横山区塔湾镇芦沟村节水灌溉与效益探析

孙卫勇

（榆林市横山区雷惠渠服务所，陕西 榆林 719000）

节水灌溉是现代农业生产发展的重要方向，但因一次性投资较大发展较为困难。塔湾镇芦沟村是横山区经济作物主要生产区，为推进当地农业现代化建设进程，配套已建成宽幅梯田，发展玉米、豆类农业经济作物及黄芪、远志等药材种植，巩固脱贫攻坚成果，需探讨其节水灌溉方式。

1 概况

芦沟村位于塔湾镇西6 km 处，属季风大陆性草原气候[1]，年平均降水量351.77 mm，总人口468户1 775人；属典型的风沙草滩区，总土地面积41.8 km2，其中耕地10 km2、林地13 km2。项目区地势平坦、土地肥沃，较适宜种植大田作物及有机蔬菜、黄芪、远志等药材。现有耕作区无灌溉水源，基本上“靠天吃饭”。

2 水源分析

芦沟村位于芦河左岸，地处风沙盖沙与黄土丘陵沟壑叠加区域，区内水源分地表水和地下水。

2.1 地表水

芦河上现有芦河渠灌溉工程修建于1958 年，系有坝引水渠道，引取芦河水，为自流灌区，原设计引水量1 m³/s[2]，年总引水量1 560 万m³。受水区为横山、赵石畔2个乡镇、18个行政村，人口2.4万人。灌区主要种植作物为玉米、水稻、高粱、洋芋、蔬菜、西瓜等，复种指数为100%，粮食总产量0.29 万t，是横山区主要蔬菜供应基地。

现状渠系水利用系数0.491，干渠全长11.08 km，其中4.37 km为土渠或损毁，其余渠道完好，渠道完好率60.56%。支渠2条，1支渠长4.33 km，其中1.91 km为土渠，其余已衬砌；2 支渠长3.48 km，全部为衬砌渠道。工程设计灌溉面积5.8 km2，有效灌溉面积5.1 km2，实际灌溉面积4 km2。

芦河渠渠首拦河溢流坝建在芦河干流上（主要水源来自上游河口庙水库）。该坝为浆砌石重力坝，顶长60 m，高4.5 m，顶宽4 m，底宽12.5 m。坝下游两侧设置有浆砌石导流墙。现有多处工程病险严重，存在许多安全隐患，迫切需要对该灌区进行节水更新改造。

2.2 地下水

由于芦河渠病险问题较多，灌区水量基本引尽，若再修建渠系引水灌溉，成本较高，也不适宜进行节水灌溉，芦河村节水灌溉项目水源考虑利用地下水。由于紧靠芦河，芦沟村地下水资源相对较丰富，区内地下水天然资源量为3 863.15万m³/a。

2.3 需水量分析

根据项目区附近机井实际情况，该区域井深180~250 m，土层80 m，单井出水量25~35 m³/h，根据灌溉地块面积及轮灌组划分情况，滴管系统各轮灌组设计流量5.8～8.1 m³/h；管灌系统各轮灌组设计流量6.59 m³/h，均小于水泵上水能力（10 m³/h）和单井出水量，供水满足灌溉要求。经对该水源周边勘察，区域内无工业、养殖、垃圾堆放以及排污口等其他污染源。规划在项目区打机井取水，建高位水池2 座，利用潜水泵加压到蓄水池，通过管网灌溉。根据出水量要求及地下水的埋藏情况，机井设计取水层为浅层含水层，设计井深200 m，土层80 m，岩石层120 m，井身段采用钢套管护壁，管径0.3 m。

3 滴灌典型设计

作为节水效果最好的灌溉技术，滴灌得到普遍使用[3]。根据项目区内作物的生长特性，经过调查和借鉴以往节水灌溉成功经验，决定采用滴灌的节水灌溉方式。滴灌面积0.32 km2，水源为机井。灌溉需水量为45.5 m³/h，需机井2眼，单井出水量为25 m³/h根据现场地形及水源条件，选择1号井控制的0.26 km2耕地作为典型地块进行设计。

3.1 基本参数

灌溉设计保证率为75%；灌溉水利用系数为0.9；其他有关技术参数如下：本次滴灌以玉米为主，微灌土壤湿润层厚度0.5 m；微灌设计土壤湿润比为90%；田间持水量为30%；耗水强度为5.0 mm/d；系统设计日工作12 h。

3.2 田间管网布置

田间管网包括干、分干、支、毛管4级管道，设计主要目的是将经由过滤设备过滤后符合灌溉要求的水由主配水管道输送至田间。

3.2.1 输配水管网

设计工艺流程为干管→分干管→水表→支管→毛管。具体的滴灌系统输水管网如下：水源（机井）→调蓄水→计量装置（水表、压力表）→施肥罐（施肥控制装置）→干管（地埋UPE 管）→支管（地埋UPE管）→辅管（PE软管）→毛管（滴灌带）。

3.2.2 干管选择与布置

干管一般沿道路或田间路地埋敷设，选用UPE管材。分干管视田块及支管的情况，可垂直或平行干管地埋敷设，一般垂直于干管，沿田块一侧布置，选用UPE 管材。支管垂直分干管、毛管地埋敷设。干管、分干管、支管均通过三通或弯通与干管连接。支管首部设有控制阀，长度依据地形设计。辅管平行于支管布置，选用PE 软管，毛管平行于作物种植方向。为了防冻，干管按不小于1.5‰的坡度在管道未端设排水井。

3.2.3 毛管选择与布置

输水管道选用PE 管，该种管材相较于PC 管接头装置简便、经济实惠。设计干管、分干管采用PE管以地埋形式铺设，支管、毛管采用PE 管铺设于地面。毛管铺设方向与作物种植方向一致，支管与毛管垂直，其他各级管道自下而上依次与下级管道垂直布置。

根据设计湿润深度，结合当地的土壤条件，考虑实际情况，本次毛管（灌水器）采用迷宫式滴灌带，设计流量为2.0 L/h，滴头间距0.3 m。

由于玉米种植两行为一畦，毛管布置两行玉米中间，平行于作物种植方向，间距0.9 m。毛管为内镶片式滴灌管，外径16 mm，滴头间距0.3 m，工作水头8.0 m，流态指数0.5。毛管进水口通过接头与支管连接，末端封堵。毛管在支管两侧对称（丰字形）布设；部分地块采用梳子形搭配布设。

3.3 灌溉制度拟定

3.3.1 最大灌水定额

滴灌最大灌水定额根据下式进行计算：

式中：mmax为设计最大灌水定额（mm）；γ为土壤容重（g/cm³）[4]，取1.4 g/cm³；z为土壤设计湿润层深度（cm），取50 cm；p为设计土壤湿润比，取90%（粮、棉、油等植物为60%~90%）；θmax为适宜土壤含水率上限，取田间持水率的95%；θmin为适宜土壤含水率下限，取田间持水率的65%。

经计算，得出mmax=18.9 mm。

3.3.2 设计灌水周期

式中：T为设计灌水周期（d）；Tmax为设计最大灌水周期（d）；Ia为作物耗水强度（mm/d）[5]，取5.0 mm/d；mmax为设计最大灌水定额（mm），取18.9 mm。

经计算，得出Tmax=3.78 d。根据当地实际情况，本次设计灌水周期T＝12 d。

3.3.3 设计灌溉定额

设计毛灌水定额根据下式进行计算：

经计算，得出m毛=21 mm。

3.3.4 滴灌系统的工作制度

滴灌管布置在两行玉米中间，平行于作物种植方向，滴头间距Se=0.3 m，毛管间距Sl=0.9 m。（1）一次灌水延续时间t。其计算公式为：

式中：Se为滴头间距（m），取0.3 m；Sl为毛管间距（m），取0.9 m；m滴为设计毛灌水定额（m3/hm2）；qd为滴头流量（L/h），取2.0 L/h；

经计算，得出一次灌水延续时间t=2.55 h，取t=3.0h。

（2）轮灌区数目N。输配水系统工作时间为12 h，一次灌水时间取3.0 h，灌水周期取12 d。最大轮灌组计算公式为：

经计算，得出N=52组。

单个灌水小区长102 m、宽60 m，实际轮灌区取N=52组。

（3）滴灌系统的工作制度。典型1#地块面积0.26 km2，设计灌水小区尺寸按照102 m×60 m（长×宽）进行控制，共43个。每个灌水小区内由1条辅管控制，单条辅管长60 m；每条辅管布置134 条毛管（两侧出水，每侧67条），毛管采用迷宫式滴灌带。

在进行灌溉时，由1 条干管控制，一次开1 条支管，一条支管开1条辅管，一条辅管开启134条毛管作为一个轮灌组，1#地块共分为43组；2#地块0.06 km2，共分为9组。

3.4 田间管道水力

毛管采用内镶片式滴灌管，单根长51 m，管径16 mm，滴头间距0.3 m，滴头流量2.0 L/h，滴头工作水头8.0 m，毛管（迷宫式滴灌带）长度51 m，单条毛管进口流量0.34 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130条毛管，则干、支管进口工作压力水头为4.80 m，干管总水头为14.90 m。

3.5 高水位池设计

直接抽取地下水灌溉，水温过低，不利于农作物生长；同时，近年项目区地下水位在逐年下降，考虑后期水量减少，为了更好沉淀，需修建调蓄池1 座。

项目区水源为机井，泵站流量为25 m³/h，若泵站每天工作时间按12 h 计算，则一天的出水量为300 m³。考虑到水泵运行效率、水泵维修所造成的灌溉时间不足以及灌溉时间延误的影响，本次高位蓄水池容积取200 m³。

3.6 滴灌附属设计

根据滴灌工程布置，滴灌水源为机井，通过水泵加压后输送至调蓄池，经过首部枢纽房，送至田间管道。滴灌首部枢纽房内放置过滤站、施肥罐、流量计、压力表和保护装置等。

项目机井全部供滴灌地块水源，井房与滴灌过滤房共用。在滴灌系统中，为了防止滴灌带堵塞，常常在首部设置过滤器。本工程水质比较清澈，泥沙含量很少，无明显漂浮物。设计过滤器选择离心+网式过滤器（3 吋W0301+L0301）。滴灌时可同时施入化肥，结合实际，施肥罐选择500 L。

4 效益分析

项目区工程概算总投资218.87 万元，其产生的效益主要有以下三方面。

4.1 社会效益

（1）有利于提高作物抗旱能力，提高当地农业综合生产能力，促进群众收入增加，提高百姓生活水平。

（2）有利于农业种植结构调整，使农业生产结构更趋合理，促进农村经济快速发展。

（3）农业的发展能够带动农产品加工业的发展，增加地方财政收入。

4.2 生态效益

（1）发展高效节水滴灌可以节约水资源，有利于改良土壤颗粒结构，有效防止耕地盐碱化，减少水土流失。

（2）有利于提高农民节约意识，促进生态环境的良性循环。

（3）节水灌溉的形式多样，可以调节区域小气候，美化农村环境，形成路、林、沟、田和谐统一的格局，为发展观光农业奠定了基础。

4.3 经济效益

4.3.1 灌溉增产效益

项目区净灌溉面积0.32 km2，实施节水滴灌工程后，将原有旱台地改为水浇地，主要种植玉米、药材、大田作物，浇水及时，肥料的利用率提高，促使作物增产。据有关试验资料，玉米、药材、大田作物实行节水灌溉后可增产40%以上；以玉米为例，项目实施后，可增产30 kg/km2，按现行价格2.8 元/kg 计算，年增效益1 260 元/km2。根据上述数据计算，该项目年增产值为59.7万元。

4.3.2 省工及节能效益

实施节水灌溉后，年节能效益2.4万元。

4.3.3 费用计算

（1）固定资产投资。该项目固定资产投资为218.87万元。

（2）年运行费。该工程运行期间费用主要包括工程维修费、能耗费用、管理费及其他费用。其中，维修费包括管道、建筑物工程等维修、养护和大修理费用，根据类似项目区调查和预测，年维护费约为固定资产投资的1.5%，即218.8×1.5%=3.28（万元/a）。项目区平均每年灌水2.65 万m³，每度电灌溉水量1.5 m³，电价按0.45 元/kW·h计，经计算年电费为1.2万元。根据水利工程固定资产分类折旧年限的规定，本工程的折旧年限为20 a，经计算年折旧费为9.7 万元。管理费按0.32 元/km2计，则年管理费为0.71 万元。其他费用包括清除或减轻项目带来的不利影响所需补救措施、日常行政、科学试验和观测以及其他经常性开支等费用，该项费用按维护费、动力费、管理费总和的10%计算，即1.7万元/a。

（3）年效益。考虑项目建成后，年增加效益59.7万元，减去维修费、电费、折旧费、管理费及其他费用共计18.59万元，年净收入41.11万元。

5 结语

芦沟村地势平坦，地下水资源丰富，特别适合发展灌溉型大田粮食作物及蔬菜类经济作物、药材。通过分析，提出采用节水滴灌方式，可以有效地利用当地的地下水资源，统一开发，集中管理。不但可以避免当地农民无节制开发地下水资源，而且通过节水灌溉保证了作物的灌溉期需水，提高作物产量，从而增加农民的经济收入，带动当地农业产业结构改革。