高標準農田建設規劃中的節水工程設計

摘 要：在高標準農田建設過程中，有效運用節水灌溉技術，既可以滿足農田灌溉的實際需求，又可以有效節約水資源，這對實現農業可持續發展有著積極的促進作用。基于此，以廣州市某地區高標準農田建設項目為例，討論高標準農田節水工程設計的基本原則，闡述水資源供需平衡分析思路，提出節水工程設計方案，為提高高標準農田建設規劃效果作出貢獻。

關鍵詞：高標準農田；建設規劃；節水工程設計；供需平衡；灌溉

中圖分類號：S277 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

農業灌溉是農業生產中的重要組成部分。然而在以往的農田灌溉工程中，水資源浪費現象較為嚴重，不利于農業的可持續發展。因此，高標準農田建設規劃中的節水工程設計顯得尤為重要。對此，以廣州市某地區高標準農田建設項目為例，討論高標準農田節水工程設計的基本原則、設計思路，提出節水工程設計方案，為提高高標準農田建設規劃效果提供參考。

1 高標準農田節水工程設計的基本原則

對于高標準農田水利高效節水灌溉技術的普及與運用，需遵循適應本土環境的準則，全面評估本地農業基礎設備及生產質量。同時，還需界定節水技術的傳播方法，最大限度地展現出高效節水灌溉技術的優點，以實現改善本土農田作物種類布局的目標[1]。

通過對項目區內排灌設施的優化，提高項目區農田的抗旱能力和排澇能力，有效避免農田遭受自然災害，確保高產穩產高標準農田項目質量，充分發揮在區域內大規模開展基本農田建設的系統效應和規模效應。工程完成后，項目區灌溉保證率達到90%，其中旱作區的農田排水采用5～10年暴雨重現期進行設計，作物受淹情形下1～3 d實現暴雨積水排至田面無積水；水稻區農田排水采用10年暴雨重現期進行設計，作物受淹情形下3～5 d實現暴雨積水排至耐淹水深。

2 項目區水資源供需平衡分析

2.1 可供水量分析

通過查閱《廣東省水文圖集》中的廣東省1956—1979年平均年徑流深等值線圖（圖略）得知，項目區內多年的徑流深均值為800 mm。再結合廣東省1956—1979年徑流深系數CV等值線圖可知，項目區多年徑流深CV值為0.36，而項目區雨量偏態系數CS=3.5 CV。根據以上信息查得枯水年P=90%保證率的模比系數為KP=1.482。項目區集雨面積區域特枯水年90%保證率的設計年徑流深及徑流量計算公式如下：

（1）

式（1）中：R為徑流深（mm），R為平均徑流深（mm），KP為模比系數，W為徑流量（萬m3），F為集雨面積（km2）。項目區集雨面積約為16.25 km2。

據此計算出項目區集雨面積區域特枯水年90%保證率的設計年徑流深為：R=800×1.482=1 185.60 mm；項目區上游控制區域90%設計保證率可供水量為：W=1 185.60×16.25÷10=1 926.60萬m3。

2.2 需水量分析

項目區總灌溉面積為297.570 7 hm2，灌溉用水主要是農業生產。其中，水田面積為245.291 3 hm2，占總灌溉面積的82.43%；水澆地面積為36.528 0 hm2，占總灌溉面積的12.28%。在設計保證率P=90%時，項目區年需水量為553.69萬m3。項目區灌溉用水具體見表1。

2.3 水資源供需平衡分析

通過供、需水量計算可知，設計灌溉保證率90%時，在不考慮地下水資源的情況下，項目區灌溉需水量為553.69萬m3，而灌溉水源可提供灌溉用水量約為1 926.6萬m3。項目區的可供水量大于需水量，因此認為完全能滿足區內的灌溉需求。

綜上所述，在現有項目區灌溉體系條件下，水資源供給量完全能滿足項目區內作物生長需求。

3 高標準農田建設規劃中的節水工程設計方案

3.1 基本規劃思路

3.1.1 微灌技術的應用

微灌技術以滴灌技術為基礎，其灌溉方式以滲灌及微噴灌為主，需配置灌水器及輸配水管。通過微灌系統，可有效把控灌溉水量，確保灌溉水直達植物根部位置，表面位置水資源所產生流失問題得以解決，對農作物整體土質結構可起到有效改善作用[2]。

微灌系統由輸水設施、量測設施、過濾設施、加壓設施等構成，相較于大水漫灌，微灌節水率約為50%。在應用微灌技術時，管材選擇較為重要，管徑≤315 mm時可用塑料管材等。

3.1.2 水肥一體化技術的應用

水肥一體化技術是將水肥同步供給作物，實現水肥的高效利用。通過精確控制灌溉水和施肥量，可以減少水肥的浪費，提高作物的利用率。例如，利用滴灌技術和水肥一體化設備，可以將肥料溶解在灌溉水中，通過滴灌管將水肥混合液體直接供給作物根系，實現了水肥的精準供給[3]。

3.2 節水工程方案設計

3.2.1 微灌工程設計

（1）微灌流量計算：以微噴帶的進水口為起始點，對出水結點按（i=1，2……）進行編號，設定qi為i對應出水結點的節點流量，則各出水孔流量總和與節點流量值一致，將水孔看作小管出流狀態對節點流量qi進行計算，公式如下：

qi=kμA（2）

式（2）中：qi為i對應出水結點的節點流量，i為對應結點出水量，k為結點小孔數，μ為出水孔口的流量系數，A為出水孔面積，g為重力加速度，Hi為對應出水結點入口水頭。

總流量計算公式為：Q=qi。其中，n為出水孔數量。

（2）沿程損失：將微噴帶視作串聯的同徑管段，采用流量連續性公式進行沿程損失計算，水頭損失則依據達西—威斯巴赫公式計算。由于微噴帶材質為軟塑料，在壓力變化下會產生形變，充滿水后可能形成非規則圓柱形，因此需要對以標準硬質管為參考的水力損失計算進行修正，通過納入軟塑系數 f 完成結果修正，軟塑系數 f 的取值需通過相應的實驗獲取。最終微噴帶的水頭損失公式為：

hf =f λ（3）

式（3）中：hf為因摩擦力造成的揚程損失， f 為無因次的因子（軟塑系數），λ為沿程阻力系數，L為管路的長度，D為管路的水力半徑（管路內直徑），V為流體的平均速率（等于濕面積單位截面的體積流率），g為重力加速度。

如圖1所示，假設水流的流態在m出水孔之前為素流阻力光滑區，m至o出水孔間則為素流—層流的過渡區，o出水孔之后為層流區。微噴帶沿程損失需要分段分態進行計算，若微噴帶的折徑D≤5 mm，素流阻力光滑區與層流區使用伯拉修斯實用公式對損失系數進行計算；素流—層流的過渡區使用伏同洲方法計算。管道的進水口作為起點，m出水孔作為素流界點，o出水孔作為層流界點，n出水孔作為末端結點，進水口至首個出水孔距離為ao。根據雷諾數判斷水流流態，管段流態的不同選取不同的沿程阻力系數。

經計算，本工程選擇的泵機（流量94 m3/h，揚程28 m）滿足項目區需求。

3.2.2 水肥一體化工程設計

（1）設計要點：本項目中水肥一體化工程的設計需要遵循“少量多次”的施肥原則，因此，相較于單純灌溉工程的設計要求更高，需要在常規灌溉設計的標準基礎之上進一步防止肥料淋失問題，須做好如下兩個方面。

第一，控制管徑。灌溉用水管應當根據灌溉需求、灌溉面積等進行針對性篩選，選擇的標準為水力計算，并且水肥一體化工程中，需要合理考慮肥液滯留問題，需要在滿足灌溉需求的前提下盡可能縮減管徑，以提高單位時間內的流量，且安裝時必須盡量保證管徑的穩定性。

第二，控制灌溉均勻度。水肥一體化唯有實現精準肥水控制，才能更好地保障作物生長對肥料與水分的需求，精準控制的前提是灌溉的均勻度設計。依據水利部所制定的相關規范（微灌設計灌溉均勻度應≥0%），考慮水肥一體化的特殊性，如果不均勻灌溉，則在水分和肥料的相互作用下作物生長均勻度會降低，如果要求兩者共同作用對作物生長影響的綜合均勻度也在80%以上，則水肥一體化灌溉設計的均勻度應≥90%[4]。

經計算，得出工程選擇的泵機（流量50 m3/h，揚程30 m）滿足項目區需求。

（2）灌排渠設計：灌排渠是輸水的重要載體，在具體運用過程需結合水力計算分析結果，合理確定防滲渠道的斷面尺寸。通常，若渠道流量＞1 m3/s，需設底部梯形斷面或者弧形坡腳式斷面，可對流量水力起到調節作用；若渠道流量＜1 m3/s，則可設U型斷面；針對大型灌溉區，渠道自身抗滲性應＞40%；針對中型灌溉區，渠道自身抗滲性應＞50%；針對小型灌溉區，渠道自身抗滲性應＞70%；井灌溉區管道需確保落實好全面性的抗滲處理。

結合項目區最近的雨量站數據，推算出項目區主區域24 h最大點雨量均值R24 h=150 mm。再根據查詢《廣東省農業綜合開發土地治理項目規劃設計指南（試行）》中的P-Ⅲ頻率曲線10年一遇模比系數值表，獲取模比系數K10=1.661。據此，得出項目區主區域10年一遇最大24 h點雨量R24 h10計算為：

R24 h10=R24 hK10=150×1.661=249.15 mm

由于排澇時直接對田面積水進行處理，因此直接以水面的排澇模數完成計算，依據平均排除法公式，水田排澇模數q的計算公式為：

q=1 000×=2.28（m3/s·km2）（4）

式（4）中：C水面為水面徑流系數，取值1.0；h為暫存水量，取值40 mm；E為蒸發量，取值4 mm/d；T為排澇歷時，取值86 400 s。

根據排水模數與排水面積綜合計算和比對，灌排渠最終確定選用梯形與矩形設計，比降以實際地形為依據予以確定，見圖2。

排水渠道過流能力按均勻流公式計算，岸頂超高和襯砌高度參照輸水渠道進行。根據計算，項目區排水渠道經修整后都能滿足排澇要求。渠道設計典型斷面見圖3。

此外，高標準農田水利工程在提供灌溉服務的過程中會出現水體蒸發、滲漏等情況，易造成浪費水資源的后果。相關人員可使用防滲漏技術實現高效節水灌溉的目標。

4 結束語

為確保節水的灌溉技術高效利用、推動科技加速創新、促使農業規劃更具合理性等，除了要確保相關部門及人員更好地掌握高效節水的灌溉各項技術手段，還應篤實節水灌溉正確意識、做好科學規劃，如此才能更好地保證高標準農田水利項目工程當中高效節水的灌溉技術實現更好的應用發展，實現高標準農田水利項目工程業及農業經濟整體的高效發展。

參考文獻

[1] 楊曉慶.高標準農田建設中節水灌溉技術的應用[J].當代農機，2024（4）：34-36.

[2] 杜永亮，公衍華.河北省易縣高標準農田建設現狀、存在問題與發展建議[J].農業工程技術，2024，44（1）：46-47，62.

[3] 劉曜，胡筱瓊.高效節水灌溉在高標準農田工程設計中的應用[J].灌溉排水學報，2022，41（S1）：52-55.

[4] 聶瑛.高標準農田項目中高效節水灌溉工程設計研究[J].農業科技與信息，2021（3）：90-91.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：李平（1991—），男，廣東信宜人，工程師，研究方向為農田水利與生態修復。