基于山坡地喷灌工程设计几个问题的探讨

杨顺发

(福建省连江县洪水预警报中心，福建 连江350500)

0 前 言

近年来，我国的农业产业结构在不断地转型、升级，农田里、山坡上种植着越来越多的蔬菜、果树等经济作物。它们对灌溉技术质量要求比较高，但由于水资源缺乏严重，节水灌溉已成为许多地区农业灌溉的发展趋势。实践表明，喷灌技术不仅是一种较为理想的节水灌溉技术(灌溉水利用系数可达到0.85 以上，较传统的地面灌节水40%左右)，而且可以调节田间小气候，增加近地层空气湿度，可以适时适量地满足农作物对水份的要求。喷灌像降水一样湿润土壤，不会破坏土壤的团粒结构，为作物的根系生长提供了良好的土壤环境，从而起到提高农作物的产量和质量的作用。同时，喷灌既适应于平地也适应于山坡地，且机械化程度高，大大减轻了灌水的劳动强度和提高灌水的作业效率，节省了劳动力。所以，喷灌技术作为一种先进的节水的灌溉技术，既可实现农村经济农业增产稳产，提高农民收入，也可增加农村山区灌溉面积，受到有关部门和农民的认可［1］。

由于我国喷灌工程技术的大面积推广起步较晚，在连江县喷灌工程也建得不多，喷灌工程设计起来成果显得不够理想，工程完工投入使用后存在这样或那样的问题，尤其是山坡地上的喷灌工程更是如此，造成喷灌工程的效益不能得到正常发挥。本人设计的连江县丹阳镇桂林水利化园区的喷灌工程(为“六千”水利工程中的山地水利项目)，从几年的运行情况来看，较果还比较好。现以该喷灌工程设计为例探讨山坡地喷灌工程设计中的几个问题。

1 工程简介

连江县丹阳镇桂林水利化园区喷灌工程位于丹阳镇桂林村东南侧(104 国道旁)的1 座山丘坡地上，喷灌面积约11．3 万m2，区内主要种植果树——枇杷。本喷灌区地势自东北向西南降低，为山丘坡地地形;灌区土壤为壤黏土，土壤干容重为1.45 g/cm3;灌区灌季风向东南，设计风速3.5 m/s。本工程建设提水泵站1 座，从山脚下的鹅头溪提水至灌区的蓄水调节水池，采用水泵增压固定管道式喷灌系统(见图1)。喷灌管道系统主要采用硬聚氯乙烯(UPVC)管，鱼骨状布置，喷头采用平行四边形布置，成扇形喷洒［2］。

图1 喷灌系统布置示意图

2 探讨的几个问题

2.1 水源的选择

水源选择决定着喷灌工程的选型，根据国内目前生产和广泛应用的喷头的工作压力，当水源的海拔高程高于喷灌区地面典型控制点25 m时，基本上就能够按自压喷灌来考虑，当水源的海拔高程低于灌区或者不能满足自压喷灌的压力需求时，就要采取水泵加压后进行喷灌作业。当有两种以上水源均可满足喷灌区水量、水质或水压要求，且均可作为喷灌工程水源时，就要进行方案比选，选择推荐投资较小，年运行费较少的方案。自压式喷灌比机压式喷灌节约能源，运行成本低，因此，在山坡地喷灌工程设计中，尽可能地采用自压式喷灌。

本喷灌区位于一座山丘上，高程较高，无地势足够高的库塘、山泉、其它堰坝水源或地下水源可利用。在灌区北面山脚下有一条鹅头溪，流域面积29.6 km2，取水处上游流域面积28.1 km2，水源丰富，水质良好。根据连江县卫生防疫站对该水源的检测结果，水质符合GB5084—2005《农田灌溉水质标准》。经对该溪流取水点上游来水量和本灌区用水量的水量平衡分析计算(本喷灌工程的灌溉保证率取90%)，来水总量及其在时间上的分配都能满足本灌区用水要求，适合于喷灌。因此鹅头溪是本工程水源的唯一选择。

本工程设计时考虑两种提水增压方案:①方案1，建1 座泵站，从鹅头溪提水并增压，再通过管道系统形成喷灌;②方案2，建1 座泵站，从鹅头溪先将水提到灌区调节水池(在灌区中建一调节水池，由于本工程来水总量及其在时间上的分配都能满足本灌区用水要求，且提水与增压两级泵站设计流量相等，调节水池容积确定主要考虑施肥施药时的用水量和管理方便等因素，经分析计算确定为100 m3)，再建1座泵站进行增压，通过管道系统形成喷灌。

由于方案2 比方案1 具有方便管理、便于喷灌管道系统布置，可把药物加入调节水池，便于实现果树的施肥施药的自动化而大大节省劳动力等优点，所以本工程提水增压方案选择方案2。

2.2 管网的布置

山坡地喷灌工程的管网布置，要根据工程的实际地形、地物及地块形状等条件，来分区布置。通常情况下，应以整个喷灌区的管道用量最少为前提，既要让管道的总长度较短、管径较小，也要尽量避免管网的压力悬殊太大，应避免在管道起伏较大时产生负压。本喷灌区地势自东向西南降低，坡面较陡，高差较大，属山丘坡地地形，设计采用鱼骨形布置。本工程的喷灌管道系统为地埋式，通过对各种喷灌用的管材比选，采用硬聚氯乙烯(UPVC)管较为合适。骨干管道分为干管与分干管，主干管沿位于灌区中央的增压泵房两旁布置，分干管在主干管两侧山脊方向顺坡布置，支管平行等高线布置。这样，做到了管网的压力较为均匀，避免了在管道起伏较大时产生负压。

2.3 喷头的选择和布设

喷头是喷灌系统中最重要的部件，压力水经它喷射到空中，散成细小的水滴并均匀地散落在它所控制的灌溉面积上。喷头性能的好坏和布设是否妥当，将对整个喷灌系统的喷洒质量、经济性及工作可靠性等起决定性作用。在选择喷头时，主要考虑要符合作物的雾化指标要求;在喷头布设时要计算喷头的喷灌强度和射程是否满足要求。山坡地上设计喷灌工程，要对山坡土壤的性质进行认真地判别，要适当降低允许喷灌强度，当地面坡度为5%时，应将允许喷灌强度降低50%，可避免产生地面径流现象。山坡地喷灌工程支管布置时还要考虑风的影响因素，尽量使支管与主风向垂直，既避免产生漏喷也可节省支管长度。

在斜坡地面上，随着地面坡度增大，土壤的吸水能力将降低，易产生地面径流，从而产生地面冲蚀，因此在坡地上喷灌需降低喷灌强度。本灌区设计时通过现场指测方法仔细判定土壤质地，再充分考虑了地形坡度的影响，降低允许喷灌强度;根据所种植的作物(枇杷)的特点，确定合适的雾化指标(本工程雾化指标取3000)。然后以允许喷灌强度和雾化指标作为选择喷头的两项主要技术性指标。

本灌区地势自东北向西南降低，高差较大，此时若采用同一种喷头进行设计，很难达到较好的喷灌效果，且有一部分水头需要人为地消除，水头利用率低，还需增加相应的减压设施，投资增大了，也不利管理。本灌区设计按压力变化的特点沿山坡面进行压力分区，分为两个压力区，选用两种不同工作压力的喷头进行工作(如表1)，以抵消地形高差造成的压力悬殊，这样能较好地利用自然水头，达到良好的喷灌效果。

在山坡地上进行喷灌工程设计时，若设计成全圆喷洒，当喷头向上坡喷洒时，由于喷出的水流尚未来得及分散雾化，就会冲到山坡面的土体上，造成土坡损坏，由于本灌区坡地陡较(坡度为15° ～25°)，设计使用带扇形机构喷头，平形四边形布置，成扇形喷洒(圆心角为240°)(如图2)，使喷头喷出的水流大部分喷洒向下坡，使喷洒出的水流得到充分利用，既保证了喷洒质量，又避免了水土流失。从本灌区运行几年情况来看，喷灌效果较为理想。

表1 PY115、PY120 型喷头性能表

图2 肩形喷洒与喷头组合形式示意图

2.4 轮灌编组

为了尽量节省管道投资，在确定管径时，多采用有序轮灌的工作制度。因此，要进行合理的轮灌编组，在轮灌编组设计时既要考虑管理运行方便又要考虑能分散流量。因山坡地喷灌工程喷头高程不同，实际工作压力也不相同，所以山坡地喷灌工程设计不同于平地喷灌工程。在拟定轮灌编组方案时，各轮灌组的工作喷头总数不宜相近，因为各轮灌组同时工作喷头数目相近，喷灌系统工作时各轮灌组的流量变动范围会比较大。要将距增压水泵远且高程较高的轮灌组安排少一些喷头，才能满足各喷头的工作压力要求;距增压水泵近且高程较低的轮灌组要安排多一些喷头，才能避免各喷头超压运行，不影响喷头使用寿命和喷灌质量。

本喷灌工程按上述方法进行轮灌编组设计，在灌区的中间设有增压水泵、调节水池与设管理房，干管布置在增压水泵房两旁，干管的管径选择较小，方便了运行管理;按喷头的高程不同与增压水泵的距离不同进行轮灌编组设计，各喷头压力运行平稳，流量变动范围小，喷灌质量较高。

2.5 增压水泵的选型:

水泵也是喷灌工程中的重要设备，择选合适的水泵，让水泵经常处在高效区工作，可降低工程的运行费用，降低农业生产成本，因此，选择合适的水泵型号是喷灌工程设计中重要的内容。本工程有水源提升水泵选型和喷灌增压水泵选型，本文以喷灌增压水泵选型来进行探讨。

水泵选型的依据主要是设计流量与设计扬程。本工程在设计时，设计流量是一个轮灌组同时工作喷头的流量之和;典型喷头工作压力、喷点高程以沿线管道总水头损失之和为设计扬程。本工程增压水泵的几何扬程计算时，取调节水池设计水位(本工程调节水池设计水位为放空管顶上30 cm)到设计典型喷点处喷头进口的高差。设计典型喷点应选在喷灌区内具有代表性的喷点，并不是选在高程最高或距水泵最远处。

本喷灌工程建在山坡地上，喷头高程位置相差较大，完成水泵选型工作后，对最不利工况进行校核尤为重要。首先，对灌区内高程最高、距离水泵最远的喷点，对它可能出现的最低喷头工作压力进行校核，看它是否达到喷头设计允许工作压力区间(为喷头设计工作压力的80% ～120%)的下限值;其次，对高程最低、距离水泵最近的喷点，对它可能出现的最高喷头工作压力进行校核，看它是否超出喷头设计允许压力区间的上限值。

本工程选择喷灌范围内有代表性的喷点作为水泵设计工况来计算，使水泵经常处在高效区运行，从几年的运行情况看，不仅降低了运行费用，且操作管理方便，避免了喷头因超压引起的损坏。

3 结 语

上述是本人在连江县丹阳镇桂林水利化园区喷灌工程设计工作中的几点思考。该园区在有喷灌技术工程后，园区管理员反映枇杷产量和质量都得到了明显的提高，而且生产成本降低了许多，所以喷灌不仅是一种高效的节水灌溉技术，而且能提高农场经济效益的作用。我们在今后的山坡地喷灌工程设计中，只要充分考虑与平地喷灌工程的设计不同之处，认真分析比较，拟定合理的设计方案、工程投资和运行费用，以最小的投资取得最大的经济效益，推进这项重要的节水灌溉技术— —喷灌技术在农村山区的发展。

［1］袁达. 山坡地喷灌系统规划设计中若干问题探讨［J］. 节水灌溉，1997(01):31－32．

［2］应建伟. 浅谈山坡喷灌工程设计应注意的问题［J］. 科技信息，2009(27):763．