土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计

杨 健，张小侠，王秀茹，王红雷，孙 艳，刘 曦

（北京林业大学水土保持学院，北京100083）

土地整理是在一定区域内，按照土地利用规划或城市规划确定的目标和用途，采取行政、经济、法律和工程手段，对土地利用现状进行调整改造、综合整治，促进土地的合理利用，提高土地利用效率，改善生产、生活条件和生态环境的活动[1-2]。通过对田、水、路、林、村实施综合整治，建成“田成方、林成网、沟相通、路相连、渠系配套、设施齐全、旱能浇、涝能排”的农田生态系统，提高了农田抵御灾害的能力，使得农业生态环境得到整体优化[3-4]。

作为改变土地利用方式重要手段之一的土地整理，它在一定程度上改变了天然的水循环过程和水量、水质状况，进而影响了灌溉水的可获取性及获取量、灌溉水的利用系数、水文结构和灌溉水质量以及区域水资源的分配[5-6]。只有清楚地了解土地整理项目区的水资源状况，才能因地制宜地对项目区进行科学规划，全面提高土地利用效率，确保经济效益、社会效益和生态效益达到合理的协调统一和效益的最大化[7-10]。

低压管道输水灌溉，简称“管灌”，是以低压输水管道代替明渠输水灌溉的一种有效的节水、节能型灌溉技术。其中，“低压”是指田间末级水管出水口工作压力与喷灌、滴灌系统相比，远低于其灌水器的工作压力，一般低于3 kPa[11]。与传统灌溉渠道相比，它具有节水效益显著、土地利用率高、输水速度快、灌溉效率高、作物增产增收效果明显、投资相对较低等优点，被广泛应用于土地开发整理项目中[12]。

1 项目区概况

项目区位于河北省南和县闫里乡境内，地理位置为东经 114°43′06″～114°47′29″，北纬36°55′30″～36°58′55″，涉及宋台等9个村的集体土地。该项目为2006年国家投资重点项目，项目区总面积1 932.36 hm2，建设规模1 842.02 hm2，新增耕地 72.34 hm2，新增耕地率为3.93%。

该区地貌类型为平原，地势平坦开阔，属暖温带半湿润区，年平均气温13℃，多年平均降水量475.1mm，年平均蒸发量1 284.53mm；全年南风较多，平均风速为2.5m/s；光照资源充足，年平均日照时数2 461.7 h，年平均无霜期196 d；土壤属沙壤质潮土，熟化程度较高，耕作层厚度一般在30 cm左右。全县地下水储存于第四系松散岩层中，矿化度小于1 g/L，水质良好，水量丰富，适宜农作物长期灌溉。

2 水资源供需平衡分析

水量平衡是一个相对的概念，是指在一定的保证率下的水量供需平衡。因此，在进行水资源平衡分析之前，首先确定灌溉设计保证率。项目区属于大陆性季风气候，水资源较为紧缺，经常发生干旱灾害。项目区以种植小麦、玉米等大田作物为主，据《土地开发整理标准》和《灌溉与排水工程设计规范》，确定灌溉设计保证率为75%。

2.1 项目区需水量计算

项目区主要种植小麦和玉米，一年两熟。根据《中国可持续发展水资源战略研究报告集》中“中国农业需水与节水高效农业建设”和“中国主要作物需水量与灌溉定额”可知，项目区灌溉设计保证率为75%时主要作物净灌溉定额，小麦为2 250m3/hm2，玉米为 2 100m3/hm2，则年作物生产周期平均净灌溉定额M净＝4 350m3/hm2。

毛灌溉定额：M毛＝M净/η＝4350/0.9＝4 833.33 m3/hm2（根据当地实际经验确定η＝0.9）。整理后，项目区耕地面积为1 797.04 hm2，则项目区总需灌溉水量为W需＝868.56×104m3。项目区所需用水全部为农业灌溉用水，生活用水和牲畜用水另外采集（项目区需水量中不再计算）。

2.2 项目区供水量计算

项目区的可供水量从地表水、有效降水和地下水3个方面进行分析。

2.2.1 地表水 项目区内没有河流经过，无地表水可利用。本规划考虑采用地下水作为灌溉水源，地表径流不计入可供水量范畴。即地表水水量W1=0。

2.2.2 降水量 根据1952—1985年系列降水量资料和经验频率公式计算，结果列于表1。

式中，P为经验频率，m为序号，n为样本系列的总次数。

表1 1952—1985年平均降水量和经验频率

根据1952—1985年系列降水量资料，经经验频率公式计算，按项目区34年降水量推求，可得出经验频率为75%左右时的降水量为425.9mm，经验频率为50%左右时的降水量为461.6mm，经验频率为25%左右时的降水量为565.9mm。降水量在年际间和季节上的变化差别，对农业生产影响很大，要满足农作物生育期各阶段的需水要求，必须做好补充灌溉。

因计算项目区年需灌溉水量时采用净灌定额已扣除有效降水量，所以此处不再重复计算，即有效降水量W2=0。

2.2.3 地下水可开采量 项目区地下水丰富，根据南和县水文地质资料，浅层地下水按其地下埋藏深度垂直计算可分为2个含水小组，第Ⅱ含水组含水层埋深较浅，水质良好，水量丰富，属一级水，适宜农作物长期灌溉，为当前主要开采层段。采用调节量法计算地下水供水量。

式中，W3为地下水供水量（m3）；μ为给水度，沙壤土取0.05；Δh为地下水允许变化幅度（m），取10m；F为项目区总面积（1 932.36 hm2）。

2.2.4 项目区供水总量 项目区总供水量：W供＝W1+W2+W3＝966.18×104m3。

2.3 水资源平衡分析

根据2.1和2.2计算，项目区可供水量W供＝966.18×104m3，需水量 W需＝868.56×104m3，水资源供需比例为1.11∶1，项目区内水资源供给能够满足需求。同时在项目工程设计中，采取节水措施并设计科学合理的灌溉制度和适当的种植结构，营造防护林网体系，可提高水资源利用率。因而水资源的供给完全能满足项目区的灌溉需要。

3 低压管道灌溉工程设计

由于项目区内以种植大田作物为主，需综合考虑水资源状况、自然条件、当地农业生产水平及农作物种植结构，经专家与当地有关部门领导讨论，项目区内选择地下水作为灌溉水源，并确定采用机井取水、PVC管道输水、低压软管畦灌的灌溉方式。

3.1 水源工程设计

根据水量平衡分析结果，在项目区按基本农田整理规划田块，按地块面积和单井控制面积为依据布置机井。

3.1.1 单井控制面积计算

式中，F0为单井控制灌溉面积（hm2）；Q 为单井出水量（m3/h），根据水务局提供资料为60 m3/h；T为轮灌1次所需要的时间，取13 d；t为灌溉期每天开机时间（20 h）；η为灌溉水利用系数，取0.9；η1为干扰抽水的水量消减系数，取0.10；m为综合净灌水定额（m3/hm2），根据地方提供的资料取600m3/hm2。

经计算，每眼机井的控制面积为21.06 hm2，但考虑到项目区地下水资源的可持续利用，经计算确定每眼机井的控制面积为20 hm2左右。

3.1.2 井距计算

一般而言，为了便于管理，机井应布置在道路旁边；为了减少输水管道内的水压，机井应布置在地势较高处。根据上述计算结果并考虑到这2项布井原则，结合机井实际灌溉情况，确定本项目最小井距为450m。

3.1.3 井深与井径设计 根据相关技术规范和南和县所提供的资料，确定成井深度为120m。经计算，选用的潜水泵适宜的最小井管内径为200mm。安装泵段井管内径，应根据设计出水量及测量动水位仪器的需要确定，并且应比选用的抽水设备标定的最小值大50mm。因此，确定安装泵段井管内径为250mm。

3.2 输水工程设计

依据地形、地块、道路等情况，结合机井布置布设管道系统，要求线路最短，控制面积最大，便于机耕，管理方便。输水管道采用PVC管，低压软管选用薄膜塑料软管。按照农业节水标准，防渗PVC管道埋设在最大冻土层以下。当地最大冻土深度为49 cm，考虑到当地实际生产状况，设计管道埋深在0.7m以下。

3.2.1 管道设计流量计算 管道设计流量是水力计算的依据，由灌溉设计流量决定。灌溉规模确定之后，根据水源条件、灌水定额、作物灌溉制度和灌水周期计算灌溉设计流量。

（1）设计灌水定额

m=1 000γh（β1-β2）

式中，m为设计灌水定额（mm）；h为计划湿润层深度（m），一般大田作物取 0.4～0.6m；β1为土壤适宜含水量上限，取田间持水量的60%～75%；β2为土壤适宜含水量下限，取田间持水量的45%～60%；γ为计划湿润层土壤干容重（t/m3）。

这里仅以需水量较大的大田作物小麦为对象进行计算。项目区为沙壤质潮土，计划湿润层深度h取0.6m；田间持水量为22%～30%，取28%；β1取 75%，β2取 50%；γ为 1.4 t/m3。经计算，m=58.8mm。

（2）设计灌水周期

考虑到项目区面积较大和作物生长期的降水情况，将设计灌水周期定为13 d，即T理＝13 d。

（3）灌溉设计流量

式中，Q设为灌溉设计流量（m3/h）；α为作物种植比例，取 1；m 为设计灌水定额（mm）；F0为单井控制灌溉面积（m2）；T为轮灌1次所需要的时间，取13 d；t为灌溉期每天灌水时间，取20 h；η为灌溉水利用系数，取0.9。

通过计算，确定设计流量Q设为50m3/h。

3.2.2 管道水力计算 管道水力计算是在管道布置和各级管道流量已经确定的前提和满足约束条件下，计算各级管道的经济管径。由于管道首位水压未知，管道水力计算的目的就在于根据拟订的管径、流量、管道长度和管件等计算水头损失，确定首端工作压力。再根据机井动水位埋深、进出水泵管道水头损失等，计算水泵设计扬程，从而选择适宜机泵。管道水力计算一般按如下步骤进行，下面以典型田块13为例加以说明（图1）。

（1）确定管道水力计算的控制点。管道水力计算的控制点是指管道运行时所需最大扬程的出流点，即最不利灌水点，一般应选取离管道首端较远且地面高程较高的地点。

（2）确定管道水力计算的线路。对于不同的轮灌组，水力计算的线路长度和走向不同，应确定各轮灌组的水力计算线路。通过计算比较，加以确定。

（3）确定管段流量。根据井区面积灌水定额计算出干管设计流量，再根据轮灌分组，确定出支管流量，此典型区干管流量为50m3/h，各支管入口管段流量均为25m3/h。

（4）各管段管径的确定。采用经济流速法，其公式如下。

式中，ν为经济流速，PVC管在1.0～1.5m/s之间。设计干管内经济流速ν干=1.5m/s，支管内经济流速ν支=1.5m/s。

经计算，d干=108.54mm，d支=76.75mm。结合市场情况，确定经济管径（公称外径）为125，90 mm。选择管道型号为 PVC-U125×3.9/0.63和 PVC-U90×2.8/0.63。

（5）管道水头损失计算。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。

管道沿程水头损失：

式中，hf为管道沿程水头损失（m）；f为摩阻系数；Q为流量（m3/h）；m为流量指数；d为管道内径（mm）；b为管径指数；L为管道长度（m）。PVC 管的各种参数为：f=0.948×104，m=1.77，b=4.77。

单个给水栓预留软管长度为50m，由于土地地面平整，灌溉时能做到软管布置顺直，其沿程水头损失可用PVC管参数进行计算，求得其沿程水头损失为：hf＝L=3.260m。为简化计算，可取局部水头损失hj为沿程水头损失的10%～15%，故本计算中取系数为10%，即：hj=10%hf。

（6）水泵扬程计算与水泵选择。由于项目区内井深为120m，因此使用潜水泵。水泵扬程计算公式如下。

Hp=Hin+Hm+hp

式中，Hp为水泵扬程（m）；Hin为管道入口设计压力（m）；Hm为机井动水位（m）；hp为水泵进出水管总水头损失（m）。

管道入口设计压力计算公式如下。

式中，Σhf为计算管线沿程水头损失（m）；Σhj为计算管线局部水头损失（m）；ΔZ为设计控制点与管道入口地面高程差（m）；Hg为设计控制点给水栓工作水头，一般取0.2～0.3（m）。

水泵进出水管沿程水头损失根据公式hf=m L计算。当设计流量为50m3/h时，水泵进出水管沿程损失为1.187m。由于水泵径向直径较大，从动水位到管道入口的管道局部水头损失很小，对水泵扬程的选择影响不大，故在计算中未予考虑。水泵进出水管总水头损失就是水泵进出水管沿程水头损失（1.187m）。

田块13水泵扬程计算结果列于表2。

表2 田块13水泵设计扬程计算结果一览 m

由表2可知，水泵的动力扬程为52.1m，综合考虑生产实际情况以及当地农业的长远发展，可选择型号为200QJ50-65/5的潜水泵（其规格性能如表3所示）。

表3 200QJ50-65/5潜水泵规格性能

4 结论

经计算，项目区在继续利用原有79眼机井的基础上，新规划120m深的机井66眼，同时为原有机井和新机井配套功率15 kW潜水泵共145台，建机井房145座。共布置Ф125PVC干管35 407.91m，Ф90PVC支管152 815.69m，每个出水口配软管100m，共需软管34 100m。

本研究结合国家重点投资土地整理项目，讨论了土地整理规划中水资源供需分析及低压管道输水灌溉工程设计的基本方法及相关水力计算，分析认为，项目区的水资源供给完全能满足项目区的灌溉需要。通过采用合理的灌溉规划设计，能够提高水资源的利用率，改善区域用水状况和农业水环境，优化区域灌溉系统，为进一步提高土地整理质量提供借鉴。

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