肖合偉

(宜春市潦河工程管理局，江西 奉新 330700)

村級(jí)農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖合偉

(宜春市潦河工程管理局，江西 奉新 330700)

我國(guó)的農(nóng)業(yè)水利建設(shè)仍存不足，許多村莊仍然使用傳統(tǒng)的水利工程，這導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到一定的局限。政府針對(duì)這一問(wèn)題，加大了農(nóng)村農(nóng)田水利工程建設(shè)的力度，對(duì)農(nóng)村的水利工程灌排系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，推廣到廣大農(nóng)戶中，這也標(biāo)志著我國(guó)農(nóng)業(yè)水利建設(shè)有了質(zhì)的提高。文章通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田水利灌排系統(tǒng)的創(chuàng)新，將生態(tài)水利理念融入到灌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，參考國(guó)內(nèi)外部分比較成功的實(shí)例，通過(guò)相關(guān)計(jì)算，總結(jié)并設(shè)計(jì)出一種科學(xué)的、適用于我國(guó)的村級(jí)農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)，為我國(guó)現(xiàn)代化的農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有利依據(jù)。

農(nóng)田水利工程；灌排系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；村莊

0 引 言

農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)是提高農(nóng)田生產(chǎn)率的關(guān)鍵，但是我國(guó)水資源相對(duì)缺乏，每年用水總量，有將近90%是用于農(nóng)業(yè)用水，而農(nóng)田灌溉更是其中的主要用水環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用率只達(dá)到45%左右，其它大部分的水已在傳輸過(guò)程中浪費(fèi)掉了[1]。由此可見(jiàn)，對(duì)農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)，文章分為兩部分進(jìn)行探討：①農(nóng)田灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)；②農(nóng)田排水工程設(shè)計(jì)。

1 農(nóng)田灌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

在灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)用水的最大環(huán)節(jié)，對(duì)其的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于在維護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，如何保持輸水的高效性[2]。根據(jù)村級(jí)農(nóng)田面積大小，文章主要探討小型機(jī)電灌區(qū)灌溉方式。以平原區(qū)的水田灌溉工程為例，探究低壓管溉及渠道輸水灌溉的區(qū)別，對(duì)兩種灌溉方式進(jìn)行全方位比較分析。

在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，水是農(nóng)田的必備要素，然而土壤水的含量是農(nóng)作物存活的關(guān)鍵因素，因此排水系統(tǒng)也是農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)部分。排水方式一般有明渠排水與暗溝排水兩種。明渠排水主要是為了排除農(nóng)田中的地表水，控制土壤水含量及地下水位。暗溝排水主要是為了排除地下水。根據(jù)村級(jí)農(nóng)田水利工程的情況，文章主要討論明渠排水方式[4]。排水渠道設(shè)計(jì)主要依據(jù)地球重力作用，一般以重力自排為主，針對(duì)農(nóng)田地勢(shì)高度，合理設(shè)計(jì)農(nóng)田各級(jí)排水渠道的坡度，部分無(wú)法實(shí)現(xiàn)自排的農(nóng)田可選用水泵抽排。農(nóng)田排水設(shè)計(jì)流量需通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田澇水量、漬水量、日常排水量進(jìn)行計(jì)算得出，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田澇水量、漬水量、日常排水量分別確定排水渠道斷面尺寸、排水渠道水流最小流速、排水渠道底部高程和寬度。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與灌溉系統(tǒng)一樣，要在對(duì)生態(tài)環(huán)境不造成影響的前提下進(jìn)行。比如水生植物等可吸附農(nóng)田流失的氮、磷，則可將其種植在排水渠內(nèi)；排水渠道周邊的水資源豐富，事宜多種植物和微生物生長(zhǎng)繁衍等等。通過(guò)以上方式可維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，豐富生態(tài)多樣性，更將水資源合理分配利用[5]。參照這部分，在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可改變排水渠道的建設(shè)材料、建設(shè)方式，從而實(shí)現(xiàn)排水渠道價(jià)值最大化的目標(biāo)。

2 灌排系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)案例分析

2.1 灌溉方式選擇

以一塊平原區(qū)38.42hm2水田灌區(qū)為例，分別對(duì)低壓管輸水、土渠輸水、混凝土渠輸水3種灌溉方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，總結(jié)并分析其中的最優(yōu)輸水灌溉方式。平原區(qū)具體數(shù)據(jù)如下：田區(qū)東西總長(zhǎng)1160m，南北寬350-400m，總面積38.42hm2,平原地勢(shì)，地面高程3.21m，主要種植作物為水稻和小麥，土壤為黏壤土，容重γ1.41g/cm2，田間持水率β=28%。本方案為了避開(kāi)道路及建筑，管道均走地下，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算分析，得出結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型實(shí)例灌區(qū)輸水管溉工程分析對(duì)比表

通過(guò)以上對(duì)比可知，低壓管溉方式是輸水效率最高的，且投入成本也較為合理。僅僅是通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析無(wú)法判斷結(jié)論的絕對(duì)準(zhǔn)確，隨著灌溉面積的不同，相對(duì)的投資就不同，但是就目前我國(guó)村級(jí)農(nóng)田水利工程的情況，參考以往的實(shí)例綜合分析，可以確認(rèn)低壓管溉方式是最適宜的灌溉方式。因?yàn)榈蛪汗芨炔粌H有以上優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)農(nóng)田生態(tài)不造成過(guò)大影響，綜上所述，我國(guó)應(yīng)考慮采用低壓管溉的方式作為我國(guó)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方向。按照國(guó)內(nèi)企業(yè)UPVC管材標(biāo)準(zhǔn)，最大管徑400mm，最小管徑25mm，在低壓管溉設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)田區(qū)的實(shí)際情況，優(yōu)先考慮滿足輸水要求，節(jié)約投資成本和維護(hù)成本。

2.2 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)村級(jí)農(nóng)田水利工程情況，主要設(shè)計(jì)方向?yàn)樾⌒蜋C(jī)電灌區(qū)灌溉方式，輸水方式選用低壓管輸，管道選取UPVC管?，F(xiàn)參考實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)，農(nóng)田區(qū)主要通過(guò)泵站從附近河流取水，用低壓管道進(jìn)行輸水灌溉，目前主要種植水稻和小麥，為了滿足未來(lái)旱季種植需求，設(shè)計(jì)預(yù)留輸水管道出水壓力，以便旱季蔬植的滴灌需求。輸水管道選取UPVC管，從保護(hù)當(dāng)?shù)赝恋亟Y(jié)構(gòu)上考慮，管道埋深定為60cm，另設(shè)防沖槽預(yù)防出水孔水的沖刷，防沖槽選用混凝土材質(zhì)，尺寸為0.6m×0.6m×0.8m。

根據(jù)農(nóng)田區(qū)實(shí)際情況，灌溉用水效率最低時(shí)期為水稻泡田期，因此灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)最低標(biāo)準(zhǔn)為泡田期灌溉率的95%，在灌區(qū)中選取取1125m3/hm2的泡田定額，灌溉水利用系數(shù)為0.9。

灌水率公式：

(1)

式中：g代表灌水率，m3/s/萬(wàn)hm2；x為泡田灌水定額，m3/hm2；T為灌水周期，d；t為每天灌水時(shí)間，h。其中T取值為4d，t取值為23h。

將實(shí)例農(nóng)田區(qū)的值代入求出g=39m3/s/萬(wàn)hm2，將所得灌水率代入輸水管徑優(yōu)化公式中，再根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀磺闆r、經(jīng)濟(jì)情況及農(nóng)田面積等，計(jì)算出低壓管溉的管徑。通過(guò)計(jì)算可知，低壓管道管徑選取DN250、DN160、DN110三種管徑，根據(jù)農(nóng)田面積鋪設(shè)管徑DN250總長(zhǎng)為245m，管徑DN160總長(zhǎng)為1050m,管徑DN110總長(zhǎng)為3250m。

2.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章探討的排水渠道的設(shè)計(jì)以灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例為基礎(chǔ)，農(nóng)田區(qū)屬于南方平原區(qū)，平原區(qū)域河流數(shù)量較多，分布較為密集，因此要注意控制好河流水位，防止?jié)n水影響農(nóng)田水量，將農(nóng)田區(qū)域地下水位控制在田下0.7m以下，可以成功防止農(nóng)田漬害的發(fā)生[6]。因此漬水防治不在此次設(shè)計(jì)討論范圍，此次設(shè)計(jì)主要針對(duì)農(nóng)田地面排水，將農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的降雨淤積的多余水量排出田外。

排水渠道與排水管逐一布置，考慮到農(nóng)田區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及發(fā)展，排水渠道采用寬淺式坡形土質(zhì)溝道，以便農(nóng)田動(dòng)物的正常棲息，維持生物多樣性的狀態(tài)。本次對(duì)實(shí)例農(nóng)田區(qū)排水渠道的設(shè)計(jì)尺寸為底寬0.8m，深0.5m，邊坡1：1。設(shè)計(jì)排水渠道總長(zhǎng)為2621m。排水渠道布置示意圖如圖1。

圖1 排水渠道布置示意圖

3 結(jié) 論

文章探討關(guān)于村級(jí)農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以傳統(tǒng)的方案為基礎(chǔ)，加入科學(xué)公式的計(jì)算，另重點(diǎn)融入水利工程建設(shè)中的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的原則，結(jié)合了土地營(yíng)養(yǎng)理論、生態(tài)系統(tǒng)理論、可持續(xù)發(fā)展理念等知識(shí)點(diǎn)作為研究支撐，旨在為我國(guó)村級(jí)農(nóng)田水利工程打造適宜的灌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)模板，結(jié)合設(shè)立的實(shí)例農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行實(shí)證分析。文章主要研究成果如下：

1)根據(jù)我國(guó)村級(jí)農(nóng)田水利工程的規(guī)模，確定我國(guó)農(nóng)田主要為小型機(jī)電灌區(qū)灌溉方式，針對(duì)這種灌溉方式，對(duì)比分析得出低壓管道灌溉的方法是效率最好，性價(jià)比最高的灌溉方法，管道一般選用UPVC管；而排水渠道的設(shè)計(jì)主要是依靠重力自排，抽排輔之。

2)村級(jí)農(nóng)田水利工程灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)地考察研究，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)為依據(jù)代入科學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)得出灌溉率來(lái)求得輸水管徑的大小，最后再根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀?、?jīng)濟(jì)、耕地面積等條件來(lái)優(yōu)化輸水管徑大小，確定最適宜、性價(jià)比最高的低壓管道灌溉方案。

3)村級(jí)農(nóng)田水利工程排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)排水渠道的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，主要以實(shí)地考察為主，因地制宜，從而選擇更好的排水設(shè)計(jì)方案。

4)對(duì)于我國(guó)村級(jí)農(nóng)田水利工程灌排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，都要加入生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的理念，一方面要使我國(guó)灌排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能有更優(yōu)化的方案，另一方面可保護(hù)農(nóng)田生態(tài)多樣性的發(fā)展，最大化地實(shí)現(xiàn)灌溉水的價(jià)值。

[1]李世英.對(duì)我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2000,18(01):30-31.

[2]彭世彰,丁加麗.國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)比較與認(rèn)識(shí)[J].水利水電科技發(fā)展,2004,24(04):49-52.

[3]郝芳洲.國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介[J].農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù),2000(01):14.

[4]黃修橋,高峰,王憲杰.節(jié)水灌溉與21世紀(jì)水資源的持續(xù)利用[J].灌溉排水,2001,20(03):1-5.

[5]張慶華,馬慶斌.管道灌溉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)管徑的計(jì)算[J].節(jié)水灌溉,2000(05):14-15.

[6]史靜靜.村級(jí)農(nóng)田水利規(guī)劃設(shè)計(jì)方案研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2013.

1007-7596(2017)10-0086-03

S277

B

2017-09-18

肖合偉(1984-)，男，江西宜春人，助理工程師，從事水利工程建設(shè)管理工作。