浅析挂马沟村田间高效节水灌溉工程设计

杨建军

（宁夏名禹建设工程有限公司,宁夏银川）

彭阳县地处宁夏南部山区，水资源严重不足一直是制约该地区农业发展的重要瓶颈，尤其是古城镇挂马沟村缺水问题更加严峻[1]：一是水资源不能得到高效利用。彭阳县多年平均降水量486 mm，虽然比全区平均值高很多，但由于空间分布不均匀，造成南面降水量明显高于北面，西面降水量比较丰富，东面降水量却严重不足。同时，由于地形比较复杂，山比较高坡比较陡，田远远高于出水面，水资源很难利用，降雨又分布十分不均，水量过分集中，汛期容易产生大量废弃水，非汛期水量却十分稀缺，形成两极分化使，不能高效率地利用水资源。二是群众节水意识差。一方面群众习惯了大水漫灌的灌溉方式，一下子改为节水灌溉，群众需要有个适应过程；另一方面大规模的节水灌溉宣传还不到位，尤其是群众对高效节水技术不熟悉，不相信采取这样的措施就一定能够节约大量农业灌溉用水，所以一下子让高效的节水灌溉代替传统农业灌溉方式需要时间和精力。三是没有高效水利设施可以利用。U 型渠道在引黄灌区已经普遍使用，但是目前大多数山区受条件限制，都还在使用十几年前建设的土渠灌溉，多数渠道还没有砌护，渠道水利用系数很低，渠道水利用率很低，甚至多数群众种田都是靠天吃饭，种田的收益很低，群众种田的积极性逐年下降。当地农民被迫放弃种田而选择了外出打工，造成了山区大量农田逐步撂荒，当地政府建设高效农田水利设施的积极性也不高，久而久之形成恶性循环。当地农田水利基础设施越来越薄弱，撂荒地越来越多，农户流失、土地流失现象日趋严重，严重影响当地农业经济发展。因此，实施高效节水农业是解决缺水问题的有效措施之一。为落实宁夏回族自治区高效节水农业发展规划，推动现代高效节水农业发展，促进当地经济发展高质量发展，彭阳县决定在古城镇挂马沟村实施现代高效节水农业项目。因此，本文重点阐述该项目田间高效节水灌溉工程设计相关内容。

1 田间高效节水灌溉布置

本次田间工程涉及面积0.19 万亩，规划种植玉米，灌溉方式采用滴灌，系统数量2 个[5],具体见表1。

表1 灌区高效节水灌溉规划表

2 基本参数设计

依据《滴灌工程设计图集》、《宁夏滴灌玉米技术规程》和《宁夏滴灌枸杞技术规程》等规范，结合项目区的实际，确定基本参数[3-5]。

2.1 灌溉设计保证率

根据国家及自治区微灌工程技术相关标准[4]，要求微灌工程设计保证率一般不要应低于85%，结合该项目实际情况，本次设计为85%。

2.2 土壤容重、田间持水量

项目区属于土质以砂壤土为主，查阅区域资料，选择土壤容重取值1.45 克/立方厘米，田间持水量取值22%。

2.3 土壤计划湿润土层深度

土壤计划湿润土层深度应根据作物根系分布情况确定。项目区种植作物参照全区玉米设计标准深度，计划土壤湿润层深度为700 mm，详见表2。

表2 物计划湿润层深度统计表

2.4 微灌设计土壤湿润比

被湿润土体积除以计划土壤湿润层总土体体积的比值为微灌设计土壤湿润比，根据当地自然条件、植物分类、种植方式和灌溉形式等，综合区域试验资料等因素综合确定土壤湿润比为50%（详见表3 壤湿润比统计表）

表3 土壤湿润比统计表

2.5 灌溉水利用系数

参照国家及自治区微灌工程技术相关标准[4]，结合当地气候等自然条件，确定该项目微灌首部枢纽以下滴灌灌溉水利用系数为0.9。

2.6 滴灌带、灌水器间距

滴灌带及灌水器间距主要根据植物的种植模式确定，项目区玉米按照宽窄行布置，最窄间距40 cm，最宽间距70 cm，株距30 cm，采用“一管两行”方式布置滴灌带，滴头流量1.39 升/小时；滴灌带初步确定为内镶贴片式，具体参数详见表4 作物种植株行距、毛管行距及灌水器统计表。

表4 作物种植株行距、毛管行距及灌水器统计表

2.7 耗水强度

根据这个项目所在区域即挂马沟村的气候、土壤等自然条件，综合国家、自治区相关技术规范和导则，确定该项目微灌作物耗水强度为作4，详见表5 作物对应耗水强度表。

表5 作物对应耗水强度表

2.8 日工作小时C

按照相关规范，微灌系统设计每天工作小时不应该大于22 h，结合实际情况，确定该项目日工作小时为20 h。

2.9 灌水定额

mmax、m 设- 分别为最大和设计净灌水定额（mm）；z- 土壤计划湿润土层深度（cm）；p- 设计土壤湿润比（%）；Θmax- 重量百分比上限；θmin- 重量百分比下限；θ'max- 体积百分比上限；θ'min- 体积百分比下限）；Ia- 设计耗水强度（mm/d）。

2.10 工作水头

结合项目区挂马沟村灌水器水力性能、种植结构、实际地形、管道铺设长度（毛管）、等综合因素确定该项目毛管工作压力小于等于0.11 mpa。

2.11 一次灌水延续时间

《微灌工程技术标准》提供的一次灌水时间计算公式为：对于n 个灌水器绕植物布置时：

t=m′SrSt/nqd

式中：m′——设计毛灌水定额；Sr——植物的行距；St——植物的株距；qd——灌水器设计流量；n——每株植物的灌水器个数。

2.12 轮灌组

根据《微灌工程技术标准》

式中：N- 设计最大轮灌组数，个；C- 系统日工作时间，h；T- 设计灌水周期，d；t- 设计每次最大灌水时间，h。

2.13 灌溉参数选取表

灌溉参数选取结果见表6。

表6 灌溉基本参数选取表

（1） 灌水小区的构成。依据国家及自治区微灌工程技术相关规范及标准[4]，一个灌水小区负责灌溉范围只有一条支管，按照此布局再进行水力设计，据此确定灌水小区由支管和支管控制的滴灌带构成。（2）灌水小区的水力设计。①灌水小区允许水头偏差及其在滴灌带和支管上的分配。按照国家、自治区微灌工程技术规范[4]，正常情况，当滴灌均匀系数（Cu）大于81%时，滴头设计允许流量偏差率（qv）必须小于或者等于21%，当滴头流态指数（x）等于0.6 时，滴灌允许设计水头偏差率（hv）应为:[hv]≤[qv]/x{1+0.15(1-x)/x[qv]}≤0.2/0.60×{1+0.15×（1-0.60）/0.60×0.2}≤34%当滴头额定工作压力为0.11 Mpa 时，灌水小区允许水头偏差[ΔH]为：[ΔH]=[hv]hd=0.34×10=3.4 m。由于灌水小区的水头偏差分别是滴灌带和支管两级管道共同产生的，根据《微灌工程技术标准》5.2.6 条规定，滴灌带分配0.5，支管分配0.5。滴灌带与支管允许水头偏差:[ΔH]毛=[ΔH2]=β2[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m[ΔH]辅=[ΔH1]=β1[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m

②滴灌带极限长度计算。灌水器间距0.3 m，灌水器流量q=1.38 L/h，滴灌带选用PE 管de16 内镶贴片式滴灌带，工作压力≤0.1 MPa，壁厚0.21mm；滴灌带应该平行等高线铺设，并按均匀坡来计算其极限长度。

式中：γ- 降比；J- 沿滴灌带地形比降，比降0.01%；d- 滴灌带外径，16 mm；k- 水头损失扩大数，k=1.15；f- 摩阻系数，滴灌带（PE 管），f=0.505；qd- 滴灌带（管）出水孔设计流量。

计算得γ=±2278。

式中：G- 压比；Se- 滴灌带（管）上分流孔间距；hd- 孔口设计水头，10 m；

计算G=6.299×10-8。

滴灌带（管）极限孔数Nm：

计算出γ＞1（顺坡）时，应按下述方法确定极限孔数Nm：

计算Pn′=INT（1+γ0.571）=83。

试算求得：顺坡时Nm=346，L 毛顺极

=0.3×(346-1)+0.15=103.65m；

计算γ＜1 时，应按下述方法确定极限孔数Nm：

逆坡时Nm=285，L 毛逆极=0.3×（285-1）+0.15=85.0m；

根据计算结果，实际铺设极限长度小于计算极限长度，结合宁夏多年工程经验规定及当地种植习惯与条田宽度和走向，本工程滴灌带双向均铺设50。

③分支管极限长度计算

支管允许水头偏差[ΔH1]＝1.7 m；本工程选用de75PE盘管（壁厚3.6 mm，内径63.8 mm），压力等级为0.4 Mpa；滴灌带在地面分支管上的布设间距S=1.1 m，流量16.56 m3/h（按双向铺设总长100 m 时滴灌带的流量）；支管垂直滴灌带布置，按均匀坡计算支管的极限长度。

式中：γ- 降比；J- 沿支管铺设方向地形比降。d-支管内径；k- 水头损失扩大数，k=1.15；f- 摩阻系数，支管（PE 管），f=0.505；

qd- 支管出水孔设计流量；

计算得γ=±52。

式中：G- 压比；Se- 支管上分流孔间距；hd- 孔口设计水头，10 m；计算得G=1.057×10-5。支管极限孔数Nm：

计算出γ＞1（顺坡）时，应按下述方法确定极限孔数Nm：

计算Pn′=INT（1+γ0.571）

计算的Pn′=10。

试算求得：

顺坡Nn=50，L 支顺极=1.1×(50-1)+0.55=54.45m；计算γ＜1 时，应按下述方法确定极限孔数Nm：

④试算求得：

逆坡Nn=47，L 支顺极=1.1×(47-1)+0.55=51m；根据计算结果，实际铺设极限长度小于计算极限长度，考虑支管供水安全以及田块地形现状情况，本工程分支管顺坡铺设距离50 m。

3 田间管网布置[2-3]

3.1 滴管带布置

滴灌带基本平行等高线、垂直于支管双侧布置，一管一行，选用de16 内镶贴片式滴灌带，灌水器流量q=1.38 L/h，工作压力≤0.1 MPa，内径16 mm，壁厚0.2 mm。

3.2 分支管布置

分支管垂直支布置，并沿支管两侧双向丰字形布置，分支管间距为100 m（一对毛管的长度），分支管在地面敷设，管材采用PE 盘管，管径为de75，壁厚3.6 mm，压力等级为0.4 MPa。

3.3 支管布置

支管垂直分支管、分干管布置，并沿支管两侧双向丰字形布置，支管间距为80 m（一对毛管的长度），支管位地埋管，管材采用PVC-U，管径为de160、de110，压力等级0.63 MPa。

3.4 分干管布置

分干管接干管布置，地埋敷设，管材采用PVC-U，管径为de225、de160，压力等级0.63 MPa。

3.5 干管布置

干管主要从首部阀井上衔接。干管接分干管，干管和分干管交接处布设1 座闸阀井，干管地埋敷设，管材采用PVC-U 管，管径为de225 mm，压力等级0.63 MPa。流程：水源→首部→干管（地埋管）→分干管（地埋管）→支管（地埋管）→分支管（地面管）→滴灌带（地面管）→滴头。

4 轮灌制度的设计

每个片区依据地形分为几个灌溉系统，以单个灌溉系统为单位编制轮灌组[4-5]。

为了减少灌溉系统输水损失，同时便于管理，干管实行续灌；分干管应分组进行轮灌。灌溉时，按照轮灌顺序表中给出的顺序开启阀门，应先开下一轮灌组阀门，再关已灌完轮灌组阀门。系统最大轮灌组数为22，灌水周期为5.5 天，每个轮灌组一次灌水持续时间为5 h。系统灌溉结束后，先关首部内阀门，然后再关田间最后一组阀门。