山东丘陵区节水灌溉工程优化研究——以蓬莱市林格庄为例

邵振鲁,蔡晓,王帅,姬新建,王春堂*



山东丘陵区节水灌溉工程优化研究——以蓬莱市林格庄为例

邵振鲁1,蔡晓1,王帅2,姬新建3,王春堂1*

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 临沂市水利局, 山东 临沂 276001 3. 滨州市滨城区公路管理局, 山东 滨州 256613

我国北方地区水资源匮乏，严重限制了当地的经济发展。本文以具体地区山东省蓬莱市林格庄为例，结合当地作物类型、现场地形等条件，进行节水灌溉工程优化设计研究，探寻适宜当地作物的节水灌溉方式，并给出最佳蓄水池的布设方案，包括蓄水池的构筑位置、构建规模以及配套管线等方面。研究结果表明，节水灌溉工程的优化设计可以极大程度上缓解当地用水紧张现状，对当地的经济产生积极的推动作用。

丘陵区; 村庄; 节水灌溉; 优化设计

我国水资源严重匮乏，且浪费严重，人均占有量少，时空分布不均[1]。研究发现，我国近74.2%的省级单位水资源可持续利用能力欠佳，且由于沿海城市经济增长转向第二、第三产业，使得水资源在农业生产中的分配较少[2]。在我国北方的部分区域，水资源已成为限制当地经济发展的严重阻力。在农田果树灌溉等方面常出现用水难问题，对作物产量产生了严重影响，进而对农民的经济收入造成损失。近年来，随着人口增加、气候的变换以及耕地面积的不断增加，人们对用水量的需求与日俱增，对灌溉水量的需求与降雨量不足之间的矛盾日益尖锐。面对我国如此严重的水资源形式，节约利用水资源，完善节约型农作机制十分重要，而工程技术是其重要组成部分[3]。

山东省蓬莱市是我国北方重要的粮食、果蔬产地，属于典型的低山丘陵区，灌溉条件直接影响作物和果蔬产量。山东省作为我国的农业大省，虽已积极建设了一批高效节水灌溉工程，在农田、果园灌溉方面发挥了巨大的作用，但仍存在节水灌溉工程数量不足、推广力度小、局限于经济作物、因地制宜性差等问题[4,5]。基于以上提到的情况，我们选取蓬莱市林格庄进行节水灌溉工程优化设计研究，提出在该地区设置蓄水池的优化设计方案。蓄水池设计包括对蓄水池的构筑位置、构建规模以及配套管线等方面。结合当地作物类型、现场地形以及投资估算等，对喷灌、波涌灌、小管出流等灌溉节水方式进行比对，选出最适合当地的节水灌溉方式。通过这一优化设计，不仅缓解了当地用水紧张的现状，更对当地的经济增长产生积极作用。

1 研究区概况

山东省蓬莱市地处胶东半岛北端，濒临渤、黄二海，为典型的低山丘陵地貌，属暖温带季风区大陆性气候，年平均气温11.7 ℃，年平均降水量664 mm，无霜期平均206 d，盛产优质苹果，是全国花生生产基地之一。蓬莱市林格庄研究区原来含有333335 m2责任田，仍种植农作物（小麦、玉米），在山顶新开辟80000 m2种植经济作物（苹果）。

2 灌区水资源利用量分析

2.1 需水量分析

夏玉米需水强度随着生育期的延长呈抛物线形状[6]，为满足夏玉米需水要求，全生育期平均灌溉需水量为228 mm[7]，拔节-抽穗期和灌浆-成熟期两个阶段需水量较高，抽穗-灌浆期具有最高的平均日需水量，且对水分的敏感程度最高[8]。华北地区夏玉米播前（６月上旬）、拔节期（７月上中旬）气温高，干旱缺水，需要及时灌水[8]；而拔节至抽穗期（7月下旬至8月上旬），一般年份为雨季，降雨量较多，降雨次数频繁，人工灌溉规模较小。

小麦不同生育时期耗水量差异比较大，为满足冬小麦需水要求，全生育期平均灌溉需水量515 mm[9]，拔节期至成熟期是北方冬小麦区耗水最多的阶段，历时约占全生育期的1/3，但耗水量占总耗水量的65%左右[10,11]。冬小麦的生长季节比较干旱，总降水量少，除被冠层截留的降水量以外，少部分降水进入上部土壤层，大部分被蒸发，成为无效降水[11]。

苹果的耗水量与产量的关系成抛物线关系，根据当地气候和土壤条件和《山东省主要农作物灌溉定额》标准，苹果的灌溉定额控制在0.45~0.60 m3/m2即可。

2.2 节水灌溉技术选择

2.2.1 农作物节水灌溉研究区农作物原有灌溉方式为传统的漫灌，灌溉时任水顺坡漫流，有浇地不匀、消耗地力、浪费水量及抬高地下水位、易使土壤盐碱化和沼泽化等缺点。

喷灌是一种新兴的灌溉技术，虽然喷灌有省水、省地、提高产品质量的优点，但由于投资大、运行费用高、管理水平要求高等缺点，不适应当前种植规模较小的户包农业生产责任制的需要，难以按市场机制运作。以两种喷灌形式为例：固定管道式喷灌系统，设备利用率低，影响田间其他机械作业；半固定和移动管道式喷灌系统，喷灌设备的拆移安装，尤其是在种植高秆作物的田间或灌后拆移安装，劳动强度并不低，未必省工，还可能损坏农作物。

研究区土壤质地为中壤土，波涌灌溉方式较为适合[12,13]。波涌灌溉是一种先进的地面灌溉方式，其具有节水、节能、保肥、省工、灌水质量高等优点[13]，很好的解决了传统地面灌溉方式中灌水均匀度差、田间深层渗漏等问题。波涌灌溉利用间歇阀向畦（沟）间歇供水，灌溉水流间歇性地，使得畦（沟）中产生波涌，水流的推进速度加快，畦（沟）首尾受水时间差缩短，田间土壤得以均匀湿润[14]，有别于传统灌溉中一次性使灌溉水流推进到沟的尾部的方式。波涌灌溉中每一畦（沟）的灌水过程由多次灌水组成，包括多次起涨和落干，此过程中水流的平整作用使得土壤表面形成致密层，有效减小了水分入渗率和面糙率，使得灌溉水流再次经过已灌溉过的田面时，推进速度和长度均有显著增加。研究表明，较相同条件下的传统地面连续灌溉方式，波涌灌节水10~40%，灌水均度提高10~15%，灌水效率提高20~40%，总供水推进速度提高9~22%，灌水定额减少8.3~18.3%[12]。

2.2.2 果树节水灌溉小管出流灌溉是经由灌溉管网将水逐级输送至微管，将水直达根部进行精准灌溉的技术[15]。由于其适应性强，对地形、土壤、果树种类要求较低，操作简单，管理方便，特别适合本项目区苹果树的灌溉[14]。小管出流灌溉主要针对果树和花卉灌溉，可以有效解决传统灌溉和微灌方式中灌水器易于堵塞和出流量小等问题[15]，其具有节水效益明显、不易堵塞、省时省工、水肥一体化等优点。经测算，较传统地面灌溉方式，小管出流灌溉技术可以节水30~60%左右，节肥30%左右，节省人工50%~60%左右，增产15.5%~37.5%左右，且有利于提升果品质量[14-16]。

3 作物灌水定额和蓄水池设计

3.1 农作物灌水定额

研究区为小麦-玉米轮作，小麦需水量相比玉米多，且玉米生长期正逢雨季，适时灌水即可满足。所以我们设计农作物灌水定额时以满足小麦日需水量最高的灌浆期作为设计标准。灌水定额为：

式中：—设计灌水定额，mm；max、min—适宜土壤含水率上、下限，%；—计划湿润土层深度，m；—土壤干容重，g/cm3；—田间持水率，%；水—水的容重，g/cm3。

当地土壤干容重1.3 g/cm3，田间持水率25%，灌溉时计划土壤湿润层深度取50 cm，适宜土壤含水率上、下限max、min分别取田间持水率的95％、65％，经计算，=0.1×(95-65)×0.5×1.3×25/1＝48.75 mm，折合约0.0487 m3/m2。

3.2 经济作物灌水定额和蓄水池设计

研究区苹果树种植区域面积为80000 m2，土壤质地为中壤土，土壤容重为1.3 g/cm3，田间持水率为25%，灌溉水源来自蓄水池。参考当地苹果树种植资料，结合苹果树高峰期日耗水量，设计湿润土层深度取0.4 m，适宜土壤含水量上、下限分别取田间持水率的95％、65％，根据（1）式，计算所得灌水定额39 mm，即0.0390 m3/m2，则蓄水池容积为120×26=3120 m3。

原农作物种植区域周围四座山体山顶相对平缓区域种植苹果树，由于蓄水池建设主要满足经济作物需水要求，根据苹果树种植位置，蓄水池建设选址在山顶。各山体山顶之间高程不一，若仅在最高位置建设一座大型蓄水池，不仅难度较大，而且势必会造成不必要的能量浪费，考虑技术与经济等方面的因素，在临近果树种植区域分别建设蓄水池（共四座），根据果树种植面积的不同，蓄水池有1500 m³（一座）、500 m³（三座）两种类型。

4 工程布设

灌溉工程的布置原则是，依据地形、地势、道路等情况布置管道系统，使管线最短，控制面积最大，管理方便，输配水管道尽可能沿地势较高的位置布设，支管垂直于等高线布置，方便浇地、节水。管道输水包括干管和支管两级固定输水管道及配套设施，管道过沥青（砼路）为路面下穿钢管或混凝土管，过一般土生产路，管道采用直埋式，埋深不小于0.5 m。管道应布置在坚实的地基上，避开填方区和可能产生滑坡或受山洪威胁的地带。田间固定管道长度取0.0112 m/m2，支管间距采用100~150 m。单个给水栓控制灌溉面积为6000 m2，给水栓间距小于100 m。单个给水栓的流量应满足灌水沟畦与格田对入沟或单宽流量的要求。然后根据图纸要求进行管槽开挖，管槽深度不能小于0.6 m，并应在冻土层以下。

主要建设内容见图1和表1所示，具体如下：

（1）水源工程：1500 m³蓄水池一座，500 m³蓄水池三座（图1中绿色部分）。

（2）泵房工程：泵房一座，泵型为XA50/26B与DG25-30X5两种（图1中红色部分）。

（3）管道工程：农作物灌溉管道一套，控制灌溉面积333335 m2，铺设DN125 PVC管2678 m，DN80 PVC管495 m，DN65 PVC管509 m，共计3682 m。经济作物灌溉管道一套，控制灌溉面积约100000 m2，铺设DN125 PVC管801 m。（图1中蓝色部分）

图 1 项目整体布置图

表 1 工作制度及轮灌区划分

5 结论

本文通过对研究区种植作物和果树的需水量进行研究，优选节水灌溉方式，并给出了具体的工程布设方案。研究区节水灌溉的实施可以很好的解决当地农业用水紧张的现状，长远的看可以改善研究区生产、生活环境，有利于形成良好的生态环境，进一步促进项目区经济发展与社会繁荣。节水灌溉工程优化使得水资源得以充分利用，整体水环境得到改善，提高水资源承载力，促进水的可持续利用；并可以大大改善流域内的生态环境，有利于农作物和林木生长，增加地表植被，促进人与自然协调发展。

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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

山东省科技发展计划项目(2014gnc112005)

邵振鲁(1995-),男,硕士研究生,主要进行给排水方面研究. E-mail:1982635855@qq.com

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