高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃中的節(jié)水工程設(shè)計(jì)

摘 要：在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)過(guò)程中，有效運(yùn)用節(jié)水灌溉技術(shù)，既可以滿足農(nóng)田灌溉的實(shí)際需求，又可以有效節(jié)約水資源，這對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用?；诖?，以廣州市某地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目為例，討論高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計(jì)的基本原則，闡述水資源供需平衡分析思路，提出節(jié)水工程設(shè)計(jì)方案，為提高高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃效果作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田；建設(shè)規(guī)劃；節(jié)水工程設(shè)計(jì)；供需平衡；灌溉

中圖分類(lèi)號(hào)：S277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

農(nóng)業(yè)灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分。然而在以往的農(nóng)田灌溉工程中，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃中的節(jié)水工程設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對(duì)此，以廣州市某地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目為例，討論高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)思路，提出節(jié)水工程設(shè)計(jì)方案，為提高高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃效果提供參考。

1 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水工程設(shè)計(jì)的基本原則

對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利高效節(jié)水灌溉技術(shù)的普及與運(yùn)用，需遵循適應(yīng)本土環(huán)境的準(zhǔn)則，全面評(píng)估本地農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備及生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)，還需界定節(jié)水技術(shù)的傳播方法，最大限度地展現(xiàn)出高效節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)改善本土農(nóng)田作物種類(lèi)布局的目標(biāo)[1]。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)排灌設(shè)施的優(yōu)化，提高項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田的抗旱能力和排澇能力，有效避免農(nóng)田遭受自然災(zāi)害，確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目質(zhì)量，充分發(fā)揮在區(qū)域內(nèi)大規(guī)模開(kāi)展基本農(nóng)田建設(shè)的系統(tǒng)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)。工程完成后，項(xiàng)目區(qū)灌溉保證率達(dá)到90%，其中旱作區(qū)的農(nóng)田排水采用5～10年暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，作物受淹情形下1～3 d實(shí)現(xiàn)暴雨積水排至田面無(wú)積水；水稻區(qū)農(nóng)田排水采用10年暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，作物受淹情形下3～5 d實(shí)現(xiàn)暴雨積水排至耐淹水深。

2 項(xiàng)目區(qū)水資源供需平衡分析

2.1 可供水量分析

通過(guò)查閱《廣東省水文圖集》中的廣東省1956—1979年平均年徑流深等值線圖（圖略）得知，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)多年的徑流深均值為800 mm。再結(jié)合廣東省1956—1979年徑流深系數(shù)CV等值線圖可知，項(xiàng)目區(qū)多年徑流深CV值為0.36，而項(xiàng)目區(qū)雨量偏態(tài)系數(shù)CS=3.5 CV。根據(jù)以上信息查得枯水年P(guān)=90%保證率的模比系數(shù)為KP=1.482。項(xiàng)目區(qū)集雨面積區(qū)域特枯水年90%保證率的設(shè)計(jì)年徑流深及徑流量計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中：R為徑流深（mm），R為平均徑流深（mm），KP為模比系數(shù)，W為徑流量（萬(wàn)m3），F(xiàn)為集雨面積（km2）。項(xiàng)目區(qū)集雨面積約為16.25 km2。

據(jù)此計(jì)算出項(xiàng)目區(qū)集雨面積區(qū)域特枯水年90%保證率的設(shè)計(jì)年徑流深為：R=800×1.482=1 185.60 mm；項(xiàng)目區(qū)上游控制區(qū)域90%設(shè)計(jì)保證率可供水量為：W=1 185.60×16.25÷10=1 926.60萬(wàn)m3。

2.2 需水量分析

項(xiàng)目區(qū)總灌溉面積為297.570 7 hm2，灌溉用水主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。其中，水田面積為245.291 3 hm2，占總灌溉面積的82.43%；水澆地面積為36.528 0 hm2，占總灌溉面積的12.28%。在設(shè)計(jì)保證率P=90%時(shí)，項(xiàng)目區(qū)年需水量為553.69萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)灌溉用水具體見(jiàn)表1。

2.3 水資源供需平衡分析

通過(guò)供、需水量計(jì)算可知，設(shè)計(jì)灌溉保證率90%時(shí)，在不考慮地下水資源的情況下，項(xiàng)目區(qū)灌溉需水量為553.69萬(wàn)m3，而灌溉水源可提供灌溉用水量約為1 926.6萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)的可供水量大于需水量，因此認(rèn)為完全能滿足區(qū)內(nèi)的灌溉需求。

綜上所述，在現(xiàn)有項(xiàng)目區(qū)灌溉體系條件下，水資源供給量完全能滿足項(xiàng)目區(qū)內(nèi)作物生長(zhǎng)需求。

3 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃中的節(jié)水工程設(shè)計(jì)方案

3.1 基本規(guī)劃思路

3.1.1 微灌技術(shù)的應(yīng)用

微灌技術(shù)以滴灌技術(shù)為基礎(chǔ)，其灌溉方式以滲灌及微噴灌為主，需配置灌水器及輸配水管。通過(guò)微灌系統(tǒng)，可有效把控灌溉水量，確保灌溉水直達(dá)植物根部位置，表面位置水資源所產(chǎn)生流失問(wèn)題得以解決，對(duì)農(nóng)作物整體土質(zhì)結(jié)構(gòu)可起到有效改善作用[2]。

微灌系統(tǒng)由輸水設(shè)施、量測(cè)設(shè)施、過(guò)濾設(shè)施、加壓設(shè)施等構(gòu)成，相較于大水漫灌，微灌節(jié)水率約為50%。在應(yīng)用微灌技術(shù)時(shí)，管材選擇較為重要，管徑≤315 mm時(shí)可用塑料管材等。

3.1.2 水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用

水肥一體化技術(shù)是將水肥同步供給作物，實(shí)現(xiàn)水肥的高效利用。通過(guò)精確控制灌溉水和施肥量，可以減少水肥的浪費(fèi)，提高作物的利用率。例如，利用滴灌技術(shù)和水肥一體化設(shè)備，可以將肥料溶解在灌溉水中，通過(guò)滴灌管將水肥混合液體直接供給作物根系，實(shí)現(xiàn)了水肥的精準(zhǔn)供給[3]。

3.2 節(jié)水工程方案設(shè)計(jì)

3.2.1 微灌工程設(shè)計(jì)

（1）微灌流量計(jì)算：以微噴帶的進(jìn)水口為起始點(diǎn)，對(duì)出水結(jié)點(diǎn)按（i=1，2……）進(jìn)行編號(hào)，設(shè)定qi為i對(duì)應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量，則各出水孔流量總和與節(jié)點(diǎn)流量值一致，將水孔看作小管出流狀態(tài)對(duì)節(jié)點(diǎn)流量qi進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

qi=kμA（2）

式（2）中：qi為i對(duì)應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量，i為對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)出水量，k為結(jié)點(diǎn)小孔數(shù)，μ為出水孔口的流量系數(shù)，A為出水孔面積，g為重力加速度，Hi為對(duì)應(yīng)出水結(jié)點(diǎn)入口水頭。

總流量計(jì)算公式為：Q=qi。其中，n為出水孔數(shù)量。

（2）沿程損失：將微噴帶視作串聯(lián)的同徑管段，采用流量連續(xù)性公式進(jìn)行沿程損失計(jì)算，水頭損失則依據(jù)達(dá)西—威斯巴赫公式計(jì)算。由于微噴帶材質(zhì)為軟塑料，在壓力變化下會(huì)產(chǎn)生形變，充滿水后可能形成非規(guī)則圓柱形，因此需要對(duì)以標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)管為參考的水力損失計(jì)算進(jìn)行修正，通過(guò)納入軟塑系數(shù) f 完成結(jié)果修正，軟塑系數(shù) f 的取值需通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)獲取。最終微噴帶的水頭損失公式為：

hf =f λ（3）

式（3）中：hf為因摩擦力造成的揚(yáng)程損失， f 為無(wú)因次的因子（軟塑系數(shù)），λ為沿程阻力系數(shù)，L為管路的長(zhǎng)度，D為管路的水力半徑（管路內(nèi)直徑），V為流體的平均速率（等于濕面積單位截面的體積流率），g為重力加速度。

如圖1所示，假設(shè)水流的流態(tài)在m出水孔之前為素流阻力光滑區(qū)，m至o出水孔間則為素流—層流的過(guò)渡區(qū)，o出水孔之后為層流區(qū)。微噴帶沿程損失需要分段分態(tài)進(jìn)行計(jì)算，若微噴帶的折徑D≤5 mm，素流阻力光滑區(qū)與層流區(qū)使用伯拉修斯實(shí)用公式對(duì)損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；素流—層流的過(guò)渡區(qū)使用伏同洲方法計(jì)算。管道的進(jìn)水口作為起點(diǎn)，m出水孔作為素流界點(diǎn)，o出水孔作為層流界點(diǎn)，n出水孔作為末端結(jié)點(diǎn)，進(jìn)水口至首個(gè)出水孔距離為ao。根據(jù)雷諾數(shù)判斷水流流態(tài)，管段流態(tài)的不同選取不同的沿程阻力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，本工程選擇的泵機(jī)（流量94 m3/h，揚(yáng)程28 m）滿足項(xiàng)目區(qū)需求。

3.2.2 水肥一體化工程設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)要點(diǎn)：本項(xiàng)目中水肥一體化工程的設(shè)計(jì)需要遵循“少量多次”的施肥原則，因此，相較于單純灌溉工程的設(shè)計(jì)要求更高，需要在常規(guī)灌溉設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步防止肥料淋失問(wèn)題，須做好如下兩個(gè)方面。

第一，控制管徑。灌溉用水管應(yīng)當(dāng)根據(jù)灌溉需求、灌溉面積等進(jìn)行針對(duì)性篩選，選擇的標(biāo)準(zhǔn)為水力計(jì)算，并且水肥一體化工程中，需要合理考慮肥液滯留問(wèn)題，需要在滿足灌溉需求的前提下盡可能縮減管徑，以提高單位時(shí)間內(nèi)的流量，且安裝時(shí)必須盡量保證管徑的穩(wěn)定性。

第二，控制灌溉均勻度。水肥一體化唯有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)肥水控制，才能更好地保障作物生長(zhǎng)對(duì)肥料與水分的需求，精準(zhǔn)控制的前提是灌溉的均勻度設(shè)計(jì)。依據(jù)水利部所制定的相關(guān)規(guī)范（微灌設(shè)計(jì)灌溉均勻度應(yīng)≥0%），考慮水肥一體化的特殊性，如果不均勻灌溉，則在水分和肥料的相互作用下作物生長(zhǎng)均勻度會(huì)降低，如果要求兩者共同作用對(duì)作物生長(zhǎng)影響的綜合均勻度也在80%以上，則水肥一體化灌溉設(shè)計(jì)的均勻度應(yīng)≥90%[4]。

經(jīng)計(jì)算，得出工程選擇的泵機(jī)（流量50 m3/h，揚(yáng)程30 m）滿足項(xiàng)目區(qū)需求。

（2）灌排渠設(shè)計(jì)：灌排渠是輸水的重要載體，在具體運(yùn)用過(guò)程需結(jié)合水力計(jì)算分析結(jié)果，合理確定防滲渠道的斷面尺寸。通常，若渠道流量＞1 m3/s，需設(shè)底部梯形斷面或者弧形坡腳式斷面，可對(duì)流量水力起到調(diào)節(jié)作用；若渠道流量＜1 m3/s，則可設(shè)U型斷面；針對(duì)大型灌溉區(qū)，渠道自身抗?jié)B性應(yīng)＞40%；針對(duì)中型灌溉區(qū)，渠道自身抗?jié)B性應(yīng)＞50%；針對(duì)小型灌溉區(qū)，渠道自身抗?jié)B性應(yīng)＞70%；井灌溉區(qū)管道需確保落實(shí)好全面性的抗?jié)B處理。

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)最近的雨量站數(shù)據(jù)，推算出項(xiàng)目區(qū)主區(qū)域24 h最大點(diǎn)雨量均值R24 h=150 mm。再根據(jù)查詢《廣東省農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)土地治理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)指南（試行）》中的P-Ⅲ頻率曲線10年一遇模比系數(shù)值表，獲取模比系數(shù)K10=1.661。據(jù)此，得出項(xiàng)目區(qū)主區(qū)域10年一遇最大24 h點(diǎn)雨量R24 h10計(jì)算為：

R24 h10=R24 hK10=150×1.661=249.15 mm

由于排澇時(shí)直接對(duì)田面積水進(jìn)行處理，因此直接以水面的排澇模數(shù)完成計(jì)算，依據(jù)平均排除法公式，水田排澇模數(shù)q的計(jì)算公式為：

q=1 000×=2.28（m3/s·km2）（4）

式（4）中：C水面為水面徑流系數(shù)，取值1.0；h為暫存水量，取值40 mm；E為蒸發(fā)量，取值4 mm/d；T為排澇歷時(shí)，取值86 400 s。

根據(jù)排水模數(shù)與排水面積綜合計(jì)算和比對(duì)，灌排渠最終確定選用梯形與矩形設(shè)計(jì)，比降以實(shí)際地形為依據(jù)予以確定，見(jiàn)圖2。

排水渠道過(guò)流能力按均勻流公式計(jì)算，岸頂超高和襯砌高度參照輸水渠道進(jìn)行。根據(jù)計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)排水渠道經(jīng)修整后都能滿足排澇要求。渠道設(shè)計(jì)典型斷面見(jiàn)圖3。

此外，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程在提供灌溉服務(wù)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)水體蒸發(fā)、滲漏等情況，易造成浪費(fèi)水資源的后果。相關(guān)人員可使用防滲漏技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為確保節(jié)水的灌溉技術(shù)高效利用、推動(dòng)科技加速創(chuàng)新、促使農(nóng)業(yè)規(guī)劃更具合理性等，除了要確保相關(guān)部門(mén)及人員更好地掌握高效節(jié)水的灌溉各項(xiàng)技術(shù)手段，還應(yīng)篤實(shí)節(jié)水灌溉正確意識(shí)、做好科學(xué)規(guī)劃，如此才能更好地保證高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利項(xiàng)目工程當(dāng)中高效節(jié)水的灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利項(xiàng)目工程業(yè)及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)整體的高效發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2] 杜永亮，公衍華.河北省易縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題與發(fā)展建議[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2024，44（1）：46-47，62.

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收稿日期：2024-06-11

作者簡(jiǎn)介：李平（1991—），男，廣東信宜人，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)田水利與生態(tài)修復(fù)。