神木市长城沿线风沙草滩区节水灌溉项目设计探讨

2022-10-21张小林王文龙李孟钒

南方农业 2022年17期

闫喆，张小林，王文龙，李孟钒

（1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西西安 710100；2.西安理工大学，陕西西安 710000）

神木市地处陕西北端，长城沿线，黄河中游区域；为大陆性季风气候，季节分明，气候干燥，自然灾害较为频繁；夏季雨水集中，暴雨较多。随着可持续发展战略的全面推广，在我国农田灌溉中高效的节水灌溉技术已经逐渐得到了认可与应用。面对项目区内水资源贫乏、灌溉设施欠缺、降雨不均衡等问题的客观存在，节水灌溉技术的应用已经极为迫切与重要，实施本项目势在必行。

1 项目概况

本项目类型为未利用地土地开发项目，资金来源全部为神木市财政投资。项目区位于神木市西沙街道办丰园村，涉及1个镇1个行政村，共2个地块。项目建设规模为29.645 3 hm2。项目主要通过对荒草地、残次林草地的开发实现项目区新增耕地26.746 4 hm2，新增耕地率达到90.22%。项目建设计划工期为3个月。项目区土地所有权属部分归国有，部分归集体所有，由村民个人承包使用，土地权属界线清楚，无争议。

2 水资源平衡分析

2.1 灌溉水源及供水量分析

项目区水源为地表水，项目区灌溉用水来源于窟野河麻家塔沟支流。窟野河整体位于黄河中游，发源于内蒙古自治区东胜市巴定沟，流向东南方向，途经伊金霍洛旗和陕西省府谷县，于神木市沙峁头村注入黄河，干流长242 km，流域面积8 706 km2，年平均流量7.59亿m³，麻家塔沟作为窟野河支流，沟长22 km，流域面积236 km2，参考窟野河就近地区流域面积相近的支流流量约为1.65 亿m³，该支流水质良好，可以满足灌溉要求。

2.2 需水量分析

2.2.1 设计水平年和灌溉保证率的确定

依据《土地整治高标准农田建设标准综合体》，综合考虑项目区自然和社会经济情况，设计灌溉保证率采用75%，设计水文年采用一般干旱年。

2.2.2 作物灌溉制度的确定

项目区属于温带大陆性季风气候区，由于日照、海拔等条件限制，项目区内作物种植仅为一年一熟。项目实施后，经过客土回填，土地复垦，土壤为砂壤土，适宜种植的粮食作物主要为马铃薯、玉米等。

经过广泛采纳当地群众的意见，结合项目区现状、地形、地貌及规划灌溉设备，项目区田块规划为畦灌。查询《陕西省作物需水量与分区灌溉模式》中玉米的灌溉模式可知，春玉米的生长阶段分为为播种、出苗、拔节、抽雄、灌浆、成熟6 个阶段。参考陕西省节约用水办公室发布的《陕西省行业用水定额》（试行）制定以下灌溉制度，设计灌溉保证率采用75%（见表1）。

表1 项目区灌溉制度（干旱年p=75%）表

2.2.3 灌溉需水量计算

根据关键期作物需水量计算可知，每667 m2净灌溉定额为155.00 m3·次-1。项目区规划采用低压管道输水，管道水利用系数较高，查询《陕西省行业用水定额》，可知陕北长城沿线风沙草滩区管道水利用系数为0.97，田间水利用系数为0.92，故灌溉水利用系数为0.892，每667 m2最大毛灌溉为173.76 m3·次-1（见表2）。

表2 地块年度需水量统计表

综上所述，项目区作物年灌溉需水量共为7.73万m3。结合以上内容分析，地块供水量大于需水量，能够满足灌溉要求。

3 灌溉工程方案选取及平面布置

3.1 节水灌溉方案

根据该项目区的基本农田类型及初步确定的建设规模，拟采用低压管道输水灌溉、圆形指针喷灌、滴灌3种方案。

1）低压管道输水灌溉。低压管道输水灌溉是一种以地埋管道代替明渠输水灌溉的节水灌溉形式，利用能耗较低的泵机或者现状的地形落差形成的自然压力，将灌溉水源输送到田间，再由管道分水口分水或外接软管输水进入地面[1]，将水资源和外界的联系直接隔断，有效减少水资源在渠道输送过程中的蒸发损失，更能防止深层的渗水。因其在高效利用水资源的前提下又节省了土地资源。一经推广便受到了广大农民群众的欢迎。该形式不但输水迅速、省地、节水、能耗低，且后期设备的管理维修简单、方便，目前已经成为农田节水灌溉的主要应用推广技术之一。

2）圆形指针喷灌。圆形指针喷灌作为目前农田灌溉中应用较为广泛的一种节水灌溉形式，虽然初期投资较高，但能大幅提升人均劳动力产能，各地块灌溉水量均衡，使用年限内年均每667 m2投资较低。但是对地形条件要求苛刻，适合在地块规模较大的场地中使用，具有其特定的局限性。

3）滴灌。滴灌作为我国目前使用范围最大的高效节水灌溉工程技术，完美地契合了各种农作物、树木生长发育的需求，在初期投资较低的情况下，节水效果最为显著。但是，实施后期管理维护工作繁杂冗长，人力投资远大于低压管道输水灌溉、圆形指针喷灌。

在充分调查各种灌溉方式的投资成本与工作效率等情况后，最终选用低压管道输水灌溉作为本项目的灌溉方式。原因主要有以下4个。1）低压管道输水灌溉方式水资源利用效率较高，而且从投入成本、农民经验种植方式方法等层面充分考虑，是最符合当下实际情况的一种。2）由于低压管道输水灌溉的前期投入较低，为日后的土地流转时的改造留有余地。3）低压管道输水灌溉具有占地面积小、能耗低、管理简便等优点，深受当地群众欢迎。4）由于当地农民对土地的渴望，后期种植马铃薯、玉米等作物，项目建成后能够避免撂荒的现象。

3.2 工程平面布置

3.2.1 水源工程

项目区南邻窟野河支流麻家塔沟，且现有引水渠和混凝土蓄水池，因此在水源选择上充分调查当地水源现状，选择麻家塔沟为项目区水源。根据榆林市实用水文手册确定麻家塔沟年径流量远远大于项目区用水量（该村后续灌溉地块极少）。项目区以地表水为主，做到蓄、引、提、集、输相结合，中小型工程措施并用，充分挖掘了水源潜力，既能满足灌水需求，又因地制宜，符合客观地理条件。

3.2.2 输配水工程

按实地地貌地形现状、交通条件、当地群众耕作及灌水习惯，合理安排布局各级输配水渠道。在安装地埋输配水管道时应做好充分的考虑，设计足够的过水断面及安全合理的比降，配套完善渠系建筑物，做到引水必有阀、分水必有闸、运行安全得当、管理快捷方便。

4 工程建设标准及设计参数

4.1 水源工程

项目区水源为麻家塔沟河水，项目区上游有一个村民自建水坝，经坝体内出水渠连接至项目区地块山脚下，新建浆砌石供需调节池作为水源，流域内水质较好，适宜灌溉。本次采用潜水泵取水方式提水灌溉。项目区以新建的浆砌石蓄水池作为水源，经项目区上方新建的100 m3供需调节池进行调蓄，对项目区进行灌溉。

调蓄池设计为钢筋砼结构。蓄水池结构参照《矩形形钢筋混凝土蓄标准设计图集05S804》。池壁及底板厚度均为0.2 m，深3.5 m。地下埋深2.5 m，地上1.0 m。水池基础用3∶7 灰土处理0.5 m 后，做0.1 m C15 素混凝土垫层，池身采用C25 钢筋混凝土结构。水池布置有进水管、溢流管、出水管、泄水管。

4.2 输水工程

本项目的主要任务是为新规划田块配套灌溉管道，本项目新建管道以新建泵站为灌溉水源，配套独立的低压管道系统。管道布置结合实际地形条件和田宽布局布置。

4.2.1 输水管道布置

1）输水管的线路在保证供水安全、水量水压满足项目设计的前提下，力求做到线路最短、土方量小、施工费用少、施工维护方便、少占用农田。2）输水管道的平面布置应充分利用现场实地的地形地貌，符合乡镇对管道规划的要求。

4.2.2 灌溉系统设计

输水管流量的计算依据公式（1）。

式（1）中，θmax为灌溉面积，hm2；θmax为需水流量，m3·h-1；θmax为作物设计日耗水强度，5.5 mm·d-1；θmax为灌溉水利用系数，0.9。经计算Q=76.2 m3·h-1，取80 m3·h-1。

管径按照经济流速法选用管径，见公式（2）。

式（2）中，D为管径，mm；Q为管道流量，m3·h-1；V为经济流速，取1.5 m·s-1。

灌溉系统的管道管径计算选择详见表3。

表3 管径计算表

项目区干管选择0.8 Mpa 的UPVCφ140 mm；支管采用0.8 Mpa 的UPVCφ110 mm，竖管采用0.8 Mpa 的UPVCφ110 mm；给水栓采用铁质给水栓。

管道沿程水头损失按公式（3）计算。

式（3）中，hf为沿程水头损失，m；f为摩阻系数，PVC-U 管取0.948×105，钢管取6.25×105；L为管长，m，11；Q为流量，m3·h-1；d为管道内径，mm；m为流量指数，PVC-U 管取1.77，钢管取1.9；b 为管径指数，PVC-U管取4.77，钢管取5.1。

管道局部水头损失按式（4）计算。

式（4）中，hj为局部水头损失，m；ξ为局部损失系数；v 为管内流速，m·s-1；g 为重力加速度，m·s-2。管道局部水头损失也可按沿程水头损失的一定比例计入，取hj=0.1hf。

管道系统水泵扬程按式（5）计算。

式（5）中，H0为管道系统设计工作水头，m；Z为参考点的地面高程，m；Z0为管道系统进口高程，m；ΔZ 为参考点处给水栓出口中心线与地面的高差，m；Σhf为管道系统进口至参考点给水栓的管路沿程水头损失，m；Σhj为管道系统进口至参考点给水栓的管路局部水头损失，m；h0为给水栓工作水头，无资料时可按0.3～0.5 m 选用。经计算，H=110.17 m。水泵流量≥80 m3·h-1，扬程≥110.17 m，选用潜水泵250QJ80-121∕11满足设计要求。

4.2.3 管路附件

在选取管道中的三通、弯头等配件时，应充分考虑与管材的配套，出水口安全阀为标准铸铁定型件。管道连接采用热承插涂粘合剂法连接，各级管道进口设置安全控制阀门，在系统首部设置单向阀门，以防止水泵突然关闭或其他事故产生供水倒流，同时将（进）排气阀设置在管道首部地势最高处，以防止管内积水倒流产生的负压将管道损坏[2]。

4.2.4 阀门井

阀门井主要设置在干管及分干管上有（进）排气设备、阀门等管件的位置。阀门井的尺寸基于井内的设备和便于人员操作、维修2 个方面来考虑确定。设备在阀井的位置按规范要求确定。

4.2.5 出水桩

输水管道依据实际地块布局，按照设计图纸在每个地块安装设置出水桩，出水桩间距可根据地形适当调整。本项目采用固定出水桩，用C15 砼浇筑周边，以防止下阀体被盗或损坏，上部加盖混凝土护帽。出水口护桩也采用现浇砼件，占地面积为0.16 m2。

4.2.6 地埋管道管槽开挖及回填

1）管槽开挖。根据资料查阅，项目区最大冻土深度为146 cm 以上。为防止U-PVC 管道在地埋时由于田间耕作或机械车辆通行破坏管道，地埋管道管槽开挖采用矩形断面，开挖断面宽60 cm，埋深在150 cm 以下。管道埋深考虑地面冻土深、安全挖深、管道直径等因素，管槽开挖深度≥1.64 m。

2）管槽土方回填。根据《土地开发整理项目概算定额》，管道管径超过550 mm 以上的，计算管槽填方量时应扣除管道所占体积，否则不需扣除。本项目中管槽土方回填量等于管槽土方开挖量。

本次低压管道工程布置工艺流程为水源（供需调节池）→控制闸阀→输水管道→出水栓→田间。为了集中用水，缓解管道压力，灌水采用轮灌方式。承插胶粘接口连接。给水栓采用预制混凝土出水桩保护墩。

4.2.7 管道附属设施

排气阀一般安装在逆坡位置的管道系统尾部、顺坡位置的管道系统首部、管道系统的凸起处、管道朝水流方向下折及超过10°的变坡处。项目区共设计安装2个排气闸阀。

在管道末端设置泄水井，在每年度灌溉期结束之后放空管道内余水，共设置20座，在管道连接处设置检查井，方便田间管理，共设置20座。