山丘區(qū)蓄水坑灌田間工程規(guī)劃設(shè)計(jì)
——以山西省太谷縣節(jié)水灌溉示范園為例

蔡尚彬, 馬娟娟, 孫西歡,2, 郭向紅, 陳倩秋, 柴夢(mèng)瀅

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030024; 2.晉中學(xué)院, 山西 晉中 030619)

干旱缺水與水土流失并存是我國(guó)北方山丘區(qū)普遍存在的共性問題，一方面氣候干旱少雨使農(nóng)業(yè)灌溉用水緊缺，另一方面水土流失嚴(yán)重使降雨難以集蓄利用、地表徑流流失，進(jìn)而導(dǎo)致水資源緊缺與水資源浪費(fèi)并存的惡性循環(huán)。與此同時(shí)，中國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費(fèi)嚴(yán)重，尤其是北方自流灌區(qū)灌水的利用系數(shù)只有0.5左右[1]。噴灌和滴灌雖然灌溉水利用系數(shù)高，卻因?qū)λ|(zhì)要求高、設(shè)備投資大難以在農(nóng)村推廣。大力推廣和普及高效節(jié)水灌溉技術(shù)、大力發(fā)展山丘區(qū)集雨節(jié)灌[2]成為亟待解決的課題。蘋果樹是我國(guó)北方種植最廣泛的果樹之一。孫西歡[3]于1998年提出的蓄水坑灌是一種具有攔蓄徑流、保持水土特點(diǎn)的中深層立體果林灌溉方法，尤其在中國(guó)北方山丘區(qū)果樹種植中具有極大發(fā)展?jié)摿?。目前，學(xué)者們已對(duì)蓄水坑灌下土壤入滲及水分運(yùn)移特征[4-6]、土壤水氮運(yùn)移特征[7-9]、果園SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移機(jī)理及土壤微生態(tài)環(huán)境[10-15]及果樹產(chǎn)量響應(yīng)[16]等方向做了大量理論、試驗(yàn)和模擬研究，但是對(duì)蓄水坑灌田間工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)還有待研究。本文針對(duì)山丘區(qū)地形特點(diǎn)進(jìn)行整地，結(jié)合微灌工程技術(shù)和低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)，對(duì)蓄水坑灌田間工程規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，解決蓄水坑灌未來推廣運(yùn)用中的問題，為推動(dòng)和發(fā)展山丘區(qū)蓄水坑灌的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山西省農(nóng)科院果樹研究所的太谷縣節(jié)水灌溉示范園區(qū)，地理位置處于山西省晉中市太谷縣，東經(jīng)112°32′，北緯37°23′，屬于暖溫帶大陸性氣候。平均海拔為781.9 m，年均氣溫9.8 ℃，無(wú)霜期175 d。年均降雨量為459.6 mm，年內(nèi)降雨量分布不均，全年60%以上的降雨量多集中于6—9月，地面坡度0.1，易形成水土流失。種植作物為5年生密植矮砧紅富士蘋果樹，行距4 m，株距2 m，南北向種植。研究區(qū)土壤類型主要為粉砂壤土，平均容重為1.47 g/cm3，飽和含水率(體積)為49.21%，田間持水率(體積)為30%。灌溉水源為地下井水。

2 田間工程規(guī)劃原則

(1) 充分利用降雨資源。由于研究區(qū)的水資源量缺乏，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉用水量，在果樹生育期內(nèi)盡可能地利用自然降雨資源，以緩解當(dāng)?shù)厮Y源的供需矛盾； (2) 高效用水，提高灌溉用水利用率。目前研究區(qū)果園灌溉仍以地面灌溉為主，灌溉水的利用率較低，采用蓄水坑灌中深層立體灌溉方法，能使水分快速通過蓄水坑側(cè)壁深入果樹根區(qū)，有效減小土壤棵間蒸發(fā)，提高灌溉水的利用率； (3) 防止水土流失。采用蓄水坑灌法，通過其田間工程設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)水土不下坡，有效控制水土流失的目的； (4) 減少田間工程施工量，節(jié)約投資。采用蓄水坑灌法攔蓄降水資源，其整地時(shí)充分利用自然坡度，盡量減少田間工程量； (5) 方便管理。在果樹生育期內(nèi)，尤其是果樹需水關(guān)鍵期，在沒有自然降雨條件下，通過低壓管道系統(tǒng)實(shí)施灌溉管理，以保證果樹正常生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成。

3 田間工程設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 整地技術(shù)

山西省地處黃河中游，為華北地區(qū)的一個(gè)隆起臺(tái)地，屬于黃土高原的東部，地形復(fù)雜，多坡地；氣候干旱，少雨，降雨多發(fā)生在夏季。因此，極易發(fā)生干旱、水土流失等自然災(zāi)害。為更好地集蓄利用雨水資源，攔蓄坡地徑流，在坡地沿等高線布設(shè)水平集雨溝等水土保持工程措施，水平集雨溝與自然坡地順坡度方向依次相間布置。集雨溝內(nèi)種植果樹，并布設(shè)蓄水坑。雨水在坡面沿等高線下泄匯集，流入水平集雨溝內(nèi)，可補(bǔ)充溝內(nèi)果樹需水量，并起到攔截蓄積徑流、蓄水保土、減少水土流失的作用。溝間集流坡面上種植優(yōu)質(zhì)牧草來增加經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)下一級(jí)水平集雨溝具有聚肥改良的作用，達(dá)到提高坡耕地綜合生產(chǎn)力的目標(biāo)[17]。研究區(qū)域坡面規(guī)則且較平整，坡度0.1，故采用水平溝整地方法：沿等高線開挖深50 cm、寬1 m的水平溝槽，挖出的土沿溝外側(cè)修筑外埂拍實(shí)，埂高50 cm，埂頂寬40 cm，埂底寬80 cm，埂側(cè)斜坡50°～70°。從溝內(nèi)側(cè)上方取虛表土，填入槽內(nèi)，平整后水平集雨溝水平田面寬2 m[18]。各級(jí)集雨溝之間保留一塊寬1.2 m的原始坡面作為集流坡面。如圖1所示為水平溝整地示意圖。

圖1 蓄水坑灌田間工程水平溝整地示意圖

3.2 蓄水坑設(shè)計(jì)與布置技術(shù)

在水平集雨溝內(nèi)，以果樹樹干為圓心挖一環(huán)狀溝，在環(huán)狀溝內(nèi)等間距布置若干個(gè)一定深度的蓄水坑，相鄰蓄水坑通過環(huán)狀溝相互連通。灌溉水通過輸水管道分配到各蓄水坑中，再通過蓄水坑坑壁入滲、擴(kuò)散到根區(qū)土壤中。

(1) 坑數(shù)。根據(jù)根區(qū)土壤水分分布均勻情況確定蓄水坑個(gè)數(shù)，根據(jù)前期研究，坑數(shù)取4個(gè)。

(2) 坑深。蓄水坑的深度取決于計(jì)劃濕潤(rùn)層。據(jù)不同灌水方法的蘋果樹根系調(diào)查，干旱地區(qū)根系分布在50—150 cm深度范圍內(nèi)[19]。主要根系活動(dòng)層在0—120 cm，故灌水計(jì)劃濕潤(rùn)層擬定為0—120 cm[20]，蓄水坑坑深可取40—60 cm。本設(shè)計(jì)中蓄水坑坑深取40 cm。

(3) 坑徑。采用蓄水坑灌法進(jìn)行果園灌溉，為防止水土流失，則蓄水坑灌法應(yīng)有足夠的降雨徑流蓄滯能力，即單株果樹控制面積內(nèi)的降雨徑流量即產(chǎn)即匯。本文降雨徑流蓄滯能力設(shè)計(jì)為5 a一遇24 h最大暴雨量。計(jì)算蓄水坑的直徑。

單株果樹控制面積的設(shè)計(jì)徑流量[21]：

(1)

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)設(shè)計(jì)降雨平均雨強(qiáng)ipA=5.33×10-1mm/min，初損歷時(shí)t0=14.193 min，單株果樹控制面積的設(shè)計(jì)徑流量WR=0.110 m3。

由單株果樹控制面積內(nèi)的降雨徑流量即產(chǎn)即匯，得：

WR=4πR2H

(2)

式中：R——蓄水坑半徑(m)；H——蓄水坑深度(m)。

代入計(jì)算得R=0.148 m，故本設(shè)計(jì)蓄水坑直徑取30 cm。

(4) 環(huán)狀溝。環(huán)狀溝是以樹干為圓心、50 cm(取1/2樹冠半徑，樹冠半徑約1 m)為半徑的環(huán)狀淺溝，寬度30 cm，深度20 cm[23]。它將相鄰蓄水坑兩兩串聯(lián)起來，降雨時(shí)可進(jìn)一步蓄滯徑流，將溝中匯集的降雨均勻分配到4個(gè)蓄水坑中，防止水土流失，充分利用降水資源。環(huán)狀溝布置如圖2所示。

圖2 蓄水坑灌田間工程蓄水坑及環(huán)狀溝布置圖

(5) 坑底板、固壁設(shè)施及頂蓋。蓄水坑底采用不透水的形式，有利于水分向水平方向運(yùn)動(dòng)，避免深層滲漏。底板材料使用直徑30 cm的圓形聚乙烯板。固壁設(shè)施可防止灌水及降雨徑流會(huì)入坑中時(shí)產(chǎn)生沖塌和滲透破壞，采用直徑30 cm的圓柱形聚乙烯格柵套筒。頂蓋可防止坑內(nèi)水分過度蒸發(fā)和冬季低溫對(duì)附近根系的影響，采用直徑30 cm的聚乙烯泡沫塑料圓形頂蓋?？拥装?、固壁設(shè)施、頂蓋三者連接為一體化設(shè)計(jì)，方便安裝、拆卸、修理和更換如圖3所示。

圖3 蓄水坑灌田間工程蓄水坑底板、固壁設(shè)施和頂蓋示意圖

3.3 低壓管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

在沒有充足自然降雨時(shí)，采用低壓管道系統(tǒng)對(duì)果樹進(jìn)行灌水，以保證果樹正常生長(zhǎng)。

3.3.1 輸配水管網(wǎng)布置 果樹灌溉輸配水閘管系統(tǒng)采用“豐”字形布置，系統(tǒng)的首部樞紐設(shè)于果園坡頂水源井處，管網(wǎng)包括干管、支管、毛管3級(jí)。干管從坡頂沿垂直高線方向向下順坡布置，在干管雙側(cè)沿等高線方向平坡布置支管，支管間距4 m。從支管起，在水平集雨溝內(nèi)平坡布置環(huán)狀毛管，毛管間距2 m(圖4)。

圖4 蓄水坑灌田間工程輸配水管網(wǎng)布置圖

3.3.2 灌水小區(qū)布置 因支管沿果樹行平行等高線布置，行距同果樹行距為4 m。支管布置于自然坡面地下靠近集雨溝一側(cè)，可減少毛管從支管向各蓄水坑輸水的距離，縮短毛管長(zhǎng)度。四孔出流毛管沿環(huán)狀溝內(nèi)徑繞樹環(huán)形布置，各出水口處分別連接一長(zhǎng)度為5 cm的導(dǎo)流短管，4根導(dǎo)流短管分別給同一株樹下的4個(gè)蓄水坑灌水。灌水小區(qū)示意圖如圖5所示。

3.3.3 管材選擇 設(shè)計(jì)采用聚乙烯管作為管材，根據(jù)微灌管道沿程水頭損失計(jì)算系數(shù)、指數(shù)表，當(dāng)微灌用聚乙烯管的管徑大于8 mm時(shí)，流量指數(shù)m=1.75，管徑指數(shù)b=4.75，摩阻系數(shù)f=0.505[24]。

3.3.4 毛管設(shè)計(jì) 在蓄水坑灌系統(tǒng)中，毛管為四孔出流的環(huán)形管接一80 cm長(zhǎng)的直管，間距同果樹株距2 m。四孔出流毛管沿環(huán)狀溝內(nèi)徑繞樹環(huán)繞布置，從

支管取水，將水分配到環(huán)狀溝中的各蓄水坑內(nèi)。由于需水量較大，為了提高灌溉效率，適當(dāng)選取較大直徑的毛管。

圖5 蓄水坑灌田間工程灌水小區(qū)布置圖

(1) 毛管直徑。在井灌區(qū)常采用計(jì)算簡(jiǎn)便的經(jīng)濟(jì)流速法確定管徑。首先根據(jù)各管段流量和管材確定適宜的經(jīng)濟(jì)流速，然后根據(jù)管道水力學(xué)公式計(jì)算或查閱不同流量及流速下管徑選擇表[25]，參考表1中低壓管道輸水適宜流速值[26]，得到一組比較經(jīng)濟(jì)的管徑，最后根據(jù)商品管徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化修正。

(3)

式中：d毛——毛管內(nèi)徑(mm)；V毛——毛管內(nèi)水的流速(m/s)；Q毛——毛管的設(shè)計(jì)流量(m3/h)。

表1 低壓管道輸水適宜流速值

(2) 毛管進(jìn)口工作水頭。毛管進(jìn)口工作水頭計(jì)算公式為：

h毛0=hd+hf毛+hj毛±ΔHi毛′

(4)

式中：h毛0——毛管進(jìn)口工作水頭(m)；hd——灌水器工作水頭(m)；hf毛——毛管沿程水頭損失(m)；hj毛——毛管局部水頭損失(m)；ΔHi毛′——毛管進(jìn)口處與i斷面處地形高差，順坡為“+”，逆坡為“-”(m)。

3.3.5 支管設(shè)計(jì) 在蓄水坑灌系統(tǒng)中，支管是指連接干管與毛管的管道。支管從干管取水分配到毛管，為多孔出流管道，其流量比毛管大得多。支管平坡布置，行間距同果樹行距為4 m，埋于自然坡面地下靠近集雨溝一側(cè)以使毛管長(zhǎng)度盡可能短。

(1) 支管允許水頭損失、管徑及長(zhǎng)度。

支管允許水頭損失：

[Δh支]=[Δh]-Δh毛

(5)

式中：[Δh]——灌水器允許水頭偏差(m)； [Δh支]——支管允許水頭損失(m)； Δh毛——毛管實(shí)際最大水頭差(m)。

支管管徑計(jì)算方法同毛管管徑，并在初步確定支管管徑后進(jìn)行校核，保證支管孔口最大水頭差小于支管允許最大水頭差。

支管極限分流孔數(shù)Nmax和支管最大長(zhǎng)度Lmax按下式計(jì)算：

(6)

Lmax=S(Nmax-1)+S0

(7)

式中：INT〔〕——將括號(hào)內(nèi)實(shí)數(shù)舍去小數(shù)成整數(shù)；Nmax——支管的極限分流孔數(shù)；Lmax——支管最大長(zhǎng)度(m)；k——水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，k=1.1～1.2；d支——支管內(nèi)徑(mm)； [Δh支]——支管允許水頭偏差(m)；Se——支管出水口間距(m)；qd——毛管設(shè)計(jì)流量(L/h)；S0——支管第一個(gè)出水口與支管進(jìn)口的距離(m)。

Nmax和Lmax的計(jì)算值只是達(dá)到灌水均勻度要求的控制數(shù)，實(shí)際系統(tǒng)布置時(shí)還需根據(jù)地面形狀、干管布置情況來確定支管實(shí)際長(zhǎng)度L和出水口數(shù)N。

(2) 支管進(jìn)口工作水頭。支管進(jìn)口工作水頭計(jì)算公式為：

h支0=h毛0+hf支+hj支+ΔHi支′

(8)

式中：h支0——支管進(jìn)口工作水頭(m)；h毛0——毛管進(jìn)口工作水頭(m)；hf支——支管沿程水頭損失(m)；hj支——支管局部水頭損失(m)； ΔHi支′——支管進(jìn)口處與i斷面處地形高差，順坡為“+”，逆坡為“-”(m)。

3.3.6 干管設(shè)計(jì) 干管的作用是輸送其所屬輪灌組工作時(shí)能夠滿足下一級(jí)管道工作壓力需求的對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量，是負(fù)責(zé)將灌溉水輸送并分配給支管的管道。干管設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定管徑，采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算初選管徑，然后根據(jù)壓力要求、分流條件和布置情況進(jìn)行調(diào)整、對(duì)比后確定管徑。

對(duì)于中、小型規(guī)模的微灌系統(tǒng)，采用公式(15)或公式(16)估算干管管徑：

當(dāng)Q<120 m3/h 時(shí)，

d=13

(9)

當(dāng)Q≥120 m3/h 時(shí)，

d=11.5

(10)

式中：d——干管內(nèi)徑(mm)；Q——干管設(shè)計(jì)流量(m3/h)。

3.3.7 系統(tǒng)工作制度 本蓄水坑灌系統(tǒng)采用輪灌工作制度。按照水量平衡原理，系統(tǒng)輪灌組的最大數(shù)目Nmax為：

(11)

式中：Nmax——系統(tǒng)輪灌組的最大數(shù)目；C——設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)日工作時(shí)數(shù)(h)；Td——設(shè)計(jì)灌水周期(d)；td——設(shè)計(jì)一次灌水延續(xù)時(shí)間(h)。

本設(shè)計(jì)具體劃分輪灌組時(shí)考慮以下原則：任意輪灌組的流量不與水源設(shè)計(jì)可供水流量接近；不同輪灌組工作時(shí)水泵功率盡可能接近，以保持水泵良好工況；系統(tǒng)操作管理比較方便。

4 結(jié) 論

(1) 整地技術(shù)采用水平集雨溝整地技術(shù)，寬度2 m的水平集雨溝、底寬80 cm的土埂和寬度1.2 m的原山坡地集雨面沿等高線方向依次相間布置，果樹、蓄水坑、環(huán)狀溝等皆布置于水平集雨溝內(nèi)。

(2) 每株果樹布置4個(gè)蓄水坑，蓄水坑深度40 cm，在降雨徑流蓄滯能力設(shè)計(jì)為5 a一遇24 h最大暴雨量標(biāo)準(zhǔn)下，根據(jù)單株果樹控制面積內(nèi)的降雨徑流量即產(chǎn)即匯原理，計(jì)算得蓄水坑直徑為30 cm，環(huán)狀溝深度20 cm，寬度30 cm，半徑50 cm，坑內(nèi)布置一體化設(shè)計(jì)的聚乙烯底板、聚乙烯固壁和聚乙烯泡沫塑料頂蓋；

(3) 輸配水閘管系統(tǒng)采用“豐”字形布置，包括干管、支管、毛管3級(jí)，管材為聚乙烯；四孔出流毛管沿環(huán)狀溝內(nèi)側(cè)呈環(huán)形繞樹布置；管材選用聚乙烯材料，并對(duì)各級(jí)管道管徑、長(zhǎng)度及進(jìn)口工作水頭的計(jì)算方法和系統(tǒng)工作制度的確定方法進(jìn)行歸納。

(4) 綜上所述，對(duì)整地技術(shù)、蓄水坑設(shè)計(jì)與布置技術(shù)和低壓管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠滿足山丘區(qū)果園蓄水坑灌的特殊灌溉要求。