坡耕地喷灌工程技术应用及要点分析

王 维

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司云南分院，昆明 650000）

1 工程概况

永善县2019年度高标准农田建设项目位于云南省昭通市永善县溪洛渡镇、莲峰镇、伍寨乡、青胜乡4个乡镇，涉及耕地面积1146.67hm2，主要建设内容涉及水利工程、农业工程和交通工程。其中水利工程建设 规 模 总 计720hm2（ 滴 灌53.33hm2、 管 道 灌406.67hm2、喷灌260hm2）。

水利工程主要分布于金沙江右岸坡耕地上，本文选取溪洛渡镇水田村花坪子片区5#喷灌系统对坡耕地喷灌工程设计过程进行论述，鉴于篇幅所限，本文仅对选取地块内部进行设计，外部水源工程、管网工程等不再累述。

花坪子5#系统位于金沙江右岸， 地块面积24.83hm2，现状为坡耕地，呈单面坡，坡度25°～37°，土壤类型为沙壤土， 保水性较差， 土层厚0.3～0.8m不等，种植作物为柑橘，设计耗水强度2.32mm/d。

项目区海拔高程390～557m， 地处金沙江河谷，日照时间长，气温高，湿度小，属于中亚热带湿润气候区，但由于降雨量时空分布不均，干、雨季分明，在每年的春、冬季节，空气干燥，雨量少。

2 工程设计

2.1 灌溉方式选择

花坪子5#系统种植作物为柑橘，株距2.5m，行距3.5m，株高2.0m，结合作物生长特点，适用的高效节水微灌型式有树下滴灌、喷灌、微喷灌等。 不同灌溉方式的适用条件、灌溉效果略有差异，针对本次选择花坪子5#系统地块，不同灌溉方式优缺点论述如下：

滴灌：滴灌管沿果树一周布置，滴灌管上布置3～5个滴孔。

花坪子5#系统土层较薄且为沙壤土，滴灌灌水强度较小，侧向入渗较弱，不利于作物根系吸收及根系生长。

喷灌：喷头高出果树0.3～0.5m，喷头射程20～30m采用全圆或扇形喷灌。

花坪子5#系统位于金沙江右岸山地，地形坡度较大，属河谷气候，风速较大，对灌溉均匀度影响较大。同时受地形坡度影响，灌溉均匀度难以控制。

微喷灌：喷头布置于果树下，一棵果树布置2～3个微喷头。

树下微喷灌喷头喷洒半径1.5～2m， 一棵果树布置2～3个微喷头，喷头间距可根据果树生长冠幅大小随时调整。 微喷灌对地形、土壤适应性好，灌水均匀度高，适用性最强，是本片区最优的灌溉方式。

柑橘易滋生红蜘蛛病虫害的特点， 而淋洗是防治红蜘蛛最有效、最环保的方式。虽项目区风速较大、地形落差大，喷灌灌水均匀度难以控制，但均不是主要控制因素，经综合考虑，本次灌溉方式选择喷灌。

2.2 管材选择

本次工程为农业供水工程，单个水源水量较少，覆盖面积较小，因此，管径较小，一般在DN300及以下，常用供水管材主要有PE管、PVC管、钢管等。 由于本次工程地形坡度较大，地面起伏变化较大，而PVC管偏硬，脆性大，适应地形变化较差，钢管造价相对较高，因此，本次设计推荐采用PE管。

2.3 灌水器选择

目前市面上各种型号的喷头琳琅满目， 出水流量、适用压力范围、射程不尽相同，单价从一元至几百元不等，但适用于果树、技术较为成熟，曾被大规模推广使用的产品并不多。

PY2型金属摇臂式喷头系列是由原江苏工学院于1988年牵头研制的，曾经大规模推广使用，效果较好。 在本次项目区附近已建有30PY2-2H-27°型金属摇臂式喷头成功的工程案例，灌溉效果较好，其参数如表1。

表1 30PY2-2H-27°金属摇臂式喷头性能参数

30PY2-2H-27°金属摇臂式喷头进水口公称直径为30mm， 设有主、 副喷嘴两个， 其中主喷嘴口径9mm，流量5m3/h ，副喷嘴口径4mm，流量0.08m3/h（工作压力为300kPa时参数），设有换向机构、折流器，可实现全圆、半圆及扇形喷洒，喷嘴仰角27°，雾化指数3333，满足GB/T50085—2007《喷灌工程设计规范》规定的果树适宜雾化指标3000～4000要求，因此，本次选择30PY2-2H-27°金属摇臂式喷头， 设计工作压力300kPa。

2.4 喷头组合间距

在喷头已确定情况下， 喷头组合间距确定是喷灌工程设计的核心内容，将关系到灌水均匀度、灌水强度、工程布置及工程投资等。

2.4.1 平坡喷头组合间距确定

2.4.1.1 平坡喷灌水量分布

根据实验数据并结合理论分析得出平坡水量分布示意图，如图1。

图1 平坡喷灌水量分布示意图

由图1可看出，在喷头的下方出现喷灌水量偏少的环状条带，宽约3.5m，俗称“灯下黑”现象。 在外围喷灌水量逐渐偏少，直至为零。

2.4.1.2 平坡喷头组合间距

根据平坡喷灌水量分布示意图， 在不考虑喷头下方“灯下黑”现象时，喷头采用三角形布置，布置间距为29.3m，如图2。

图2 平坡喷头理论布置间距

但考虑到喷头下方“灯下黑” 现象及受风的影响，GBT50085—2007《喷灌工程技术规范》对喷头布置做了具体规定。

表2 喷头组合间距

2.4.2 考虑地形坡度喷头组合间距确定

2.4.2.1 斜坡喷灌水量分布

根据实验数据并结合理论分析得出平坡时水量分布示意图，如图3。

图3 斜坡喷灌水量分布示意图

由图3可看出，在喷头下方也出现了喷灌水量偏少的环状条带，但由于受地形影响，环状条带呈不对称状。外围上游喷灌水量较为集中，且水量递减较为迅速而在下游喷灌水量则明显较均匀且距离更远。

2.4.2.2 斜坡喷头组合间距

根据斜坡喷灌水量分布示意图， 喷灌范围呈蛋形，在不考虑喷头下方“灯下黑”现象时，喷头采用三角形布置，布置间距为28.3m，如图4。

图4 斜坡喷头理论布置间距

由于图4是在没有考虑风速及种植作物条件下的理想状态下布置的，在实际工程设计中，除应考虑地形、风速外，还应考虑喷头安装高度及种植作物类型、高度等。

（1）地形影响。 由于地面具有25°坡度，在水流向拟坡喷射时，射程将大幅减小，水量过于集中，造成灌水均匀度极差，如图3。

（2）风速影响。喷灌是将有压力的水喷到空气中，散成小水滴或形成弥雾降落到作物和地面上的灌溉方式，因此，风对灌溉均匀度、喷洒范围影响较大。

花坪子5#系统位于云南省昭通市永善县溪洛渡镇水田村金沙江的右岸，当地无气象资料可供参考，根据当地村民描述“春季多山谷风，风不是很大；夏季干热，风小”。

根据村民描述并参考有关资料， 当地风速应该在2.0m/s以下，风向为逆地形坡度。 根据GBT50085—2007《喷灌工程技术规范》，喷头布置间距：垂直风向0.9～1.1R（R为射程），平行风向1.3～1.2R。

（3）株高影响。 项目区主要种植作物为柑橘，成树冠幅1.5～2.0m，株距2.5m，株高2.0m，喷头安装高度为2.5m，由于地面具有25°坡度，在水流向拟坡喷射时，高速水流将直接喷射至作物幅冠，可造成落花落叶，因此，在选择喷头时，需选择半圆喷射或可调节喷洒角度的全圆喷洒。

2.4.2.3 花坪子5#系统喷头组合间距

基于以上多种因素， 坡耕地喷灌喷洒范围不适宜全圆喷洒， 适宜扇形或者半圆形喷洒。 对于坡耕地，受地形影响，实际喷洒形状为马蹄形，如图4。

结合具体工程设计， 为便于施工及田间管网布置，本工程喷头组合间距为：垂直风向间距为22.5m，平行风向间距为27m，喷洒角度230°。 如图5。

图5 花坪子5#系统喷头布置间距及喷洒范围

2.5 灌溉制度确定

2.5.1 设计参数

2.5.1.1 作物湿润层深度Z

作物湿润层深度主要取决于作物的生长状况和作物根系活动层深度，同时也与土壤性质、结构和肥力状况有关。根据现场调查及查阅相关果树资料，本次设计柑橘灌溉湿润层深度0.6m。

2.5.1.2 组合喷灌强度的校核

组合喷灌强度不得大于土壤允许喷灌强度，灌区土壤为砂壤土，根据GB/T50085—2007《喷灌工程设计规范》，砂壤土的允许喷灌强度为15mm/h，有良好覆盖时，允许喷灌强度可提高20%，即18mm/h。

根据喷头布置，单个喷头覆盖灌溉面积1272m2，喷头流量5.08m3/h，喷洒强度3.99mm/h。

项目区为坡耕地， 地形坡度为25°（46.73%），按照GB/T50085—2007《喷灌工程设计规范》进行折减。项目区地形坡度大于20%， 允许喷灌强度降低75%，即不考虑地表覆盖时允许喷灌强度为3.75mm/h，考虑地表覆盖时允许喷灌强度为4.5mm/h。 考虑到项目区进行了坡改梯田，同时果树下一般均有树叶覆盖，因此一般不会发生地表径流。

2.5.2 灌溉制度确定

2.5.2.1 最大净灌水定额

最大净灌水定额mmax：mmax=0.001γz（θmax-θmin）

式中 mmax为最大净灌水定额（mm）；γ为土壤容重（g/cm3）；z为计划湿润土层深度；θmax，θmin为适宜土壤含水率上下限（占干土重量的百分比）。

根据土壤调查结果， 灌区土壤以砂壤土为主，土壤容重为1.4g/cm3，田间持水率20%，适宜土壤含水率上限θmax取田间持水量的80%，下限θmin取田间持水量的65%。 计算得最大净灌水定额为25.2mm（252m3/hm2）。

2.5.2.2 设计灌水周期

设计灌水周期T：T≤Tmax，Tmax=mmax/Ia

式中 T为设计灌水周期 （d）；Ia为设计耗水强度（mm/d）， 取2.32；mmax为最大净灌水定额 （mm），取25.2；Tmax为最大灌水周期（d）。

根据计算，最大灌水周期为10.87d，设计灌水周期定为10d。

2.5.2.3 设计灌水定额

设计灌水定额md=T×Ia，m′=md/η

式中 md为设计净灌水定额（mm）；m′为设计毛灌水定额（mm）；η为灌溉水利用系数，取0.88；Ia为设计供水强度（mm/d）；T为设计灌水周期（d）；根据计算，设计净灌水定额为23.18mm（231.9m3/hm2），设计毛灌水定额为26.35mm（263.4m3/hm2）。

2.5.2.4 一次灌水延续时间

一次灌水延续时间t=m′SeSl/qd

式中 t为一次灌水延续时间（h）；Se为灌水器组间距（m），取22.5；Sl为支管间距（m），取27；计算得一次灌水延续时间3.15h，设计一次灌水时间3.5h。

根据永善县气象站数据， 永善县年平均降水量670.4mm，6～9月为主汛期， 降水量占全年69.8%，11月至次年4月为枯期，降水量占全年13.4%，5、10月为过渡期，降水量占全年6%～11%，年蒸发量1316mm。

由于降水时空分布极不均匀，因此，需要进行补充灌溉，补充灌溉时间主要为11月至次年4月，每次灌水时间为3.5h，灌水间隔10d。

2.6 管网布置

根据地形条件及水源分布，管网布置有总干管、干管、分干管及支管4级。总干管垂直等高线布置，沿途为各高程区的干管供水，并根据需要设置减压池；干管沿等高线布置，沿途为控制片区分干管分水；分干管垂直等高线布置，沿途为各高程的支管分水。如图6。

图6 花坪子5#系统平面布置

2.7 管网压力控制

由于项目区地形较陡， 上下游水压差较大，因此，需要对整个片区划分为不同高程区，每个高程区设有单独的调压池每个高程区的干管供水。 如此设置后，可确保每根支管上压力相差不大，确保喷头在设计工作压力范围，以提高灌水均匀度。目前该工程已竣工验收并移交农户使用，根据农户反馈，各系统均运行良好，达到预期效果。

3 结语

（1）管网工程：由于地形一般较陡，单位长度受地形落差积累的水压力增长较快，水压调节建（构）筑物或设备一般较多，投资随之增加。

（2）地面工程：①一般采用半圆或者扇形喷洒，尤其是喷头设置越高，喷洒角度一般越小；②喷头布置可采用平行或者梅花形布置， 布置间距必要时可采用实验验证；③喷头处工作压力应在正常工作压力范围，必要时可设置调流调压阀件控制压力，提高灌水均匀度。