神木市長城沿線風(fēng)沙草灘區(qū)節(jié)水灌溉項(xiàng)目設(shè)計(jì)探討

閆 喆，張小林，王文龍，李孟釩

（1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西西安 710100；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710000）

神木市地處陜西北端，長城沿線，黃河中游區(qū)域；為大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)分明，氣候干燥，自然災(zāi)害較為頻繁；夏季雨水集中，暴雨較多。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的全面推廣，在我國農(nóng)田灌溉中高效的節(jié)水灌溉技術(shù)已經(jīng)逐漸得到了認(rèn)可與應(yīng)用。面對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水資源貧乏、灌溉設(shè)施欠缺、降雨不均衡等問題的客觀存在，節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)極為迫切與重要，實(shí)施本項(xiàng)目勢在必行。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目類型為未利用地土地開發(fā)項(xiàng)目，資金來源全部為神木市財(cái)政投資。項(xiàng)目區(qū)位于神木市西沙街道辦豐園村，涉及1個(gè)鎮(zhèn)1個(gè)行政村，共2個(gè)地塊。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為29.645 3 hm2。項(xiàng)目主要通過對荒草地、殘次林草地的開發(fā)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)新增耕地26.746 4 hm2，新增耕地率達(dá)到90.22%。項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃工期為3個(gè)月。項(xiàng)目區(qū)土地所有權(quán)屬部分歸國有，部分歸集體所有，由村民個(gè)人承包使用，土地權(quán)屬界線清楚，無爭議。

2 水資源平衡分析

2.1 灌溉水源及供水量分析

項(xiàng)目區(qū)水源為地表水，項(xiàng)目區(qū)灌溉用水來源于窟野河麻家塔溝支流?？咭昂诱w位于黃河中游，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝市巴定溝，流向東南方向，途經(jīng)伊金霍洛旗和陜西省府谷縣，于神木市沙峁頭村注入黃河，干流長242 km，流域面積8 706 km2，年平均流量7.59億m3，麻家塔溝作為窟野河支流，溝長22 km，流域面積236 km2，參考窟野河就近地區(qū)流域面積相近的支流流量約為1.65 億m3，該支流水質(zhì)良好，可以滿足灌溉要求。

2.2 需水量分析

2.2.1 設(shè)計(jì)水平年和灌溉保證率的確定

依據(jù)《土地整治高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)綜合體》，綜合考慮項(xiàng)目區(qū)自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，設(shè)計(jì)灌溉保證率采用75%，設(shè)計(jì)水文年采用一般干旱年。

2.2.2 作物灌溉制度的確定

項(xiàng)目區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，由于日照、海拔等條件限制，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)作物種植僅為一年一熟。項(xiàng)目實(shí)施后，經(jīng)過客土回填，土地復(fù)墾，土壤為砂壤土，適宜種植的糧食作物主要為馬鈴薯、玉米等。

經(jīng)過廣泛采納當(dāng)?shù)厝罕姷囊庖?，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀、地形、地貌及規(guī)劃灌溉設(shè)備，項(xiàng)目區(qū)田塊規(guī)劃為畦灌。查詢《陜西省作物需水量與分區(qū)灌溉模式》中玉米的灌溉模式可知，春玉米的生長階段分為為播種、出苗、拔節(jié)、抽雄、灌漿、成熟6 個(gè)階段。參考陜西省節(jié)約用水辦公室發(fā)布的《陜西省行業(yè)用水定額》（試行）制定以下灌溉制度，設(shè)計(jì)灌溉保證率采用75%（見表1）。

表1 項(xiàng)目區(qū)灌溉制度（干旱年p=75%）表

2.2.3 灌溉需水量計(jì)算

根據(jù)關(guān)鍵期作物需水量計(jì)算可知，每667 m2凈灌溉定額為155.00 m3·次-1。項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃采用低壓管道輸水，管道水利用系數(shù)較高，查詢《陜西省行業(yè)用水定額》，可知陜北長城沿線風(fēng)沙草灘區(qū)管道水利用系數(shù)為0.97，田間水利用系數(shù)為0.92，故灌溉水利用系數(shù)為0.892，每667 m2最大毛灌溉為173.76 m3·次-1（見表2）。

表2 地塊年度需水量統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，項(xiàng)目區(qū)作物年灌溉需水量共為7.73萬m3。結(jié)合以上內(nèi)容分析，地塊供水量大于需水量，能夠滿足灌溉要求。

3 灌溉工程方案選取及平面布置

3.1 節(jié)水灌溉方案

根據(jù)該項(xiàng)目區(qū)的基本農(nóng)田類型及初步確定的建設(shè)規(guī)模，擬采用低壓管道輸水灌溉、圓形指針噴灌、滴灌3種方案。

1）低壓管道輸水灌溉。低壓管道輸水灌溉是一種以地埋管道代替明渠輸水灌溉的節(jié)水灌溉形式，利用能耗較低的泵機(jī)或者現(xiàn)狀的地形落差形成的自然壓力，將灌溉水源輸送到田間，再由管道分水口分水或外接軟管輸水進(jìn)入地面[1]，將水資源和外界的聯(lián)系直接隔斷，有效減少水資源在渠道輸送過程中的蒸發(fā)損失，更能防止深層的滲水。因其在高效利用水資源的前提下又節(jié)省了土地資源。一經(jīng)推廣便受到了廣大農(nóng)民群眾的歡迎。該形式不但輸水迅速、省地、節(jié)水、能耗低，且后期設(shè)備的管理維修簡單、方便，目前已經(jīng)成為農(nóng)田節(jié)水灌溉的主要應(yīng)用推廣技術(shù)之一。

2）圓形指針噴灌。圓形指針噴灌作為目前農(nóng)田灌溉中應(yīng)用較為廣泛的一種節(jié)水灌溉形式，雖然初期投資較高，但能大幅提升人均勞動(dòng)力產(chǎn)能，各地塊灌溉水量均衡，使用年限內(nèi)年均每667 m2投資較低。但是對地形條件要求苛刻，適合在地塊規(guī)模較大的場地中使用，具有其特定的局限性。

3）滴灌。滴灌作為我國目前使用范圍最大的高效節(jié)水灌溉工程技術(shù)，完美地契合了各種農(nóng)作物、樹木生長發(fā)育的需求，在初期投資較低的情況下，節(jié)水效果最為顯著。但是，實(shí)施后期管理維護(hù)工作繁雜冗長，人力投資遠(yuǎn)大于低壓管道輸水灌溉、圓形指針噴灌。

在充分調(diào)查各種灌溉方式的投資成本與工作效率等情況后，最終選用低壓管道輸水灌溉作為本項(xiàng)目的灌溉方式。原因主要有以下4個(gè)。1）低壓管道輸水灌溉方式水資源利用效率較高，而且從投入成本、農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)種植方式方法等層面充分考慮，是最符合當(dāng)下實(shí)際情況的一種。2）由于低壓管道輸水灌溉的前期投入較低，為日后的土地流轉(zhuǎn)時(shí)的改造留有余地。3）低壓管道輸水灌溉具有占地面積小、能耗低、管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，深受當(dāng)?shù)厝罕姎g迎。4）由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對土地的渴望，后期種植馬鈴薯、玉米等作物，項(xiàng)目建成后能夠避免撂荒的現(xiàn)象。

3.2 工程平面布置

3.2.1 水源工程

項(xiàng)目區(qū)南鄰窟野河支流麻家塔溝，且現(xiàn)有引水渠和混凝土蓄水池，因此在水源選擇上充分調(diào)查當(dāng)?shù)厮船F(xiàn)狀，選擇麻家塔溝為項(xiàng)目區(qū)水源。根據(jù)榆林市實(shí)用水文手冊確定麻家塔溝年徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于項(xiàng)目區(qū)用水量（該村后續(xù)灌溉地塊極少）。項(xiàng)目區(qū)以地表水為主，做到蓄、引、提、集、輸相結(jié)合，中小型工程措施并用，充分挖掘了水源潛力，既能滿足灌水需求，又因地制宜，符合客觀地理?xiàng)l件。

3.2.2 輸配水工程

按實(shí)地地貌地形現(xiàn)狀、交通條件、當(dāng)?shù)厝罕姼骷肮嗨?xí)慣，合理安排布局各級(jí)輸配水渠道。在安裝地埋輸配水管道時(shí)應(yīng)做好充分的考慮，設(shè)計(jì)足夠的過水?dāng)嗝婕鞍踩侠淼谋冉?，配套完善渠系建筑物，做到引水必有閥、分水必有閘、運(yùn)行安全得當(dāng)、管理快捷方便。

4 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 水源工程

項(xiàng)目區(qū)水源為麻家塔溝河水，項(xiàng)目區(qū)上游有一個(gè)村民自建水壩，經(jīng)壩體內(nèi)出水渠連接至項(xiàng)目區(qū)地塊山腳下，新建漿砌石供需調(diào)節(jié)池作為水源，流域內(nèi)水質(zhì)較好，適宜灌溉。本次采用潛水泵取水方式提水灌溉。項(xiàng)目區(qū)以新建的漿砌石蓄水池作為水源，經(jīng)項(xiàng)目區(qū)上方新建的100 m3供需調(diào)節(jié)池進(jìn)行調(diào)蓄，對項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行灌溉。

調(diào)蓄池設(shè)計(jì)為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。蓄水池結(jié)構(gòu)參照《矩形形鋼筋混凝土蓄標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集05S804》。池壁及底板厚度均為0.2 m，深3.5 m。地下埋深2.5 m，地上1.0 m。水池基礎(chǔ)用3∶7 灰土處理0.5 m 后，做0.1 m C15 素混凝土墊層，池身采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水池布置有進(jìn)水管、溢流管、出水管、泄水管。

4.2 輸水工程

本項(xiàng)目的主要任務(wù)是為新規(guī)劃田塊配套灌溉管道，本項(xiàng)目新建管道以新建泵站為灌溉水源，配套獨(dú)立的低壓管道系統(tǒng)。管道布置結(jié)合實(shí)際地形條件和田寬布局布置。

4.2.1 輸水管道布置

1）輸水管的線路在保證供水安全、水量水壓滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的前提下，力求做到線路最短、土方量小、施工費(fèi)用少、施工維護(hù)方便、少占用農(nóng)田。2）輸水管道的平面布置應(yīng)充分利用現(xiàn)場實(shí)地的地形地貌，符合鄉(xiāng)鎮(zhèn)對管道規(guī)劃的要求。

4.2.2 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸水管流量的計(jì)算依據(jù)公式（1）。

式（1）中，θmax為灌溉面積，hm2；θmax為需水流量，m3·h-1；θmax為作物設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度，5.5 mm·d-1；θmax為灌溉水利用系數(shù)，0.9。經(jīng)計(jì)算Q=76.2 m3·h-1，取80 m3·h-1。

管徑按照經(jīng)濟(jì)流速法選用管徑，見公式（2）。

式（2）中，D為管徑，mm；Q為管道流量，m3·h-1；V為經(jīng)濟(jì)流速，取1.5 m·s-1。

灌溉系統(tǒng)的管道管徑計(jì)算選擇詳見表3。

表3 管徑計(jì)算表

項(xiàng)目區(qū)干管選擇0.8 Mpa 的UPVCφ140 mm；支管采用0.8 Mpa 的UPVCφ110 mm，豎管采用0.8 Mpa 的UPVCφ110 mm；給水栓采用鐵質(zhì)給水栓。

管道沿程水頭損失按公式（3）計(jì)算。

式（3）中，hf為沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)，PVC-U 管取0.948×105，鋼管取6.25×105；L為管長，m，11；Q為流量，m3·h-1；d為管道內(nèi)徑，mm；m為流量指數(shù)，PVC-U 管取1.77，鋼管取1.9；b 為管徑指數(shù)，PVC-U管取4.77，鋼管取5.1。

管道局部水頭損失按式（4）計(jì)算。

式（4）中，hj為局部水頭損失，m；ξ為局部損失系數(shù)；v 為管內(nèi)流速，m·s-1；g 為重力加速度，m·s-2。管道局部水頭損失也可按沿程水頭損失的一定比例計(jì)入，取hj=0.1hf。

管道系統(tǒng)水泵揚(yáng)程按式（5）計(jì)算。

式（5）中，H0為管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作水頭，m；Z為參考點(diǎn)的地面高程，m；Z0為管道系統(tǒng)進(jìn)口高程，m；ΔZ 為參考點(diǎn)處給水栓出口中心線與地面的高差，m；Σhf為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點(diǎn)給水栓的管路沿程水頭損失，m；Σhj為管道系統(tǒng)進(jìn)口至參考點(diǎn)給水栓的管路局部水頭損失，m；h0為給水栓工作水頭，無資料時(shí)可按0.3～0.5 m 選用。經(jīng)計(jì)算，H=110.17 m。水泵流量≥80 m3·h-1，揚(yáng)程≥110.17 m，選用潛水泵250QJ80-121∕11滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 管路附件

在選取管道中的三通、彎頭等配件時(shí)，應(yīng)充分考慮與管材的配套，出水口安全閥為標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵定型件。管道連接采用熱承插涂粘合劑法連接，各級(jí)管道進(jìn)口設(shè)置安全控制閥門，在系統(tǒng)首部設(shè)置單向閥門，以防止水泵突然關(guān)閉或其他事故產(chǎn)生供水倒流，同時(shí)將（進(jìn)）排氣閥設(shè)置在管道首部地勢最高處，以防止管內(nèi)積水倒流產(chǎn)生的負(fù)壓將管道損壞[2]。

4.2.4 閥門井

閥門井主要設(shè)置在干管及分干管上有（進(jìn)）排氣設(shè)備、閥門等管件的位置。閥門井的尺寸基于井內(nèi)的設(shè)備和便于人員操作、維修2 個(gè)方面來考慮確定。設(shè)備在閥井的位置按規(guī)范要求確定。

4.2.5 出水樁

輸水管道依據(jù)實(shí)際地塊布局，按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诿總€(gè)地塊安裝設(shè)置出水樁，出水樁間距可根據(jù)地形適當(dāng)調(diào)整。本項(xiàng)目采用固定出水樁，用C15 砼澆筑周邊，以防止下閥體被盜或損壞，上部加蓋混凝土護(hù)帽。出水口護(hù)樁也采用現(xiàn)澆砼件，占地面積為0.16 m2。

4.2.6 地埋管道管槽開挖及回填

1）管槽開挖。根據(jù)資料查閱，項(xiàng)目區(qū)最大凍土深度為146 cm 以上。為防止U-PVC 管道在地埋時(shí)由于田間耕作或機(jī)械車輛通行破壞管道，地埋管道管槽開挖采用矩形斷面，開挖斷面寬60 cm，埋深在150 cm 以下。管道埋深考慮地面凍土深、安全挖深、管道直徑等因素，管槽開挖深度≥1.64 m。

2）管槽土方回填。根據(jù)《土地開發(fā)整理項(xiàng)目概算定額》，管道管徑超過550 mm 以上的，計(jì)算管槽填方量時(shí)應(yīng)扣除管道所占體積，否則不需扣除。本項(xiàng)目中管槽土方回填量等于管槽土方開挖量。

本次低壓管道工程布置工藝流程為水源（供需調(diào)節(jié)池）→控制閘閥→輸水管道→出水栓→田間。為了集中用水，緩解管道壓力，灌水采用輪灌方式。承插膠粘接口連接。給水栓采用預(yù)制混凝土出水樁保護(hù)墩。

4.2.7 管道附屬設(shè)施

排氣閥一般安裝在逆坡位置的管道系統(tǒng)尾部、順坡位置的管道系統(tǒng)首部、管道系統(tǒng)的凸起處、管道朝水流方向下折及超過10°的變坡處。項(xiàng)目區(qū)共設(shè)計(jì)安裝2個(gè)排氣閘閥。

在管道末端設(shè)置泄水井，在每年度灌溉期結(jié)束之后放空管道內(nèi)余水，共設(shè)置20座，在管道連接處設(shè)置檢查井，方便田間管理，共設(shè)置20座。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目通過配套節(jié)水灌溉設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了土地利用等級(jí)提升，提高了土地利用率，改善了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的灌溉與排水條件及生態(tài)環(huán)境，從而提高了村民的耕作生產(chǎn)條件，解決好了村民生產(chǎn)與生活的有效銜接關(guān)系，使項(xiàng)目區(qū)群眾實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益綜合提升，保障了項(xiàng)目區(qū)群眾的安居樂業(yè)。