节水园区土地整理中的农田水利设计

王晗　贾亦真

摘要：以N市B节水园区土地整理为例，介绍了节水园区土地整理中的农田水利规划设计方法和相关水力计算，主要包括选定提水灌溉与管道灌溉结合的灌溉方式，沟道排水;确定微喷灌系统，进行高效节水灌溉工程的初步设计和相关水力计算。从而在土地整理中通过农田水利工程的建设提高土地利用效率和土地整理质量。

关键词：土地整理;微喷灌;节水园区

中图分类号：S277.7         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）11-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.030           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of irrigation and drainage engineering during land

consolidation in water-saving park

WANG Hana，JIA Yi-zhenb

（a.School of Public Administration;b.Business School，Hohai University，Nanjing 211100，China）

Abstract： With N city B water-saving park land consolidation as an example， this paper introduces the water-saving park in land consolidation planning and design method of irrigation and water conservancy and related hydraulic calculation， mainly including： the selected water irrigation and irrigation pipe irrigation methods， channel drainage; Determine the micro-sprinkler irrigation system， carry out the preliminary design and related hydraulic calculation of high efficiency and water saving irrigation project. In this way， land use efficiency and land consolidation quality can be improved through the construction of irrigation and water conservancy projects.

Key words： land consolidation; micro sprinkler irrigation; water-saving park

土地整理是随着社会经济发展，在一定的地域范围内，按照土地利用规划确定目标和用途，以达到提高土地利用率、改善生产生活条件等目的的过程。土地整理工程建设内容一般包括土地平整、农田水利、田间道路等工程建设[1]。农田水利工程是指在对旱、涝、洪、盐、渍、碱等地进行综合治理和水资源合理利用的原则下，对灌排渠系、蓄水池、水窖、坑塘、塘坝及其建筑物等进行的建设，是支撑农村和农业发展的基础设施[2]。同时，农田水利工程建设也是农业基础建设的重点。通过对N市B节水园区土地整理中的农田水利工程进行设计，并选定灌溉水源、设计微喷灌系统、排水系统以及相关水力计算，从而为研究区域土地整理效率的提高作出贡献。

1  项目概况

B节水园区位于N市L区B镇。节水园区设计总面积约48.79 km2。属亚热带季风气候，年平均气温15.5 ℃，年平均日照2 146 h。区域年平均降雨量1 070 mm，平均相对湿度79%。园区内地势西高东低，西部有部分丘陵，丘陵地区高程70.39 m，其余地区地势平坦，最低的汉湖高程32.11 m。建设前进行土地平整，可实现整体地势平坦。园区水域丰富，水源为H湖（中心湖）。其水量和水质均能满足园区灌溉的需求，规划种植大棚、温室作物及经济作物。

2  农田水利工程设计

2.1  灌溉水源

园区水源为H湖，供水量有保障，可不进行水量平衡计算。

2.2  微喷灌系统

2.2.1  微喷灌设计  以种植大棚作物番茄为规划建设，采用微喷灌灌溉技术。

1）技术参数。①设计耗水强度。根据《GBT 50485-2009微灌工程技术规范》[3]确定耗水强度为6 mm/d。②灌溉水利用系数？浊=？浊G·？浊p，式中，？浊为灌溉水利用系数;？浊G为管道系统水利用系数，取0.95;？浊p为田间喷洒水利用系数，取0.9，计算得出？浊=0.95×0.9=0.86。

2）微喷灌系统。对蔬菜、花卉大棚、温室试验地，采取微喷灌系统进行灌溉。①设计灌水定额。3月末至4月初为番茄的盛果期，需水量较大。m=0.001？酌Zp（？兹max-？兹min），式中，m为设计灌水定额，mm;Z为计划湿润层深度，35 cm;？酌为土壤干容重，1.47 g/cm;？兹max、？兹min分别为适宜土壤含水量的上、下限（占重量百分比，田间持水量22%）， 分别取90%、75%;p为设计土壤湿润比，90%。经计算可得m=15.28 mm。②灌水周期和灌水次数。设计灌水周期T=m/ETd，式中，T为设计灌水周期;ETd为作物日蒸腾量，取设计代表年灌水高峰期平均值，6 mm/d。经计算，设计灌水周期为3 d（取整数）。③设计日灌水时间。根据GB/T 50485-2009，对于固定管道式喷灌系统，设计日灌水时间为12～20 h。④一次灌水延续时间。t=，式中，t为一次灌水延续时间，h;m为设计灌水定额，15.28 mm;Se为灌水器间距，2 m;Sl為毛管间距，2 m;Qp为微喷头流量，75 L/h。经计算，一个工作位置的灌水时间为0.95 h，取1 h。⑤轮灌组数N最大=，式中，N最大为允许的最大轮灌组数目;C为水泵1 d运行的时间，一般为12～20 h，取设计日灌水延续时间12 h;T=3 d;t=1 h。计算可知，系统允许的最大轮灌组数为N最大=36个。轮灌组划分：大棚总数为56个，每2个大棚为一个轮灌组，则轮灌组数为56÷2=28个。

3）喷头选型及组合间距设计。①喷头选型。微喷头具有体积小、压力低、射程短、雾化好等特点。该方案选择上海爱润折射式微喷头（地插式L224黄色喷嘴）。流量为75 L/h，射程为1.2 m，工作压力为0.3 MPa。②间距。根据番茄畦宽1 m，株距30 cm，行距40 cm，毛管间距和灌水器间距均确定为2 m。

4）设计参数。①允许流量偏差率。根据GB/T 50485-2009，微灌系统灌水小区灌水器设计允许流量偏差率应满足[qv]≤20%。②支、毛管水头差分配。当灌水器设计允许流量偏差率为20%时，灌水小区的允许水头差为：hmax=ha（1+0.65qv）1/x，hmin=ha（1-0.35qv）1/x，[Δh]=hmax-hmin，式中，hmax为灌水器的最大水头，m;hmin为灌水器的最小水头，m;qv为灌水小区流量偏差率，取20%;ha为灌水器的设计水头，30 m;x为灌水器的流态指数，为0.5。经计算可得hmax=38.3 m、hmin=25.95 m、[Δh]=12.35 m。根据支、毛管水头差分配比：[Δh]毛=0.55[Δh]，[Δh]支=0.45[Δh]，式中，[Δh]毛为灌水小区中毛管允许的最大水头差，m;[Δh]支为灌水小区中支管允许的最大水头差，m。经计算可得[Δh]毛=6.79 m;[Δh]支=5.56 m。③毛管极限长度。L毛=S×INF，式中，L毛为毛管极限长度，m;qa为灌水器的设计流量，75 L/h;S为微喷头间距，2 m;d为毛管内径，假设为15 mm;R为毛管局部水头损失扩大系数，取1.1。经计算毛管极限长度L毛=52 m。

5）微灌系统水力计算。①管道沿程水头损失。微灌管网中水流呈光滑紊流，采用下式进行计算：[Δh]毛=R×8.4×104LF，式中，[Δh]毛为毛管水头损失，m;Q为流量，m3/h;D為管道内径，mm;L为管道实际铺设长度，49 m;F为多口系数，查表可得0.374[4]。单根毛管流量为25×75/1 000=1.87 m3/h，根据经验公式计算得毛管直径为17.68 mm，选取20 mm PE管[5]。计算可得毛管水头损失为4.17 m。则毛管进口水头为4.17+25.95=30.12 m。②实际分配给支管的水头差。Δh支实际=[Δh]-h毛实际，式中，Δh支实际为支管实际水头差，m;[Δh]为灌水小区允许的最大水头差，m;h毛实际为毛管实际水头差，m。经计算可得Δh支实际=5.56-4.17=1.39 m。③支管流量及进口水头。按下式进行计算：Q=∑qi，式中，Q为管道设计流量，L/h;qi为微喷头平均流量，75 L/h;n为同时工作的微喷头个数。其中，一根支管上共控制10条毛管，每条毛管上25个灌水器。经计算可得Q支=10×25×75÷1 000=18.75 m3/h。④支管管径。按下式进行计算：D=13，式中，D为管道内径，mm;Q为设计流量，18.75 m3/h。经计算可得D=56.3 mm。可选取直径为？准63的PE管。⑤支管出口水头。为简化计算，采取加大系数法，在计算沿程水头损失时将局部水头损失包含在内。按下公式计算：hf=F×R×f×Qm×L/Db，式中，F为多口系数，查表为0.400;R为水头损失扩大系数，取1.1;f为摩擦系数，塑料管为0.948×105;L为管道长度，10 m;D为管道内径，63 mm;Q为流量，18.75 m3/h;m为流量指数，1.75;b为管径指数，4.77。经计算可得水头损失为0.25 m，小于1.39 m，满足要求。支管进口水头=30.12+0.25=30.37 m。⑥分干管管径。分干管上控制4根微灌支管，可得流量为4×18.75=75 m3/h，计算得直径为112.6 mm，选取管径为160 mm的PE管。⑦干管水头。分干管长度为730 m，干管长度100 m。采取同上的计算方法得到干管、分干管水头损失分别为26.18、5.05 m。可得干管进口水头为30.37+26.18+5.05=61.6 m。

6）水泵选型。将首部枢纽的水头损失定为10 m，水泵扬程应为H=61.6+10=71.6 m。选用SH200S-95A型号水泵。性能参数见表1。

7）灌溉制度拟定。①毛管布置。毛管布置的极限长度为52 m，实际毛管长度为49 m，间距为2 m、微喷头的间距为2 m。一根毛管上布置25个微喷头。典型区的大棚选取100 m×10 m，东西方向间距为0.5 m，南北方向为0.7 m。大棚数量为56个。每座大棚从中部向两侧布置，每侧布置5根，即一座大棚里共10根毛管，250个微喷头。②干、支管布置。分干管由球阀向支管实现供水，支管垂直分干管布置，每座大棚里中部布置一根支管，向两侧毛管供水。

2.2.2  排水系统设计  各级排水沟道布置在各自控制位置的最低处，尽量做到高水高排、低水低排、自排为主、抽排为辅，同时与灌溉系统相适应，加强灌排管理[6]。

1）设计标准。根据中国目前各地区采用的除涝设计标准，该地区除涝标准为日雨量150～200 mm，采用日暴雨量200 mm，2 d排出，即雨后1 d排出[7]。根据园区的土质情况，设计排渍模数为Q渍=0.03 m3/（s·km2）。

2）排涝流量。按下列公式进行计算：Q排涝=，q排涝。

对于水田：R=P-h田蓄-E;对于旱田：R=？琢P，式中，Q排涝为设计排涝流量，m3/s;q排涝为设计排涝模数，m3/（s·km2）;R为设计径流深，mm;F为灌区总面积，km2;T为排水天数，d;t为每天排水持续时间，h;E为历时为t的水田田间腾发量，mm;？琢为旱地径流系数，取0.55。其中：R水田=P-h田蓄-e水田T，式中，h田蓄为水田蓄水能力;e水田为水田日耗水量。①设计排涝模数。R=0.55×200=110 mm。q旱田=0.64 m3/（s·km2）。②建设用地设计排涝模数。建筑用地产流系数为0.85，则R=0.85×200=170 mm。q建筑 m3/（s·km2）。③设计排涝流量。水田面积47 315 m2（占总面积9.5%），旱田面积313 529 m2（占总面积62.7%），其他用地面积约139 156 m2（占总面积27.8%），总排水面积约为500 000 m2。综合排涝模数q排涝为1.61 m3/（s·km2），干沟设计排涝流量Q排涝为0.805 m3/s。④设计排渍流量。Q排渍为0.015 m3/s。

2.2.3  沟道横断面设计

1）干沟横断面设计。平原地区沟道比降范围为：干沟1/6 000～1/20 000，支沟1/4 000～1/10 000，斗沟1/2 000～1/5 000。拟设计干沟取断面坡降i=1/6 000，边坡系数m=2，糙率n=0.025，底宽b=1.2 m。采用当地天然土质、块石材料，沟口横断面为梯形断面，求得對应于排渍和排涝流量的水深（表2）。壤土与黏土的不冲流速为0.7～1.0 m/s，通常要求小型沟道的平均流速不小于0.3 m/s，因此均满足流速的设计要求。安全高度，对于小型排水系统一般取0.2～0.3 m，干沟挖深1.0 m。

2）支沟横断面设计。选取支沟3为典型，其控制面积为0.19 km2，q排涝=1.61 m3/（s·km2），Q排涝==q排涝F=1.61×0.19=0.31 m3/s;Q排渍=0.03×0.19=0.005 7 m3/s。

拟设计支沟断面坡降i=1/4 000，边坡系数m=1，糙率n=0.025，底宽b=0.5 m。采用当地天然土质、块石材料，沟口横断面为梯形断面。求得对应于排渍和排涝流量的水深，计算结果见表3。壤土与黏土的不冲流速为0.7～1.0 m/s，通常要求小型沟道的平均流速不小于0.3 m/s，因此均满足流速的设计要求。安全高度，对于小型排水系统一般取0.2～0.3 m，支沟挖深0.8 m。

2.2.4  农沟的沟深与沟长  园区土质介于壤土与黏土之间，根据作物地下水埋深、园区土质、排水农沟边坡稳定条件考虑，排水农沟的沟深为1.0～1.5 m，排水农沟间距为50 m。排水农沟长度取与末级灌溉管道的长度相等，力求布置相互适应。

3  结论

园区选用SH200S-95A型号水泵从中心湖取水。分干管为管径160 mm的PE管，每根分干管控制4根微灌支管。毛管布置的长度为49 m，间距为2 m。微喷头的间距为2 m，一根毛管上布置25个微喷头。每座大棚从中部向两侧布置，每侧布置5根。排水沟分干沟、支沟、农沟，符合排水要求。结合土地整理，讨论设计了节水园区土地整理中的农田水利工程和相关水力计算。

土地整理可有效地推动节水区农业规模化经营，在土地整理过程中通过与高效节水灌溉工程的结合，能够极大地提高当地的土地利用效率和水资源利用率。尤其是在中国人多地少、水资源缺乏的情况下，在土地整理中发展高效节水项目，合理规划农田水利、优化灌溉方式，对社会经济发展和生态保护都有着重要的利用价值。

参考文献：

[1] 康  静.农田水利工程在土地整理项目中的作用[J].水科学与工程技术，2008（4）：66-67.

[2] 牛传军.土地整理项目设计方案优化分析[D].北京：北京林业大学，2007.

[3] GB/T 50485-2009，微灌工程技术规范[S].

[4] 瞿树东，杨宏敷.灌溉支管的多口修正系数[J].喷灌技术，1981（2）：49-51.

[5] CJJ101-2004/J362-2004，埋地聚乙烯给水管道工程技术规程[S].

[6] GB50288-99，灌溉与排水工程设计规范[S].

[7] GB/T 30600-2014，高标准农田建设通则[S].