基于山坡地噴灌工程設(shè)計幾個問題的探討

楊順發(fā)

(福建省連江縣洪水預(yù)警報中心，福建 連江350500)

0 前 言

近年來，我國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在不斷地轉(zhuǎn)型、升級，農(nóng)田里、山坡上種植著越來越多的蔬菜、果樹等經(jīng)濟作物。它們對灌溉技術(shù)質(zhì)量要求比較高，但由于水資源缺乏嚴重，節(jié)水灌溉已成為許多地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展趨勢。實踐表明，噴灌技術(shù)不僅是一種較為理想的節(jié)水灌溉技術(shù)(灌溉水利用系數(shù)可達到0.85 以上，較傳統(tǒng)的地面灌節(jié)水40%左右)，而且可以調(diào)節(jié)田間小氣候，增加近地層空氣濕度，可以適時適量地滿足農(nóng)作物對水份的要求。噴灌像降水一樣濕潤土壤，不會破壞土壤的團粒結(jié)構(gòu)，為作物的根系生長提供了良好的土壤環(huán)境，從而起到提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量的作用。同時，噴灌既適應(yīng)于平地也適應(yīng)于山坡地，且機械化程度高，大大減輕了灌水的勞動強度和提高灌水的作業(yè)效率，節(jié)省了勞動力。所以，噴灌技術(shù)作為一種先進的節(jié)水的灌溉技術(shù)，既可實現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟農(nóng)業(yè)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高農(nóng)民收入，也可增加農(nóng)村山區(qū)灌溉面積，受到有關(guān)部門和農(nóng)民的認可［1］。

由于我國噴灌工程技術(shù)的大面積推廣起步較晚，在連江縣噴灌工程也建得不多，噴灌工程設(shè)計起來成果顯得不夠理想，工程完工投入使用后存在這樣或那樣的問題，尤其是山坡地上的噴灌工程更是如此，造成噴灌工程的效益不能得到正常發(fā)揮。本人設(shè)計的連江縣丹陽鎮(zhèn)桂林水利化園區(qū)的噴灌工程(為“六千”水利工程中的山地水利項目)，從幾年的運行情況來看，較果還比較好。現(xiàn)以該噴灌工程設(shè)計為例探討山坡地噴灌工程設(shè)計中的幾個問題。

1 工程簡介

連江縣丹陽鎮(zhèn)桂林水利化園區(qū)噴灌工程位于丹陽鎮(zhèn)桂林村東南側(cè)(104 國道旁)的1 座山丘坡地上，噴灌面積約11．3 萬m2，區(qū)內(nèi)主要種植果樹——枇杷。本噴灌區(qū)地勢自東北向西南降低，為山丘坡地地形;灌區(qū)土壤為壤黏土，土壤干容重為1.45 g/cm3;灌區(qū)灌季風向東南，設(shè)計風速3.5 m/s。本工程建設(shè)提水泵站1 座，從山腳下的鵝頭溪提水至灌區(qū)的蓄水調(diào)節(jié)水池，采用水泵增壓固定管道式噴灌系統(tǒng)(見圖1)。噴灌管道系統(tǒng)主要采用硬聚氯乙烯(UPVC)管，魚骨狀布置，噴頭采用平行四邊形布置，成扇形噴灑［2］。

圖1 噴灌系統(tǒng)布置示意圖

2 探討的幾個問題

2.1 水源的選擇

水源選擇決定著噴灌工程的選型，根據(jù)國內(nèi)目前生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用的噴頭的工作壓力，當水源的海拔高程高于噴灌區(qū)地面典型控制點25 m時，基本上就能夠按自壓噴灌來考慮，當水源的海拔高程低于灌區(qū)或者不能滿足自壓噴灌的壓力需求時，就要采取水泵加壓后進行噴灌作業(yè)。當有兩種以上水源均可滿足噴灌區(qū)水量、水質(zhì)或水壓要求，且均可作為噴灌工程水源時，就要進行方案比選，選擇推薦投資較小，年運行費較少的方案。自壓式噴灌比機壓式噴灌節(jié)約能源，運行成本低，因此，在山坡地噴灌工程設(shè)計中，盡可能地采用自壓式噴灌。

本噴灌區(qū)位于一座山丘上，高程較高，無地勢足夠高的庫塘、山泉、其它堰壩水源或地下水源可利用。在灌區(qū)北面山腳下有一條鵝頭溪，流域面積29.6 km2，取水處上游流域面積28.1 km2，水源豐富，水質(zhì)良好。根據(jù)連江縣衛(wèi)生防疫站對該水源的檢測結(jié)果，水質(zhì)符合GB5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》。經(jīng)對該溪流取水點上游來水量和本灌區(qū)用水量的水量平衡分析計算(本噴灌工程的灌溉保證率取90%)，來水總量及其在時間上的分配都能滿足本灌區(qū)用水要求，適合于噴灌。因此鵝頭溪是本工程水源的唯一選擇。

本工程設(shè)計時考慮兩種提水增壓方案:①方案1，建1 座泵站，從鵝頭溪提水并增壓，再通過管道系統(tǒng)形成噴灌;②方案2，建1 座泵站，從鵝頭溪先將水提到灌區(qū)調(diào)節(jié)水池(在灌區(qū)中建一調(diào)節(jié)水池，由于本工程來水總量及其在時間上的分配都能滿足本灌區(qū)用水要求，且提水與增壓兩級泵站設(shè)計流量相等，調(diào)節(jié)水池容積確定主要考慮施肥施藥時的用水量和管理方便等因素，經(jīng)分析計算確定為100 m3)，再建1座泵站進行增壓，通過管道系統(tǒng)形成噴灌。

由于方案2 比方案1 具有方便管理、便于噴灌管道系統(tǒng)布置，可把藥物加入調(diào)節(jié)水池，便于實現(xiàn)果樹的施肥施藥的自動化而大大節(jié)省勞動力等優(yōu)點，所以本工程提水增壓方案選擇方案2。

2.2 管網(wǎng)的布置

山坡地噴灌工程的管網(wǎng)布置，要根據(jù)工程的實際地形、地物及地塊形狀等條件，來分區(qū)布置。通常情況下，應(yīng)以整個噴灌區(qū)的管道用量最少為前提，既要讓管道的總長度較短、管徑較小，也要盡量避免管網(wǎng)的壓力懸殊太大，應(yīng)避免在管道起伏較大時產(chǎn)生負壓。本噴灌區(qū)地勢自東向西南降低，坡面較陡，高差較大，屬山丘坡地地形，設(shè)計采用魚骨形布置。本工程的噴灌管道系統(tǒng)為地埋式，通過對各種噴灌用的管材比選，采用硬聚氯乙烯(UPVC)管較為合適。骨干管道分為干管與分干管，主干管沿位于灌區(qū)中央的增壓泵房兩旁布置，分干管在主干管兩側(cè)山脊方向順坡布置，支管平行等高線布置。這樣，做到了管網(wǎng)的壓力較為均勻，避免了在管道起伏較大時產(chǎn)生負壓。

2.3 噴頭的選擇和布設(shè)

噴頭是噴灌系統(tǒng)中最重要的部件，壓力水經(jīng)它噴射到空中，散成細小的水滴并均勻地散落在它所控制的灌溉面積上。噴頭性能的好壞和布設(shè)是否妥當，將對整個噴灌系統(tǒng)的噴灑質(zhì)量、經(jīng)濟性及工作可靠性等起決定性作用。在選擇噴頭時，主要考慮要符合作物的霧化指標要求;在噴頭布設(shè)時要計算噴頭的噴灌強度和射程是否滿足要求。山坡地上設(shè)計噴灌工程，要對山坡土壤的性質(zhì)進行認真地判別，要適當降低允許噴灌強度，當?shù)孛嫫露葹?%時，應(yīng)將允許噴灌強度降低50%，可避免產(chǎn)生地面徑流現(xiàn)象。山坡地噴灌工程支管布置時還要考慮風的影響因素，盡量使支管與主風向垂直，既避免產(chǎn)生漏噴也可節(jié)省支管長度。

在斜坡地面上，隨著地面坡度增大，土壤的吸水能力將降低，易產(chǎn)生地面徑流，從而產(chǎn)生地面沖蝕，因此在坡地上噴灌需降低噴灌強度。本灌區(qū)設(shè)計時通過現(xiàn)場指測方法仔細判定土壤質(zhì)地，再充分考慮了地形坡度的影響，降低允許噴灌強度;根據(jù)所種植的作物(枇杷)的特點，確定合適的霧化指標(本工程霧化指標取3000)。然后以允許噴灌強度和霧化指標作為選擇噴頭的兩項主要技術(shù)性指標。

本灌區(qū)地勢自東北向西南降低，高差較大，此時若采用同一種噴頭進行設(shè)計，很難達到較好的噴灌效果，且有一部分水頭需要人為地消除，水頭利用率低，還需增加相應(yīng)的減壓設(shè)施，投資增大了，也不利管理。本灌區(qū)設(shè)計按壓力變化的特點沿山坡面進行壓力分區(qū)，分為兩個壓力區(qū)，選用兩種不同工作壓力的噴頭進行工作(如表1)，以抵消地形高差造成的壓力懸殊，這樣能較好地利用自然水頭，達到良好的噴灌效果。

在山坡地上進行噴灌工程設(shè)計時，若設(shè)計成全圓噴灑，當噴頭向上坡噴灑時，由于噴出的水流尚未來得及分散霧化，就會沖到山坡面的土體上，造成土坡?lián)p壞，由于本灌區(qū)坡地陡較(坡度為15° ～25°)，設(shè)計使用帶扇形機構(gòu)噴頭，平形四邊形布置，成扇形噴灑(圓心角為240°)(如圖2)，使噴頭噴出的水流大部分噴灑向下坡，使噴灑出的水流得到充分利用，既保證了噴灑質(zhì)量，又避免了水土流失。從本灌區(qū)運行幾年情況來看，噴灌效果較為理想。

表1 PY115、PY120 型噴頭性能表

圖2 肩形噴灑與噴頭組合形式示意圖

2.4 輪灌編組

為了盡量節(jié)省管道投資，在確定管徑時，多采用有序輪灌的工作制度。因此，要進行合理的輪灌編組，在輪灌編組設(shè)計時既要考慮管理運行方便又要考慮能分散流量。因山坡地噴灌工程噴頭高程不同，實際工作壓力也不相同，所以山坡地噴灌工程設(shè)計不同于平地噴灌工程。在擬定輪灌編組方案時，各輪灌組的工作噴頭總數(shù)不宜相近，因為各輪灌組同時工作噴頭數(shù)目相近，噴灌系統(tǒng)工作時各輪灌組的流量變動范圍會比較大。要將距增壓水泵遠且高程較高的輪灌組安排少一些噴頭，才能滿足各噴頭的工作壓力要求;距增壓水泵近且高程較低的輪灌組要安排多一些噴頭，才能避免各噴頭超壓運行，不影響噴頭使用壽命和噴灌質(zhì)量。

本噴灌工程按上述方法進行輪灌編組設(shè)計，在灌區(qū)的中間設(shè)有增壓水泵、調(diào)節(jié)水池與設(shè)管理房，干管布置在增壓水泵房兩旁，干管的管徑選擇較小，方便了運行管理;按噴頭的高程不同與增壓水泵的距離不同進行輪灌編組設(shè)計，各噴頭壓力運行平穩(wěn)，流量變動范圍小，噴灌質(zhì)量較高。

2.5 增壓水泵的選型:

水泵也是噴灌工程中的重要設(shè)備，擇選合適的水泵，讓水泵經(jīng)常處在高效區(qū)工作，可降低工程的運行費用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，因此，選擇合適的水泵型號是噴灌工程設(shè)計中重要的內(nèi)容。本工程有水源提升水泵選型和噴灌增壓水泵選型，本文以噴灌增壓水泵選型來進行探討。

水泵選型的依據(jù)主要是設(shè)計流量與設(shè)計揚程。本工程在設(shè)計時，設(shè)計流量是一個輪灌組同時工作噴頭的流量之和;典型噴頭工作壓力、噴點高程以沿線管道總水頭損失之和為設(shè)計揚程。本工程增壓水泵的幾何揚程計算時，取調(diào)節(jié)水池設(shè)計水位(本工程調(diào)節(jié)水池設(shè)計水位為放空管頂上30 cm)到設(shè)計典型噴點處噴頭進口的高差。設(shè)計典型噴點應(yīng)選在噴灌區(qū)內(nèi)具有代表性的噴點，并不是選在高程最高或距水泵最遠處。

本噴灌工程建在山坡地上，噴頭高程位置相差較大，完成水泵選型工作后，對最不利工況進行校核尤為重要。首先，對灌區(qū)內(nèi)高程最高、距離水泵最遠的噴點，對它可能出現(xiàn)的最低噴頭工作壓力進行校核，看它是否達到噴頭設(shè)計允許工作壓力區(qū)間(為噴頭設(shè)計工作壓力的80% ～120%)的下限值;其次，對高程最低、距離水泵最近的噴點，對它可能出現(xiàn)的最高噴頭工作壓力進行校核，看它是否超出噴頭設(shè)計允許壓力區(qū)間的上限值。

本工程選擇噴灌范圍內(nèi)有代表性的噴點作為水泵設(shè)計工況來計算，使水泵經(jīng)常處在高效區(qū)運行，從幾年的運行情況看，不僅降低了運行費用，且操作管理方便，避免了噴頭因超壓引起的損壞。

3 結(jié) 語

上述是本人在連江縣丹陽鎮(zhèn)桂林水利化園區(qū)噴灌工程設(shè)計工作中的幾點思考。該園區(qū)在有噴灌技術(shù)工程后，園區(qū)管理員反映枇杷產(chǎn)量和質(zhì)量都得到了明顯的提高，而且生產(chǎn)成本降低了許多，所以噴灌不僅是一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，而且能提高農(nóng)場經(jīng)濟效益的作用。我們在今后的山坡地噴灌工程設(shè)計中，只要充分考慮與平地噴灌工程的設(shè)計不同之處，認真分析比較，擬定合理的設(shè)計方案、工程投資和運行費用，以最小的投資取得最大的經(jīng)濟效益，推進這項重要的節(jié)水灌溉技術(shù)— —噴灌技術(shù)在農(nóng)村山區(qū)的發(fā)展。

［1］袁達. 山坡地噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中若干問題探討［J］. 節(jié)水灌溉，1997(01):31－32．

［2］應(yīng)建偉. 淺談山坡噴灌工程設(shè)計應(yīng)注意的問題［J］. 科技信息，2009(27):763．