摘 要:在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)過程中,有效運(yùn)用節(jié)水灌溉技術(shù),既可以滿足農(nóng)田灌溉的實(shí)際需求,又可以有效節(jié)約水資源,這對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。基于此,以廣州市某地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目為例,討論高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計的基本原則,闡述水資源供需平衡分析思路,提出節(jié)水工程設(shè)計方案,為提高高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃效果作出貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞:高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田;建設(shè)規(guī)劃;節(jié)水工程設(shè)計;供需平衡;灌溉
中圖分類號:S277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)09–0-03
農(nóng)業(yè)灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分。然而在以往的農(nóng)田灌溉工程中,水資源浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重,不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此,高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃中的節(jié)水工程設(shè)計顯得尤為重要。對此,以廣州市某地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目為例,討論高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計的基本原則、設(shè)計思路,提出節(jié)水工程設(shè)計方案,為提高高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃效果提供參考。
1 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計的基本原則
對于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利高效節(jié)水灌溉技術(shù)的普及與運(yùn)用,需遵循適應(yīng)本土環(huán)境的準(zhǔn)則,全面評估本地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備及生產(chǎn)質(zhì)量。同時,還需界定節(jié)水技術(shù)的傳播方法,最大限度地展現(xiàn)出高效節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)改善本土農(nóng)田作物種類布局的目標(biāo)[1]。
通過對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)排灌設(shè)施的優(yōu)化,提高項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田的抗旱能力和排澇能力,有效避免農(nóng)田遭受自然災(zāi)害,確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目質(zhì)量,充分發(fā)揮在區(qū)域內(nèi)大規(guī)模開展基本農(nóng)田建設(shè)的系統(tǒng)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)。工程完成后,項(xiàng)目區(qū)灌溉保證率達(dá)到90%,其中旱作區(qū)的農(nóng)田排水采用5~10年暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計,作物受淹情形下1~3 d實(shí)現(xiàn)暴雨積水排至田面無積水;水稻區(qū)農(nóng)田排水采用10年暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計,作物受淹情形下3~5 d實(shí)現(xiàn)暴雨積水排至耐淹水深。
2 項(xiàng)目區(qū)水資源供需平衡分析
2.1 可供水量分析
通過查閱《廣東省水文圖集》中的廣東省1956—1979年平均年徑流深等值線圖(圖略)得知,項(xiàng)目區(qū)內(nèi)多年的徑流深均值為800 mm。再結(jié)合廣東省1956—1979年徑流深系數(shù)CV等值線圖可知,項(xiàng)目區(qū)多年徑流深CV值為0.36,而項(xiàng)目區(qū)雨量偏態(tài)系數(shù)CS=3.5 CV。根據(jù)以上信息查得枯水年P(guān)=90%保證率的模比系數(shù)為KP=1.482。項(xiàng)目區(qū)集雨面積區(qū)域特枯水年90%保證率的設(shè)計年徑流深及徑流量計算公式如下:
(1)
式(1)中:R為徑流深(mm),R為平均徑流深(mm),KP為模比系數(shù),W為徑流量(萬m3),F(xiàn)為集雨面積(km2)。項(xiàng)目區(qū)集雨面積約為16.25 km2。
據(jù)此計算出項(xiàng)目區(qū)集雨面積區(qū)域特枯水年90%保證率的設(shè)計年徑流深為:R=800×1.482=1 185.60 mm;項(xiàng)目區(qū)上游控制區(qū)域90%設(shè)計保證率可供水量為:W=1 185.60×16.25÷10=1 926.60萬m3。
2.2 需水量分析
項(xiàng)目區(qū)總灌溉面積為297.570 7 hm2,灌溉用水主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。其中,水田面積為245.291 3 hm2,占總灌溉面積的82.43%;水澆地面積為36.528 0 hm2,占總灌溉面積的12.28%。在設(shè)計保證率P=90%時,項(xiàng)目區(qū)年需水量為553.69萬m3。項(xiàng)目區(qū)灌溉用水具體見表1。
2.3 水資源供需平衡分析
通過供、需水量計算可知,設(shè)計灌溉保證率90%時,在不考慮地下水資源的情況下,項(xiàng)目區(qū)灌溉需水量為553.69萬m3,而灌溉水源可提供灌溉用水量約為1 926.6萬m3。項(xiàng)目區(qū)的可供水量大于需水量,因此認(rèn)為完全能滿足區(qū)內(nèi)的灌溉需求。
綜上所述,在現(xiàn)有項(xiàng)目區(qū)灌溉體系條件下,水資源供給量完全能滿足項(xiàng)目區(qū)內(nèi)作物生長需求。
3 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃中的節(jié)水工程設(shè)計方案
3.1 基本規(guī)劃思路
3.1.1 微灌技術(shù)的應(yīng)用
微灌技術(shù)以滴灌技術(shù)為基礎(chǔ),其灌溉方式以滲灌及微噴灌為主,需配置灌水器及輸配水管。通過微灌系統(tǒng),可有效把控灌溉水量,確保灌溉水直達(dá)植物根部位置,表面位置水資源所產(chǎn)生流失問題得以解決,對農(nóng)作物整體土質(zhì)結(jié)構(gòu)可起到有效改善作用[2]。
微灌系統(tǒng)由輸水設(shè)施、量測設(shè)施、過濾設(shè)施、加壓設(shè)施等構(gòu)成,相較于大水漫灌,微灌節(jié)水率約為50%。在應(yīng)用微灌技術(shù)時,管材選擇較為重要,管徑≤315 mm時可用塑料管材等。
3.1.2 水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用
水肥一體化技術(shù)是將水肥同步供給作物,實(shí)現(xiàn)水肥的高效利用。通過精確控制灌溉水和施肥量,可以減少水肥的浪費(fèi),提高作物的利用率。例如,利用滴灌技術(shù)和水肥一體化設(shè)備,可以將肥料溶解在灌溉水中,通過滴灌管將水肥混合液體直接供給作物根系,實(shí)現(xiàn)了水肥的精準(zhǔn)供給[3]。
3.2 節(jié)水工程方案設(shè)計
3.2.1 微灌工程設(shè)計
(1)微灌流量計算:以微噴帶的進(jìn)水口為起始點(diǎn),對出水結(jié)點(diǎn)按(i=1,2……)進(jìn)行編號,設(shè)定qi為i對應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量,則各出水孔流量總和與節(jié)點(diǎn)流量值一致,將水孔看作小管出流狀態(tài)對節(jié)點(diǎn)流量qi進(jìn)行計算,公式如下:
qi=kμA(2)
式(2)中:qi為i對應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量,i為對應(yīng)結(jié)點(diǎn)出水量,k為結(jié)點(diǎn)小孔數(shù),μ為出水孔口的流量系數(shù),A為出水孔面積,g為重力加速度,Hi為對應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)入口水頭。
總流量計算公式為:Q=qi。其中,n為出水孔數(shù)量。
(2)沿程損失:將微噴帶視作串聯(lián)的同徑管段,采用流量連續(xù)性公式進(jìn)行沿程損失計算,水頭損失則依據(jù)達(dá)西—威斯巴赫公式計算。由于微噴帶材質(zhì)為軟塑料,在壓力變化下會產(chǎn)生形變,充滿水后可能形成非規(guī)則圓柱形,因此需要對以標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)管為參考的水力損失計算進(jìn)行修正,通過納入軟塑系數(shù) f 完成結(jié)果修正,軟塑系數(shù) f 的取值需通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)獲取。最終微噴帶的水頭損失公式為:
hf =f λ(3)
式(3)中:hf為因摩擦力造成的揚(yáng)程損失, f 為無因次的因子(軟塑系數(shù)),λ為沿程阻力系數(shù),L為管路的長度,D為管路的水力半徑(管路內(nèi)直徑),V為流體的平均速率(等于濕面積單位截面的體積流率),g為重力加速度。
如圖1所示,假設(shè)水流的流態(tài)在m出水孔之前為素流阻力光滑區(qū),m至o出水孔間則為素流—層流的過渡區(qū),o出水孔之后為層流區(qū)。微噴帶沿程損失需要分段分態(tài)進(jìn)行計算,若微噴帶的折徑D≤5 mm,素流阻力光滑區(qū)與層流區(qū)使用伯拉修斯實(shí)用公式對損失系數(shù)進(jìn)行計算;素流—層流的過渡區(qū)使用伏同洲方法計算。管道的進(jìn)水口作為起點(diǎn),m出水孔作為素流界點(diǎn),o出水孔作為層流界點(diǎn),n出水孔作為末端結(jié)點(diǎn),進(jìn)水口至首個出水孔距離為ao。根據(jù)雷諾數(shù)判斷水流流態(tài),管段流態(tài)的不同選取不同的沿程阻力系數(shù)。
經(jīng)計算,本工程選擇的泵機(jī)(流量94 m3/h,揚(yáng)程28 m)滿足項(xiàng)目區(qū)需求。
3.2.2 水肥一體化工程設(shè)計
(1)設(shè)計要點(diǎn):本項(xiàng)目中水肥一體化工程的設(shè)計需要遵循“少量多次”的施肥原則,因此,相較于單純灌溉工程的設(shè)計要求更高,需要在常規(guī)灌溉設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步防止肥料淋失問題,須做好如下兩個方面。
第一,控制管徑。灌溉用水管應(yīng)當(dāng)根據(jù)灌溉需求、灌溉面積等進(jìn)行針對性篩選,選擇的標(biāo)準(zhǔn)為水力計算,并且水肥一體化工程中,需要合理考慮肥液滯留問題,需要在滿足灌溉需求的前提下盡可能縮減管徑,以提高單位時間內(nèi)的流量,且安裝時必須盡量保證管徑的穩(wěn)定性。
第二,控制灌溉均勻度。水肥一體化唯有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)肥水控制,才能更好地保障作物生長對肥料與水分的需求,精準(zhǔn)控制的前提是灌溉的均勻度設(shè)計。依據(jù)水利部所制定的相關(guān)規(guī)范(微灌設(shè)計灌溉均勻度應(yīng)≥0%),考慮水肥一體化的特殊性,如果不均勻灌溉,則在水分和肥料的相互作用下作物生長均勻度會降低,如果要求兩者共同作用對作物生長影響的綜合均勻度也在80%以上,則水肥一體化灌溉設(shè)計的均勻度應(yīng)≥90%[4]。
經(jīng)計算,得出工程選擇的泵機(jī)(流量50 m3/h,揚(yáng)程30 m)滿足項(xiàng)目區(qū)需求。
(2)灌排渠設(shè)計:灌排渠是輸水的重要載體,在具體運(yùn)用過程需結(jié)合水力計算分析結(jié)果,合理確定防滲渠道的斷面尺寸。通常,若渠道流量>1 m3/s,需設(shè)底部梯形斷面或者弧形坡腳式斷面,可對流量水力起到調(diào)節(jié)作用;若渠道流量<1 m3/s,則可設(shè)U型斷面;針對大型灌溉區(qū),渠道自身抗?jié)B性應(yīng)>40%;針對中型灌溉區(qū),渠道自身抗?jié)B性應(yīng)>50%;針對小型灌溉區(qū),渠道自身抗?jié)B性應(yīng)>70%;井灌溉區(qū)管道需確保落實(shí)好全面性的抗?jié)B處理。
結(jié)合項(xiàng)目區(qū)最近的雨量站數(shù)據(jù),推算出項(xiàng)目區(qū)主區(qū)域24 h最大點(diǎn)雨量均值R24 h=150 mm。再根據(jù)查詢《廣東省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)土地治理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計指南(試行)》中的P-Ⅲ頻率曲線10年一遇模比系數(shù)值表,獲取模比系數(shù)K10=1.661。據(jù)此,得出項(xiàng)目區(qū)主區(qū)域10年一遇最大24 h點(diǎn)雨量R24 h10計算為:
R24 h10=R24 hK10=150×1.661=249.15 mm
由于排澇時直接對田面積水進(jìn)行處理,因此直接以水面的排澇模數(shù)完成計算,依據(jù)平均排除法公式,水田排澇模數(shù)q的計算公式為:
q=1 000×=2.28(m3/s·km2)(4)
式(4)中:C水面為水面徑流系數(shù),取值1.0;h為暫存水量,取值40 mm;E為蒸發(fā)量,取值4 mm/d;T為排澇歷時,取值86 400 s。
根據(jù)排水模數(shù)與排水面積綜合計算和比對,灌排渠最終確定選用梯形與矩形設(shè)計,比降以實(shí)際地形為依據(jù)予以確定,見圖2。
排水渠道過流能力按均勻流公式計算,岸頂超高和襯砌高度參照輸水渠道進(jìn)行。根據(jù)計算,項(xiàng)目區(qū)排水渠道經(jīng)修整后都能滿足排澇要求。渠道設(shè)計典型斷面見圖3。
此外,高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程在提供灌溉服務(wù)的過程中會出現(xiàn)水體蒸發(fā)、滲漏等情況,易造成浪費(fèi)水資源的后果。相關(guān)人員可使用防滲漏技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉的目標(biāo)。
4 結(jié)束語
為確保節(jié)水的灌溉技術(shù)高效利用、推動科技加速創(chuàng)新、促使農(nóng)業(yè)規(guī)劃更具合理性等,除了要確保相關(guān)部門及人員更好地掌握高效節(jié)水的灌溉各項(xiàng)技術(shù)手段,還應(yīng)篤實(shí)節(jié)水灌溉正確意識、做好科學(xué)規(guī)劃,如此才能更好地保證高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利項(xiàng)目工程當(dāng)中高效節(jié)水的灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用發(fā)展,實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利項(xiàng)目工程業(yè)及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)整體的高效發(fā)展。
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收稿日期:2024-06-11
作者簡介:李平(1991—),男,廣東信宜人,工程師,研究方向?yàn)檗r(nóng)田水利與生態(tài)修復(fù)。