侯 苗，袁新明，王利紅 ，張小林，胡 信

（1.揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225000；2.溧陽市水利局，江蘇 常州 213000）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是用水大戶，而水資源緊張與農(nóng)業(yè)用水量大并存，嚴重影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，因此發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，提高灌溉水利用效率成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)水利工程發(fā)展的一個趨勢，有利于提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。

在農(nóng)業(yè)節(jié)水研究方面，高傳昌等人[1-3]分別從工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、管理節(jié)水等角度，提出相關(guān)節(jié)水措施，并取得較好的成效；錢榮明等人[4-6]對管道輸水灌溉技術(shù)進行分析；在丘陵區(qū)節(jié)水措施研究方面，汪順生等人[7-9]提出管道灌溉是適合山地丘陵區(qū)的節(jié)水技術(shù)；傅廣仁等人[10-11]針對山區(qū)果樹灌溉技術(shù)提出節(jié)水灌溉的必要性。常規(guī)的灌溉系統(tǒng)采取明渠灌溉模式，而明渠灌溉不僅容易受到水資源概況的限制，若灌溉區(qū)距離水源較遠還會增加沿程和局部的水頭損失，降低渠道的灌溉保證率，此外容易受到地形條件的影響，若地形復(fù)雜，地勢高差變化大則不能滿足地區(qū)的灌溉要求。管道灌溉是采用耐壓的管道代替明渠輸水，利用低耗能的水泵或者地形高差所提供的自然壓力，將水從水源輸送到項目區(qū)，進行地面灌溉的技術(shù)[12]，具有節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、省工、投資回收快、提高產(chǎn)品質(zhì)量等特點。

丘陵地區(qū)地形較為復(fù)雜，自然資源豐富，氣候條件雨熱同期，為我國因地制宜發(fā)展農(nóng)、林、牧等多種經(jīng)營提供了有利條件。而由于地勢高差較大，存在水土流失隱患，灌溉通常依賴自然降雨，多數(shù)時候不能滿足作物灌溉需求，因此發(fā)展節(jié)水灌溉工程非常必要。丘陵地區(qū)自然條件優(yōu)越，水資源較豐富，灌溉水源得到保障；而地貌復(fù)雜、地勢較高，造成交通不便、水源取水也較困難。

本文針對丘陵山區(qū)桃園的灌溉需求，提出了高效節(jié)水項目方案的設(shè)計，其設(shè)計和方法可為同類工程提供借鑒和參考。

1 管道灌溉技術(shù)應(yīng)用實例分析

1.1 基本資料

項目區(qū)位于江蘇省溧陽市上興鎮(zhèn)澗東村南部，屬于丘陵山區(qū)，地勢落差較大，東南至西北向地勢高，兩側(cè)成坡狀。水源位于項目區(qū)西北側(cè)。項目區(qū)地形圖見圖1。規(guī)劃灌溉面積約為26.67 hm2（400畝），區(qū)域均為桃樹種植，現(xiàn)有部分桃樹及規(guī)劃種植桃樹均為順坡種植，少數(shù)現(xiàn)有桃樹沿著等高線種植，種植行距與株距為5 m×3 m，桃樹日耗水量6 mm/d。土壤類型為：壤土為主，伴有部分紅壤土，田間持水量25%。將項目區(qū)西側(cè)的官塘水庫作為灌溉水源，其中官塘水庫為?。?）型水庫，水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果為水質(zhì)良好，桃樹灌溉所需水量為官塘水庫總庫容的2.0%，滿足項目區(qū)桃樹灌溉用水要求。

該地區(qū)呈現(xiàn)冬季干冷，夏季濕熱，無霜期長，光照充足，四季分明的氣候特點，年平均氣溫15.5℃，七月平均氣溫最高，一月平均氣溫最低，年平均降水量1149.6 mm，年平均蒸發(fā)量896.1 mm。年平均太陽輻射量103～118千卡/cm3，日照時數(shù)年平均為2006.6 h左右。年平均最大風(fēng)速14.9 m/s，歷年最大風(fēng)速達21.44 m/s。灌溉季節(jié)平均風(fēng)速為3.1 m/s。由于降水時空分布不均，與作物生長需要不相適應(yīng)，影響作物的生長及穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。項目區(qū)現(xiàn)有包括水利設(shè)施：官塘水庫1座，道路設(shè)施相對較完善，而農(nóng)田灌水設(shè)施技術(shù)水平較低，而且地勢高差較大，灌水困難，水資源不能充分利用，造成經(jīng)濟效益較低，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民迫切需要解決的問題。

1.2 灌溉方式的確定

在丘陵地區(qū)，灌溉更多依賴自然降雨，且地勢高差較大。若采用傳統(tǒng)的灌溉方式，會導(dǎo)致在高處、遠處灌不上水，在低處、近處出水太多，導(dǎo)致灌溉質(zhì)量差、效率低，既浪費水、也浪費較多的人力財力[13]。

圖1 項目區(qū)地形圖

本項目采用管道灌溉，可以減少土渠占地，以管代渠在井灌區(qū)一般比土渠減少占地2%左右，而且管網(wǎng)埋在地下便于交通和機械操作，此外管道灌溉完成后，軟管可以收回卷成盤，隨身帶走，便于保管[14]。

1.3 管道布置

為了發(fā)揮管道輸水灌溉工程的效益，管道布置應(yīng)該從當(dāng)?shù)貙嶋H出發(fā)，利用好現(xiàn)有的資源，與灌區(qū)渠道、道路等整體規(guī)劃相協(xié)調(diào)，以擴大灌溉面積、力求管道總長度短、管線平直應(yīng)減少折點和起伏、避開填方區(qū)和可能產(chǎn)生滑坡或受山洪威脅的地帶等為原則進行設(shè)計[12]。項目區(qū)為丘陵地，為了便于灌溉并提高管灌系統(tǒng)的灌溉效率和使用壽命，選擇移動式管道輸水灌溉。根據(jù)地形東南至西北向地勢高，兩側(cè)成坡狀；水庫水源位于項目區(qū)西北側(cè)，取水泵站選取在項目區(qū)西側(cè)，泵站位置地質(zhì)較好，沒有淤泥，靠岸水較深。

灌溉系統(tǒng)的管道包括：水泵進出水管、干管、分干管、支管等。其中水泵出水管接著干管，將干管沿著山脊和主干道鋪設(shè)；在干管上布置分干管，并通過閘閥控制，按照灌溉面積和項目區(qū)現(xiàn)狀道路，布置3個分干管，將分干管沿著道路和山脊布置；支管垂直于分干管，基本沿等高線和道路布置；在支管上每隔10 m安置1個給水栓，給水栓距離地面高50 cm，軟管通過給水栓與支管連接，沿著桃樹種植方向布置。軟管進口與末端水壓力差值控制在20%以內(nèi)。管道具體布置見圖2。

2 管道灌溉系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計基本參數(shù)

項目區(qū)作物的日耗水量為6 mm/d，設(shè)計灌溉保證率為90%，管道灌溉水利用系數(shù)85%。給水栓采用SN66（外殼玻璃鋼），管道外徑66 mm，出口內(nèi)徑50 mm，工作水頭2 m，按照孔口放水恒定出流計算公式Q=VA，計算得Q=10.6 m3/h，按照1個給水栓控制2排樹計算（即支管每隔10 m布置1個給水栓，1個給水栓上安裝1個PE軟管，1根PE軟管澆灌2排樹），1個給水栓放水時間約3 h。

2.2 灌溉制度

（1）設(shè)計灌水定額

根據(jù)公式（1）計算 [15]：

式中：

m—設(shè)計灌水定額，m3/hm2；

γs—土壤容重，根據(jù)本地區(qū)土壤資料取14.5 kN/m3；

h—計劃濕潤層深度，根據(jù)桃樹日需水量等資料，取0.5 m；

β1，β2—適宜土壤含水量上、下限（占干土重量的百分比），分別取90%和70%；

圖2 項目區(qū)管道布置圖

當(dāng)?shù)赝临|(zhì)為壤土，其田間持水率取25%（重量百分比），計算得：m=36.25 mm，取40 mm。

（2）設(shè)計灌水周期的確定

設(shè)計灌水周期根據(jù)公式（2）計算[15]：

式中：

m—設(shè)計灌水定額，mm；

Emax—作物設(shè)計耗水強度，mm/d。

計算得T=6.7 d，取灌水周期為6 d。

2.3 輪灌制度

根據(jù)桃樹的生長習(xí)性，設(shè)計每棵桃樹澆灌90 s，每棵樹的灌水量為0.3 m3。

采用干管、分干管續(xù)灌、支管輪灌的方式，每天2條或者3條支管工作。

每條支管工作給水栓數(shù)量為2～52個，1個輪灌組同時工作18～20個給水栓，灌溉分18個輪灌組，按照灌溉面積和支管數(shù)量規(guī)劃每天工作3個輪灌組。

3 管道灌溉系統(tǒng)管道設(shè)計

3.1 管道材料選擇

管道材料的選擇取決于輸送流量的大小、管道承受的水壓、外部荷載、地質(zhì)及施工條件、市場供應(yīng)、工程造價等因素。工程中通常可采用的管材有以下幾種：鋼管（SP）；球墨鑄鐵管（DP）；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）；玻璃鋼夾砂管（RPMP）；塑料管（ABS、PE、PP、UPVC）。從工程造價、安裝、耐用性等綜合方面考慮選用UPVC管作為本次工程的管材。干管和支管均采用UPVC管，其中干管、分干管采用1.0MPa的UPVC管，支管采用0.6MPa的UPVC管，管道埋于地面以下0.8 m。軟管采用PE管。

3.2 管道流量設(shè)計

3.2.1 管網(wǎng)流量推求

灌溉系統(tǒng)設(shè)計流量按照公式（3）計算：

式中：

Q0—灌溉系統(tǒng)設(shè)計流量，m3/h；

a—灌水高峰期作物的種植比例，取0.8；

m—桃樹灌溉定額，27 m3/畝；

A—設(shè)計灌溉面積；為400畝；

t—灌水高峰期作物1次灌水延續(xù)時間，為6 d；

t—系統(tǒng)日工作時間，9 h；

η—灌溉水利用系數(shù)，取0.85。

經(jīng)計算Q0=235.29 m3/h。

3.2.2 管道管徑計算

管道流速初定為1.5 m/s，管徑按公式（4）計算：

式中：

D—管段內(nèi)徑，m；

Q—管段流量，m3/h；

V—經(jīng)濟流速，m/s，取1.5。

根據(jù)計算得出管道管徑和設(shè)計流量，列入表1。

3.3 管道水力計算

根據(jù)輪灌組的劃分，選擇最高處的第四天灌溉區(qū)域以及最遠處的第六天灌溉區(qū)域作為管道水力計算的最不利區(qū)域，將得出的結(jié)果作為計算泵所需流量和揚程的依據(jù)。

3.3.1 水頭損失計算

管道水頭損失由兩部分組成：沿程水頭損失和局部水頭損失。

沿程水頭損失按公式（5）計算：

式中：

hf—沿程水頭損失，m；

f—管材摩阻系數(shù)；

Q—管道的設(shè)計流量，m3/h；

L—管長，m；

D—管內(nèi)徑，mm；

m—流量指數(shù)；

b—管徑指數(shù)；

F—多口系數(shù)。

其中F=0.360（管道局部水頭損失按管道沿程損失的10%計算）。

查《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》，UPVC管材、PE管管材摩阻系數(shù)均為0.948×105，流量指數(shù)為1.77，管徑指數(shù)為4.77。計算結(jié)果見表2。

表1 各管段設(shè)計參數(shù)計算表格

表2 不利區(qū)管道水頭損失

計算得到，輪灌組4的第三組灌溉為最不利工況，水頭損失為10.48 m（此外與管道出口的地勢差10.8 m）。則最大水頭損失為H=10.8+10.48=21.28 m，給水栓工作壓力水頭為2 m，則管道最大工作壓力水頭Hmax=21.28+2=23.28 m，滿足管道工作壓力要求。

3.3.2 水泵選型與配套動力

水泵進水管至泵室高差約為1.5 m，考慮吸水管路水頭損失為23.28×0.1=2.4 m，此外，1個肥料罐的水頭損失取3 m，則水泵所需最大揚程為23.28+2.4+1.5+3=30.18 m。

泵站最大設(shè)計流量235.29 m3/h，最大揚程30.18 m，選用IS125-100-200型離心泵，轉(zhuǎn)速2900 n/min，設(shè)計流量240 m3/h，揚程為44.5 m，配套電機功率為45 kw，電機型號Y225M-2，泵站啟用軟啟動，加SG-55kVA變壓器，并使用變頻器變頻調(diào)速，使其出口壓力不超過規(guī)定值，確保灌溉系統(tǒng)的正常使用的功能。

4 結(jié)語

發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)有利于節(jié)約水資源，改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式，提高水資源利用率，特別是對于地形較復(fù)雜的丘陵地區(qū)和水資源匱乏的地區(qū)有示范作用。溧陽市上興鎮(zhèn)澗東村高效節(jié)水灌溉工程實施后，不僅可以提高該鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，提高經(jīng)濟效益，增加農(nóng)民收入，而且對溧陽市全市農(nóng)業(yè)發(fā)展節(jié)水灌區(qū)的水利產(chǎn)業(yè)政策均具有一定的指導(dǎo)意義，對同類型的項目也具有一定的借鑒意義。

本項目實施后，根據(jù)經(jīng)濟效益評價分析，在作物增產(chǎn)、節(jié)省土地、節(jié)約用水等方面均產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟和社會效益。每畝桃樹可以增產(chǎn)100 kg，年均增加產(chǎn)值250萬元。此外在桃樹需水期較大的季節(jié)可以保證灌水條件，對土壤結(jié)構(gòu)形成保護作用，并形成適宜的土壤、水等環(huán)境，有效地改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。