农田水利工程中高效节水灌溉发展思路初探

陈 晨

（榆阳区佳芦河世行贷款项目办公室，陕西 榆林 719000）

1 项目区概况

榆林市榆阳区2015 度小型农田水利重点县项目区总土地面积68.45 万亩，位于榆阳区北部风沙草滩区，地貌类型以半月形固定、半固定沙丘为主，期间分布有大小滩地，经过多年改良，形成5.52 万亩耕地。涉及马合镇、小纪汗镇、孟家湾乡、小壕兔乡、巴拉素镇、红石桥乡共6 个乡镇、15 个行政村。

区内耕地属于纯井灌区，主要依靠机井和多管井进行灌溉。现有灌溉水源井264 眼。其中，机井50 眼、多管井214 眼，年供水总能力849.07 万m3，耕地灌溉以砂质渠道和低标准浆砌砖渠道为主。由于田间渠道衬砌率不足50%，大田以漫灌为主，灌溉水利用系数仅为0.55，灌溉水利用率极低，造成水资源的极大浪费。另外多年来由于岁修资金投入不足和管理落后，现灌溉水源井中有214 眼多管井抽水设备破损严重，严重制约了当地农业经济的发展。

2 农田水利工程中高效节水灌溉改造方法

为改善现有的农业生产条件，提高农业综合生产能力，项目区进行节水增效工程改造。规划改善灌溉面积2.48 万亩，灌溉方式为低压管道输水灌溉和机组式喷灌，灌水定额均为30 m3/亩，灌水周期为7 天一次。其中，低压管道输水灌溉面积1.87 万亩，机组式喷灌面积0.61 万亩。按灌溉形式不同选取典型地块进行设计。

2.1 低压管道输水灌溉工程设计

低压管道输水灌溉工程选择小纪汗镇大纪汗村片区进行设计,面积0.52 万亩，以大纪汗村3 组4 号多管井为计算单元，计算单元灌溉水源为18 束吸水管6 吋多管井，井深18 m，出水量为60 m3/h。控制灌溉面积133.21 亩。

2.1.1 灌溉流量

单井控制灌溉面积按式（1）计算。

式中：F0为单井控制灌溉面积，亩；Q 为单井出水量，取60 m3/h；T 为轮灌一次所需要的时间，取7 d；t 为一灌溉期每天开机时间，取 14 h/d；η 为灌溉水利用系数 0.80；η1为干扰抽水的水量削减系数0.1；m 为净灌水定额，取30 m3/亩。

经计算：F0=141.12 亩。项目区计算单元有现状多管井1眼，满足该输水灌溉系统的灌溉要求。由以上计算可知，水源井出水量可以满足灌溉用水需求，此井灌区低压管道输水灌溉系统根据多管井自成系统。

2.1.2 供水管网布设

每眼多管井都配有1 套完整的提水装置和输配水管网，灌溉季节各多管井独立工作。由于项目区耕地畦块面积较小、畦长较短，低压输水管道只设有干管1 级系统，呈“工”字形布设，不设支管，输水干管间隔20 m 布设1 个出水栓，共布设出水栓32 个。灌溉时一般采用集中轮灌，从多管井取水，，通过暗管输水至田间出水栓后进行灌溉，每次只打开1 个出水栓进行灌溉。为了便于管理检修，多管井出水管与输水暗管连接处、管道分支处均设控制阀井。

管道选用PVC 管材，根据水源井的出流量，初步拟定管道流速为1.1 m/s，采用式（2）计算初选管径。

式中：d 为管道内径，mm；Q 气温设计流量，取 60 m3/h；v 气温管内设计流速，取1.1 m/s。

经计算，取外径160 mm 的PVC 管，壁厚4 mm。但是考虑到项目区为砂质土壤，土体承压能力较差，为防止农业耕作机械行走或意外性地面承压对输水管道的破坏，此次设计对PVC管材公称压力提高1 个等级配置，最终确定Φ160 PVC 管材公称压力值为0.6 MPa。

2.1.3 机泵的确定

灌溉系统水泵的设计扬程，按照式（3）计算。

式中：Hp为灌溉系统水泵的设计扬程，m；H0为管道系统设计工作水头，为输水管水头损失和最后一个出水栓的工作水头1.00 m的之和（田间高差为 0），即 H0=h损+h出=1.74 m+1.00 m=2.74 m；Z0为管道系统进口高程，为1173.05 m；Zd为机井动水位，为1158.47m；Σhf,0为水泵吸水管进口至管道系统进口之间的沿程水头损失，多管井使用离心泵抽水，故沿程水头损失忽略不计；Σhj,0为水泵吸水管进口至管道系统进口之间的局部水头损失，多管井使用离心泵抽水，所以沿程水头损失忽略不计。

经计算，水泵设计总扬程Hp=17.32 m。故确定水泵型号为BJ50 型，扬程18 m，配套动力机功率为7.5 kW。

2.2 机组式喷灌工程设计

选择红石桥乡马路湾片区为典型进行设计。面积0.23 万亩，灌溉水源为机井，共5 眼，井深120 m，出水量为32 m3/h。最不利管线（水源井向蓄水池输水管线长252 m）的水源井地面高程为1170.69 m、静水位高程为1149.61 m、动水位高程为1139.81 m。

选择马路湾村1 号喷灌机（R=350 m）为计算单元，喷灌机覆盖半径350 m，一个工作圆周灌溉面积577 亩。灌溉工作时，由操作人按照喷灌机操作规程在控制器面板中输入灌水定额值后，喷灌机自动工作，在7 天灌水周期内完成覆盖面积内喷洒灌溉。

2.2.1 输水管网布设

根据灌溉面积需求，1 台喷灌机由5 眼水源井供水。沿喷灌机四周辐射状布设4 眼机井，中心布设1 眼，通过井用潜水泵出口后输水管道向中心调节蓄水池供水。井用潜水泵出水口后采用长度80 m 的DN80 mm 钢管作为提水管（方便固定井用潜水泵），出井口后至蓄水池间的输水管选用PVC管材。

根据水源井的出流量，初步拟定出井口后至蓄水池间的PVC 输水管管道流速为1.25 m/s，采用式（2）计算初选管径。其中：Q=32 m3/h，v=1.25 m/s。经计算，取外径 110 mm 的 PVC 管。本机组共布设5 条PVC 管，长度分别为25 m、205 m、222 m、238 m、252 m。并考虑到项目区为砂质土壤，土体承压能力较差，为了防止农业耕作机械行走或意外性地面承压对输水管道的破坏，最终确定φ110 PVC 管材公称压力值为0.32 MPa，壁厚2.7 mm。

2.2.2 水源井水泵的确定

水源井水泵的扬程，按照式（3）计算。其中：输水管水头损失和水泵降深30.00 m、管道出水口工作水头1.00 m 的之和（地面高差为0），故H0=33.83 m；Z0=1170.69 m；Zd=1109.80 m；Σhf,0=7.13 m；Σhj,0=0.71 m。经计算，水泵设计总扬程Hp=102.56 m。故水泵选型为200QJ32-104，扬程104 m，配套电机功率为15 kW。本典型设计单元共配置200QJ32-104 水泵5台，每眼水源井1 台。

2.2.3 中心调节蓄水池的确定

（1）容积计算

采用5 眼井（4 眼工作，1 眼备用）联合作为一台喷灌机的水源，选取的E2045-G（R350）中心支轴式圆形电动喷灌机，额定流量为135 m3/h，日喷灌时间为18 h，则日需水量为2520 m3。并在蓄水池潜水泵后管道上安装120 目钢制网式过滤器1 台，提高喷灌机水质，防止喷灌机喷头堵塞。

由于水源的最小日来水量能满足喷灌机最大用水量，而来水流量小于用水流量，所以按日调节确定蓄水容积，根据下式计算：

式中：V 为调节蓄水池容积，m3；Q用为作物需水临界期用水量，为135 m3/h；Q来为水泵给水量，为128 m3/h；t 为作物需水临界期日喷灌时间，最小取18 h；K 为安全系数，考虑蓄水时因蒸发和渗漏的损失，取1.15。

经计算，V=145（m3/h）。因此调节蓄水池的容积取150 m3。

（2）结构

每台喷灌机配备1 座圆形断面蓄水池，容积150 m3，池深3.5 m，直径7.8 m，C20 钢筋混凝土现浇，底板厚25 cm，壁厚25 cm，水坠砂基础，上垫碎石厚50 cm，压实系数达到0.97，灰土层上浇筑10 cm 厚C15 混凝土垫层，双层网状配筋。

3 榆阳区2015 度小型农田水利重点县项目区改造结果

（1）项目区前期典型地块的设计实验为后续项目的全面成功改造奠定了基础。整个改造工程历时（2016 年3 月～2016 年7 月）5 个月。

（2）改造多管井214 眼，田间出水栓5699 个、蓄水池 11座、潜水泵11 台、中心支轴圆形喷灌机11 台（单台控制灌溉面积 92 亩 ～891 亩）。

（3）项目区未改造前（2014 年）供水能力为 849.07 万 m3，农业灌溉和居民生活用水需水总量844.58 万m3，富余量4.50 万m3。改造后农业灌溉和居民生活用水需水总量403.94 万m3，富余量445.13 万m3，完全满足项目区农业灌溉用水需求。项目实施后，年可节约水资源440.63 万m3，灌溉水利用系数由0.65 提高到0.8。

4 结论

现代农业是农业发展的必然。榆林市榆阳区通过发展高效节水灌溉项目，必将推动全区农业现代化进程，对加快农业发展，促进全区农业再上一个新台阶起到重要作用，对从传统农业向现代农业转变，具有十分重要的意义。