陳 亮

（北票市婁家店鄉產業發展服務中心，遼寧 北票 122100）

在以丘陵地貌為主的遼西，傳統的糧食作物無法大面積種植，因此農業作物多以果樹和經濟作物為主；再加上區域水文氣象條件干旱，地形復雜灌溉困難，遼西地區是國內最為典型的旱作雨養型種植業區[1]。由于該地區原本的農業生產基礎條件落后，加之當地從事農業生產的群眾又缺乏對作物的科學管理，當地最基本的經濟收入來源果樹種植產量基本與降雨量的多少成正比，雨多則豐，雨稀則虧。這種極度依賴天然降水的種植模式具有很多不確定性，對該地區的農業增效和農民增收有著嚴重的影響。為解決農業用水的困境以及實現對區域水資源的高效利用，當地政府實施了諸多的小型農田水利項目，因地制宜建設了多個果樹高效滴灌工程，使得遼西地區的基礎農業生產條件得到了有效強化，切實提高了區域農業的綜合生產能力。高效的節水灌溉模式設計可以有效地提高作物的經濟效益，使得區域整體以水定產的行業結構調整獲得了更大的靈活性[2]，而水資源的大量節約可以擴大遼西地區的灌溉面積，對保持遼西經濟的可持續發展具有重要的意義。

1 概況

節水滴灌項目區位于遼寧省西部，該地多為低山丘陵地帶，屬于溫帶大陸性季風氣候，降水不足且蒸發量大[3]。本設計屬于北票市節水灌溉工程項目的典型設計，區內多為低山丘陵，適宜發展果樹農業經濟，灌溉方式則采取整片的輪灌模式。因為項目區內無基礎的水利工程設施，本次設計中計劃新打水源井1 眼，新建蓄水池1 座，鋪設滴灌管道及水泵工程。主要工程是從水源井向項目地塊引設1條干管，在垂直于干管方向布置2條支管，支管間距則依照實際地形控制布置；而后，在此基礎上布置地面輔管，終端灌溉果樹的毛管垂直于輔管布置，采取一行一條的方式，毛管及終端滴頭的間距設置為3 m。該項目為水利基礎性民生保障計劃，總投資預計約16萬元，項目收益估算展望較為理想。

2 小管出流滴灌模式設計

本項目依據區域環境特點和灌溉作物特性，采用小管出流的節水滴灌模式。小管出流技術是利用開口較大的小口徑出水口，將來自輸配水管網的有壓水流通過緩慢細流的形式，采用積水入滲的方式濕潤作物根區土壤的微灌技術[4]。因其省工、省時、省水且具有較強的抗堵塞能力，該技術在果樹灌溉方面得到了廣泛應用。小管出流技術已在項目區周邊的類似區域得到了很好的應用，投資小收益高，獲得了群眾的一致認可，因此本項目區的高效節水滴灌以小管出流為實際設計方案。

2.1 水源灌溉條件分析

根據水源地質條件，在項目區內打大口井1 眼，井深約為11 m，修建蓄水池1座，儲水容積可達80 m3，其綜合出水能力為7 m3/h。經過粗略監測，該井的出水水質較好，泵抽水量達到一定標準后，適宜配套興建小管出流工程。利用水源井出水流量可以得到的控制灌溉面積計算公式如下：

式中：A為可執行灌溉面積（hm2）；Qs為供水井流量（m3/h）；Ia為供水強度（mm/d）；td為灌溉時長（h），取22 h/d；Ea為果樹設計日耗水強度（mm/d），取3 mm/d；因無淋洗要求，故取Ia=Ea=3 mm/d；η為果樹灌溉的水分利用系數，取0.90。

利用式（1）和經驗系數計算，得項目區果樹類型的控制灌溉用水需求面積為4.67 hm2，在不超過該固定面積下的果樹用水需求均可得到滿足。

2.2 灌溉小區布設

由上文計算得到的項目區控制灌溉面積為4.67 hm2，且抽水灌溉井位于項目區的東北方向。因此，根據項目區實際的空間地形變化，沿坡腰從水源井向項目地塊引設1 條干管，在該干管的垂直方向布置2 條支管，支管間距按實際需要設置為142 m，再按果樹種植位置在地面布置輔管和毛管。最后，將項目區分為12個輪灌小區。

2.3 灌溉制度設計

灌溉制度是為提高作物產量及節約用水而制定的適時、適量的灌水方案，其主要內容包括滿足作物正常生長所需灌溉的灌水時間、灌水次數和灌水定額[5，6]。本文從最大凈灌水定額、灌水周期、設計灌水定額、一次灌水延續時間和輪灌制度的計算來確定項目區果園的灌溉制度。

2.3.1 最大凈灌水定額

根據遼西丘陵地區的土壤水力性質以及果樹根系的發育程度，果園的最大凈灌水定額計算公式如下：

式中：mmax為最大凈灌水定額（mm）；γ為土壤容重（g/cm3），取1.45 g/cm3；z為土壤濕潤層深度（cm），取50 cm；p為土壤濕潤比（%），取35%；θmax，θmin分別為適宜土壤含水率的上下限。

利用式（2）及實際經驗系數計算，得項目區的最大凈灌水定額為21.1 mm，可以換算為0.59（m3/hm2）。

2.3.2 灌水周期

一般來說，果樹在5月上旬是生長需水的旺盛期，在該區域的實際最大需水強度可達到Ed=5 mm/d，遠超其他時期，因此以該段的需水強度為灌溉周期的需水強度。通過上文計算的最大凈灌水定額和果樹的實際需水強度計算，可得項目區的果樹設計灌水周期為4 d。

2.3.3 設計灌水定額

設計凈灌水定額計算公式如下：

式中：md為設計凈灌水定額（mm）；T為設計灌水周期（d）；Ia為設計供水強度（mm/d）。

利用上文計算的灌水周期及經驗設計值，得設計凈灌水定額為12 mm。

設計毛灌水定額計算公式如下：

式中：m'為設計毛灌水定額（mm）；md為設計凈灌水定額（mm）；η為果樹灌溉的水分利用系數，取0.90。

經計算，得設計毛灌水定額為13.33 mm。

2.3.4 一次灌水延續時間

一次灌水延續時間計算公式如下：

式中：m'為設計毛灌水定額（mm）；t為單次灌水延續時間（h）；Sr為果樹間行距（m）；St為果樹間株距（m）；ns為每株植物的灌水器個數，工廠設計為5 個；qd為灌水器流量（L/h），工廠設計值為3 L/h。

利用式（5）及實際經驗參數計算，得單次灌水延續時間為8 h。

2.3.5 輪灌制度設計

一般來說，灌溉作物需要少量多次，這樣會使得水可以充分地滲入土壤，更好地保持土壤含水量，因此需要多次輪灌。為滿足果樹的正常需水量，果園的最大輪灌組數應滿足如下計算公式：

式中：N為允許的輪灌組最大數目；C為設計的灌溉系統的單日工作時長（h），取22 h；T為設計灌水周期（d）；t為單次灌水的延續時間（h）。

經計算，得允許輪灌組最大數目N≤11。

根據上文計算結果，典型項目區的果園灌溉共計11 個輪灌組，單次灌水延續時間為8 h，每個輪灌組的平均面積為0.424 hm2。在實際灌溉中，先進行一個輪灌組的灌水過程，結束后再開啟下一個輪灌組，其間開啟順序要嚴格按照先開后關的原則，防止出現水錘效應，破壞灌溉設備。

2.4 輸水管網設計

為保障果樹生長的正常需水量，輸水管網設計是滴灌工程的重要一環，需要考慮輸送水源的管線，保證其具有水力供水能力，同時也需要考慮水源位置的特點[7]，避免產生管線復雜問題，不利于施工；更重要的是要在經濟合理的基礎上，滿足作物灌溉的基本需求。本文從管網流量和水頭偏差計算、管材管徑選擇、管網水頭損失和蓄水池水力高程計算確定了項目區的輸水管網具體水力參數。

2.4.1 管道流量計算

果園毛管的鋪設長度設計值取50 m，滴頭的工廠設計流量為3 L/h，根據實際標準，滴頭共80個，所以毛管的計算流量為0.24 m3/h。輔管流量為輔管上各毛管流量的總和，輔管鋪設長度為21 m，所以輔管的計算流量為3.36 m3/h，而支管的計算流量也為3.36 m3/h。灌溉時，干管最大允許2 條支管同時工作，所以干管的計算流量為6 720 L/h。

2.4.2 管道水頭偏差計算

根據該類型工程的規范要求，微灌系統中灌水小區的灌水器設計允許流量偏差率qv≤20%[8]，本次設計取qv=20%。果園的灌水器工作水頭偏差率與流量偏差率計算公式如下：

式中：hv為灌水器工作水頭偏差率；qv為灌水器設計允許流量偏差率；x為灌水器流態指數，實際測試指數為0.45。

果園灌水小區的灌水器設計允許水頭偏差在支、毛管間按50%分配，而滴頭的設計工作壓力為10 m，則毛管和支管的允許水頭偏差經計算均為2.3 m。

2.4.3 管材選擇和管徑計算

一般情況下，支管的管徑是根據管道的經濟流速確定的[9]，為保證管材資金投入小且滿足用水需求，減少單位面積灌溉工程的投入費用，管材一般選擇結實耐用且造價低廉的塑料制品。塑料材質的管徑計算公式如下：

式中：D為管徑（mm）；Q為管道流量（m3/h）；v為經濟流速（m/s），取1.5 m/s。

經計算，得干管管徑為40.63 mm，支管、輔管管徑為28.15 mm。因此，選擇不小于計算結果的標準管材。

2.4.4 管網水頭損失計算

因為管網皆采用硬質塑料制品，所以主要輸水管道的沿程水頭損失經計算得到干管沿程水頭損失為4.77 m，局部水頭損失為0.48 m；支管沿程水頭損失為2.27 m，局部水頭損失為0.23 m；輔管沿程水頭損失為0.2 m，局部水頭損失為0.02 m。

其中，果園灌水小區的毛管水頭損失采用等距多孔管計算公式：

式中：hf為沿程水頭損失（m）；sv為分流孔之間的距離（m）；s0為多孔管進水口至首個孔洞的距離（m），工廠參數取1.5 m；s為毛管分流孔之間的距離（mm）；d為管徑（mm）；N為分流孔總數；qd為單孔設計流量（L/h），取3 L/h；m為流量指數，工廠參數取1.75；b為管徑指數，工廠參數取4.75；f為摩阻系數，工廠參數取0.505。

經計算，得毛管沿程水頭損失為0.002 m，局部水頭損失為0.000 2 m。

最后，根據上述計算結果，輸水干管和輔管的綜合局部水頭損失為0.68 m，由此推算干管總水頭損失為7.45 m。

2.4.5 蓄水池水力高程計算

本項目計劃新建1 座蓄水池，為減少灌溉成本投入，蓄水池將利用地形差產生的水力差進行供水灌溉，為此需要在最不利情況下計算兩者相對高程。具體的蓄水池底板所需高程計算公式如下：

式中：H為蓄水池地面高程（m）；H1為最不利配水點高程（m），取209 m；H2為最不利配水點至蓄水池管段的水頭損失之和（m），取7.97 m；H3為最不利配水點所需的流出水頭（m），取2 m；H4為不可預見富余水頭（m），取2 m。

經計算分析，蓄水池底板高程應大于或等于220.97 m，而本次設計蓄水池底板高程為227.5 m，滿足供水要求。為防止冬季蓄水池產生凍融裂縫，需將其地埋到當地的凍層以下，即1.5 m。同時，為減少蓄水池的開挖土方量，在開挖1 m 以后上覆土1 m，因此蓄水地面高程=池底板高程-1.0 m+蓄水池高度，經計算結果為229.35 m。

因為項目區的蓄水池可利用地形高差進行自壓灌溉，所以水泵選型只需計算向蓄水池供水的干管以及泵管水頭損失即可。

2.5 水泵選型

揚程和流量是水泵的重要參數[10]，是灌溉設計最后確定的工程參數。有效的水泵適配能保障水力管網正常運轉，減少管網損耗，增加使用壽命。根據上文的計算結果，項目區水泵揚程的計算公式如下：

式中：h為水泵揚程（m）；ZP為蓄水池進口高程（m）；Zb為水源設計水位高程（m）；hf為管道沿程水頭損失（首部樞紐沿程水頭損失為10 m）（m）；hj為管道局部水頭損失（首部樞紐局部水頭損失為8 m）（m）。

經計算，得管路所需的總揚程為60.85 m。

在最不利的條件下，以灌溉系統同時運行的支管入口流量之和作為計算流量，計算公式如下：

式中：Q設為系統設計流量（m3/h）；n為同時運行的支管數；Q支為支管入口流量（m3/h）。

經計算，得系統灌溉的設計流量為7 m3/h。

根據上文計算結果，項目區的水泵選型總揚程為60.85 m，干管出流流量須達到7 m3/h。

總而言之，丘陵地區的地形較為復雜，一般可以利用的水源為地下水，因此地下水打井需要根據水文地質條件選擇富水含水層，以此來保障灌溉用水需求。水源口一般要依據地形選擇高處，這樣有助于采用地形水力壓差供水，減少電費投入。設計的灌溉模式要和目標作物對應，選擇經濟合適且易于替換的管材，防止管道老化及破損后無法及時修復，導致出現灌溉不利、項目可持續性利用差的情況。小管出流的終端出水參數基本是確定的，需要提前進行區域適配，選擇合適的水力參數進行配件。總體設計要求要有普適性，便于大面積推廣應用，在材料購買和水力設施管理維修上可以降低果農負擔，提高當地農民經濟收入。

3 結語

本文設計了遼西丘陵區果樹小管出流節水滴灌模式，粗略布設了灌溉管網走向及分區，在土壤水力特性和果樹生長需水的基礎上，設計了具體灌溉制度，確定了水泵選型。經實施，改變了遼西丘陵區果樹種植依賴天氣變化雨養生長的現狀。此滴灌模式的實施使得果樹種植畝產量從原始的1 000 kg 提高至1 500 kg，大大提高了單位生產效率，也為保障農村農業可持續發展、實現鄉村振興提供了強有力的支撐。總的來說，遼西丘陵區的果樹灌溉采用小管出流的節水模式，不僅提高了水資源的利用效率，增加了農民的收入，也對實現農業農村的生態文明建設及經濟振興都具有重要意義。