渭南市涧峪水库灌区高标准农田建设喷灌工程设计

许王宁

(渭南市水利水电勘测设计院,陕西 渭南 714000)

1 工程概况

涧峪水库灌区地处渭南市华州区高塘镇,南北长约13 km,东西宽1.0～7.0 km,耕地面积6.93万亩,设施灌溉面积5.24万亩。

1.1 水源

灌区水源为涧峪水库水。坝址以上流域多年平均径流量由西涧峪自身径流量2 485万 m3及东涧峪外调水量1 558万 m3组成,水库设计城区年供水量1 300万 m3(供水保证率不低于90%),水库灌区设计灌溉保证率不低于75%,年灌溉供水量955万 m3。水库水质评价为Ⅱ类水质,满足喷灌水质要求。

1.2 地形地貌及土壤

灌区地貌为秦岭北麓山前洪积扇及黄土台塬区,地形南高北低,海拔高程714.0～403.0 m,高差311 m,南北长约13 km,东西宽7.0～1.0 km,东西向地形较为平坦。灌区地表为黄土状壤土和洪积壤土覆盖。因此灌区地形高差大,利于重力输水,土地集中连片,昼夜温差大,光热资源充沛,具备实施高标准农田建设。

1.3 高标准建设概况

通过大力实施农田水利建设、田间道路、提升土壤肥力、农技推广等综合措施,实现“田地平整肥沃、水利设施配套、田间道路畅通、科技集成适用、优质高产高效”的总体目标。结合灌区渠系布置,高标准农田建设示范区分布为7个独立片区,建设规模2万亩。

2 喷灌工程设计

2.1 项目区概况

本文选择具有代表性的地块江村进行喷灌典型设计,采用“低压暗管输水+田间喷灌”的节水灌溉技术,实施固定式喷灌面积245 亩,种植冬小麦和夏玉米。

2.1.1 地形

江村位于涧峪河的东边,地块呈窄长形。南北长550 m,东西宽约350 m。地形高程在550.00～545.00 m之间,相对高差不足5 m。

2.1.2 土壤

项目区土壤为壤土,土壤肥沃,土层厚约1 m,酸碱适中,土壤容重1.45 g/cm3,田间持水量22.0%,渗透水条件一般,允许喷灌强度12 mm/h。

2.1.3 水力计算

根据示范区的灌溉轮灌制度,确定各级管道设计流量及管径,并对江村最不利管段进行水力复核,水压满足要求。

2.2 喷灌型式的选择

喷灌类型包括固定式、半固定式和移动式三种。其中固定管道喷灌系统中主管、支管均埋置于地下,竖杆立于地上;半固定管道喷灌系统中主管埋于地下,支管、竖杆在地面上移动;移动式管道喷灌系统中主管、支管喷头均位于地面,灌溉时来回移动。考虑到管理及操作方便,本设计选择固定式喷灌。

2.3 喷头及其组合型式的选定

根据项目区种植物作物特征及土壤条件,以及各种喷头的特性和适用范围,选择摇臂式PY1-20型喷头,其优点是结构简单,运行可靠,质量稳定,在国内使用较为广泛。喷嘴直径7.0 mm,流量2.96 m3/h,射程19.0 m,喷头压力0.3 MPa,按最不利的垂直于风速布置,采用正方形组合形式,喷头横向、纵向间距均为18 m。

2.4 管材的选择

地埋管道按材质可分为钢管、铸铁管、塑料管、薄壁铝合金管、薄壁镀锌钢管及涂塑软管等。钢管、铸铁管等金属管能承受动荷载和较高的工作压力,使用寿命长,但投资较高,重量大。塑料管重量轻,便于搬运,施工容易,能适应一定的不均匀沉降,不生锈,水头损失小;缺点是存在老化脆裂问题,但埋在地下可减缓老化。为保证管道使用寿命,同时考虑投资限制,地埋管道均采用PVC-U管道。

2.5 田间管网布置

2.5.1 设计参数的选定

根据江村土壤情况等资料以及相关设计规范,确定设计喷洒强度为12 mm/h,雾化指标W=4 286>4 000,管道系统水利用系数取0.95,田间喷洒水利用系数等参数取0.9。

2.5.2 灌溉制度的确定

项目区种植冬小麦和夏玉米,土壤为壤土,据此计算以下参数:

1)设计灌水定额

(1)最大净灌水定额计算:

m=0.1γ h(β1-β2)θ

(1)

式中:m为净灌水定额(mm);h为计划湿润层深度(m),取0.6 m;γ为土壤干容重(g/cm3),取 1.45 g/cm3;β1为土壤适宜含水量上限,取田间持水量的 90%;β2为土壤适宜含水量下限,取田间持水量的 60%;θ为田间土壤持水量(%),以重量百分率计,取 22%。

将上述公式计算得到m=57.42 mm

(2)灌溉水利用系数

η=ηG×ηp

(2)

式中:η为灌溉水利用系数;ηG为管道系统水利用系数,取 0.95;ηp为田间喷洒水利用系数,取 0.9。

经计算得η=0.85。

2)灌水周期T

T=mmax/Ia

式中:T为设计灌水周期,d;mmax为设计最大灌水定额,计算值为57.42 mm;Ia为作物最大日平均耗水量,粮食作物取 6 mm;计算灌水周期 T=9.6 d,设计灌水周期取 9 d。

3)设计净灌水定额

设计净灌水定额计算公式为:

md=T×Ea =36 m3/亩

(3)

式中:md为设计净灌水定额(mm)

4)喷头在一个位置上的工作时间

(4)

式中:a、b为喷头、支管间距,均为18 m;m为设计净灌溉定额,54 mm;qp为喷头设计流量,为2.96 m3/h;ηp为田间喷洒水利用系数,取0.9。

通过计算,喷头在一个位置上的工作时间为6.6 h,作物喷洒时间见表1。

表1 作物喷头喷洒时间表

5)喷头每日工作位置数

n=t日/t

(5)

式中:n为喷头每日工作位置数(次);t日为日喷灌作业小时数(小时),取21 h;t为喷头在一个位置上的工作时间。

经计算,典型地块喷头每日工作位置数为 3个。

6)同时工作喷头数

(6)

式中:np为同时工作的喷头数;T为设计灌水周期9 d,Np为灌区喷头总数;根据项目区管网布置,江村布置490个喷头。

计算得:同时工作的喷头数为18个。

7)管网总体布置

根据地形特点和干管分布情况,管网布置成丰字形,灌溉面积245亩。管道按干管、支管、斗管三级管道控制,支管沿田间路一侧铺设,斗管垂直于支管布置,江村布置支管9条,斗管72条。本次喷灌采用全固定式喷灌,每条斗管布置3～12个喷头,布置490个喷头。

2.5.3 管径的确定及校核

根据经济流速法确定各级管道直径,计算如下:

(7)

式中:Q为管道流量,m3/h;v为管内流速,m/s。

按照支管首末两个喷头之间的沿程损失应小于0.2倍喷头工作压力的原则校核所选管径。

2.5.4 管道布置

根据作物种植方向及地块形状田间地块采用支管和斗管二级管道,地埋支、斗管均采用PVC-U管材,斗管沿作物种植方向布置,支管垂直于斗管布置。在支斗管连接处设置阀门,支管末端设置泄水井。

2.5.5 江村喷灌设计成果

根据地形特点和干管分布情况,管网布置成丰字形。支管沿田间路一侧铺设,斗管垂直于支管布置,江村布置支管9条长1 960 m,管径为DN110;斗管72条长8 940 m,管径为DN75。每条斗管布置3～12个喷头,共布置490个喷头。

3 结语

涧峪水库灌区水源有保证,水清无砂、灌区高差大利于重力输水、土地集中连片,光热资源充沛,具有建设高效节水灌溉、发展高标准农田项目的独特优势;项目区以优质无公害农作物基地为中心,着力加强农业基础设施建设,改善农业生产条件,对优化项目区农业生产结构发挥重要作用,规划科学合理,方案可行。

项目区建成后,灌溉水利用系数将由现状的0.54提高到0.85,年节水量159万 m3,不但促进当地农民增产增收,同时可有效减少当地水土流失、促进水资源可持续发展,具有重要的经济效益、生态效益和社会效益。