邵振魯,蔡曉,王帥,姬新建,王春堂*

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山東丘陵區(qū)節(jié)水灌溉工程優(yōu)化研究——以蓬萊市林格莊為例

邵振魯1,蔡曉1,王帥2,姬新建3,王春堂1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 臨沂市水利局, 山東 臨沂 276001 3. 濱州市濱城區(qū)公路管理局, 山東 濱州 256613

我國北方地區(qū)水資源匱乏，嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。本文以具體地區(qū)山東省蓬萊市林格莊為例，結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑镱愋?、現(xiàn)場(chǎng)地形等條件，進(jìn)行節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，探尋適宜當(dāng)?shù)刈魑锏墓?jié)水灌溉方式，并給出最佳蓄水池的布設(shè)方案，包括蓄水池的構(gòu)筑位置、構(gòu)建規(guī)模以及配套管線等方面。研究結(jié)果表明，節(jié)水灌溉工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以極大程度上緩解當(dāng)?shù)赜盟o張現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

丘陵區(qū); 村莊; 節(jié)水灌溉; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國水資源嚴(yán)重匱乏，且浪費(fèi)嚴(yán)重，人均占有量少，時(shí)空分布不均[1]。研究發(fā)現(xiàn)，我國近74.2%的省級(jí)單位水資源可持續(xù)利用能力欠佳，且由于沿海城市經(jīng)濟(jì)增長轉(zhuǎn)向第二、第三產(chǎn)業(yè)，使得水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的分配較少[2]。在我國北方的部分區(qū)域，水資源已成為限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重阻力。在農(nóng)田果樹灌溉等方面常出現(xiàn)用水難問題，對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，進(jìn)而對(duì)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入造成損失。近年來，隨著人口增加、氣候的變換以及耕地面積的不斷增加，人們對(duì)用水量的需求與日俱增，對(duì)灌溉水量的需求與降雨量不足之間的矛盾日益尖銳。面對(duì)我國如此嚴(yán)重的水資源形式，節(jié)約利用水資源，完善節(jié)約型農(nóng)作機(jī)制十分重要，而工程技術(shù)是其重要組成部分[3]。

山東省蓬萊市是我國北方重要的糧食、果蔬產(chǎn)地，屬于典型的低山丘陵區(qū)，灌溉條件直接影響作物和果蔬產(chǎn)量。山東省作為我國的農(nóng)業(yè)大省，雖已積極建設(shè)了一批高效節(jié)水灌溉工程，在農(nóng)田、果園灌溉方面發(fā)揮了巨大的作用，但仍存在節(jié)水灌溉工程數(shù)量不足、推廣力度小、局限于經(jīng)濟(jì)作物、因地制宜性差等問題[4,5]。基于以上提到的情況，我們選取蓬萊市林格莊進(jìn)行節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出在該地區(qū)設(shè)置蓄水池的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。蓄水池設(shè)計(jì)包括對(duì)蓄水池的構(gòu)筑位置、構(gòu)建規(guī)模以及配套管線等方面。結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑镱愋汀F(xiàn)場(chǎng)地形以及投資估算等，對(duì)噴灌、波涌灌、小管出流等灌溉節(jié)水方式進(jìn)行比對(duì)，選出最適合當(dāng)?shù)氐墓?jié)水灌溉方式。通過這一優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅緩解了當(dāng)?shù)赜盟o張的現(xiàn)狀，更對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)增長產(chǎn)生積極作用。

1 研究區(qū)概況

山東省蓬萊市地處膠東半島北端，瀕臨渤、黃二海，為典型的低山丘陵地貌，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年平均氣溫11.7 ℃，年平均降水量664 mm，無霜期平均206 d，盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果，是全國花生生產(chǎn)基地之一。蓬萊市林格莊研究區(qū)原來含有333335 m2責(zé)任田，仍種植農(nóng)作物（小麥、玉米），在山頂新開辟80000 m2種植經(jīng)濟(jì)作物（蘋果）。

2 灌區(qū)水資源利用量分析

2.1 需水量分析

夏玉米需水強(qiáng)度隨著生育期的延長呈拋物線形狀[6]，為滿足夏玉米需水要求，全生育期平均灌溉需水量為228 mm[7]，拔節(jié)-抽穗期和灌漿-成熟期兩個(gè)階段需水量較高，抽穗-灌漿期具有最高的平均日需水量，且對(duì)水分的敏感程度最高[8]。華北地區(qū)夏玉米播前（６月上旬）、拔節(jié)期（７月上中旬）氣溫高，干旱缺水，需要及時(shí)灌水[8]；而拔節(jié)至抽穗期（7月下旬至8月上旬），一般年份為雨季，降雨量較多，降雨次數(shù)頻繁，人工灌溉規(guī)模較小。

小麥不同生育時(shí)期耗水量差異比較大，為滿足冬小麥需水要求，全生育期平均灌溉需水量515 mm[9]，拔節(jié)期至成熟期是北方冬小麥區(qū)耗水最多的階段，歷時(shí)約占全生育期的1/3，但耗水量占總耗水量的65%左右[10,11]。冬小麥的生長季節(jié)比較干旱，總降水量少，除被冠層截留的降水量以外，少部分降水進(jìn)入上部土壤層，大部分被蒸發(fā)，成為無效降水[11]。

蘋果的耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系成拋物線關(guān)系，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件和《山東省主要農(nóng)作物灌溉定額》標(biāo)準(zhǔn)，蘋果的灌溉定額控制在0.45~0.60 m3/m2即可。

2.2 節(jié)水灌溉技術(shù)選擇

2.2.1 農(nóng)作物節(jié)水灌溉研究區(qū)農(nóng)作物原有灌溉方式為傳統(tǒng)的漫灌，灌溉時(shí)任水順坡漫流，有澆地不勻、消耗地力、浪費(fèi)水量及抬高地下水位、易使土壤鹽堿化和沼澤化等缺點(diǎn)。

噴灌是一種新興的灌溉技術(shù)，雖然噴灌有省水、省地、提高產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，但由于投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、管理水平要求高等缺點(diǎn)，不適應(yīng)當(dāng)前種植規(guī)模較小的戶包農(nóng)業(yè)生產(chǎn)責(zé)任制的需要，難以按市場(chǎng)機(jī)制運(yùn)作。以兩種噴灌形式為例：固定管道式噴灌系統(tǒng)，設(shè)備利用率低，影響田間其他機(jī)械作業(yè)；半固定和移動(dòng)管道式噴灌系統(tǒng)，噴灌設(shè)備的拆移安裝，尤其是在種植高稈作物的田間或灌后拆移安裝，勞動(dòng)強(qiáng)度并不低，未必省工，還可能損壞農(nóng)作物。

研究區(qū)土壤質(zhì)地為中壤土，波涌灌溉方式較為適合[12,13]。波涌灌溉是一種先進(jìn)的地面灌溉方式，其具有節(jié)水、節(jié)能、保肥、省工、灌水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[13]，很好的解決了傳統(tǒng)地面灌溉方式中灌水均勻度差、田間深層滲漏等問題。波涌灌溉利用間歇閥向畦（溝）間歇供水，灌溉水流間歇性地，使得畦（溝）中產(chǎn)生波涌，水流的推進(jìn)速度加快，畦（溝）首尾受水時(shí)間差縮短，田間土壤得以均勻濕潤[14]，有別于傳統(tǒng)灌溉中一次性使灌溉水流推進(jìn)到溝的尾部的方式。波涌灌溉中每一畦（溝）的灌水過程由多次灌水組成，包括多次起漲和落干，此過程中水流的平整作用使得土壤表面形成致密層，有效減小了水分入滲率和面糙率，使得灌溉水流再次經(jīng)過已灌溉過的田面時(shí)，推進(jìn)速度和長度均有顯著增加。研究表明，較相同條件下的傳統(tǒng)地面連續(xù)灌溉方式，波涌灌節(jié)水10~40%，灌水均度提高10~15%，灌水效率提高20~40%，總供水推進(jìn)速度提高9~22%，灌水定額減少8.3~18.3%[12]。

2.2.2 果樹節(jié)水灌溉小管出流灌溉是經(jīng)由灌溉管網(wǎng)將水逐級(jí)輸送至微管，將水直達(dá)根部進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉的技術(shù)[15]。由于其適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)地形、土壤、果樹種類要求較低，操作簡(jiǎn)單，管理方便，特別適合本項(xiàng)目區(qū)蘋果樹的灌溉[14]。小管出流灌溉主要針對(duì)果樹和花卉灌溉，可以有效解決傳統(tǒng)灌溉和微灌方式中灌水器易于堵塞和出流量小等問題[15]，其具有節(jié)水效益明顯、不易堵塞、省時(shí)省工、水肥一體化等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)算，較傳統(tǒng)地面灌溉方式，小管出流灌溉技術(shù)可以節(jié)水30~60%左右，節(jié)肥30%左右，節(jié)省人工50%~60%左右，增產(chǎn)15.5%~37.5%左右，且有利于提升果品質(zhì)量[14-16]。

3 作物灌水定額和蓄水池設(shè)計(jì)

3.1 農(nóng)作物灌水定額

研究區(qū)為小麥-玉米輪作，小麥需水量相比玉米多，且玉米生長期正逢雨季，適時(shí)灌水即可滿足。所以我們?cè)O(shè)計(jì)農(nóng)作物灌水定額時(shí)以滿足小麥日需水量最高的灌漿期作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。灌水定額為：

式中：—設(shè)計(jì)灌水定額，mm；max、min—適宜土壤含水率上、下限，%；—計(jì)劃濕潤土層深度，m；—土壤干容重，g/cm3；—田間持水率，%；水—水的容重，g/cm3。

當(dāng)?shù)赝寥栏扇葜?.3 g/cm3，田間持水率25%，灌溉時(shí)計(jì)劃土壤濕潤層深度取50 cm，適宜土壤含水率上、下限max、min分別取田間持水率的95％、65％，經(jīng)計(jì)算，=0.1×(95-65)×0.5×1.3×25/1＝48.75 mm，折合約0.0487 m3/m2。

3.2 經(jīng)濟(jì)作物灌水定額和蓄水池設(shè)計(jì)

研究區(qū)蘋果樹種植區(qū)域面積為80000 m2，土壤質(zhì)地為中壤土，土壤容重為1.3 g/cm3，田間持水率為25%，灌溉水源來自蓄水池。參考當(dāng)?shù)靥O果樹種植資料，結(jié)合蘋果樹高峰期日耗水量，設(shè)計(jì)濕潤土層深度取0.4 m，適宜土壤含水量上、下限分別取田間持水率的95％、65％，根據(jù)（1）式，計(jì)算所得灌水定額39 mm，即0.0390 m3/m2，則蓄水池容積為120×26=3120 m3。

原農(nóng)作物種植區(qū)域周圍四座山體山頂相對(duì)平緩區(qū)域種植蘋果樹，由于蓄水池建設(shè)主要滿足經(jīng)濟(jì)作物需水要求，根據(jù)蘋果樹種植位置，蓄水池建設(shè)選址在山頂。各山體山頂之間高程不一，若僅在最高位置建設(shè)一座大型蓄水池，不僅難度較大，而且勢(shì)必會(huì)造成不必要的能量浪費(fèi)，考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等方面的因素，在臨近果樹種植區(qū)域分別建設(shè)蓄水池（共四座），根據(jù)果樹種植面積的不同，蓄水池有1500 m3（一座）、500 m3（三座）兩種類型。

4 工程布設(shè)

灌溉工程的布置原則是，依據(jù)地形、地勢(shì)、道路等情況布置管道系統(tǒng)，使管線最短，控制面積最大，管理方便，輸配水管道盡可能沿地勢(shì)較高的位置布設(shè)，支管垂直于等高線布置，方便澆地、節(jié)水。管道輸水包括干管和支管兩級(jí)固定輸水管道及配套設(shè)施，管道過瀝青（砼路）為路面下穿鋼管或混凝土管，過一般土生產(chǎn)路，管道采用直埋式，埋深不小于0.5 m。管道應(yīng)布置在堅(jiān)實(shí)的地基上，避開填方區(qū)和可能產(chǎn)生滑坡或受山洪威脅的地帶。田間固定管道長度取0.0112 m/m2，支管間距采用100~150 m。單個(gè)給水栓控制灌溉面積為6000 m2，給水栓間距小于100 m。單個(gè)給水栓的流量應(yīng)滿足灌水溝畦與格田對(duì)入溝或單寬流量的要求。然后根據(jù)圖紙要求進(jìn)行管槽開挖，管槽深度不能小于0.6 m，并應(yīng)在凍土層以下。

主要建設(shè)內(nèi)容見圖1和表1所示，具體如下：

（1）水源工程：1500 m3蓄水池一座，500 m3蓄水池三座（圖1中綠色部分）。

（2）泵房工程：泵房一座，泵型為XA50/26B與DG25-30X5兩種（圖1中紅色部分）。

（3）管道工程：農(nóng)作物灌溉管道一套，控制灌溉面積333335 m2，鋪設(shè)DN125 PVC管2678 m，DN80 PVC管495 m，DN65 PVC管509 m，共計(jì)3682 m。經(jīng)濟(jì)作物灌溉管道一套，控制灌溉面積約100000 m2，鋪設(shè)DN125 PVC管801 m。（圖1中藍(lán)色部分）

圖 1 項(xiàng)目整體布置圖

表 1 工作制度及輪灌區(qū)劃分

5 結(jié)論

本文通過對(duì)研究區(qū)種植作物和果樹的需水量進(jìn)行研究，優(yōu)選節(jié)水灌溉方式，并給出了具體的工程布設(shè)方案。研究區(qū)節(jié)水灌溉的實(shí)施可以很好的解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水緊張的現(xiàn)狀，長遠(yuǎn)的看可以改善研究區(qū)生產(chǎn)、生活環(huán)境，有利于形成良好的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)項(xiàng)目區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)繁榮。節(jié)水灌溉工程優(yōu)化使得水資源得以充分利用，整體水環(huán)境得到改善，提高水資源承載力，促進(jìn)水的可持續(xù)利用；并可以大大改善流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，有利于農(nóng)作物和林木生長，增加地表植被，促進(jìn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Optimum Design of Water Saving Irrigation Project in Hilly Area of Shandong Province——Lingezhuang Penglai City as an example

SHAO Zhen-lu1, CAI Xiao1, WANG Shuai2, JI Xin-jian3, WANG Chun-tang1*

1.271018,2.276001,3.256613,

Water resources are scarce seriously has become a serious threat to economic development. This paper did some research on optimum design of water saving irrigation project in Lingezhuang country, Penglai City, Shandong Province, where belongs to hilly area. According to local crop types and topography, this study explored suitable water saving irrigation mode and provided impounding reservoir design, which including the position, scale and pipe system. This optimum study greatly alleviated the local water stress and had a great pull on the local economics.

Hilly area; country; water saving irrigation; optimum design

TV93

A

1000-2324(2019)01-0066-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.014

2017-07-16

2017-10-11

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014gnc112005)

邵振魯(1995-),男,碩士研究生,主要進(jìn)行給排水方面研究. E-mail:1982635855@qq.com

Author for correspondence. E-mail:w.cht@163.com