梯田果園灌溉工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)

楊立魁，侯新明，高昌珍

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,山西 太谷 030801;2.山西省水利機(jī)械廠,山西 太原 030001)

山西晉城地區(qū)60.3%的面積為山地丘陵，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境，選擇適宜的灌溉模式，為發(fā)展高產(chǎn)農(nóng)業(yè)提供保障。當(dāng)前應(yīng)用的節(jié)水灌溉模式主要有噴灌、滴灌、波涌灌、涌泉灌等[1]。前3種主要適宜地勢(shì)平坦的地區(qū)。地形復(fù)雜的山區(qū)，涌泉灌是較佳的灌溉方式，它分為涌泉溝灌和涌泉根灌2種形式。涌泉溝灌是一種將有壓水流通過(guò)管道系統(tǒng)送入果樹(shù)周?chē)h(huán)形灌水溝中，在很短時(shí)間內(nèi)使水流封溝，以達(dá)到均勻入滲的目的[2]；涌泉根灌是在涌泉灌的基礎(chǔ)上，用灌水器將水流直接注入作物根部的灌溉形式。吳普特等[3]設(shè)計(jì)了一種毛管與微管均埋于地下，灌水器用套筒埋入果樹(shù)根部，使水流直接在根部入滲的涌泉根灌方式，使系統(tǒng)使用壽命提高到20年，其灌水器流態(tài)指數(shù)小于0.5，具有壓力補(bǔ)償性能，但其仍在研究試驗(yàn)階段，沒(méi)有大規(guī)模推廣，因此本項(xiàng)目采用涌泉溝灌系統(tǒng)。

涌泉溝灌具有出流量大、不易堵塞、灌溉水均勻度高、灌水損失小、投資少等優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)除微管露在地面外，其余管道均埋于凍土層下，管道均采用PE管，具有耐磨損、質(zhì)量輕、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)水、節(jié)地、增產(chǎn)方面有很大優(yōu)勢(shì)，但其規(guī)劃設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。本文根據(jù)實(shí)際工程，對(duì)本項(xiàng)目中應(yīng)用涌泉溝灌的梯田灌溉工程的管道設(shè)計(jì)、灌溉制度、輪灌組劃分進(jìn)行了分析研究。

1 工程規(guī)劃

1.1 概況

項(xiàng)目區(qū)位于山西省晉城市陵川縣丈河村，年平均降水量為600～700 mm，灌區(qū)地貌類型為山地，平均海拔在900 m左右；梯田面積為12 hm2，主要種植作物為櫻桃、蘋(píng)果、桃、李、杏、梨等果樹(shù)，果樹(shù)均為幼苗，共種植7852棵。灌區(qū)為自壓出流，采用涌泉環(huán)溝灌溉方式。

1.2 工程設(shè)計(jì)

1.2.1 取水工程設(shè)計(jì)

本工程由水泵抽取機(jī)井水到蓄水池中，由該蓄水池接輸水管道，池內(nèi)的水在重力作用下通過(guò)管道引向梯田進(jìn)行灌溉。灌區(qū)計(jì)劃在952.46 m處設(shè)計(jì)取水機(jī)井，機(jī)井為管井，采用方形井布置。根據(jù)本工程需水量、含水層埋深、含水層富水性及出水能力，確定井深為50 m。管井采用機(jī)械鉆探，具有造價(jià)低、施工快、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，可適用于開(kāi)采多種土質(zhì)下的水源，并配合水泵提水，使農(nóng)田灌溉更加便利高效。根據(jù)機(jī)井設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)參數(shù)公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：F0-單井控制灌溉面積，畝；Q-單井出水量，30 m3·h-1；t3-灌溉期間開(kāi)機(jī)時(shí)間，19 h·d-1；T2-每次輪灌期的天數(shù)，16 d；η-灌溉利用系數(shù)；η1-干擾抽水的水量削減系數(shù)，取0.2；m2-每次綜合平均灌水定額，915.5 m3·hm-2；L0-井距，m；F4-規(guī)劃區(qū)內(nèi)灌溉面積，hm2；N-規(guī)劃區(qū)需要打井?dāng)?shù)，眼。代入數(shù)據(jù)后，求得，單井控制面積為7.17 hm2，灌區(qū)面積為12 hm2，共需打2眼機(jī)井，井距為267.5 m。

水泵的設(shè)計(jì)包括水泵揚(yáng)程計(jì)算、水泵選型。水泵揚(yáng)程是指水泵揚(yáng)水高度，水泵克服水流重力和阻力做的功，轉(zhuǎn)化為壓水高度的值即為揚(yáng)程。接蓄水池的上水管道管徑為130 mm PE管，水泵出水口流速為1.5 m·s-1，根據(jù)水力計(jì)算[4]來(lái)確定水泵揚(yáng)程：

(4)

Ht=Z+h損

(5)

式中：hf-沿程水頭損失，m；f-摩阻系數(shù)；Q-出水流量，m3·h-1；d-上水管道內(nèi)徑，mm；L-管長(zhǎng)，56.32 m；m-流量指數(shù)，取1.77；b-管徑指數(shù)，取4.77。

代入數(shù)據(jù)后，求得沿程水頭損失為0.85 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計(jì)算，為0.85×15%=0.13 m。

Ht-水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，Z-提水高度，井水面到蓄水池入水口距離為34.19 m；h損-上水管道沿程水頭損失和局部水頭損失之和，0.98 m。

代入數(shù)據(jù)后，求得水泵揚(yáng)程為35.17 m。

查水泵手冊(cè)，水泵規(guī)格為：QS20-36/2-4，揚(yáng)程為36 m，功率為4 kW。

本工程在海拔為976.65 m高程處建一容積為1884 m3蓄水池，蓄水池采用圓形開(kāi)敞式設(shè)計(jì)，漿砌石結(jié)構(gòu)，半徑10 m，池深6 m，池壁厚0.5 m，有10 cm紅黏土層防滲，基礎(chǔ)深0.6 m。在高程為974.59 m處設(shè)一出水孔。該工程為水肥一體化，在高程為972.73 m處建一肥料池，由主管引出后與輸水管交叉于高程969.34 m處，在該處設(shè)計(jì)控制室，并由過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾肥料液中的雜質(zhì)，以防大顆粒堵塞管道。

1.2.2 管道工程設(shè)計(jì)

在灌區(qū)規(guī)劃管道設(shè)計(jì)前期，要先根據(jù)灌區(qū)地形進(jìn)行測(cè)量，本項(xiàng)目中采用RTK測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)灌區(qū)的測(cè)量，它是一種利用GPS與數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的測(cè)量方式，與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比，具有測(cè)量速度快、精度高、省工高效的優(yōu)點(diǎn)。將地形數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)完后，以1∶1000的比例將點(diǎn)展到南方cass軟件中，用CAD打開(kāi)后可進(jìn)行繪圖，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄的地塊輪廓點(diǎn)的順序，將圖上的點(diǎn)號(hào)進(jìn)行連線，繪制地形與地塊圖后，結(jié)合本工程中的水源位置，初步繪出幾條可行的管路布置路線。綜合考慮地形、施工難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，充分對(duì)比后選出最佳管路布置方案，并精確計(jì)算出布設(shè)管路長(zhǎng)度、管件數(shù)量等耗材量，為工程預(yù)算提供依據(jù)。灌區(qū)管路為干、支、毛、微四級(jí)結(jié)構(gòu)，干管布置沿地形坡度走向，支管平行于等高線布設(shè)，毛管在極限長(zhǎng)度范圍內(nèi)每行樹(shù)布一根。根據(jù)水力計(jì)算，求得干管管徑為110 mm,支管管徑為63 mm，毛管管徑為32 mm，微管選擇4 mm小管；干管埋深為1 m，支管、毛管埋深為0.15 m。

1.2.3 環(huán)狀灌水溝與穩(wěn)流器規(guī)格設(shè)計(jì)

對(duì)于涌泉灌溉來(lái)說(shuō)，環(huán)狀灌水溝的設(shè)計(jì)直接影響灌水質(zhì)量，如果設(shè)計(jì)溝的容積過(guò)大，短時(shí)間水流無(wú)法覆蓋整個(gè)環(huán)溝，造成入滲不均，設(shè)計(jì)溝的容積過(guò)小，使得儲(chǔ)水量小，多余水量溢出形成地表徑流，造成水的浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)的環(huán)溝溝容積與土壤入滲速率決定了灌水器規(guī)格；環(huán)溝斷面一般設(shè)計(jì)為等腰梯形，根據(jù)鄭耀泉等[5]提出的入滲溝設(shè)計(jì)公式計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

式中，K1-第一分鐘土壤吸滲速度，取0.74 mm·min-1；a-指數(shù)，取0.22；b0-入滲溝底寬，cm;β-毛細(xì)管作用邊坡側(cè)滲修正系數(shù)，取2.0；h-入滲溝深度，取12 cm；φ-入滲溝邊坡系數(shù)，取1；D-環(huán)溝直徑，為果樹(shù)樹(shù)冠直徑的2/3,因果樹(shù)處于幼苗期，果樹(shù)樹(shù)冠直徑取1.2 m；I-灌水濕潤(rùn)區(qū)灌水定額，求得93.3 mm。S-株距，取3 m；B-行距，取4 m；P-設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，取40%。t-灌水器向入滲溝供水時(shí)間；q-灌水器出流量，L·min-1。

代入數(shù)據(jù)，得：b0為8.5 cm，取10 cm；t為96 min；q為1.07 L·min-1，取60 L·h-1。

2 灌溉制度

灌溉制度設(shè)計(jì)主要包括灌水定額、灌水周期。灌溉制度制定要依據(jù)種植作物、土壤、灌溉面積來(lái)確定[6]，保證作物在萌芽期、開(kāi)花期、結(jié)果期、果實(shí)膨大期能得到合理的灌溉，在特別干旱的月份可適當(dāng)縮短灌水周期，增加灌水時(shí)間。

2.1 灌水定額的設(shè)計(jì)

根據(jù)微灌工程技術(shù)規(guī)范(SL103-95)公式3.0.5-1[7]，采用公式計(jì)算：

m=0.1γzp(θmax-θmin)/η

(9)

式中，m-設(shè)計(jì)灌水定額，mm；γ-土壤重度，取1.4 g·cm-3；z-計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度,取1.2 m；p-設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比,取40%；θmax,θmin-適宜土壤含水率上下限，取0.335、0.21；η-灌溉利用系數(shù)，取0.9。

代入數(shù)據(jù)，求得m為93.3 mm。

2.2 灌水周期的設(shè)計(jì)

根據(jù)作物耗水量最大值，按公式[7]計(jì)算灌水周期：

(10)

式中，T-設(shè)計(jì)灌水周期，d；Ea-控制區(qū)內(nèi)作物最大需水量，取5 mm·d-1。

求得T=16.79 d，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際狀況，將設(shè)計(jì)灌水周期定為16 d。

2.3 灌溉設(shè)計(jì)流量

(11)

式中，Q0-灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3·h-1；η-灌溉利用系數(shù),取0.9；t-每天灌水時(shí)間,取18 h；T-設(shè)計(jì)灌水周期，取16 d；A-灌溉總面積，取12.19 hm2；α-控制性作物的種植比例，取1；m-設(shè)計(jì)灌水定額,取933.0 m3·hm-2。

代入數(shù)據(jù)，得Q0=43.8 m3·h-1。

3 系統(tǒng)工作制度

灌溉系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，需要有確定的工作制度，以保證灌溉質(zhì)量，制定灌溉系統(tǒng)工作制度要根據(jù)種植密度、灌水時(shí)間、灌水器流量、一次灌溉控制的面積等因素確定[8]。

3.1 一次性灌水延續(xù)時(shí)間的確定

(12)

式中：t-一次性灌水延續(xù)時(shí)間,h；st、sm-果樹(shù)的株距和行距，分別取3 m、4 m；n-每棵樹(shù)安裝微管的出流孔數(shù)，取2；qd-微管流量，取30 L·h-1。

代入數(shù)據(jù)，求得t為20.7 h,取21 h。

3.2 灌水方式

灌水方式主要有續(xù)灌和輪灌兩種。采用續(xù)灌，要求干管管徑較大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量也會(huì)加大，而且不能保證供水充足，影響灌水效率；采用輪灌，對(duì)各小區(qū)采用分組輪流供水的方式，使灌水時(shí)間和灌水量集中，減少了灌溉時(shí)間，提高了灌溉效率[9]。因此，灌區(qū)采用輪灌方式。

3.3 輪灌組的劃分

輪灌組的數(shù)目根據(jù)水源流量和各級(jí)管道的經(jīng)濟(jì)管徑、輸水能力和作物的需水要求確定，同時(shí)使水源的水量與計(jì)劃灌溉的面積相協(xié)調(diào)，一般可由公式[10]計(jì)算：

(13)

式中：N-輪灌組的數(shù)目；C-系統(tǒng)一天的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，19 h;T-灌水時(shí)間間隔(周期),16 d；t-一次灌水延續(xù)時(shí)間，21 h。

代入數(shù)據(jù)，得N=14；共需劃分14個(gè)輪灌組。

因本項(xiàng)目地塊之間高差較大，為了保證供水流量充足，要依照滿足每個(gè)輪灌組的灌溉設(shè)計(jì)流量與上一級(jí)管道(主管)供給流量(43.8 m3·h-1)相適應(yīng)的原則劃分；為了保證出水流量均勻，要按照閥門(mén)供水壓強(qiáng)相接近的原則劃分。輪灌組的劃分必須同時(shí)滿足這兩個(gè)條件。

表1 輪灌組劃分表

4 管道防護(hù)措施

本項(xiàng)目出水口高程974.95 m，最高地塊高程為959.67 m，最低地塊為896.89 m，與出水口有78 m的高差，而且干管管道沿線坡度陡緩相間且不均勻，易引起管內(nèi)流速的變化。在每次開(kāi)閘放水時(shí)，管內(nèi)氣體來(lái)不及排出時(shí)，可引起管內(nèi)氣體堵塞，水流過(guò)小，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆管；在每次關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，由于落差過(guò)大，管道內(nèi)水流急速流出后，前段管道內(nèi)形成真空，若沒(méi)有氣體補(bǔ)充，就會(huì)被大氣壓壓爆管壁。為了保證灌溉過(guò)程中管路安全，提高管道使用壽命，需要設(shè)置安全保護(hù)裝置，并按規(guī)范操作。安全保護(hù)裝置主要有進(jìn)排氣閥、減壓閥、調(diào)壓閥、鎮(zhèn)墩、泄水閥，能起到防止管道內(nèi)產(chǎn)生水錘、降低管內(nèi)壓強(qiáng)、保證出流均勻、抵消水流對(duì)管道豎向作用力與沖擊、防止管道凍脹破壞的作用。

閥門(mén)的開(kāi)啟要避免急開(kāi)急關(guān)，應(yīng)緩慢啟閉，延長(zhǎng)啟閉時(shí)間，避免產(chǎn)生直接水擊[10]。要做好閥門(mén)的檢修工作，及時(shí)更換損壞的閥門(mén)，在進(jìn)入冬季前，應(yīng)打開(kāi)主管、干管的泄水閥，將管道內(nèi)殘留水放干，并關(guān)閉閥門(mén)井。

5 結(jié)論與討論

經(jīng)以上分析計(jì)算，該項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌溉流量為43.8 m3·h-1，平均每畝種植果樹(shù)40棵，每棵樹(shù)灌溉流量60 L·h-1，一次性灌水時(shí)間為21 h，設(shè)計(jì)灌水周期為16 d，共分14個(gè)輪灌組，每組灌溉流量為15.06～39.84 m3·h-1，平均灌溉面積為0.8 hm2。

對(duì)于高差較大的地區(qū)，首先應(yīng)根據(jù)水力計(jì)算，求得小區(qū)控制壓強(qiáng)和流量后，再劃分輪灌組。在水源供水流量穩(wěn)定充足的情況下，灌區(qū)灌水方式為小管出流灌溉，選用的主管管徑為110 mm，種植密度為600株每公頃，每株灌水量為60 L·h-1的灌區(qū)，每個(gè)輪灌組的設(shè)計(jì)面積不宜超過(guò)1.13 hm2。

在實(shí)際工程中，環(huán)狀入滲溝底部通常開(kāi)挖寬度為10 cm，斷面為等腰梯形。對(duì)于樹(shù)冠直徑較小的果樹(shù)幼苗，通常選用60 L·h-1規(guī)格的穩(wěn)流器，可以滿足灌溉需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]汪志農(nóng).農(nóng)田水利學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010:133-154.

[2]楊素哲,沈菊艷,黃保全,等.果樹(shù)涌泉灌溉方式的技術(shù)應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(S1):68-71.

[3]吳普特,朱德蘭,汪有科.涌泉根灌技術(shù)研究與應(yīng)用[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,28(4):354-357.

[4]李大美.水力學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2010:80-187.

[5]鄭耀泉,劉嬰谷.果園小管出流灌水技術(shù)[J].噴灌技術(shù)，1992(1):44-48.

[6]汪志農(nóng).灌溉排水工程學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2010:80-187.

[7]水利部.微灌工程技術(shù)規(guī)范SL103-95[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1995:4-8.

[8]水利部.低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范SL/T153-95[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1995:6-9.

[9]李中華,王樹(shù)鵬，張?jiān)品?高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2012(12):23-25.

[10]水利部,灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB50288-99[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999:21-22.