梯田果园灌溉工程的规划设计

杨立魁，侯新明，高昌珍

(1.山西农业大学 工学院,山西 太谷 030801;2.山西省水利机械厂,山西 太原 030001)

山西晋城地区60.3%的面积为山地丘陵，应根据当地地理环境，选择适宜的灌溉模式，为发展高产农业提供保障。当前应用的节水灌溉模式主要有喷灌、滴灌、波涌灌、涌泉灌等[1]。前3种主要适宜地势平坦的地区。地形复杂的山区，涌泉灌是较佳的灌溉方式，它分为涌泉沟灌和涌泉根灌2种形式。涌泉沟灌是一种将有压水流通过管道系统送入果树周围环形灌水沟中，在很短时间内使水流封沟，以达到均匀入渗的目的[2]；涌泉根灌是在涌泉灌的基础上，用灌水器将水流直接注入作物根部的灌溉形式。吴普特等[3]设计了一种毛管与微管均埋于地下，灌水器用套筒埋入果树根部，使水流直接在根部入渗的涌泉根灌方式，使系统使用寿命提高到20年，其灌水器流态指数小于0.5，具有压力补偿性能，但其仍在研究试验阶段，没有大规模推广，因此本项目采用涌泉沟灌系统。

涌泉沟灌具有出流量大、不易堵塞、灌溉水均匀度高、灌水损失小、投资少等优点；系统除微管露在地面外，其余管道均埋于冻土层下，管道均采用PE管，具有耐磨损、质量轻、便于施工等优点，在节水、节地、增产方面有很大优势，但其规划设计很关键。本文根据实际工程，对本项目中应用涌泉沟灌的梯田灌溉工程的管道设计、灌溉制度、轮灌组划分进行了分析研究。

1 工程规划

1.1 概况

项目区位于山西省晋城市陵川县丈河村，年平均降水量为600～700 mm，灌区地貌类型为山地，平均海拔在900 m左右；梯田面积为12 hm2，主要种植作物为樱桃、苹果、桃、李、杏、梨等果树，果树均为幼苗，共种植7852棵。灌区为自压出流，采用涌泉环沟灌溉方式。

1.2 工程设计

1.2.1 取水工程设计

本工程由水泵抽取机井水到蓄水池中，由该蓄水池接输水管道，池内的水在重力作用下通过管道引向梯田进行灌溉。灌区计划在952.46 m处设计取水机井，机井为管井，采用方形井布置。根据本工程需水量、含水层埋深、含水层富水性及出水能力，确定井深为50 m。管井采用机械钻探，具有造价低、施工快、质量高等优点，可适用于开采多种土质下的水源，并配合水泵提水，使农田灌溉更加便利高效。根据机井设计规范，其设计参数公式为：

(1)

(2)

(3)

式中：F0-单井控制灌溉面积，亩；Q-单井出水量，30 m3·h-1；t3-灌溉期间开机时间，19 h·d-1；T2-每次轮灌期的天数，16 d；η-灌溉利用系数；η1-干扰抽水的水量削减系数，取0.2；m2-每次综合平均灌水定额，915.5 m3·hm-2；L0-井距，m；F4-规划区内灌溉面积，hm2；N-规划区需要打井数，眼。代入数据后，求得，单井控制面积为7.17 hm2，灌区面积为12 hm2，共需打2眼机井，井距为267.5 m。

水泵的设计包括水泵扬程计算、水泵选型。水泵扬程是指水泵扬水高度，水泵克服水流重力和阻力做的功，转化为压水高度的值即为扬程。接蓄水池的上水管道管径为130 mm PE管，水泵出水口流速为1.5 m·s-1，根据水力计算[4]来确定水泵扬程：

(4)

Ht=Z+h损

(5)

式中：hf-沿程水头损失，m；f-摩阻系数；Q-出水流量，m3·h-1；d-上水管道内径，mm；L-管长，56.32 m；m-流量指数，取1.77；b-管径指数，取4.77。

代入数据后，求得沿程水头损失为0.85 m，局部水头损失按沿程水头损失的15%计算，为0.85×15%=0.13 m。

Ht-水泵设计扬程，Z-提水高度，井水面到蓄水池入水口距离为34.19 m；h损-上水管道沿程水头损失和局部水头损失之和，0.98 m。

代入数据后，求得水泵扬程为35.17 m。

查水泵手册，水泵规格为：QS20-36/2-4，扬程为36 m，功率为4 kW。

本工程在海拔为976.65 m高程处建一容积为1884 m3蓄水池，蓄水池采用圆形开敞式设计，浆砌石结构，半径10 m，池深6 m，池壁厚0.5 m，有10 cm红黏土层防渗，基础深0.6 m。在高程为974.59 m处设一出水孔。该工程为水肥一体化，在高程为972.73 m处建一肥料池，由主管引出后与输水管交叉于高程969.34 m处，在该处设计控制室，并由过滤系统过滤肥料液中的杂质，以防大颗粒堵塞管道。

1.2.2 管道工程设计

在灌区规划管道设计前期，要先根据灌区地形进行测量，本项目中采用RTK测量仪进行对灌区的测量，它是一种利用GPS与数据传输相结合的测量方式，与传统测量仪器相比，具有测量速度快、精度高、省工高效的优点。将地形数据点测完后，以1∶1000的比例将点展到南方cass软件中，用CAD打开后可进行绘图，并根据现场记录的地块轮廓点的顺序，将图上的点号进行连线，绘制地形与地块图后，结合本工程中的水源位置，初步绘出几条可行的管路布置路线。综合考虑地形、施工难度、经济成本等因素，充分对比后选出最佳管路布置方案，并精确计算出布设管路长度、管件数量等耗材量，为工程预算提供依据。灌区管路为干、支、毛、微四级结构，干管布置沿地形坡度走向，支管平行于等高线布设，毛管在极限长度范围内每行树布一根。根据水力计算，求得干管管径为110 mm,支管管径为63 mm，毛管管径为32 mm，微管选择4 mm小管；干管埋深为1 m，支管、毛管埋深为0.15 m。

1.2.3 环状灌水沟与稳流器规格设计

对于涌泉灌溉来说，环状灌水沟的设计直接影响灌水质量，如果设计沟的容积过大，短时间水流无法覆盖整个环沟，造成入渗不均，设计沟的容积过小，使得储水量小，多余水量溢出形成地表径流，造成水的浪费。因此，设计的环沟沟容积与土壤入渗速率决定了灌水器规格；环沟断面一般设计为等腰梯形，根据郑耀泉等[5]提出的入渗沟设计公式计算：

(6)

(7)

(8)

式中，K1-第一分钟土壤吸渗速度，取0.74 mm·min-1；a-指数，取0.22；b0-入渗沟底宽，cm;β-毛细管作用边坡侧渗修正系数，取2.0；h-入渗沟深度，取12 cm；φ-入渗沟边坡系数，取1；D-环沟直径，为果树树冠直径的2/3,因果树处于幼苗期，果树树冠直径取1.2 m；I-灌水湿润区灌水定额，求得93.3 mm。S-株距，取3 m；B-行距，取4 m；P-设计土壤湿润比，取40%。t-灌水器向入渗沟供水时间；q-灌水器出流量，L·min-1。

代入数据，得：b0为8.5 cm，取10 cm；t为96 min；q为1.07 L·min-1，取60 L·h-1。

2 灌溉制度

灌溉制度设计主要包括灌水定额、灌水周期。灌溉制度制定要依据种植作物、土壤、灌溉面积来确定[6]，保证作物在萌芽期、开花期、结果期、果实膨大期能得到合理的灌溉，在特别干旱的月份可适当缩短灌水周期，增加灌水时间。

2.1 灌水定额的设计

根据微灌工程技术规范(SL103-95)公式3.0.5-1[7]，采用公式计算：

m=0.1γzp(θmax-θmin)/η

(9)

式中，m-设计灌水定额，mm；γ-土壤重度，取1.4 g·cm-3；z-计划土壤湿润层深度,取1.2 m；p-设计土壤湿润比,取40%；θmax,θmin-适宜土壤含水率上下限，取0.335、0.21；η-灌溉利用系数，取0.9。

代入数据，求得m为93.3 mm。

2.2 灌水周期的设计

根据作物耗水量最大值，按公式[7]计算灌水周期：

(10)

式中，T-设计灌水周期，d；Ea-控制区内作物最大需水量，取5 mm·d-1。

求得T=16.79 d，根据项目区的实际状况，将设计灌水周期定为16 d。

2.3 灌溉设计流量

(11)

式中，Q0-灌溉系统设计流量，m3·h-1；η-灌溉利用系数,取0.9；t-每天灌水时间,取18 h；T-设计灌水周期，取16 d；A-灌溉总面积，取12.19 hm2；α-控制性作物的种植比例，取1；m-设计灌水定额,取933.0 m3·hm-2。

代入数据，得Q0=43.8 m3·h-1。

3 系统工作制度

灌溉系统在运行时，需要有确定的工作制度，以保证灌溉质量，制定灌溉系统工作制度要根据种植密度、灌水时间、灌水器流量、一次灌溉控制的面积等因素确定[8]。

3.1 一次性灌水延续时间的确定

(12)

式中：t-一次性灌水延续时间,h；st、sm-果树的株距和行距，分别取3 m、4 m；n-每棵树安装微管的出流孔数，取2；qd-微管流量，取30 L·h-1。

代入数据，求得t为20.7 h,取21 h。

3.2 灌水方式

灌水方式主要有续灌和轮灌两种。采用续灌，要求干管管径较大，系统设计的流量也会加大，而且不能保证供水充足，影响灌水效率；采用轮灌，对各小区采用分组轮流供水的方式，使灌水时间和灌水量集中，减少了灌溉时间，提高了灌溉效率[9]。因此，灌区采用轮灌方式。

3.3 轮灌组的划分

轮灌组的数目根据水源流量和各级管道的经济管径、输水能力和作物的需水要求确定，同时使水源的水量与计划灌溉的面积相协调，一般可由公式[10]计算：

(13)

式中：N-轮灌组的数目；C-系统一天的运行小时数，19 h;T-灌水时间间隔(周期),16 d；t-一次灌水延续时间，21 h。

代入数据，得N=14；共需划分14个轮灌组。

因本项目地块之间高差较大，为了保证供水流量充足，要依照满足每个轮灌组的灌溉设计流量与上一级管道(主管)供给流量(43.8 m3·h-1)相适应的原则划分；为了保证出水流量均匀，要按照阀门供水压强相接近的原则划分。轮灌组的划分必须同时满足这两个条件。

表1 轮灌组划分表

4 管道防护措施

本项目出水口高程974.95 m，最高地块高程为959.67 m，最低地块为896.89 m，与出水口有78 m的高差，而且干管管道沿线坡度陡缓相间且不均匀，易引起管内流速的变化。在每次开闸放水时，管内气体来不及排出时，可引起管内气体堵塞，水流过小，严重时可能发生爆管；在每次关闭阀门时，由于落差过大，管道内水流急速流出后，前段管道内形成真空，若没有气体补充，就会被大气压压爆管壁。为了保证灌溉过程中管路安全，提高管道使用寿命，需要设置安全保护装置，并按规范操作。安全保护装置主要有进排气阀、减压阀、调压阀、镇墩、泄水阀，能起到防止管道内产生水锤、降低管内压强、保证出流均匀、抵消水流对管道竖向作用力与冲击、防止管道冻胀破坏的作用。

阀门的开启要避免急开急关，应缓慢启闭，延长启闭时间，避免产生直接水击[10]。要做好阀门的检修工作，及时更换损坏的阀门，在进入冬季前，应打开主管、干管的泄水阀，将管道内残留水放干，并关闭阀门井。

5 结论与讨论

经以上分析计算，该项目系统设计灌溉流量为43.8 m3·h-1，平均每亩种植果树40棵，每棵树灌溉流量60 L·h-1，一次性灌水时间为21 h，设计灌水周期为16 d，共分14个轮灌组，每组灌溉流量为15.06～39.84 m3·h-1，平均灌溉面积为0.8 hm2。

对于高差较大的地区，首先应根据水力计算，求得小区控制压强和流量后，再划分轮灌组。在水源供水流量稳定充足的情况下，灌区灌水方式为小管出流灌溉，选用的主管管径为110 mm，种植密度为600株每公顷，每株灌水量为60 L·h-1的灌区，每个轮灌组的设计面积不宜超过1.13 hm2。

在实际工程中，环状入渗沟底部通常开挖宽度为10 cm，断面为等腰梯形。对于树冠直径较小的果树幼苗，通常选用60 L·h-1规格的稳流器，可以满足灌溉需求。

参 考 文 献

[1]汪志农.农田水利学[M].北京：中国水利水电出版社,2010:133-154.

[2]杨素哲,沈菊艳,黄保全,等.果树涌泉灌溉方式的技术应用[J].农业工程学报,2005,21(S1):68-71.

[3]吴普特,朱德兰,汪有科.涌泉根灌技术研究与应用[J].排灌机械工程学报,2010,28(4):354-357.

[4]李大美.水力学[M].武汉：武汉大学出版社,2010:80-187.

[5]郑耀泉,刘婴谷.果园小管出流灌水技术[J].喷灌技术，1992(1):44-48.

[6]汪志农.灌溉排水工程学[M].北京：中国农业出版社,2010:80-187.

[7]水利部.微灌工程技术规范SL103-95[S].北京：中国水利水电出版社，1995:4-8.

[8]水利部.低压管道输水灌溉工程技术规范SL/T153-95[S].北京：中国水利水电出版社，1995:6-9.

[9]李中华,王树鹏，张云峰.高效节水灌溉工程优化设计要点[J].中国农村水利水电,2012(12):23-25.

[10]水利部,灌溉与排水工程设计规范GB50288-99[S].北京：中国计划出版社，1999:21-22.