牡丹江市立新蔬菜節(jié)水灌溉設(shè)計體會

崔曉陽

(牡丹江市城區(qū)水土保持辦公室，黑龍江牡丹江157000)

1 項目概況

牡丹江市沿江鄉(xiāng)是牡丹江市對俄出口蔬菜生產(chǎn)基地，但由于基地生產(chǎn)的水利條件和灌溉技術(shù)落后，新技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用率低，使蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重制約和影響綠色蔬菜基地的發(fā)展，影響了農(nóng)民收入。該節(jié)水增效灌溉示范項目的建設(shè)不但為綠色蔬菜基地改善了生產(chǎn)條件和環(huán)境，增加農(nóng)民收入，調(diào)動廣大農(nóng)民發(fā)展綠色蔬菜生產(chǎn)的積極性，同時也是我省農(nóng)業(yè)“打綠色牌，走特色路”的具體實踐。其示范作用將帶動牡丹江綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)，為我市農(nóng)業(yè)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。

2 水源

牡丹江市沿江鄉(xiāng)立新節(jié)水灌溉項目區(qū)水源以地表水為主要灌溉水源。項目區(qū)處在牡丹江上游，牡丹江水資源豐富，年徑流量為51.8×108m3，牡丹江市城區(qū)實際年利用水資源量5.8×108m3，尚有89%的來水沒有利用。項目區(qū)水化學(xué)類型以重酸鈣為主，水質(zhì)礦化度＜1 g/L，色度為5，渾濁度為4，pH值為7，符合灌溉要求，能充分滿足農(nóng)田灌溉用水要求。

3 典型工程設(shè)計

項目區(qū)內(nèi)，以單棚為一個控制單元，每個棚控制面積1 6002m形成一個獨立的灌溉小區(qū)。根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、地塊形狀、作物種植、耕作方向、水源位置等布置干管與支管及分支管。項目區(qū)內(nèi)分為2個大區(qū)(即2條支管)，滴灌區(qū)總灌溉面積5.76 hm2，共36棟大棚。

3.1 設(shè)計參數(shù)

經(jīng)調(diào)查和查閱有關(guān)資料［1-2］，項目區(qū)基礎(chǔ)資料和參數(shù)為:①項目區(qū)均為平地地塊;②種植作物，主要是西紅柿、黃瓜等喜水作物;③日需水量 w=5 mm/d;④水源:牡丹江水，水深4 m;⑤土壤容重γ=1.38 g/cm3;⑥計劃土壤濕潤深度h=30 cm;⑦田間持水率Z=36%;⑧滴灌工程的設(shè)計保證率90%，滴灌均勻系數(shù)0.85;⑨灌溉水利用系數(shù)η=0.90;⑩濕潤比pw=90%;○11電價為0.76元/kW·h。

3.2 灌溉制度

3.2.1 設(shè)計灌水定額

計算公式為:

3.2.2 設(shè)計灌水周期

設(shè)計灌水周期計算公式為:

3.2.3 一次灌水延續(xù)時間計算公式為:

式中:m為設(shè)計灌水定額，mm;T為設(shè)計灌水周期，d;γ為土壤容重，kg/cm3，取 γ =1.38 g/cm;η為灌溉水利用系數(shù)，取η=0.9;h為計劃土壤濕潤層深度，cm，h=30cm;β1為適宜土壤含水率上限(重量百分比);β2為適宜土壤含水率下限(重量百分比);取(β1-β2)=5.8%;Pw為濕潤比，根據(jù)有關(guān)規(guī)定取pw=90%;w為作物日需水量，mm/d;a為滴頭間距，m，選取內(nèi)鑲式滴灌管a=0.3 m;b為壟間距，m，大棚內(nèi)壟間距b=0.5 m;q為滴頭流量，m3/h，q=0.003 m3/h;t為一次灌水延續(xù)時間，h。

計算得:m=24.01 mm;T=4.5 d;t=1.4 h。設(shè)計灌溉制度計算見表1。

表1 設(shè)計灌溉制度計算表

3.3 微灌系統(tǒng)的典型設(shè)計

3.3.1 滴灌首部樞紐設(shè)計

首部樞紐系統(tǒng)一套，其中包括過濾器、水表、壓力表、安全閥、止回閥、進(jìn)排氣閥與排水閥各1只?？紤]滴灌水源是牡丹江水，選取的過濾器為旋流式水沙分離器和篩網(wǎng)過濾器組合。選用北京通捷機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的過濾器，規(guī)格為101.6 mm，數(shù)量1套，每套流量為60 m3/h，查性能曲線可知，水頭損失為7 m。在過濾器出水管后面安裝分水管，將水同時分給原有的系統(tǒng)和新增加的系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。

3.3.2 滴灌管及管路布置形式

根據(jù)項目區(qū)實際情況以及水源地的具體位置:布置干管1條、支管2條，在干管和支管聯(lián)接處設(shè)兩個檢修井，每個檢修井內(nèi)設(shè)置2個閘閥，干管末端和每個支管未端設(shè)排水閥，支管通過豎管出地面，安裝分支管，分支管每個大棚2條，每條分支管上安裝閘閥1個，分支管上安裝內(nèi)鑲式滴灌管。

滴灌系統(tǒng)的典型地塊為1號大棚，項目區(qū)內(nèi)全部是保護(hù)地內(nèi)灌溉，共有保護(hù)地大棚36棟，每個大棚面積0.16 hn2，種植作物為西紅柿、黃瓜等喜水作物。根據(jù)作物的種類，滴灌區(qū)的土壤條件，以及滴灌的田間組合情況和運(yùn)行方式，確定滴灌管為綠源公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲式滴灌管。

選用 q=0.003 m3/h的滴灌管，滴頭間距0.3 m，工作壓力10～40 m，該滴灌管各項指標(biāo)能滿足蔬菜的用水要求，滴灌管順壟向布設(shè)，長度為16 m。即:a=0.3 m，b=0.5 m，滿足土壤允許條件。

為提高管道的利用率，降低設(shè)備投資，采取輪灌的灌溉方式。輪灌時，根據(jù)設(shè)計的灌溉流量以及灌水周期，平均 4.5 d輪灌1次，灌水時間1.4 h，每次灌1.5個大棚。

3.3.3 管道系統(tǒng)設(shè)計

3.3.3.1 管材與管徑的選擇

根據(jù)設(shè)計流量及相應(yīng)的沿程水頭損失情況以及目前市場現(xiàn)有規(guī)格，干管選用Φ75塑料管，長230 m，通過反復(fù)試算沿程水頭損失情況，最后確定支管選用Φ100和 Φ75兩種規(guī)格的塑料管，Φ100總長720 m，Φ75總長436 m，分別是東側(cè)地2條支管長272 m，前160 m是 Φ100，后112 m是 Φ75，西側(cè)地 2條支管長306 m，前200 m是Φ100，后106 m是Φ75。

3.3.3.2 管道系統(tǒng)的平面布置

根據(jù)水源地情況，干管垂直壟向布置，支管平行壟向布置，分支管垂直壟向布置。干管上分設(shè)2條支管，共設(shè)72條分支管，總長3 600 m，在分支管上安裝內(nèi)鑲式滴灌管。

3.3.3.3 管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

干、支管埋入地下(耕層)60 cm處，按一定的比降在支管末端設(shè)排水閥1個，支管設(shè)Φ50塑料豎管，每條分支管設(shè)分水閘閥1個，豎管的高度選取能正常工作就行。為了控制每條支管，在干管和支管聯(lián)接處設(shè)檢修井2處，用于灌溉工作和檢修，檢修井深60 cm、長、寬為120 cm，用磚砌筑。

3.3.3.4 管道設(shè)計。

1)分支管設(shè)計:分支管流量推算。因各大棚面積相同均為長100 m，寬16 m，壟間距0.5 m，每條壟布置一條內(nèi)鑲式滴灌管，支管布置在大棚中間，由支管向兩側(cè)安裝分支管各1條，長50 m。每側(cè)大棚滴灌管長1 600 m。通過計算得:q分支=16.2 m3/h。

分支管管徑的確定:根據(jù)以上計算結(jié)果，選取直徑Φ32 mm的PE管為輸水分支管。

2)支管設(shè)計:根據(jù)項目區(qū)的總體布置情況，共布置2條支管，管長分別為306 m共2條。2條支管灌溉大棚36棟，每條支管灌溉大棚18棟。

3)干管設(shè)計:根據(jù)項目區(qū)的總體布置，布置1條干管，長230 m，干管上聯(lián)接 2條支管，支管總長612 m。

3.3.4 管道的水力計算［3］

3.3.4.1 滴灌系統(tǒng)流量計算

水泵流量的計算公式:

式中:Q為設(shè)計流量，m3/h;m為設(shè)計灌水定額，m=16 m3/h;T為設(shè)計灌水周期，T=4 d;η為灌溉水利用系數(shù)，取η=0.9;η1為干擾抽水的水量削減系數(shù)，取η1=0.05;F為控制灌溉面積，F(xiàn)=5.76 hm2;t為灌溉期間每天開機(jī)時間，h，取t=16 h。

通過計算:Q=25.3 m3/h。

原有的系統(tǒng)設(shè)計流量為Q原=22.4 m3/h。

系統(tǒng)總設(shè)計流量為Q總=47.7 m3/h。

3.3.4.2 管道沿程水頭損失的計算

1)干管沿程水頭損失計算公式為:

式中:hf為沿程水頭損失，m;L為管道長度，L=230 m;Q為流量，Q=47.7 m3/h;d為管道內(nèi)徑，d=100 mm。經(jīng)計算:hf=5.9 m

2)支管沿程水頭損失。選取對系統(tǒng)最不利的支管計算沿程水頭損失，最不利的支管長L1=200 m(D=100)，L2=106 m(D=75)。經(jīng)計算 hf=17.8 m。

對于多滴灌管分支管的沿程水頭損失，計算公式為:式中:F為多口系數(shù)，F(xiàn)=0.376，經(jīng)計算:hf=5.6 m。

3)管道的局部水頭損失的計算:

計算公式為:

選取局部水頭損失為沿程水頭損的10%，作為設(shè)計的沿程水頭，則局部水頭損失計算公式為:

4)滴灌系統(tǒng)設(shè)計揚(yáng)程的計算:

計算公式為:

式中:H為系統(tǒng)設(shè)計揚(yáng)程，m;H0為最不利輪灌組所要求干管進(jìn)口工作壓力，m;△Hj為干管進(jìn)口至水源的水頭損失，m;Zd為干管進(jìn)口處的地面高程，m;Zsp為水源動水位，m。經(jīng)計算H=54.2 m。

3.3.5 水泵與動力機(jī)選配

通過以上計算，得知 Q總=47.7 m3/h，H=54.2 m。

根據(jù)設(shè)計揚(yáng)程及設(shè)計流量選擇自吸式離心泵，型號為80BP—55，其配套功率為11 kW。該水泵流量50 m3/h，揚(yáng)程55 m，以上水泵滿足設(shè)計要求。

3.3.6 滴灌工作制度

1)每日工作制度的確定。灌溉季節(jié)，每日除正常的機(jī)泵檢修和保養(yǎng)停機(jī)外，均可視為工作時間，按系統(tǒng)承擔(dān)的灌溉面積的大小確定工作時間，一般工作16 h/d。

每日支管工作位置數(shù)n=td/t=30條。

2)輪灌方式及分組。根據(jù)地塊形狀，系統(tǒng)壓力情況，滴灌管工作條數(shù)等條件確定輪灌編組。每次灌溉3條分支管，灌水時間1.4 h。詳見表2。

4 結(jié)論

牡丹江市近郊農(nóng)民有著悠久的種菜歷史，同時具有豐富的科學(xué)技術(shù)知識。該項目實施后，不僅使我市的蔬菜種植業(yè)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化，在基地建設(shè)的帶動下，可輻射全市區(qū)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，95個行政村，必將形成我市極具市場競爭力的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。同時，蔬菜產(chǎn)出后，可直接供應(yīng)牡丹江市市民還可出口俄羅斯，為國家出口創(chuàng)匯，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

該節(jié)水灌溉項目區(qū)的建成，將使5.76 hm 蔬菜田在節(jié)水灌溉措施和先進(jìn)農(nóng)藝措施的綜合作用下，成為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)田［4］。與傳統(tǒng)的地面灌溉相比，節(jié) 水 2 700 m3/hm2·a，則 本 項 目 可 節(jié) 水1.56萬 m/a，節(jié)能 0.35萬 kW·h/a，節(jié)約電費0.26萬元/a。工程達(dá)到設(shè)計能力時，在農(nóng)業(yè)技術(shù)措施相同的情況下，可增加蔬菜產(chǎn)量9.85萬kg/a，新增產(chǎn)值為13.79萬元/a。

表2 輪灌分組表

以上輪灌分組是以輪灌周期為2.35 d，滴灌灌水時間為1.4 h。原有的系統(tǒng)分組輪灌周期2.15 d，滴灌時間為1.4 h，總系統(tǒng)分組輪灌周期4.5 h。

［1］中華人民共和國水利部農(nóng)村水利司.節(jié)水灌溉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選編［G］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［2］李英農(nóng).水土資源評價與節(jié)水灌溉規(guī)劃［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［3］白丹，王新.區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水最優(yōu)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用［J］.黑龍江大學(xué)工程學(xué)報，2010，01(01);40-44.

［4］鄭耀泉，劉嬰谷，金宏智.噴灌微噴設(shè)備使用與維修［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.