以榆阳区为例探析风沙区节水灌溉措施

2021-05-28李欣卓

陕西水利 2021年4期

李欣卓

(榆林市水利工程建设中心，陕西榆林 719000)

陕北风沙区，天然植被已破坏殆尽，只有沟坡保留一些次生灌草，立地条件较好的平缓坡地，零星分布有枣、果、杏等经济林木和油松、樟子松等乔木树种。区内降雨稀少，要进行种树种草、防风固沙以及农作物生产，就必须推进节水灌溉工作，以保障作物用立城增长。现以榆阳区大河塔镇大河塔小流域为例，对风沙区节水灌溉措施进行探析。

1 概况

榆阳区属毛乌素沙漠南缘与黄土高原丘陵沟壑接壤地带，大河塔小流域距榆林市主城区约43 km，涉及大河塔镇的11个行政村，人口11885人。流域总面积为13.63 km2，水土流失面积为12.89 km2，年平均降雨量414.1 mm。为了推进风沙区治理，项目规划在巴拉素、小壕兔、红石桥3个乡镇实施滴灌工程60处，以实现节水灌溉。

2 水资源供需平衡分析

2.1 水资源开发利用现状

项目所在的西北部风沙草滩区属中等富水地区，地下水埋深在5 m～150 m，单井出水量在1000 m3/d～2000 m3/d，沙层较厚，沙粒较细，平均渗透系数4 m/d，一般为水化学类型为HCO3-Ca·Na型水，矿化度0.5 g/L以内，属于良好的灌溉水源，保证率为85%时补给模数17.6×106m3/(km2·a)，西北部风沙草滩地区可开采模数为7.5×106m3/(a·km2)。项目所在的东南部丘陵沟壑地区属贫水地区，在梁峁之间、河谷川地区地下水埋深50 m～150 m，单井出水量在100 m3/d～700 m3/d，东南部丘陵沟壑地区可开采模数为1.0×104m3/(a·km2)。

项目区涉及行政村总土地面积58.21万亩，总耕地面积4.13万亩，地下水补给面积为388 km2，地下水可开采量为2731.89万m3。项目区目前主要采用地下水作为水源、采用井泵站抽水、衬砌明渠与田间土渠结合输水、长形畦灌的方式进行农业灌溉，存在水资源浪费严重、灌溉水有效利用率低等问题，严重制约了该村农业生产的可持续发展。同时，灌区部分机电井因年久老化失修，地下水位下降，无法保证群众生产生活需要，灌溉保证率低，给农业生产造成一定难度，所以必须进行节水灌溉。

2.2 项目区年度需水量分析

项目区内无工矿企业用水，只考虑农业和农村居民用水。项目区主要种植玉米和紫花苜蓿，灌溉水源为地下水。按照《陕西省行业用水定额》(DB61/T 943-2014)，陕北长城沿线风沙区主要农作物灌溉制度模式设计，农业灌溉需水量为1258.17万m3。农村居民用水定额为65 L/(人·d)，即23.7 m3/(人·a)，人口11885人，计算出项目区农村居民需水量为28.17万m3。

2.3 项目区水量供需平衡计算

项目区水量平衡计算见表1，由表1可知，项目区现状年可开采水量大于年需水量，年富余量1445.55万m3，完全可以满足项目区农业溉用水和农村居民生活用水需求。

表1 项目区水量平衡表

3 节水灌溉工程设计

根据工程建设内容及规模，将灌溉设计保证率选定85%，灌溉水利用系数取值0.90，管灌区取值0.85，本次设计项目区内各地块均属井灌区，节水灌溉工程采用地表滴灌带滴灌，总面积2700亩，规划节水灌溉工程共计60处(以灌溉面积每3 hm2计节水灌溉工程一处)，其中巴拉素乡新庙滩村滴灌面积135亩，小壕兔乡掌高兔村滴灌面积1845亩，红石桥乡西左界村滴灌面积720亩。

3.1 典型区选择

现以榆阳区红石桥乡西左界村项目为例，作典型设计。该村地处风沙草滩区，属典型的井灌区，农业种植以玉米、紫花苜蓿为主。根据典型区选择原则，本次滴灌设计选取1号新钻水源井控制灌溉区域为典型区，控制灌溉面积113亩。滴灌系统由首部枢纽、管网(干管、支管和毛管三级管道)、控制与保护设备和附属工程等组成。

3.2 灌水器选择与毛管布置方式

本次设计灌溉作物为紫花苜蓿，毛管选用外径d外为16 mm的内镶贴片式PE滴灌带，滴头间距Se为0.3 m，滴头平均流量qd为2 L/h，滴头工作压力hd为10 m，流态指数为0.5。灌溉水通过水泵从机井抽出后，先经施肥罐、过滤器，然后经由PVC-U干管输送至各支管，通过支管分流进入下一级的毛管，支管垂直干管且垂直于作物种植方向布置，毛管垂直于支管并沿作物种植方向布置。

3.3 灌溉制度设计

(1)设计参数的选择

计划湿润层深度H=0.55 m；适宜含水量上限θmax=85%θ田；适宜含水量下限θmin=60%θ田；田间持水量(重量比)θ田=22%；灌溉水利用系数η=0.90；作物日耗水强度Ea=7.0 mm/d；土壤容重γ=1.45 g/cm3；设计土壤湿润比P=90%。

(2)设计灌水定额

根据《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)的规定，设计灌水定额用下列公式计算：

式中：m为设计灌水定额，mm；γ为土壤容重，取1.45 t/m3；H为计划湿润层深，取0.55 m；P为土壤湿润比，取90%；θ田为土壤田间持水量(占土体重)，θ=22%；θmax为适宜土壤含水率上限，取0.85θ田；θmin为适宜土壤含水率下限，取0.60θ田；η为灌溉水利用系数，取0.90。

则设计灌水定额为：

m=1000×1.45×0.55×0.22×0.90×(0.85-0.60)/0.90=43.86 mm=29.26 m3/亩

根据《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)，结合榆阳区种植紫花苜蓿的经验，取灌水周期为6天。

(3)滴灌系统工作制度

根据《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)，一次灌水延续时间用下列公式计算：

(2)

式中：t为一次灌水延续时间，h；m为毛灌水定额，取43.86 mm；Se为滴头间距，取0.3 m；S1为毛管间距，取0.5 m；qd为滴头流量，取2 L/h。

则一次灌水延续时间为：t=43.86×0.3×0.5/2=3.29 h

取t=4 h。

本系统拟采用轮灌方式进行灌溉，输配水系统工作时间为16 h，一次灌水时间取4 h，结合典型设计中管网布置及已成井出水量，每个地块均拟划分为24个轮灌组，一个轮灌组大小约为88 m×36 m，面积约3168 m2，即每个灌区面积4.75亩。每次轮灌开启支管上相对的毛管控制阀，灌水时间4 h，然后换入下一轮灌组，每天灌溉4个轮灌组，6 d灌完。

(4)毛管网布置

毛管采用内镶片式滴灌管，管径16 mm，滴头间距0.3 m，滴头流量2 L/h，滴头工作水头ha=10 m。平坡条件下，毛管极限孔数按下式计算：

(3)

式中：Nm为毛管极限孔数；Δh2为毛管允许水头偏差，Δh2=β2Δh，平坡条件下β2取0.55；Δh为灌水小区允许水头偏差，Δh取2.27 m；d内为毛管内径，取15.2 mm；k为水头损失扩大系数，一般取1.1～1.2，本工程取1.1；qd为滴头流量，取2 L/h；Se为滴头间距，取0.3 m。

经计算：毛管极限孔数为293个。

毛管极限长度Lm按下式计算:

Lm=Se(Nm-1)+S0

(4)

代入数值S0=Se=0.3 m，Nm=293个，经计算得：Lm=88 m。

本次毛管(迷宫式滴灌带)长度取88 m，符合要求。

(5)管网布置

各地块的灌溉系统均布置三级管道，即干管、支管、毛管(灌水带)。毛管平行于作物种植行西南～东北方向布置，单向分水；支管近似垂直于毛管东南～西北方向布置，单向分水；干管垂直于支管西南～东北方向布置。

单条毛管进口流量为0.587 m3/h。根据管网布置和灌溉制度，一次灌溉每条辅管同时最多开启55条毛管，则：Q辅=Q滴×55=0.587×55=32.28 m3/h。管道经济流速按1.25 m/s进行计算。

(5)

式中：Q为设计流量，m3/h；D为管道管径，mm；V为设计流速，1.2 m/s。

经计算，管径为D辅=97.51 mm。

本次支管选用Ф110 mm×4.2 mm、承压1.0 MPa的PVC-U管。

(6)干管流量及管径确定

Q干=Q支×1=32.28×1=32.28 m3/h

干管经济流速按1.2 m/s进行计算。

本次干管也选用Ф110 mm×4.2 mm、承压1.0 MPa的PVC-U管。

(7)滴灌水力计算

依据《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)，在管道输水管网设计计算中，根据不同的材料管材适用范围的流态，通常采用下式计算有压管道水头损失：

h损=hf+hj

(6)

a)沿程水头损失hf，采用下式计算：

(7)

式中：hf为沿程水头损失，mm；f为摩阻系数，PVC-U管取0.948×105，PE管取0.505×105；L为管道长度，取最不利轮灌组的PVC-U、PE管长，m；d为管内径，PVC-U管取101.6 mm，PE管取15.2 mm；Q为管道设计流量，PVC-U管(干支管)取机井设计流量32 m3/h，PE管(毛管滴灌带)取0.59 m3/h；m为流量指数，PVC-U管取1.77，PE管取1.75；b为管径指数，PVC-U管取4.77，PE管取4.75。

b)局部损失采用近似计算法，采用下式计算：

hj=hf×10%

以最不利支管原则，考虑到作物栽培时用水情况，支管、干管流量从下至上推求，流量推算结果、各段管径及水头损失见表2。