張可巍

(綏化市水務(wù)局，黑龍江 綏化 152000)

1 項(xiàng)目區(qū)概況

綏化市位于黑龍江省中南部，松嫩平原的呼蘭河流域。全市總面積34 063 km2，占黑龍江省總面積的8.9%。其中耕地144萬hm2。境內(nèi)平原占72%，丘陵山區(qū)占19%，江河泡沼占9%，大體上是“二山一水七分田”。

“節(jié)水增糧”項(xiàng)目區(qū)位于綏化市城區(qū)西南12 km處的寶山鎮(zhèn)，屬呼蘭河中游崗阜狀臺(tái)地區(qū)，地勢(shì)較平坦，海拔高程為165～170 m，西南略高，東北偏低，地面坡降1/1 000左右。項(xiàng)目區(qū)地下水資源較豐富，含水層厚度30 m左右，成井深度60 m左右，單井涌水量一般為80 m3/h左右，礦化度0.13～0.78 g/L，符合灌溉水質(zhì)要求，且灌溉保證率較高。

項(xiàng)目區(qū)土壤主要以碳酸鹽黑鈣土和草甸黑鈣土為主，土壤容重為1.2 g/cm3，田間持水率30%。pH值6～8，腐殖質(zhì)含量為2.14% ～2.17%，土壤類型比較單一，土質(zhì)較好，養(yǎng)分含量較高，適宜農(nóng)耕?，F(xiàn)狀耕地面積占70%，以種植玉米、大豆等為主。

2 典型區(qū)選擇

根據(jù)黑龍江省《關(guān)于編制2012年度市縣級(jí)“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施方案有關(guān)工作的通知》精神，結(jié)合綏化市本級(jí)實(shí)際情況，2012年綏化市“節(jié)水增糧”項(xiàng)目區(qū)選擇在地下水儲(chǔ)量豐富、成井條件好、出水量高、水質(zhì)滿足灌溉水質(zhì)要求、光熱條件及土壤條件適宜、交通及電力等基礎(chǔ)設(shè)施健全、當(dāng)?shù)厝罕妼?duì)先進(jìn)的技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)方式接受能力強(qiáng)的寶山鎮(zhèn)作為本規(guī)劃的主要實(shí)施區(qū)域。規(guī)劃新建管道移動(dòng)式噴灌工程6處，總面積190.8 hm2。

根據(jù)寶山鎮(zhèn)地形、土壤及工程狀況，選擇具有代表性的地塊作為典型區(qū)。移動(dòng)式噴灌典型區(qū)選在寶山村1號(hào)地塊內(nèi)。該地塊地形平坦，土壤以壤土為主。典型區(qū)地形和土壤條件與整個(gè)項(xiàng)目區(qū)基本一致，具有一定的代表性。典型區(qū)水源采用地下水，利用井灌方式進(jìn)行田間灌溉，內(nèi)種植作物為玉米。

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)[1]

3.1 節(jié)水灌溉制度設(shè)計(jì)

1)噴灌工程設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)的確定。以地下水為水源的噴灌工程，灌溉設(shè)計(jì)保證率取90%;灌溉水利用系數(shù)取0.9;噴灌均勻系數(shù)取0.8。

2)灌溉制度的確定。根據(jù)綏化市現(xiàn)有灌區(qū)有關(guān)資料確定噴灌灌水定額和灌水周期。項(xiàng)目區(qū)種植作物為玉米，故以玉米進(jìn)行灌溉制度的設(shè)計(jì)。

式中:m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm;γ為土壤容重，g/cm;取γ=1.2g/cm3;h為計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度，cm，取h=50cm;β1為適宜土壤含水率上限(重量百分比);β2為適宜土壤含水率下限(重量百分比);取β1-β2=5.94;T為設(shè)計(jì)灌水周期，d;η為灌溉水的利用系數(shù)，取η=0.9;W為作物日需水量，mm/d，取W=4mm/d;經(jīng)計(jì)算得:m=35.64mm，T=8d。

由于項(xiàng)目區(qū)屬半干旱地區(qū)，噴灌屬補(bǔ)充灌溉，參照項(xiàng)目區(qū)附近灌區(qū)資料，在玉米作物生育期內(nèi)灌溉4次，灌溉定額為1 080 m3/hm2。

3.2 水源工程設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況，綜合考慮影響半徑及節(jié)灌的作業(yè)情況等因素，新建水源井位置盡量位于噴灌設(shè)備的中央。宜井間距400～500 m。設(shè)計(jì)典型井深60 m，開口直徑500 mm。下壁厚5 mm、直徑300 mm鐵管。根據(jù)附近現(xiàn)有井開采經(jīng)驗(yàn)，單井出水量為80 m3/h，動(dòng)、靜水位為33 m、29 m，下泵深度為45 m左右。水泵采用15 kW和18.5 kW的深井潛水泵。[2]

單井控制面積的確定:

式中:F0為單井控制灌溉面積，hm2;Q為單井出水量，m3/h，取Q=80m3/h;t3為灌溉期間每天開機(jī)時(shí)間，h，取t3=16h;T2為每次輪灌期的天數(shù)，d，取T2=8d;η為灌溉水利用系數(shù)，取η=0.9;η1為干擾抽水的水量削減系數(shù)，取η1=0;m2為每hm2每次綜合平均灌溉定額，m3/hm2，取 m2=365.4 m3/hm2。經(jīng)計(jì)算，單井控制面積為25.87 hm2。

3.3 移動(dòng)式噴灌工作制度確定

1)噴頭選型及支管布置形式。移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的噴頭采用ZY-2型金屬噴頭，其性能見表1。

該噴頭霧化指標(biāo)3 333 h/d能夠滿足規(guī)范要求，在作物允許霧化指數(shù)范圍之內(nèi)。典型區(qū)風(fēng)力、風(fēng)向狀況，按照設(shè)計(jì)風(fēng)速＞3.4 m/s的情況制定設(shè)計(jì)方案，采用全圓噴灌、正方形組合，組合間距采用垂直主風(fēng)向間距。

表1 移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)參數(shù)性能表

ZY—2型噴頭，垂直主風(fēng)向間距a=b=1.1×R=1.1×16.3=17.93m，取18m。

本噴灌系統(tǒng)支管噴頭間距a采用18 m，支管間距b也采用18 m。在設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)噴灌均勻系數(shù)＞75%(見《規(guī)范》4.2.2條)。取 a=b=18 m，則 ρ設(shè)計(jì)=7.5 mm/h＜15 mm/h，滿足土壤允許入滲條件。從干管最遠(yuǎn)端分水口開始順序向近端移動(dòng)支管。

2)噴灌工作制度。噴頭在一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間與設(shè)計(jì)灌水定額、噴頭參數(shù)和組合間距有關(guān)，用下式計(jì)算:

式中:q為噴頭流量，m3/h;hp為噴灑水的有效利用系數(shù)，一般取0.9。計(jì)算t=5.28h。

為了確保在灌水周期內(nèi)完成噴灌系統(tǒng)控制面積，支管到噴頭全部配置備用設(shè)備以方便支管的移動(dòng)。灌溉季節(jié)，每日除正常的機(jī)泵檢修和保養(yǎng)停機(jī)外，均可視為工作時(shí)間，按系統(tǒng)承擔(dān)灌溉面積的大小確定工作時(shí)間，一般為21 h。一個(gè)灌水周期支管工作位置數(shù):

式中:T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期，d;e為作物耗水最旺時(shí)期的日平均耗水量，4mm/d;nd為每日支管工作位置數(shù)，nd=4;td為噴灌系統(tǒng)工作時(shí)間，21 h/d。

每次同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)，按水源可供的設(shè)計(jì)流量來計(jì)算:

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 管材與管徑的選擇

根據(jù)目前市場(chǎng)現(xiàn)有規(guī)格，豎管選用φ33鍍鋅鋼管;干支管均選用涂塑軟管。

3.4.2 管道的布設(shè)

管道移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)選擇帶有快速接頭的涂塑軟管，支管的適宜管徑應(yīng)通過計(jì)算確定，使同一支管任意兩噴頭間的工作壓力差應(yīng)在設(shè)計(jì)噴頭工作壓力的20%以內(nèi)，用公式表示為:

式中:hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，m，一般用支管段的沿程水頭損失計(jì)算;Δz為兩噴頭的進(jìn)水的高程差，m。

3.4.3 管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

確定豎管高度:根據(jù)作物情況選擇豎管高度，考慮操作方便及種植作物不同生育期生長(zhǎng)高度選用豎管高度為1.5 m，設(shè)置豎管支架，以保證噴頭工作的穩(wěn)定性。支管每18 m布設(shè)一個(gè)噴頭，噴頭與支管通過豎管和方便體連接，支管入口干管處設(shè)置截閥體開關(guān)，干管每18 m為一個(gè)支管工作位置。

4 管道水力計(jì)算

4.1 噴灌系統(tǒng)流量計(jì)算

噴灌系統(tǒng)流量用下式計(jì)算:

式中:Q為噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3/h;qp為設(shè)計(jì)工作壓力下的噴頭流量，m3/h;np為同時(shí)工作的噴頭數(shù)目;ηG為管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取0.95。

4.2 管道沿程水頭損失計(jì)算

各種管材f、m、b參數(shù)表見表2。

4.2.1 干管水頭損失計(jì)算

式中:hf’為沿程水頭損失，m;f為摩阻系數(shù);L為管長(zhǎng)，m;Q為流量，m3/h;d為管內(nèi)徑，mm;m為流量指數(shù);b為管徑指數(shù)。

對(duì)于多分水口干管的沿程水頭損失。涂塑管為多出口管道，考慮多口系數(shù):

式中:N為噴頭或孔口數(shù)目;m為流量指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)，m=1.77;x為涂塑管入口至第一個(gè)噴頭(或孔口)的距離與噴頭(或孔口)間距之比。

式中:hf為多分水口干管的沿程水頭損失，m;F為多口系數(shù)。

表2 各種管材f、m、b參數(shù)表

4.2.2 管道的局部水頭損失計(jì)算

管道的局部水頭損失用下式計(jì)算:

式中:hj為局部水頭損失，m;ξ為局部阻力系數(shù);V為管道水流速，m/s。

逆止閥損失系數(shù)1.70，閘閥損失系數(shù)0.20。

支管水頭損失計(jì)算同干管計(jì)算。

4.2.3 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭的計(jì)算

式中:H為噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭，m;hd為井內(nèi)動(dòng)水位變深，m;hs為典型噴灌豎管高度，m;hp為典型噴灌噴頭的工作壓力水頭，m;hg為過濾器損失量;Σhf為由水泵吸水管至典型噴灌的噴頭進(jìn)水口處之間管道的沿程水頭損失，m;Σhj為由水泵吸水管至典型噴灌的噴頭進(jìn)水口處之間管道的局部水頭損失，m。移動(dòng)式噴灌工程布置圖見圖1。管道移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值見表3。

5 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目建成后，新增節(jié)水灌溉面積190.8 hm2?？晒?jié)水17.11萬m3/a;節(jié)能2.22萬kW·h/a;增產(chǎn)糧食作物72萬 kg/a，增加效益128.79萬元/a，項(xiàng)目區(qū)受益人口873人，人均增收1 475元。從國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)算指標(biāo)看，該項(xiàng)目社會(huì)效益較好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。當(dāng)社會(huì)折現(xiàn)率取8%時(shí)，經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率49.33%，高于社會(huì)折現(xiàn)率8%，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為292.25萬元，效益費(fèi)用比為2.25，＞1.0。項(xiàng)目在投資、效益單項(xiàng)浮動(dòng)時(shí)，內(nèi)部收益率均＞8%;經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值＞0，效益費(fèi)用比＞1.0，該項(xiàng)目抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)，總體指標(biāo)較好。

圖1 移動(dòng)式噴灌工程布置圖

該項(xiàng)目區(qū)地處黑龍江省中南部地區(qū)，其節(jié)水高效灌溉農(nóng)業(yè)模式的轟動(dòng)效應(yīng)，將推動(dòng)綏化市節(jié)水灌溉和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)示范作用將波及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)和地區(qū)，為該地區(qū)發(fā)展特色農(nóng)業(yè)提供不同的節(jié)水灌溉技術(shù)模式。[4]

通過項(xiàng)目區(qū)的實(shí)施，能夠摸索出適宜我省中南部地區(qū)節(jié)灌技術(shù)和節(jié)灌模式，培養(yǎng)出一批節(jié)水灌溉工作的技術(shù)人員，為全面推廣節(jié)水灌溉技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)。由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)老舊，未能合理開發(fā)利用農(nóng)業(yè)水資源，及旱、風(fēng)、雹、冷害等自然災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能正常發(fā)展，生產(chǎn)效益不高，土地利用尚未充分發(fā)揮效益。先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，保證作物全生育期的需水量，促進(jìn)作物正常生長(zhǎng)、發(fā)育，增加作物產(chǎn)量，促進(jìn)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化。發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)能夠調(diào)節(jié)田間小氣候，減小蒸發(fā)量，增加地表水份，穩(wěn)定表土，減少流失，降低風(fēng)害程度。合理布設(shè)取水井點(diǎn)，遵循水土平衡規(guī)律，合理開采提水，保證灌溉高效。

表3 管道移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值表

[1] 中華人民共和國(guó)水利部.GB/T 50085—2007，噴灌工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

[2] 綏化市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省綏化市本級(jí)“節(jié)水增糧行動(dòng)”2012年實(shí)施方案[R].綏化:綏化市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

[3] 董興華.富南旱田典型區(qū)設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2012，40(3):150-151.

[4] 白丹，王新.區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水最優(yōu)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2010，01(01):40-44.