陳 亮

（北票市婁家店鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 北票 122100）

在以丘陵地貌為主的遼西，傳統(tǒng)的糧食作物無法大面積種植，因此農(nóng)業(yè)作物多以果樹和經(jīng)濟作物為主；再加上區(qū)域水文氣象條件干旱，地形復(fù)雜灌溉困難，遼西地區(qū)是國內(nèi)最為典型的旱作雨養(yǎng)型種植業(yè)區(qū)[1]。由于該地區(qū)原本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件落后，加之當?shù)貜氖罗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的群眾又缺乏對作物的科學(xué)管理，當?shù)刈罨镜慕?jīng)濟收入來源果樹種植產(chǎn)量基本與降雨量的多少成正比，雨多則豐，雨稀則虧。這種極度依賴天然降水的種植模式具有很多不確定性，對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收有著嚴重的影響。為解決農(nóng)業(yè)用水的困境以及實現(xiàn)對區(qū)域水資源的高效利用，當?shù)卣畬嵤┝酥T多的小型農(nóng)田水利項目，因地制宜建設(shè)了多個果樹高效滴灌工程，使得遼西地區(qū)的基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到了有效強化，切實提高了區(qū)域農(nóng)業(yè)的綜合生產(chǎn)能力。高效的節(jié)水灌溉模式設(shè)計可以有效地提高作物的經(jīng)濟效益，使得區(qū)域整體以水定產(chǎn)的行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整獲得了更大的靈活性[2]，而水資源的大量節(jié)約可以擴大遼西地區(qū)的灌溉面積，對保持遼西經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 概況

節(jié)水滴灌項目區(qū)位于遼寧省西部，該地多為低山丘陵地帶，屬于溫帶大陸性季風氣候，降水不足且蒸發(fā)量大[3]。本設(shè)計屬于北票市節(jié)水灌溉工程項目的典型設(shè)計，區(qū)內(nèi)多為低山丘陵，適宜發(fā)展果樹農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，灌溉方式則采取整片的輪灌模式。因為項目區(qū)內(nèi)無基礎(chǔ)的水利工程設(shè)施，本次設(shè)計中計劃新打水源井1 眼，新建蓄水池1 座，鋪設(shè)滴灌管道及水泵工程。主要工程是從水源井向項目地塊引設(shè)1條干管，在垂直于干管方向布置2條支管，支管間距則依照實際地形控制布置；而后，在此基礎(chǔ)上布置地面輔管，終端灌溉果樹的毛管垂直于輔管布置，采取一行一條的方式，毛管及終端滴頭的間距設(shè)置為3 m。該項目為水利基礎(chǔ)性民生保障計劃，總投資預(yù)計約16萬元，項目收益估算展望較為理想。

2 小管出流滴灌模式設(shè)計

本項目依據(jù)區(qū)域環(huán)境特點和灌溉作物特性，采用小管出流的節(jié)水滴灌模式。小管出流技術(shù)是利用開口較大的小口徑出水口，將來自輸配水管網(wǎng)的有壓水流通過緩慢細流的形式，采用積水入滲的方式濕潤作物根區(qū)土壤的微灌技術(shù)[4]。因其省工、省時、省水且具有較強的抗堵塞能力，該技術(shù)在果樹灌溉方面得到了廣泛應(yīng)用。小管出流技術(shù)已在項目區(qū)周邊的類似區(qū)域得到了很好的應(yīng)用，投資小收益高，獲得了群眾的一致認可，因此本項目區(qū)的高效節(jié)水滴灌以小管出流為實際設(shè)計方案。

2.1 水源灌溉條件分析

根據(jù)水源地質(zhì)條件，在項目區(qū)內(nèi)打大口井1 眼，井深約為11 m，修建蓄水池1座，儲水容積可達80 m3，其綜合出水能力為7 m3/h。經(jīng)過粗略監(jiān)測，該井的出水水質(zhì)較好，泵抽水量達到一定標準后，適宜配套興建小管出流工程。利用水源井出水流量可以得到的控制灌溉面積計算公式如下：

式中：A為可執(zhí)行灌溉面積（hm2）；Qs為供水井流量（m3/h）；Ia為供水強度（mm/d）；td為灌溉時長（h），取22 h/d；Ea為果樹設(shè)計日耗水強度（mm/d），取3 mm/d；因無淋洗要求，故取Ia=Ea=3 mm/d；η為果樹灌溉的水分利用系數(shù)，取0.90。

利用式（1）和經(jīng)驗系數(shù)計算，得項目區(qū)果樹類型的控制灌溉用水需求面積為4.67 hm2，在不超過該固定面積下的果樹用水需求均可得到滿足。

2.2 灌溉小區(qū)布設(shè)

由上文計算得到的項目區(qū)控制灌溉面積為4.67 hm2，且抽水灌溉井位于項目區(qū)的東北方向。因此，根據(jù)項目區(qū)實際的空間地形變化，沿坡腰從水源井向項目地塊引設(shè)1 條干管，在該干管的垂直方向布置2 條支管，支管間距按實際需要設(shè)置為142 m，再按果樹種植位置在地面布置輔管和毛管。最后，將項目區(qū)分為12個輪灌小區(qū)。

2.3 灌溉制度設(shè)計

灌溉制度是為提高作物產(chǎn)量及節(jié)約用水而制定的適時、適量的灌水方案，其主要內(nèi)容包括滿足作物正常生長所需灌溉的灌水時間、灌水次數(shù)和灌水定額[5，6]。本文從最大凈灌水定額、灌水周期、設(shè)計灌水定額、一次灌水延續(xù)時間和輪灌制度的計算來確定項目區(qū)果園的灌溉制度。

2.3.1 最大凈灌水定額

根據(jù)遼西丘陵地區(qū)的土壤水力性質(zhì)以及果樹根系的發(fā)育程度，果園的最大凈灌水定額計算公式如下：

式中：mmax為最大凈灌水定額（mm）；γ為土壤容重（g/cm3），取1.45 g/cm3；z為土壤濕潤層深度（cm），取50 cm；p為土壤濕潤比（%），取35%；θmax，θmin分別為適宜土壤含水率的上下限。

利用式（2）及實際經(jīng)驗系數(shù)計算，得項目區(qū)的最大凈灌水定額為21.1 mm，可以換算為0.59（m3/hm2）。

2.3.2 灌水周期

一般來說，果樹在5月上旬是生長需水的旺盛期，在該區(qū)域的實際最大需水強度可達到Ed=5 mm/d，遠超其他時期，因此以該段的需水強度為灌溉周期的需水強度。通過上文計算的最大凈灌水定額和果樹的實際需水強度計算，可得項目區(qū)的果樹設(shè)計灌水周期為4 d。

2.3.3 設(shè)計灌水定額

設(shè)計凈灌水定額計算公式如下：

式中：md為設(shè)計凈灌水定額（mm）；T為設(shè)計灌水周期（d）；Ia為設(shè)計供水強度（mm/d）。

利用上文計算的灌水周期及經(jīng)驗設(shè)計值，得設(shè)計凈灌水定額為12 mm。

設(shè)計毛灌水定額計算公式如下：

式中：m'為設(shè)計毛灌水定額（mm）；md為設(shè)計凈灌水定額（mm）；η為果樹灌溉的水分利用系數(shù)，取0.90。

經(jīng)計算，得設(shè)計毛灌水定額為13.33 mm。

2.3.4 一次灌水延續(xù)時間

一次灌水延續(xù)時間計算公式如下：

式中：m'為設(shè)計毛灌水定額（mm）；t為單次灌水延續(xù)時間（h）；Sr為果樹間行距（m）；St為果樹間株距（m）；ns為每株植物的灌水器個數(shù)，工廠設(shè)計為5 個；qd為灌水器流量（L/h），工廠設(shè)計值為3 L/h。

利用式（5）及實際經(jīng)驗參數(shù)計算，得單次灌水延續(xù)時間為8 h。

2.3.5 輪灌制度設(shè)計

一般來說，灌溉作物需要少量多次，這樣會使得水可以充分地滲入土壤，更好地保持土壤含水量，因此需要多次輪灌。為滿足果樹的正常需水量，果園的最大輪灌組數(shù)應(yīng)滿足如下計算公式：

式中：N為允許的輪灌組最大數(shù)目；C為設(shè)計的灌溉系統(tǒng)的單日工作時長（h），取22 h；T為設(shè)計灌水周期（d）；t為單次灌水的延續(xù)時間（h）。

經(jīng)計算，得允許輪灌組最大數(shù)目N≤11。

根據(jù)上文計算結(jié)果，典型項目區(qū)的果園灌溉共計11 個輪灌組，單次灌水延續(xù)時間為8 h，每個輪灌組的平均面積為0.424 hm2。在實際灌溉中，先進行一個輪灌組的灌水過程，結(jié)束后再開啟下一個輪灌組，其間開啟順序要嚴格按照先開后關(guān)的原則，防止出現(xiàn)水錘效應(yīng)，破壞灌溉設(shè)備。

2.4 輸水管網(wǎng)設(shè)計

為保障果樹生長的正常需水量，輸水管網(wǎng)設(shè)計是滴灌工程的重要一環(huán)，需要考慮輸送水源的管線，保證其具有水力供水能力，同時也需要考慮水源位置的特點[7]，避免產(chǎn)生管線復(fù)雜問題，不利于施工；更重要的是要在經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)上，滿足作物灌溉的基本需求。本文從管網(wǎng)流量和水頭偏差計算、管材管徑選擇、管網(wǎng)水頭損失和蓄水池水力高程計算確定了項目區(qū)的輸水管網(wǎng)具體水力參數(shù)。

2.4.1 管道流量計算

果園毛管的鋪設(shè)長度設(shè)計值取50 m，滴頭的工廠設(shè)計流量為3 L/h，根據(jù)實際標準，滴頭共80個，所以毛管的計算流量為0.24 m3/h。輔管流量為輔管上各毛管流量的總和，輔管鋪設(shè)長度為21 m，所以輔管的計算流量為3.36 m3/h，而支管的計算流量也為3.36 m3/h。灌溉時，干管最大允許2 條支管同時工作，所以干管的計算流量為6 720 L/h。

2.4.2 管道水頭偏差計算

根據(jù)該類型工程的規(guī)范要求，微灌系統(tǒng)中灌水小區(qū)的灌水器設(shè)計允許流量偏差率qv≤20%[8]，本次設(shè)計取qv=20%。果園的灌水器工作水頭偏差率與流量偏差率計算公式如下：

式中：hv為灌水器工作水頭偏差率；qv為灌水器設(shè)計允許流量偏差率；x為灌水器流態(tài)指數(shù)，實際測試指數(shù)為0.45。

果園灌水小區(qū)的灌水器設(shè)計允許水頭偏差在支、毛管間按50%分配，而滴頭的設(shè)計工作壓力為10 m，則毛管和支管的允許水頭偏差經(jīng)計算均為2.3 m。

2.4.3 管材選擇和管徑計算

一般情況下，支管的管徑是根據(jù)管道的經(jīng)濟流速確定的[9]，為保證管材資金投入小且滿足用水需求，減少單位面積灌溉工程的投入費用，管材一般選擇結(jié)實耐用且造價低廉的塑料制品。塑料材質(zhì)的管徑計算公式如下：

式中：D為管徑（mm）；Q為管道流量（m3/h）；v為經(jīng)濟流速（m/s），取1.5 m/s。

經(jīng)計算，得干管管徑為40.63 mm，支管、輔管管徑為28.15 mm。因此，選擇不小于計算結(jié)果的標準管材。

2.4.4 管網(wǎng)水頭損失計算

因為管網(wǎng)皆采用硬質(zhì)塑料制品，所以主要輸水管道的沿程水頭損失經(jīng)計算得到干管沿程水頭損失為4.77 m，局部水頭損失為0.48 m；支管沿程水頭損失為2.27 m，局部水頭損失為0.23 m；輔管沿程水頭損失為0.2 m，局部水頭損失為0.02 m。

其中，果園灌水小區(qū)的毛管水頭損失采用等距多孔管計算公式：

式中：hf為沿程水頭損失（m）；sv為分流孔之間的距離（m）；s0為多孔管進水口至首個孔洞的距離（m），工廠參數(shù)取1.5 m；s為毛管分流孔之間的距離（mm）；d為管徑（mm）；N為分流孔總數(shù)；qd為單孔設(shè)計流量（L/h），取3 L/h；m為流量指數(shù)，工廠參數(shù)取1.75；b為管徑指數(shù)，工廠參數(shù)取4.75；f為摩阻系數(shù)，工廠參數(shù)取0.505。

經(jīng)計算，得毛管沿程水頭損失為0.002 m，局部水頭損失為0.000 2 m。

最后，根據(jù)上述計算結(jié)果，輸水干管和輔管的綜合局部水頭損失為0.68 m，由此推算干管總水頭損失為7.45 m。

2.4.5 蓄水池水力高程計算

本項目計劃新建1 座蓄水池，為減少灌溉成本投入，蓄水池將利用地形差產(chǎn)生的水力差進行供水灌溉，為此需要在最不利情況下計算兩者相對高程。具體的蓄水池底板所需高程計算公式如下：

式中：H為蓄水池地面高程（m）；H1為最不利配水點高程（m），取209 m；H2為最不利配水點至蓄水池管段的水頭損失之和（m），取7.97 m；H3為最不利配水點所需的流出水頭（m），取2 m；H4為不可預(yù)見富余水頭（m），取2 m。

經(jīng)計算分析，蓄水池底板高程應(yīng)大于或等于220.97 m，而本次設(shè)計蓄水池底板高程為227.5 m，滿足供水要求。為防止冬季蓄水池產(chǎn)生凍融裂縫，需將其地埋到當?shù)氐膬鰧右韵?，?.5 m。同時，為減少蓄水池的開挖土方量，在開挖1 m 以后上覆土1 m，因此蓄水地面高程=池底板高程-1.0 m+蓄水池高度，經(jīng)計算結(jié)果為229.35 m。

因為項目區(qū)的蓄水池可利用地形高差進行自壓灌溉，所以水泵選型只需計算向蓄水池供水的干管以及泵管水頭損失即可。

2.5 水泵選型

揚程和流量是水泵的重要參數(shù)[10]，是灌溉設(shè)計最后確定的工程參數(shù)。有效的水泵適配能保障水力管網(wǎng)正常運轉(zhuǎn)，減少管網(wǎng)損耗，增加使用壽命。根據(jù)上文的計算結(jié)果，項目區(qū)水泵揚程的計算公式如下：

式中：h為水泵揚程（m）；ZP為蓄水池進口高程（m）；Zb為水源設(shè)計水位高程（m）；hf為管道沿程水頭損失（首部樞紐沿程水頭損失為10 m）（m）；hj為管道局部水頭損失（首部樞紐局部水頭損失為8 m）（m）。

經(jīng)計算，得管路所需的總揚程為60.85 m。

在最不利的條件下，以灌溉系統(tǒng)同時運行的支管入口流量之和作為計算流量，計算公式如下：

式中：Q設(shè)為系統(tǒng)設(shè)計流量（m3/h）；n為同時運行的支管數(shù)；Q支為支管入口流量（m3/h）。

經(jīng)計算，得系統(tǒng)灌溉的設(shè)計流量為7 m3/h。

根據(jù)上文計算結(jié)果，項目區(qū)的水泵選型總揚程為60.85 m，干管出流流量須達到7 m3/h。

總而言之，丘陵地區(qū)的地形較為復(fù)雜，一般可以利用的水源為地下水，因此地下水打井需要根據(jù)水文地質(zhì)條件選擇富水含水層，以此來保障灌溉用水需求。水源口一般要依據(jù)地形選擇高處，這樣有助于采用地形水力壓差供水，減少電費投入。設(shè)計的灌溉模式要和目標作物對應(yīng)，選擇經(jīng)濟合適且易于替換的管材，防止管道老化及破損后無法及時修復(fù)，導(dǎo)致出現(xiàn)灌溉不利、項目可持續(xù)性利用差的情況。小管出流的終端出水參數(shù)基本是確定的，需要提前進行區(qū)域適配，選擇合適的水力參數(shù)進行配件?？傮w設(shè)計要求要有普適性，便于大面積推廣應(yīng)用，在材料購買和水力設(shè)施管理維修上可以降低果農(nóng)負擔，提高當?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟收入。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了遼西丘陵區(qū)果樹小管出流節(jié)水滴灌模式，粗略布設(shè)了灌溉管網(wǎng)走向及分區(qū)，在土壤水力特性和果樹生長需水的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具體灌溉制度，確定了水泵選型。經(jīng)實施，改變了遼西丘陵區(qū)果樹種植依賴天氣變化雨養(yǎng)生長的現(xiàn)狀。此滴灌模式的實施使得果樹種植畝產(chǎn)量從原始的1 000 kg 提高至1 500 kg，大大提高了單位生產(chǎn)效率，也為保障農(nóng)村農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興提供了強有力的支撐?？偟膩碚f，遼西丘陵區(qū)的果樹灌溉采用小管出流的節(jié)水模式，不僅提高了水資源的利用效率，增加了農(nóng)民的收入，也對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村的生態(tài)文明建設(shè)及經(jīng)濟振興都具有重要意義。