李欣卓

(榆林市水利工程建設(shè)中心，陜西 榆林 719000)

陜北風(fēng)沙區(qū)，天然植被已破壞殆盡，只有溝坡保留一些次生灌草，立地條件較好的平緩坡地，零星分布有棗、果、杏等經(jīng)濟(jì)林木和油松、樟子松等喬木樹(shù)種。區(qū)內(nèi)降雨稀少，要進(jìn)行種樹(shù)種草、防風(fēng)固沙以及農(nóng)作物生產(chǎn)，就必須推進(jìn)節(jié)水灌溉工作，以保障作物用立城增長(zhǎng)?，F(xiàn)以榆陽(yáng)區(qū)大河塔鎮(zhèn)大河塔小流域?yàn)槔?，?duì)風(fēng)沙區(qū)節(jié)水灌溉措施進(jìn)行探析。

1 概況

榆陽(yáng)區(qū)屬毛烏素沙漠南緣與黃土高原丘陵溝壑接壤地帶，大河塔小流域距榆林市主城區(qū)約43 km，涉及大河塔鎮(zhèn)的11個(gè)行政村，人口11885人。流域總面積為13.63 km2，水土流失面積為12.89 km2，年平均降雨量414.1 mm。為了推進(jìn)風(fēng)沙區(qū)治理，項(xiàng)目規(guī)劃在巴拉素、小壕兔、紅石橋3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)施滴灌工程60處，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。

2 水資源供需平衡分析

2.1 水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

項(xiàng)目所在的西北部風(fēng)沙草灘區(qū)屬中等富水地區(qū)，地下水埋深在5 m～150 m，單井出水量在1000 m3/d～2000 m3/d，沙層較厚，沙粒較細(xì)，平均滲透系數(shù)4 m/d，一般為水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca·Na型水，礦化度0.5 g/L以內(nèi)，屬于良好的灌溉水源，保證率為85%時(shí)補(bǔ)給模數(shù)17.6×106m3/(km2·a)，西北部風(fēng)沙草灘地區(qū)可開(kāi)采模數(shù)為7.5×106m3/(a·km2)。項(xiàng)目所在的東南部丘陵溝壑地區(qū)屬貧水地區(qū)，在梁峁之間、河谷川地區(qū)地下水埋深50 m～150 m，單井出水量在100 m3/d～700 m3/d，東南部丘陵溝壑地區(qū)可開(kāi)采模數(shù)為1.0×104m3/(a·km2)。

項(xiàng)目區(qū)涉及行政村總土地面積58.21萬(wàn)畝，總耕地面積4.13萬(wàn)畝，地下水補(bǔ)給面積為388 km2，地下水可開(kāi)采量為2731.89萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)目前主要采用地下水作為水源、采用井泵站抽水、襯砌明渠與田間土渠結(jié)合輸水、長(zhǎng)形畦灌的方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，存在水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、灌溉水有效利用率低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了該村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，灌區(qū)部分機(jī)電井因年久老化失修，地下水位下降，無(wú)法保證群眾生產(chǎn)生活需要，灌溉保證率低，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定難度，所以必須進(jìn)行節(jié)水灌溉。

2.2 項(xiàng)目區(qū)年度需水量分析

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)無(wú)工礦企業(yè)用水，只考慮農(nóng)業(yè)和農(nóng)村居民用水。項(xiàng)目區(qū)主要種植玉米和紫花苜蓿，灌溉水源為地下水。按照《陜西省行業(yè)用水定額》(DB61/T 943-2014)，陜北長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙區(qū)主要農(nóng)作物灌溉制度模式設(shè)計(jì)，農(nóng)業(yè)灌溉需水量為1258.17萬(wàn)m3。農(nóng)村居民用水定額為65 L/(人·d)，即23.7 m3/(人·a)，人口11885人，計(jì)算出項(xiàng)目區(qū)農(nóng)村居民需水量為28.17萬(wàn)m3。

2.3 項(xiàng)目區(qū)水量供需平衡計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)水量平衡計(jì)算見(jiàn)表1，由表1可知，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀年可開(kāi)采水量大于年需水量，年富余量1445.55萬(wàn)m3，完全可以滿足項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)溉用水和農(nóng)村居民生活用水需求。

表1 項(xiàng)目區(qū)水量平衡表

3 節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)

根據(jù)工程建設(shè)內(nèi)容及規(guī)模，將灌溉設(shè)計(jì)保證率選定85%，灌溉水利用系數(shù)取值0.90，管灌區(qū)取值0.85，本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各地塊均屬井灌區(qū)，節(jié)水灌溉工程采用地表滴灌帶滴灌，總面積2700畝，規(guī)劃節(jié)水灌溉工程共計(jì)60處(以灌溉面積每3 hm2計(jì)節(jié)水灌溉工程一處)，其中巴拉素鄉(xiāng)新廟灘村滴灌面積135畝，小壕兔鄉(xiāng)掌高兔村滴灌面積1845畝，紅石橋鄉(xiāng)西左界村滴灌面積720畝。

3.1 典型區(qū)選擇

現(xiàn)以榆陽(yáng)區(qū)紅石橋鄉(xiāng)西左界村項(xiàng)目為例，作典型設(shè)計(jì)。該村地處風(fēng)沙草灘區(qū)，屬典型的井灌區(qū)，農(nóng)業(yè)種植以玉米、紫花苜蓿為主。根據(jù)典型區(qū)選擇原則，本次滴灌設(shè)計(jì)選取1號(hào)新鉆水源井控制灌溉區(qū)域?yàn)榈湫蛥^(qū)，控制灌溉面積113畝。滴灌系統(tǒng)由首部樞紐、管網(wǎng)(干管、支管和毛管三級(jí)管道)、控制與保護(hù)設(shè)備和附屬工程等組成。

3.2 灌水器選擇與毛管布置方式

本次設(shè)計(jì)灌溉作物為紫花苜蓿，毛管選用外徑d外為16 mm的內(nèi)鑲貼片式PE滴灌帶，滴頭間距Se為0.3 m，滴頭平均流量qd為2 L/h，滴頭工作壓力hd為10 m，流態(tài)指數(shù)為0.5。灌溉水通過(guò)水泵從機(jī)井抽出后，先經(jīng)施肥罐、過(guò)濾器，然后經(jīng)由PVC-U干管輸送至各支管，通過(guò)支管分流進(jìn)入下一級(jí)的毛管，支管垂直干管且垂直于作物種植方向布置，毛管垂直于支管并沿作物種植方向布置。

3.3 灌溉制度設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H=0.55 m；適宜含水量上限θmax=85%θ田；適宜含水量下限θmin=60%θ田；田間持水量(重量比)θ田=22%；灌溉水利用系數(shù)η=0.90；作物日耗水強(qiáng)度Ea=7.0 mm/d；土壤容重γ=1.45 g/cm3；設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比P=90%。

(2)設(shè)計(jì)灌水定額

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)的規(guī)定，設(shè)計(jì)灌水定額用下列公式計(jì)算：

式中：m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm；γ為土壤容重，取1.45 t/m3；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層深，取0.55 m；P為土壤濕潤(rùn)比，取90%；θ田為土壤田間持水量(占土體重)，θ=22%；θmax為適宜土壤含水率上限，取0.85θ田；θmin為適宜土壤含水率下限，取0.60θ田；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.90。

則設(shè)計(jì)灌水定額為：

m=1000×1.45×0.55×0.22×0.90×(0.85-0.60)/0.90=43.86 mm=29.26 m3/畝

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)，結(jié)合榆陽(yáng)區(qū)種植紫花苜蓿的經(jīng)驗(yàn)，取灌水周期為6天。

(3)滴灌系統(tǒng)工作制度

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)，一次灌水延續(xù)時(shí)間用下列公式計(jì)算：

(2)

式中：t為一次灌水延續(xù)時(shí)間，h；m為毛灌水定額，取43.86 mm；Se為滴頭間距，取0.3 m；S1為毛管間距，取0.5 m；qd為滴頭流量，取2 L/h。

則一次灌水延續(xù)時(shí)間為：t=43.86×0.3×0.5/2=3.29 h

取t=4 h。

本系統(tǒng)擬采用輪灌方式進(jìn)行灌溉，輸配水系統(tǒng)工作時(shí)間為16 h，一次灌水時(shí)間取4 h，結(jié)合典型設(shè)計(jì)中管網(wǎng)布置及已成井出水量，每個(gè)地塊均擬劃分為24個(gè)輪灌組，一個(gè)輪灌組大小約為88 m×36 m，面積約3168 m2，即每個(gè)灌區(qū)面積4.75畝。每次輪灌開(kāi)啟支管上相對(duì)的毛管控制閥，灌水時(shí)間4 h，然后換入下一輪灌組，每天灌溉4個(gè)輪灌組，6 d灌完。

(4)毛管網(wǎng)布置

毛管采用內(nèi)鑲片式滴灌管，管徑16 mm，滴頭間距0.3 m，滴頭流量2 L/h，滴頭工作水頭ha=10 m。平坡條件下，毛管極限孔數(shù)按下式計(jì)算：

(3)

式中：Nm為毛管極限孔數(shù)；Δh2為毛管允許水頭偏差，Δh2=β2Δh，平坡條件下β2取0.55；Δh為灌水小區(qū)允許水頭偏差，Δh取2.27 m；d內(nèi)為毛管內(nèi)徑，取15.2 mm；k為水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，一般取1.1～1.2，本工程取1.1；qd為滴頭流量，取2 L/h；Se為滴頭間距，取0.3 m。

經(jīng)計(jì)算：毛管極限孔數(shù)為293個(gè)。

毛管極限長(zhǎng)度Lm按下式計(jì)算:

Lm=Se(Nm-1)+S0

(4)

代入數(shù)值S0=Se=0.3 m，Nm=293個(gè)，經(jīng)計(jì)算得：Lm=88 m。

本次毛管(迷宮式滴灌帶)長(zhǎng)度取88 m，符合要求。

(5)管網(wǎng)布置

各地塊的灌溉系統(tǒng)均布置三級(jí)管道，即干管、支管、毛管(灌水帶)。毛管平行于作物種植行西南～東北方向布置，單向分水；支管近似垂直于毛管東南～西北方向布置，單向分水；干管垂直于支管西南～東北方向布置。

單條毛管進(jìn)口流量為0.587 m3/h。根據(jù)管網(wǎng)布置和灌溉制度，一次灌溉每條輔管同時(shí)最多開(kāi)啟55條毛管，則：Q輔=Q滴×55=0.587×55=32.28 m3/h。管道經(jīng)濟(jì)流速按1.25 m/s進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/h；D為管道管徑，mm；V為設(shè)計(jì)流速，1.2 m/s。

經(jīng)計(jì)算，管徑為D輔=97.51 mm。

本次支管選用Ф110 mm×4.2 mm、承壓1.0 MPa的PVC-U管。

(6)干管流量及管徑確定

Q干=Q支×1=32.28×1=32.28 m3/h

干管經(jīng)濟(jì)流速按1.2 m/s進(jìn)行計(jì)算。

本次干管也選用Ф110 mm×4.2 mm、承壓1.0 MPa的PVC-U管。

(7)滴灌水力計(jì)算

依據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)，在管道輸水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算中，根據(jù)不同的材料管材適用范圍的流態(tài)，通常采用下式計(jì)算有壓管道水頭損失：

h損=hf+hj

(6)

a)沿程水頭損失hf，采用下式計(jì)算：

(7)

式中：hf為沿程水頭損失，mm；f為摩阻系數(shù)，PVC-U管取0.948×105，PE管取0.505×105；L為管道長(zhǎng)度，取最不利輪灌組的PVC-U、PE管長(zhǎng)，m；d為管內(nèi)徑，PVC-U管取101.6 mm，PE管取15.2 mm；Q為管道設(shè)計(jì)流量，PVC-U管(干支管)取機(jī)井設(shè)計(jì)流量32 m3/h，PE管(毛管滴灌帶)取0.59 m3/h；m為流量指數(shù)，PVC-U管取1.77，PE管取1.75；b為管徑指數(shù)，PVC-U管取4.77，PE管取4.75。

b)局部損失采用近似計(jì)算法，采用下式計(jì)算：

hj=hf×10%

以最不利支管原則，考慮到作物栽培時(shí)用水情況，支管、干管流量從下至上推求，流量推算結(jié)果、各段管徑及水頭損失見(jiàn)表2。

表2 滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果

(8)水泵選型

根據(jù)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程，選擇200QJ32-169/13型潛水泵，其流量32 m3/h，揚(yáng)程169 m，揚(yáng)水管直徑75 mm，配用功率30 kW。該水泵選擇對(duì)于部分地塊有一定余量，考慮典型區(qū)可能適當(dāng)擴(kuò)大灌溉面積。

4 首部樞紐設(shè)計(jì)

根據(jù)滴灌工程布置，本次滴灌水源為機(jī)井、多管井，通過(guò)水泵加壓后輸送至田間管道。滴灌首部樞紐由加壓泵和過(guò)濾站、施肥罐、流量計(jì)、壓力表和保護(hù)裝置等組成。

4.1 過(guò)濾器選擇

在滴灌系統(tǒng)中，為了防止滴灌帶堵塞，因此常常在首部設(shè)置過(guò)濾器。本工程水質(zhì)比較清澈，泥沙含量很少，無(wú)明顯漂浮物。本設(shè)計(jì)過(guò)濾器選擇離心+網(wǎng)式過(guò)濾器(3吋W0301+L0301)，過(guò)濾精度120目，設(shè)計(jì)流量Q<40 m3/h。

4.2 施肥罐選擇

滴灌時(shí)可同時(shí)施入化肥，使水肥一起輸送至作物根部。在實(shí)際工程中，一般多采用壓差式肥料系統(tǒng)。施肥罐根據(jù)系統(tǒng)控制面積的不同容積也不同，本次選擇100 L。

4.3 節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)成果

根據(jù)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)本次節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表3。

5 結(jié)語(yǔ)

陜北風(fēng)沙區(qū)水資源緊缺、生態(tài)環(huán)境惡劣，要進(jìn)行防風(fēng)固沙，促定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物必須采取節(jié)水灌溉措施。經(jīng)過(guò)探討，采用滴灌較為科學(xué)。滴灌帶選用Φ16PE貼片式，PVC-U管選用Φ110 mm，采取三級(jí)管道布置模式，可有效促進(jìn)節(jié)水，滿足作物灌溉需求，為促進(jìn)風(fēng)沙區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。