黄土丘陵区高效节水灌溉技术研究

张 斌

(陕西省水工程勘察规划研究院，陕西 西安 710003)

以科学发展观为指导、 提高农业综合生产能力核心、 依据党的十八大确定的工业化、城镇化和农业现代化同步发展的总要求，按照《国家农业综合开发高标准农田建设项目建设标准》，立足于项目区资源和优势，进行水、林、田、路综合治理，开展高标准农田工程建设，稳步提高农业综合生产能力；统筹协调项目区高标准农田建设内容、相关措施及项目布局、使水源工程、灌区改造与田间水利设施、道路、林网建设项目相配套，水利措施与农业、林业、科技、良种等措施同步开展；支持生态综合治理，为生态文明建设提供绿色屏障，鼓励新型农业经营主体参与项目建设，促进土地适度规模经营，引导金融资金和社会资本投入，推动一二三产融合发展，逐步把高标准农田项目区建成国家粮食安全支撑区，现代农业的示范区，机制创新的样板区。

1 数据处理方法

1.1 灌溉制度设计

(1)设计净灌水定额m净

m净=1 000γsh(β1-β2)

(1)

式中：m净为设计净灌水定额，m3/hm2；γs为计划湿润层土壤干容重，KN/m3；h为土壤计划湿润层深度，m；β1为适宜土壤含水率上限(占干土重量的百分比)，%；β2为适宜土壤含水率下限(占干土重量的百分比)，%。

(2)灌水周期

根据灌水临界期内作物最大日需水量，按下式计算最大灌水周期：

Tmax=m净/Ea

(2)

式中：m净为设计净灌水定额，mm；Tmax为最大灌水周期，d；Ea为作物需水高峰期设计耗水强度，mm/d。

(3)设计灌水周期(T)

根据T≤Tmax。

1.2 设计流量

系统设计流量按下式计算确定：

(3)

式中：Q为灌溉系统设计流量(m3/h)；A为灌溉面积(m2)；为灌溉水利用系数；t为日工作小时数；T为一次灌水持续时间。

1.3 轮灌制度确定

轮灌组划分原则

(1)各轮灌组之间面积近似相等；

(2)轮灌区要集中连片，便于管理，减少劳动强度；

(3)注意村界、地界，尽可能的将一个村组划分在同一轮灌组。

1.4 管径计算

按下列公式计算管道直径：

(4)

式中：D为管道直径，mm；Q为设计流量，m3/s；v为管内流速，m/s。

1.5 管材选择

不同管道管材，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易等方面均不同。管材选用不当会造成事故或增加不必要的资金投入。因此，输水管材的选择对节省投资，方便施工及安全运行意义重大。

目前常用管材有：钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)、PE管、PVC-U管等。

1.6 水力计算

局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，管道的水头损失按下列公式计算：

h栓=hf+hj

(5)

(6)

hj=0.1hf

(7)

式中：h栓为给水栓水头损失，m；hf为给水栓沿程水头损失，m；hj为给水栓局部水头损失，取沿程损失的10%，m；Q为流量，m3/h；D为管道内径，mm；f为摩阻系数，f=0.948×105；L为管道长度，m。

2 实例应用

2.1 原始数据的准备

本次根据黄陵县店头镇辖区地下水资源等情况，拟对店头镇共计4 813亩农田实施高效节水。目前实施区域主要种植作物为玉米，结合当地已有的灌溉井出水量及地下水位埋深、水量及补给等条件，本次水源拟选择集水井作为实施高效节水的水源工程，布置集水井8座。

2.2 低压管道灌溉工程

典型设计工程位于黄陵县店头镇，规划水源为5号集水井，灌溉面积为600亩，工程区种植作物为玉米，水量及水质满足灌溉要求。

1)灌溉设计保证率为75%，灌溉水利用系数取0.85；

2)计划湿润层土壤干容重取13.5 KN/m3；土壤计划湿润层深度取0.42 m；适宜土壤含水率上限取田间持水率θ田=16%的90%；适宜土壤含水率下限取田间持水率θ田=16%的65%。经计算得：设计净灌水定额为15.1 m3/亩(22.7 mm)。

3)作物需水高峰期设计耗水强度取1.8 mm/d。经计算，最大灌水周期12.6 d，根据T≤Tmax，确定设计灌水周期为8 d。

4)设计灌溉面积为600亩(400 020 m2)，灌溉水利用系数取0.85，日工作小时数取18 h，根据灌溉制度确定一次灌水持续时间为8 d。经计算得：系统设计流量74.1 m3/h，取75 m3/h。

5)灌溉系统布置三级管道，即干管、分干管、支管。干管连接5号集水井布置，分干管垂直干管方向布置，支管垂直分干管方向布置，共布置1条干管，3条分干管，9条支管，41套给水栓。采用轮灌的灌水方式，为了便于管理，每次工作1～2条支管，一组灌溉完后再开下一组出水口灌溉。轮灌组可根据出水口数确定，系统出水口共有41个，确定为8个轮灌组，灌溉周期8 d小于最大灌溉周期 12.6 d，因此划分的8个轮灌组合理且满足灌溉需要。

6)不同管道管材，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易等方面均不同。管材选用不当会造成事故或增加不必要的资金投入。因此，输水管材的选择对节省投资，方便施工及安全运行意义重大。目前常用管材有：钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)、PE管、PVC-U管等。

(1)从管道的承压能力来看，钢管、球墨铸铁管的承压能力相对较好。

(2)从管道接口看，钢管采用焊接，球墨铸铁管为承插口连接、橡胶圈密封，PVC-U管可承插式柔性接口、也可插入式溶剂粘结接头或法兰接头等刚性接头。PE管应采用热熔连接、电熔连接和机械连接。

(3)从管道重量及施工方面看，球墨铸铁管最重，钢管重量居中，施工不便。PVC-U管、PE管最轻，施工方便。

(4)从耐腐蚀角度出发，钢管耐腐蚀最差，球墨铸铁管次之；PVC-U管、PE管耐腐蚀性能良好。

(5)从安全性及市场信誉度来说，钢管承压最高，适应性最广；PVC-U管、PE管耐压最低。

综合以上分析比较，为了保证输水安全、可靠性，参考其他已成工程，结合本工程地形相对简单、障碍物不多的地形状况管材选取时，需考虑不同地质条件、不同管径、不同水压等要求综合选取。本次设计推荐输水管道采用PVC-U管。

(6)给水栓设计流量取10/3 600 m3/s，支管设计流量取10/3 600 m3/s，分干管设计流量取37.5/3 600 m3/s、干管设计流量取75/3 600 m3/s；管内流速取1.0 m/s。经计算，干管选用dn200/0.6MPaPVC-U管(壁厚5.9 mm)，分干管选用dn110/0.6MPaPVC-U管(壁厚3.2 mm)，支管选用dn63/0.6MPaPVC-U管(壁厚2.0 mm)。

水力计算见表1～表4。

表2 1分干管水力计算表

表3 2分干管水力计算表

表4 3分干管水力计算表

3 结语

(1)针对项目区内部分群众仍然沿袭传统的大水漫灌、串灌等方法，加强灌溉设施配套，减少渗、漏、跑水现象，强化灌溉用水管理，推广节水灌溉技术，对更新农民的用水观念，科学用水是必然的选择。目前，项目区农业体系不断完善，经济作物比重也在增加，因此，发展实施高效节水灌溉十分必要。

(2)通过高效节水农田建设，将给有着五千年历史的古老农田注入新的活力，进一步提高农田灌溉建筑物的配套率，并通过与科学技术的有机结合，从而有效地改善农业生产条件，实现传统农业向现代农业的转变。