楊建軍
(寧夏名禹建設(shè)工程有限公司,寧夏銀川)
彭陽縣地處寧夏南部山區(qū),水資源嚴(yán)重不足一直是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸,尤其是古城鎮(zhèn)掛馬溝村缺水問題更加嚴(yán)峻[1]:一是水資源不能得到高效利用。彭陽縣多年平均降水量486 mm,雖然比全區(qū)平均值高很多,但由于空間分布不均勻,造成南面降水量明顯高于北面,西面降水量比較豐富,東面降水量卻嚴(yán)重不足。同時,由于地形比較復(fù)雜,山比較高坡比較陡,田遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出水面,水資源很難利用,降雨又分布十分不均,水量過分集中,汛期容易產(chǎn)生大量廢棄水,非汛期水量卻十分稀缺,形成兩極分化使,不能高效率地利用水資源。二是群眾節(jié)水意識差。一方面群眾習(xí)慣了大水漫灌的灌溉方式,一下子改為節(jié)水灌溉,群眾需要有個適應(yīng)過程;另一方面大規(guī)模的節(jié)水灌溉宣傳還不到位,尤其是群眾對高效節(jié)水技術(shù)不熟悉,不相信采取這樣的措施就一定能夠節(jié)約大量農(nóng)業(yè)灌溉用水,所以一下子讓高效的節(jié)水灌溉代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式需要時間和精力。三是沒有高效水利設(shè)施可以利用。U 型渠道在引黃灌區(qū)已經(jīng)普遍使用,但是目前大多數(shù)山區(qū)受條件限制,都還在使用十幾年前建設(shè)的土渠灌溉,多數(shù)渠道還沒有砌護(hù),渠道水利用系數(shù)很低,渠道水利用率很低,甚至多數(shù)群眾種田都是靠天吃飯,種田的收益很低,群眾種田的積極性逐年下降。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民被迫放棄種田而選擇了外出打工,造成了山區(qū)大量農(nóng)田逐步撂荒,當(dāng)?shù)卣ㄔO(shè)高效農(nóng)田水利設(shè)施的積極性也不高,久而久之形成惡性循環(huán)。當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施越來越薄弱,撂荒地越來越多,農(nóng)戶流失、土地流失現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,實施高效節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決缺水問題的有效措施之一。為落實寧夏回族自治區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,推動現(xiàn)代高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展,彭陽縣決定在古城鎮(zhèn)掛馬溝村實施現(xiàn)代高效節(jié)水農(nóng)業(yè)項目。因此,本文重點闡述該項目田間高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。
本次田間工程涉及面積0.19 萬畝,規(guī)劃種植玉米,灌溉方式采用滴灌,系統(tǒng)數(shù)量2 個[5],具體見表1。
表1 灌區(qū)高效節(jié)水灌溉規(guī)劃表
依據(jù)《滴灌工程設(shè)計圖集》、《寧夏滴灌玉米技術(shù)規(guī)程》和《寧夏滴灌枸杞技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范,結(jié)合項目區(qū)的實際,確定基本參數(shù)[3-5]。
根據(jù)國家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4],要求微灌工程設(shè)計保證率一般不要應(yīng)低于85%,結(jié)合該項目實際情況,本次設(shè)計為85%。
項目區(qū)屬于土質(zhì)以砂壤土為主,查閱區(qū)域資料,選擇土壤容重取值1.45 克/立方厘米,田間持水量取值22%。
土壤計劃濕潤土層深度應(yīng)根據(jù)作物根系分布情況確定。項目區(qū)種植作物參照全區(qū)玉米設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)深度,計劃土壤濕潤層深度為700 mm,詳見表2。
表2 物計劃濕潤層深度統(tǒng)計表
被濕潤土體積除以計劃土壤濕潤層總土體體積的比值為微灌設(shè)計土壤濕潤比,根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、植物分類、種植方式和灌溉形式等,綜合區(qū)域試驗資料等因素綜合確定土壤濕潤比為50%(詳見表3 壤濕潤比統(tǒng)計表)
表3 土壤濕潤比統(tǒng)計表
參照國家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4],結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂虻茸匀粭l件,確定該項目微灌首部樞紐以下滴灌灌溉水利用系數(shù)為0.9。
滴灌帶及灌水器間距主要根據(jù)植物的種植模式確定,項目區(qū)玉米按照寬窄行布置,最窄間距40 cm,最寬間距70 cm,株距30 cm,采用“一管兩行”方式布置滴灌帶,滴頭流量1.39 升/小時;滴灌帶初步確定為內(nèi)鑲貼片式,具體參數(shù)詳見表4 作物種植株行距、毛管行距及灌水器統(tǒng)計表。
表4 作物種植株行距、毛管行距及灌水器統(tǒng)計表
根據(jù)這個項目所在區(qū)域即掛馬溝村的氣候、土壤等自然條件,綜合國家、自治區(qū)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和導(dǎo)則,確定該項目微灌作物耗水強(qiáng)度為作4,詳見表5 作物對應(yīng)耗水強(qiáng)度表。
表5 作物對應(yīng)耗水強(qiáng)度表
按照相關(guān)規(guī)范,微灌系統(tǒng)設(shè)計每天工作小時不應(yīng)該大于22 h,結(jié)合實際情況,確定該項目日工作小時為20 h。
mmax、m 設(shè)- 分別為最大和設(shè)計凈灌水定額(mm);z- 土壤計劃濕潤土層深度(cm);p- 設(shè)計土壤濕潤比(%);Θmax- 重量百分比上限;θmin- 重量百分比下限;θ'max- 體積百分比上限;θ'min- 體積百分比下限);Ia- 設(shè)計耗水強(qiáng)度(mm/d)。
結(jié)合項目區(qū)掛馬溝村灌水器水力性能、種植結(jié)構(gòu)、實際地形、管道鋪設(shè)長度(毛管)、等綜合因素確定該項目毛管工作壓力小于等于0.11 mpa。
《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提供的一次灌水時間計算公式為:對于n 個灌水器繞植物布置時:
t=m′SrSt/nqd
式中:m′——設(shè)計毛灌水定額;Sr——植物的行距;St——植物的株距;qd——灌水器設(shè)計流量;n——每株植物的灌水器個數(shù)。
根據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》
式中:N- 設(shè)計最大輪灌組數(shù),個;C- 系統(tǒng)日工作時間,h;T- 設(shè)計灌水周期,d;t- 設(shè)計每次最大灌水時間,h。
灌溉參數(shù)選取結(jié)果見表6。
表6 灌溉基本參數(shù)選取表
(1) 灌水小區(qū)的構(gòu)成。依據(jù)國家及自治區(qū)微灌工程技術(shù)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[4],一個灌水小區(qū)負(fù)責(zé)灌溉范圍只有一條支管,按照此布局再進(jìn)行水力設(shè)計,據(jù)此確定灌水小區(qū)由支管和支管控制的滴灌帶構(gòu)成。(2)灌水小區(qū)的水力設(shè)計。①灌水小區(qū)允許水頭偏差及其在滴灌帶和支管上的分配。按照國家、自治區(qū)微灌工程技術(shù)規(guī)范[4],正常情況,當(dāng)?shù)喂嗑鶆蛳禂?shù)(Cu)大于81%時,滴頭設(shè)計允許流量偏差率(qv)必須小于或者等于21%,當(dāng)?shù)晤^流態(tài)指數(shù)(x)等于0.6 時,滴灌允許設(shè)計水頭偏差率(hv)應(yīng)為:[hv]≤[qv]/x{1+0.15(1-x)/x[qv]}≤0.2/0.60×{1+0.15×(1-0.60)/0.60×0.2}≤34%當(dāng)?shù)晤^額定工作壓力為0.11 Mpa 時,灌水小區(qū)允許水頭偏差[ΔH]為:[ΔH]=[hv]hd=0.34×10=3.4 m。由于灌水小區(qū)的水頭偏差分別是滴灌帶和支管兩級管道共同產(chǎn)生的,根據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》5.2.6 條規(guī)定,滴灌帶分配0.5,支管分配0.5。滴灌帶與支管允許水頭偏差:[ΔH]毛=[ΔH2]=β2[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m[ΔH]輔=[ΔH1]=β1[ΔH]=0.5×3.4=1.7 m
②滴灌帶極限長度計算。灌水器間距0.3 m,灌水器流量q=1.38 L/h,滴灌帶選用PE 管de16 內(nèi)鑲貼片式滴灌帶,工作壓力≤0.1 MPa,壁厚0.21mm;滴灌帶應(yīng)該平行等高線鋪設(shè),并按均勻坡來計算其極限長度。
式中:γ- 降比;J- 沿滴灌帶地形比降,比降0.01%;d- 滴灌帶外徑,16 mm;k- 水頭損失擴(kuò)大數(shù),k=1.15;f- 摩阻系數(shù),滴灌帶(PE 管),f=0.505;qd- 滴灌帶(管)出水孔設(shè)計流量。
計算得γ=±2278。
式中:G- 壓比;Se- 滴灌帶(管)上分流孔間距;hd- 孔口設(shè)計水頭,10 m;
計算G=6.299×10-8。
滴灌帶(管)極限孔數(shù)Nm:
計算出γ>1(順坡)時,應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm:
計算Pn′=INT(1+γ0.571)=83。
試算求得:順坡時Nm=346,L 毛順極
=0.3×(346-1)+0.15=103.65m;
計算γ<1 時,應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm:
逆坡時Nm=285,L 毛逆極=0.3×(285-1)+0.15=85.0m;
根據(jù)計算結(jié)果,實際鋪設(shè)極限長度小于計算極限長度,結(jié)合寧夏多年工程經(jīng)驗規(guī)定及當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣與條田寬度和走向,本工程滴灌帶雙向均鋪設(shè)50。
③分支管極限長度計算
支管允許水頭偏差[ΔH1]=1.7 m;本工程選用de75PE盤管(壁厚3.6 mm,內(nèi)徑63.8 mm),壓力等級為0.4 Mpa;滴灌帶在地面分支管上的布設(shè)間距S=1.1 m,流量16.56 m3/h(按雙向鋪設(shè)總長100 m 時滴灌帶的流量);支管垂直滴灌帶布置,按均勻坡計算支管的極限長度。
式中:γ- 降比;J- 沿支管鋪設(shè)方向地形比降。d-支管內(nèi)徑;k- 水頭損失擴(kuò)大數(shù),k=1.15;f- 摩阻系數(shù),支管(PE 管),f=0.505;
qd- 支管出水孔設(shè)計流量;
計算得γ=±52。
式中:G- 壓比;Se- 支管上分流孔間距;hd- 孔口設(shè)計水頭,10 m;計算得G=1.057×10-5。支管極限孔數(shù)Nm:
計算出γ>1(順坡)時,應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm:
計算Pn′=INT(1+γ0.571)
計算的Pn′=10。
試算求得:
順坡Nn=50,L 支順極=1.1×(50-1)+0.55=54.45m;計算γ<1 時,應(yīng)按下述方法確定極限孔數(shù)Nm:
④試算求得:
逆坡Nn=47,L 支順極=1.1×(47-1)+0.55=51m;根據(jù)計算結(jié)果,實際鋪設(shè)極限長度小于計算極限長度,考慮支管供水安全以及田塊地形現(xiàn)狀情況,本工程分支管順坡鋪設(shè)距離50 m。
滴灌帶基本平行等高線、垂直于支管雙側(cè)布置,一管一行,選用de16 內(nèi)鑲貼片式滴灌帶,灌水器流量q=1.38 L/h,工作壓力≤0.1 MPa,內(nèi)徑16 mm,壁厚0.2 mm。
分支管垂直支布置,并沿支管兩側(cè)雙向豐字形布置,分支管間距為100 m(一對毛管的長度),分支管在地面敷設(shè),管材采用PE 盤管,管徑為de75,壁厚3.6 mm,壓力等級為0.4 MPa。
支管垂直分支管、分干管布置,并沿支管兩側(cè)雙向豐字形布置,支管間距為80 m(一對毛管的長度),支管位地埋管,管材采用PVC-U,管徑為de160、de110,壓力等級0.63 MPa。
分干管接干管布置,地埋敷設(shè),管材采用PVC-U,管徑為de225、de160,壓力等級0.63 MPa。
干管主要從首部閥井上銜接。干管接分干管,干管和分干管交接處布設(shè)1 座閘閥井,干管地埋敷設(shè),管材采用PVC-U 管,管徑為de225 mm,壓力等級0.63 MPa。流程:水源→首部→干管(地埋管)→分干管(地埋管)→支管(地埋管)→分支管(地面管)→滴灌帶(地面管)→滴頭。
每個片區(qū)依據(jù)地形分為幾個灌溉系統(tǒng),以單個灌溉系統(tǒng)為單位編制輪灌組[4-5]。
為了減少灌溉系統(tǒng)輸水損失,同時便于管理,干管實行續(xù)灌;分干管應(yīng)分組進(jìn)行輪灌。灌溉時,按照輪灌順序表中給出的順序開啟閥門,應(yīng)先開下一輪灌組閥門,再關(guān)已灌完輪灌組閥門。系統(tǒng)最大輪灌組數(shù)為22,灌水周期為5.5 天,每個輪灌組一次灌水持續(xù)時間為5 h。系統(tǒng)灌溉結(jié)束后,先關(guān)首部內(nèi)閥門,然后再關(guān)田間最后一組閥門。