牧草地高效节水灌溉技术应用研究

赵振忠

（山西水务工程建设监理有限公司,山西 太原 030000）

0 引言

在实施退耕还林还草的大背景下，解决畜草矛盾和生态环境恶化的主要措施是发展高产稳定的人工牧草地，对人工草地采取适宜灌溉方式是提高牧草产量和质量的关键因素[1]。节水灌溉是以最低限度的水量获得最大的产量或收益，通过节水灌溉农作物及时得到生长所需水分，提高灌溉保证率，有效促进作物增产增收。为了恢复地下水位和河道生态功能，完善永定河生态修复规划，山阴县开展了农业节水和生态用水保障方案，配置实施牧草地高效节水灌溉工程1.92 万亩。分类设计各地块适宜的节水灌溉模式，以优化灌区灌溉方式，遏制当地地下水超采现状，提升水源涵养能力。

1 工程概况

山阴县农牧交错带桑干河灌区高效节水灌溉工程面积1.92 万亩，涉及山阴县6 个乡。项目区水源为地下水及桑干河水，按水源划分，项目区可分为井灌部分和河灌部分。

井灌部分充分利用项目区内及周边现有水源井，将净水通过管道汇入新建蓄水池，在蓄水池边设置加压泵站加压后输水至喷灌设施；河灌部分，灌溉水源是桑干河水。对于总干渠边灌区，直接从干渠取水，通过加压泵站对喷灌设施供水。对于支斗渠将水引入蓄水池，通过泵站出水管配置离心式过滤器输水至喷灌设施。

2 节水灌溉模式

项目区属于桑干河灌区，灌溉型式基本采用渠道输水灌溉，最末一级为斗渠，田间仍为大水漫灌，灌溉水利用系数低，因此，急需配套节水灌溉措施。通过高效节水改造，遏制地下水超采，提升水源涵养能力，减少灌溉过程中的劳动力配置。节水灌溉方式主要包括渠道防渗、管道输水、喷灌、微灌等。

2.1 灌溉方式选择

比较各种节水灌溉措施，大中型喷灌机组具有机械化、自动化程度高特点，适宜于本项目区大面积牧草种植。中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机优点明显，当地群众有应用中心支轴式喷灌机经验，积极性较高。同时项目区有部分较规整的矩形地块，采用平移式喷灌机可充分发挥平移机效益。卷盘式喷灌机具有机动灵活，适应大小田块，不受地块中障碍物限制，操作简单、机械化程度高等特点。

综上所述，项目区喷灌机械应因地制宜的选择，对于面积较大且较为方正的地块，以中心支轴式喷灌机为主；对于较为规整狭长的矩形地块，以平移式喷灌机为主；对梯田及地块不平整的地块，以全固定管道式喷灌为主，同时对各不规则地块或地角辅以卷盘式喷灌机进行补灌。

2.2 典型地块布置

项目区牧草基地喷灌面积1.92 万亩，根据灌区各地块大小、形状、田间道路及建筑物和林带等确定喷灌机上管道线路、间距、长度、喷头类型、喷洒半径及合理的布设方式。

2.2.1 中心支轴式喷灌机设计

该片区共配套喷灌设施5400 亩，牧草基地共有水井22眼，出水量均为32 m3/h。水源通过管道输水至田间蓄水池，经田间加压泵站加压至喷灌机实施喷灌，田间配置中心支轴式喷灌机、辅助卷盘式喷灌机。

中心支轴式喷灌机中心支座布设在地块中央，喷洒支管固定在多个塔架车上，并绕中心支轴旋转喷洒灌溉；卷盘式喷灌机，连接支管上布置的给水栓即可进行喷洒灌溉，给水栓间距不小于50 m，给水栓采用铸铁型。

机组灌溉系统由两部分组成:供水系统和灌水系统，将整个喷灌机组视为灌水器，中心支轴式喷灌机进口工作压力为0.25 MPa 左右，卷盘式喷灌机（自带加压泵）进口工作压力为0.2 MPa～0.7 MPa。供水系统由机井输水至蓄水池，灌水系统则从蓄水池抽水、加压至喷灌机,通过管道、机组、喷头实施喷灌。

供水管道及灌水管道均埋设于地下，埋深1.5 m。输水管道原则上沿田间道路、地块边布设，管道首部均设置有控制阀井，末段设置泄水阀井，管道起伏及管道较长线路上还设置有排气阀井。输水管道及管件均采用优质的PVC 材料。

（1）设计喷灌均匀系数

设计喷灌均匀系数不应小于0.85。以喷灌机末端喷灌强度为控制数值，允许喷灌机末端土壤表面积水，但不宜产生径流。

（2）设计灌溉制度

项目区牧草综合灌溉净定额为80 m3/亩，灌溉水利用数为0.80，作物生育期灌水次数为4 次，灌水定额20 m3/亩，灌水天数10 d。

（3）灌溉方式

项目区各片中心支轴式喷灌机灌溉方式采用续灌或分组轮管。根据现有水源井及引水渠道可供水流量，结合喷灌机组分布情况，在一个灌水周期合理分配水资源，采用续灌或分组轮管的方式确保完成整个片区的灌溉。

2.2.2 平移式喷灌区设计

田间喷灌工程中狭长规整的地块采用平移式喷灌机。平移式喷灌机的供水方式有渠道供水和拖管供水两种。

渠道供水：如项目区有地表水比如河流、现有水渠，可以直接加以利用，若没有也可以开挖修建水渠，渠道需水量施工需根据设备需水量设计，一般采用混凝土浇筑或土工布铺底防止渗漏，设备配备自动吸水装置进行过滤。

拖管供水：拖管采用PE100 或涂塑软管，根据喷灌机出水量确定管径，结合灌溉土地实际情况设定出水口距离，一般为150 m 左右配置一个出水口，出水口配置快速接头，可以方便接入。

经综合比选，并结合厂家供货情况及当地实际地形、合作社使用意愿等情况，选用卷盘式平移喷灌机。该型号喷灌机自带卷盘收放供水管，并通过加压泵站直接对其供水。

2.2.3 卷盘式喷灌机设计

根据项目区牧草设计灌溉制度，计算卷盘式喷灌机灌溉周期内灌溉面积。

（1）单位时间灌溉面积：

式中：A1为单位时间灌溉面积，亩/h；q 为设计流量，取32 m3/h；η 为灌溉水利用系数，0.8；m 为设计灌水定额，15 m3/亩。

（2）每日灌溉面积：

式中：A2为每日灌溉面积，亩；T 为系统每日工作时间，h。

（3）灌溉周期内灌溉面积：

式中：A3为灌溉周期内灌溉面积，亩；T 为灌溉周期(一次灌水延续时间)，10 d。

根据上述计算结果，结合卷盘式喷灌机市场使用情况，最终选用JP75-300 卷盘式喷灌机。

卷盘式喷灌机设计技术参数：有效喷洒长度≤300 m，有效喷酒幅宽500 m，单次单边作业控制面；喷头流量为30 m3/h；喷头射程35 m；喷头工作压力0.38 MPa～0.7 MPa；喷灌强度6 mm/h。

2.2.4 全固定式喷管设计

根据田间灌溉方式及地形条件，东双山灌溉片区位于坡地上，现状地形条件为梯田，且地块起伏不平，在该片区选用全固定管道式喷灌的方式进行灌溉。从该片区西北角高地的2 万m3蓄水池取水向低片区供水，共布设2 条出水总管向田间管道供水，靠自然地形高差满足喷灌设施压力需求，管道首段安装有过滤器。

全固定管道式喷灌管网系统由地埋干管、支管以及配套附件组成，喷头系统由出地立管、竖管、喷头及支架组成。

管网系统由地埋干管、支管以及配套附件组成，均埋设于地下。田间干管沿道路、地块边或地块中央布设，支管垂直干管布设。干管1 长610 m，管径DN200；末端接分干管1、分干管2，管径均为DN125，总长1569 m。干管2 长1426 m，管径DN125；干管2、分干管1、分干管2 沿地块边或地块中央布置，总长2995 m。支管垂直干管布置，支管方向与耕作方向一致，间距18 m 左右，共100 根，单根长度随地块由200 m～370 m 不等，管径de90～de110，总长26150 m。

喷头系统由出地立管、竖管、喷头及支架组成。支管上设出地立管及给水方便体，共1500 套；方便体接竖管及喷头，间距18 m 左右，竖管、喷头及支架为及插及拔移动式，同时工作喷头数为45～50 个，备用1 套。每根分干管始端设置控制阀共54座，末段设泄水排空井4 座。根据需要还设置排气阀井4 座、流量计井2 座、减压井3 座。

干管、支管根据当地最大冻土深度埋在地面以下1.5 m。竖管出露地面高度按1.5 m 考虑，采用DN25 镀锌钢管。竖管顶部安设喷头，喷头间距18 m 左右，喷头型号ZY-2，设计流量2.3 m/h，喷射半径18m，采用全圆喷酒。竖管及喷头采用支架固定在地面上。

3 结语

水资源不合理利用，农牧交错区滥垦、滥牧及不合理的种植结构和耕作制度造成了大面积草场退化和生态环境的持续恶化。本工程的主要任务是通过实施高效节水喷灌工程，提高灌溉水利用率，减少地下水开采量，发展畜牧业，为当地社会经济发展提供有力支撑。实施农业节水及高效节水工程后，灌区年可节水117.8 万m3，其中桑干河流域可减少地表水取水量80.6 万m3，减少地下水开采量37.2 万m3，使地下水超采状况得到缓解，为山西省永定河恢复为“流动之河，绿色之河，经济之河，文化之河”贡献力量。