辽西丘陵区果树小管出流节水滴灌模式设计

陈 亮

（北票市娄家店乡产业发展服务中心，辽宁 北票 122100）

在以丘陵地貌为主的辽西，传统的粮食作物无法大面积种植，因此农业作物多以果树和经济作物为主；再加上区域水文气象条件干旱，地形复杂灌溉困难，辽西地区是国内最为典型的旱作雨养型种植业区[1]。由于该地区原本的农业生产基础条件落后，加之当地从事农业生产的群众又缺乏对作物的科学管理，当地最基本的经济收入来源果树种植产量基本与降雨量的多少成正比，雨多则丰，雨稀则亏。这种极度依赖天然降水的种植模式具有很多不确定性，对该地区的农业增效和农民增收有着严重的影响。为解决农业用水的困境以及实现对区域水资源的高效利用，当地政府实施了诸多的小型农田水利项目，因地制宜建设了多个果树高效滴灌工程，使得辽西地区的基础农业生产条件得到了有效强化，切实提高了区域农业的综合生产能力。高效的节水灌溉模式设计可以有效地提高作物的经济效益，使得区域整体以水定产的行业结构调整获得了更大的灵活性[2]，而水资源的大量节约可以扩大辽西地区的灌溉面积，对保持辽西经济的可持续发展具有重要的意义。

1 概况

节水滴灌项目区位于辽宁省西部，该地多为低山丘陵地带，属于温带大陆性季风气候，降水不足且蒸发量大[3]。本设计属于北票市节水灌溉工程项目的典型设计，区内多为低山丘陵，适宜发展果树农业经济，灌溉方式则采取整片的轮灌模式。因为项目区内无基础的水利工程设施，本次设计中计划新打水源井1 眼，新建蓄水池1 座，铺设滴灌管道及水泵工程。主要工程是从水源井向项目地块引设1条干管，在垂直于干管方向布置2条支管，支管间距则依照实际地形控制布置；而后，在此基础上布置地面辅管，终端灌溉果树的毛管垂直于辅管布置，采取一行一条的方式，毛管及终端滴头的间距设置为3 m。该项目为水利基础性民生保障计划，总投资预计约16万元，项目收益估算展望较为理想。

2 小管出流滴灌模式设计

本项目依据区域环境特点和灌溉作物特性，采用小管出流的节水滴灌模式。小管出流技术是利用开口较大的小口径出水口，将来自输配水管网的有压水流通过缓慢细流的形式，采用积水入渗的方式湿润作物根区土壤的微灌技术[4]。因其省工、省时、省水且具有较强的抗堵塞能力，该技术在果树灌溉方面得到了广泛应用。小管出流技术已在项目区周边的类似区域得到了很好的应用，投资小收益高，获得了群众的一致认可，因此本项目区的高效节水滴灌以小管出流为实际设计方案。

2.1 水源灌溉条件分析

根据水源地质条件，在项目区内打大口井1 眼，井深约为11 m，修建蓄水池1座，储水容积可达80 m3，其综合出水能力为7 m3/h。经过粗略监测，该井的出水水质较好，泵抽水量达到一定标准后，适宜配套兴建小管出流工程。利用水源井出水流量可以得到的控制灌溉面积计算公式如下：

式中：A为可执行灌溉面积（hm2）；Qs为供水井流量（m3/h）；Ia为供水强度（mm/d）；td为灌溉时长（h），取22 h/d；Ea为果树设计日耗水强度（mm/d），取3 mm/d；因无淋洗要求，故取Ia=Ea=3 mm/d；η为果树灌溉的水分利用系数，取0.90。

利用式（1）和经验系数计算，得项目区果树类型的控制灌溉用水需求面积为4.67 hm2，在不超过该固定面积下的果树用水需求均可得到满足。

2.2 灌溉小区布设

由上文计算得到的项目区控制灌溉面积为4.67 hm2，且抽水灌溉井位于项目区的东北方向。因此，根据项目区实际的空间地形变化，沿坡腰从水源井向项目地块引设1 条干管，在该干管的垂直方向布置2 条支管，支管间距按实际需要设置为142 m，再按果树种植位置在地面布置辅管和毛管。最后，将项目区分为12个轮灌小区。

2.3 灌溉制度设计

灌溉制度是为提高作物产量及节约用水而制定的适时、适量的灌水方案，其主要内容包括满足作物正常生长所需灌溉的灌水时间、灌水次数和灌水定额[5，6]。本文从最大净灌水定额、灌水周期、设计灌水定额、一次灌水延续时间和轮灌制度的计算来确定项目区果园的灌溉制度。

2.3.1 最大净灌水定额

根据辽西丘陵地区的土壤水力性质以及果树根系的发育程度，果园的最大净灌水定额计算公式如下：

式中：mmax为最大净灌水定额（mm）；γ为土壤容重（g/cm3），取1.45 g/cm3；z为土壤湿润层深度（cm），取50 cm；p为土壤湿润比（%），取35%；θmax，θmin分别为适宜土壤含水率的上下限。

利用式（2）及实际经验系数计算，得项目区的最大净灌水定额为21.1 mm，可以换算为0.59（m3/hm2）。

2.3.2 灌水周期

一般来说，果树在5月上旬是生长需水的旺盛期，在该区域的实际最大需水强度可达到Ed=5 mm/d，远超其他时期，因此以该段的需水强度为灌溉周期的需水强度。通过上文计算的最大净灌水定额和果树的实际需水强度计算，可得项目区的果树设计灌水周期为4 d。

2.3.3 设计灌水定额

设计净灌水定额计算公式如下：

式中：md为设计净灌水定额（mm）；T为设计灌水周期（d）；Ia为设计供水强度（mm/d）。

利用上文计算的灌水周期及经验设计值，得设计净灌水定额为12 mm。

设计毛灌水定额计算公式如下：

式中：m'为设计毛灌水定额（mm）；md为设计净灌水定额（mm）；η为果树灌溉的水分利用系数，取0.90。

经计算，得设计毛灌水定额为13.33 mm。

2.3.4 一次灌水延续时间

一次灌水延续时间计算公式如下：

式中：m'为设计毛灌水定额（mm）；t为单次灌水延续时间（h）；Sr为果树间行距（m）；St为果树间株距（m）；ns为每株植物的灌水器个数，工厂设计为5 个；qd为灌水器流量（L/h），工厂设计值为3 L/h。

利用式（5）及实际经验参数计算，得单次灌水延续时间为8 h。

2.3.5 轮灌制度设计

一般来说，灌溉作物需要少量多次，这样会使得水可以充分地渗入土壤，更好地保持土壤含水量，因此需要多次轮灌。为满足果树的正常需水量，果园的最大轮灌组数应满足如下计算公式：

式中：N为允许的轮灌组最大数目；C为设计的灌溉系统的单日工作时长（h），取22 h；T为设计灌水周期（d）；t为单次灌水的延续时间（h）。

经计算，得允许轮灌组最大数目N≤11。

根据上文计算结果，典型项目区的果园灌溉共计11 个轮灌组，单次灌水延续时间为8 h，每个轮灌组的平均面积为0.424 hm2。在实际灌溉中，先进行一个轮灌组的灌水过程，结束后再开启下一个轮灌组，其间开启顺序要严格按照先开后关的原则，防止出现水锤效应，破坏灌溉设备。

2.4 输水管网设计

为保障果树生长的正常需水量，输水管网设计是滴灌工程的重要一环，需要考虑输送水源的管线，保证其具有水力供水能力，同时也需要考虑水源位置的特点[7]，避免产生管线复杂问题，不利于施工；更重要的是要在经济合理的基础上，满足作物灌溉的基本需求。本文从管网流量和水头偏差计算、管材管径选择、管网水头损失和蓄水池水力高程计算确定了项目区的输水管网具体水力参数。

2.4.1 管道流量计算

果园毛管的铺设长度设计值取50 m，滴头的工厂设计流量为3 L/h，根据实际标准，滴头共80个，所以毛管的计算流量为0.24 m3/h。辅管流量为辅管上各毛管流量的总和，辅管铺设长度为21 m，所以辅管的计算流量为3.36 m3/h，而支管的计算流量也为3.36 m3/h。灌溉时，干管最大允许2 条支管同时工作，所以干管的计算流量为6 720 L/h。

2.4.2 管道水头偏差计算

根据该类型工程的规范要求，微灌系统中灌水小区的灌水器设计允许流量偏差率qv≤20%[8]，本次设计取qv=20%。果园的灌水器工作水头偏差率与流量偏差率计算公式如下：

式中：hv为灌水器工作水头偏差率；qv为灌水器设计允许流量偏差率；x为灌水器流态指数，实际测试指数为0.45。

果园灌水小区的灌水器设计允许水头偏差在支、毛管间按50%分配，而滴头的设计工作压力为10 m，则毛管和支管的允许水头偏差经计算均为2.3 m。

2.4.3 管材选择和管径计算

一般情况下，支管的管径是根据管道的经济流速确定的[9]，为保证管材资金投入小且满足用水需求，减少单位面积灌溉工程的投入费用，管材一般选择结实耐用且造价低廉的塑料制品。塑料材质的管径计算公式如下：

式中：D为管径（mm）；Q为管道流量（m3/h）；v为经济流速（m/s），取1.5 m/s。

经计算，得干管管径为40.63 mm，支管、辅管管径为28.15 mm。因此，选择不小于计算结果的标准管材。

2.4.4 管网水头损失计算

因为管网皆采用硬质塑料制品，所以主要输水管道的沿程水头损失经计算得到干管沿程水头损失为4.77 m，局部水头损失为0.48 m；支管沿程水头损失为2.27 m，局部水头损失为0.23 m；辅管沿程水头损失为0.2 m，局部水头损失为0.02 m。

其中，果园灌水小区的毛管水头损失采用等距多孔管计算公式：

式中：hf为沿程水头损失（m）；sv为分流孔之间的距离（m）；s0为多孔管进水口至首个孔洞的距离（m），工厂参数取1.5 m；s为毛管分流孔之间的距离（mm）；d为管径（mm）；N为分流孔总数；qd为单孔设计流量（L/h），取3 L/h；m为流量指数，工厂参数取1.75；b为管径指数，工厂参数取4.75；f为摩阻系数，工厂参数取0.505。

经计算，得毛管沿程水头损失为0.002 m，局部水头损失为0.000 2 m。

最后，根据上述计算结果，输水干管和辅管的综合局部水头损失为0.68 m，由此推算干管总水头损失为7.45 m。

2.4.5 蓄水池水力高程计算

本项目计划新建1 座蓄水池，为减少灌溉成本投入，蓄水池将利用地形差产生的水力差进行供水灌溉，为此需要在最不利情况下计算两者相对高程。具体的蓄水池底板所需高程计算公式如下：

式中：H为蓄水池地面高程（m）；H1为最不利配水点高程（m），取209 m；H2为最不利配水点至蓄水池管段的水头损失之和（m），取7.97 m；H3为最不利配水点所需的流出水头（m），取2 m；H4为不可预见富余水头（m），取2 m。

经计算分析，蓄水池底板高程应大于或等于220.97 m，而本次设计蓄水池底板高程为227.5 m，满足供水要求。为防止冬季蓄水池产生冻融裂缝，需将其地埋到当地的冻层以下，即1.5 m。同时，为减少蓄水池的开挖土方量，在开挖1 m 以后上覆土1 m，因此蓄水地面高程=池底板高程-1.0 m+蓄水池高度，经计算结果为229.35 m。

因为项目区的蓄水池可利用地形高差进行自压灌溉，所以水泵选型只需计算向蓄水池供水的干管以及泵管水头损失即可。

2.5 水泵选型

扬程和流量是水泵的重要参数[10]，是灌溉设计最后确定的工程参数。有效的水泵适配能保障水力管网正常运转，减少管网损耗，增加使用寿命。根据上文的计算结果，项目区水泵扬程的计算公式如下：

式中：h为水泵扬程（m）；ZP为蓄水池进口高程（m）；Zb为水源设计水位高程（m）；hf为管道沿程水头损失（首部枢纽沿程水头损失为10 m）（m）；hj为管道局部水头损失（首部枢纽局部水头损失为8 m）（m）。

经计算，得管路所需的总扬程为60.85 m。

在最不利的条件下，以灌溉系统同时运行的支管入口流量之和作为计算流量，计算公式如下：

式中：Q设为系统设计流量（m3/h）；n为同时运行的支管数；Q支为支管入口流量（m3/h）。

经计算，得系统灌溉的设计流量为7 m3/h。

根据上文计算结果，项目区的水泵选型总扬程为60.85 m，干管出流流量须达到7 m3/h。

总而言之，丘陵地区的地形较为复杂，一般可以利用的水源为地下水，因此地下水打井需要根据水文地质条件选择富水含水层，以此来保障灌溉用水需求。水源口一般要依据地形选择高处，这样有助于采用地形水力压差供水，减少电费投入。设计的灌溉模式要和目标作物对应，选择经济合适且易于替换的管材，防止管道老化及破损后无法及时修复，导致出现灌溉不利、项目可持续性利用差的情况。小管出流的终端出水参数基本是确定的，需要提前进行区域适配，选择合适的水力参数进行配件。总体设计要求要有普适性，便于大面积推广应用，在材料购买和水力设施管理维修上可以降低果农负担，提高当地农民经济收入。

3 结语

本文设计了辽西丘陵区果树小管出流节水滴灌模式，粗略布设了灌溉管网走向及分区，在土壤水力特性和果树生长需水的基础上，设计了具体灌溉制度，确定了水泵选型。经实施，改变了辽西丘陵区果树种植依赖天气变化雨养生长的现状。此滴灌模式的实施使得果树种植亩产量从原始的1 000 kg 提高至1 500 kg，大大提高了单位生产效率，也为保障农村农业可持续发展、实现乡村振兴提供了强有力的支撑。总的来说，辽西丘陵区的果树灌溉采用小管出流的节水模式，不仅提高了水资源的利用效率，增加了农民的收入，也对实现农业农村的生态文明建设及经济振兴都具有重要意义。