井，干管地埋敷設(shè)，管材采用PVC-U 管，管徑為de225 mm，壓力等級(jí)0.63 MPa。流程：水源→首部→干管（地埋管）→分干管（地埋管）→支管（地埋管）→分支管（地面管）→滴灌帶（地面管）→滴頭。

4 輪灌制度的設(shè)計(jì)

每個(gè)片區(qū)依據(jù)地形分為幾個(gè)灌溉系統(tǒng)，以單個(gè)灌溉系統(tǒng)為單位編制輪灌組[4-5]。

為了減少灌溉系統(tǒng)輸水損失，同時(shí)便于管理，干管實(shí)行續(xù)灌；分干管應(yīng)分組進(jìn)行輪灌。灌溉時(shí)，按照輪灌順序表中給出的順序開(kāi)啟閥門，應(yīng)先開(kāi)下一輪灌組閥門，再關(guān)已灌完輪灌組閥門。系統(tǒng)最大輪灌組數(shù)為22，灌水周期為5.5 天，每個(gè)輪灌組一次灌水持續(xù)時(shí)間為5 h。系統(tǒng)灌溉結(jié)束后，先關(guān)首部?jī)?nèi)閥門，然后再關(guān)田間最后一組閥門。