土地整理中的水資源供需分析與低壓管道灌溉設計

楊 健，張小俠，王秀茹，王紅雷，孫 艷，劉 曦

（北京林業大學水土保持學院，北京100083）

土地整理是在一定區域內，按照土地利用規劃或城市規劃確定的目標和用途，采取行政、經濟、法律和工程手段，對土地利用現狀進行調整改造、綜合整治，促進土地的合理利用，提高土地利用效率，改善生產、生活條件和生態環境的活動[1-2]。通過對田、水、路、林、村實施綜合整治，建成“田成方、林成網、溝相通、路相連、渠系配套、設施齊全、旱能澆、澇能排”的農田生態系統，提高了農田抵御災害的能力，使得農業生態環境得到整體優化[3-4]。

作為改變土地利用方式重要手段之一的土地整理，它在一定程度上改變了天然的水循環過程和水量、水質狀況，進而影響了灌溉水的可獲取性及獲取量、灌溉水的利用系數、水文結構和灌溉水質量以及區域水資源的分配[5-6]。只有清楚地了解土地整理項目區的水資源狀況，才能因地制宜地對項目區進行科學規劃，全面提高土地利用效率，確保經濟效益、社會效益和生態效益達到合理的協調統一和效益的最大化[7-10]。

低壓管道輸水灌溉，簡稱“管灌”，是以低壓輸水管道代替明渠輸水灌溉的一種有效的節水、節能型灌溉技術。其中，“低壓”是指田間末級水管出水口工作壓力與噴灌、滴灌系統相比，遠低于其灌水器的工作壓力，一般低于3 kPa[11]。與傳統灌溉渠道相比，它具有節水效益顯著、土地利用率高、輸水速度快、灌溉效率高、作物增產增收效果明顯、投資相對較低等優點，被廣泛應用于土地開發整理項目中[12]。

1 項目區概況

項目區位于河北省南和縣閆里鄉境內，地理位置為東經 114°43′06″～114°47′29″，北緯36°55′30″～36°58′55″，涉及宋臺等9個村的集體土地。該項目為2006年國家投資重點項目，項目區總面積1 932.36 hm2，建設規模1 842.02 hm2，新增耕地 72.34 hm2，新增耕地率為3.93%。

該區地貌類型為平原，地勢平坦開闊，屬暖溫帶半濕潤區，年平均氣溫13℃，多年平均降水量475.1mm，年平均蒸發量1 284.53mm；全年南風較多，平均風速為2.5m/s；光照資源充足，年平均日照時數2 461.7 h，年平均無霜期196 d；土壤屬沙壤質潮土，熟化程度較高，耕作層厚度一般在30 cm左右。全縣地下水儲存于第四系松散巖層中，礦化度小于1 g/L，水質良好，水量豐富，適宜農作物長期灌溉。

2 水資源供需平衡分析

水量平衡是一個相對的概念，是指在一定的保證率下的水量供需平衡。因此，在進行水資源平衡分析之前，首先確定灌溉設計保證率。項目區屬于大陸性季風氣候，水資源較為緊缺，經常發生干旱災害。項目區以種植小麥、玉米等大田作物為主，據《土地開發整理標準》和《灌溉與排水工程設計規范》，確定灌溉設計保證率為75%。

2.1 項目區需水量計算

項目區主要種植小麥和玉米，一年兩熟。根據《中國可持續發展水資源戰略研究報告集》中“中國農業需水與節水高效農業建設”和“中國主要作物需水量與灌溉定額”可知，項目區灌溉設計保證率為75%時主要作物凈灌溉定額，小麥為2 250m3/hm2，玉米為 2 100m3/hm2，則年作物生產周期平均凈灌溉定額M凈＝4 350m3/hm2。

毛灌溉定額：M毛＝M凈/η＝4350/0.9＝4 833.33 m3/hm2（根據當地實際經驗確定η＝0.9）。整理后，項目區耕地面積為1 797.04 hm2，則項目區總需灌溉水量為W需＝868.56×104m3。項目區所需用水全部為農業灌溉用水，生活用水和牲畜用水另外采集（項目區需水量中不再計算）。

2.2 項目區供水量計算

項目區的可供水量從地表水、有效降水和地下水3個方面進行分析。

2.2.1 地表水 項目區內沒有河流經過，無地表水可利用。本規劃考慮采用地下水作為灌溉水源，地表徑流不計入可供水量范疇。即地表水水量W1=0。

2.2.2 降水量 根據1952—1985年系列降水量資料和經驗頻率公式計算，結果列于表1。

式中，P為經驗頻率，m為序號，n為樣本系列的總次數。

表1 1952—1985年平均降水量和經驗頻率

根據1952—1985年系列降水量資料，經經驗頻率公式計算，按項目區34年降水量推求，可得出經驗頻率為75%左右時的降水量為425.9mm，經驗頻率為50%左右時的降水量為461.6mm，經驗頻率為25%左右時的降水量為565.9mm。降水量在年際間和季節上的變化差別，對農業生產影響很大，要滿足農作物生育期各階段的需水要求，必須做好補充灌溉。

因計算項目區年需灌溉水量時采用凈灌定額已扣除有效降水量，所以此處不再重復計算，即有效降水量W2=0。

2.2.3 地下水可開采量 項目區地下水豐富，根據南和縣水文地質資料，淺層地下水按其地下埋藏深度垂直計算可分為2個含水小組，第Ⅱ含水組含水層埋深較淺，水質良好，水量豐富，屬一級水，適宜農作物長期灌溉，為當前主要開采層段。采用調節量法計算地下水供水量。

式中，W3為地下水供水量（m3）；μ為給水度，沙壤土取0.05；Δh為地下水允許變化幅度（m），取10m；F為項目區總面積（1 932.36 hm2）。

2.2.4 項目區供水總量 項目區總供水量：W供＝W1+W2+W3＝966.18×104m3。

2.3 水資源平衡分析

根據2.1和2.2計算，項目區可供水量W供＝966.18×104m3，需水量 W需＝868.56×104m3，水資源供需比例為1.11∶1，項目區內水資源供給能夠滿足需求。同時在項目工程設計中，采取節水措施并設計科學合理的灌溉制度和適當的種植結構，營造防護林網體系，可提高水資源利用率。因而水資源的供給完全能滿足項目區的灌溉需要。

3 低壓管道灌溉工程設計

由于項目區內以種植大田作物為主，需綜合考慮水資源狀況、自然條件、當地農業生產水平及農作物種植結構，經專家與當地有關部門領導討論，項目區內選擇地下水作為灌溉水源，并確定采用機井取水、PVC管道輸水、低壓軟管畦灌的灌溉方式。

3.1 水源工程設計

根據水量平衡分析結果，在項目區按基本農田整理規劃田塊，按地塊面積和單井控制面積為依據布置機井。

3.1.1 單井控制面積計算

式中，F0為單井控制灌溉面積（hm2）；Q 為單井出水量（m3/h），根據水務局提供資料為60 m3/h；T為輪灌1次所需要的時間，取13 d；t為灌溉期每天開機時間（20 h）；η為灌溉水利用系數，取0.9；η1為干擾抽水的水量消減系數，取0.10；m為綜合凈灌水定額（m3/hm2），根據地方提供的資料取600m3/hm2。

經計算，每眼機井的控制面積為21.06 hm2，但考慮到項目區地下水資源的可持續利用，經計算確定每眼機井的控制面積為20 hm2左右。

3.1.2 井距計算

一般而言，為了便于管理，機井應布置在道路旁邊；為了減少輸水管道內的水壓，機井應布置在地勢較高處。根據上述計算結果并考慮到這2項布井原則，結合機井實際灌溉情況，確定本項目最小井距為450m。

3.1.3 井深與井徑設計 根據相關技術規范和南和縣所提供的資料，確定成井深度為120m。經計算，選用的潛水泵適宜的最小井管內徑為200mm。安裝泵段井管內徑，應根據設計出水量及測量動水位儀器的需要確定，并且應比選用的抽水設備標定的最小值大50mm。因此，確定安裝泵段井管內徑為250mm。

3.2 輸水工程設計

依據地形、地塊、道路等情況，結合機井布置布設管道系統，要求線路最短，控制面積最大，便于機耕，管理方便。輸水管道采用PVC管，低壓軟管選用薄膜塑料軟管。按照農業節水標準，防滲PVC管道埋設在最大凍土層以下。當地最大凍土深度為49 cm，考慮到當地實際生產狀況，設計管道埋深在0.7m以下。

3.2.1 管道設計流量計算 管道設計流量是水力計算的依據，由灌溉設計流量決定。灌溉規模確定之后，根據水源條件、灌水定額、作物灌溉制度和灌水周期計算灌溉設計流量。

（1）設計灌水定額

m=1 000γh（β1-β2）

式中，m為設計灌水定額（mm）；h為計劃濕潤層深度（m），一般大田作物取 0.4～0.6m；β1為土壤適宜含水量上限，取田間持水量的60%～75%；β2為土壤適宜含水量下限，取田間持水量的45%～60%；γ為計劃濕潤層土壤干容重（t/m3）。

這里僅以需水量較大的大田作物小麥為對象進行計算。項目區為沙壤質潮土，計劃濕潤層深度h取0.6m；田間持水量為22%～30%，取28%；β1取 75%，β2取 50%；γ為 1.4 t/m3。經計算，m=58.8mm。

（2）設計灌水周期

考慮到項目區面積較大和作物生長期的降水情況，將設計灌水周期定為13 d，即T理＝13 d。

（3）灌溉設計流量

式中，Q設為灌溉設計流量（m3/h）；α為作物種植比例，取 1；m 為設計灌水定額（mm）；F0為單井控制灌溉面積（m2）；T為輪灌1次所需要的時間，取13 d；t為灌溉期每天灌水時間，取20 h；η為灌溉水利用系數，取0.9。

通過計算，確定設計流量Q設為50m3/h。

3.2.2 管道水力計算 管道水力計算是在管道布置和各級管道流量已經確定的前提和滿足約束條件下，計算各級管道的經濟管徑。由于管道首位水壓未知，管道水力計算的目的就在于根據擬訂的管徑、流量、管道長度和管件等計算水頭損失，確定首端工作壓力。再根據機井動水位埋深、進出水泵管道水頭損失等，計算水泵設計揚程，從而選擇適宜機泵。管道水力計算一般按如下步驟進行，下面以典型田塊13為例加以說明（圖1）。

（1）確定管道水力計算的控制點。管道水力計算的控制點是指管道運行時所需最大揚程的出流點，即最不利灌水點，一般應選取離管道首端較遠且地面高程較高的地點。

（2）確定管道水力計算的線路。對于不同的輪灌組，水力計算的線路長度和走向不同，應確定各輪灌組的水力計算線路。通過計算比較，加以確定。

（3）確定管段流量。根據井區面積灌水定額計算出干管設計流量，再根據輪灌分組，確定出支管流量，此典型區干管流量為50m3/h，各支管入口管段流量均為25m3/h。

（4）各管段管徑的確定。采用經濟流速法，其公式如下。

式中，ν為經濟流速，PVC管在1.0～1.5m/s之間。設計干管內經濟流速ν干=1.5m/s，支管內經濟流速ν支=1.5m/s。

經計算，d干=108.54mm，d支=76.75mm。結合市場情況，確定經濟管徑（公稱外徑）為125，90 mm。選擇管道型號為 PVC-U125×3.9/0.63和 PVC-U90×2.8/0.63。

（5）管道水頭損失計算。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

管道沿程水頭損失：

式中，hf為管道沿程水頭損失（m）；f為摩阻系數；Q為流量（m3/h）；m為流量指數；d為管道內徑（mm）；b為管徑指數；L為管道長度（m）。PVC 管的各種參數為：f=0.948×104，m=1.77，b=4.77。

單個給水栓預留軟管長度為50m，由于土地地面平整，灌溉時能做到軟管布置順直，其沿程水頭損失可用PVC管參數進行計算，求得其沿程水頭損失為：hf＝L=3.260m。為簡化計算，可取局部水頭損失hj為沿程水頭損失的10%～15%，故本計算中取系數為10%，即：hj=10%hf。

（6）水泵揚程計算與水泵選擇。由于項目區內井深為120m，因此使用潛水泵。水泵揚程計算公式如下。

Hp=Hin+Hm+hp

式中，Hp為水泵揚程（m）；Hin為管道入口設計壓力（m）；Hm為機井動水位（m）；hp為水泵進出水管總水頭損失（m）。

管道入口設計壓力計算公式如下。

式中，Σhf為計算管線沿程水頭損失（m）；Σhj為計算管線局部水頭損失（m）；ΔZ為設計控制點與管道入口地面高程差（m）；Hg為設計控制點給水栓工作水頭，一般取0.2～0.3（m）。

水泵進出水管沿程水頭損失根據公式hf=m L計算。當設計流量為50m3/h時，水泵進出水管沿程損失為1.187m。由于水泵徑向直徑較大，從動水位到管道入口的管道局部水頭損失很小，對水泵揚程的選擇影響不大，故在計算中未予考慮。水泵進出水管總水頭損失就是水泵進出水管沿程水頭損失（1.187m）。

田塊13水泵揚程計算結果列于表2。

表2 田塊13水泵設計揚程計算結果一覽 m

由表2可知，水泵的動力揚程為52.1m，綜合考慮生產實際情況以及當地農業的長遠發展，可選擇型號為200QJ50-65/5的潛水泵（其規格性能如表3所示）。

表3 200QJ50-65/5潛水泵規格性能

4 結論

經計算，項目區在繼續利用原有79眼機井的基礎上，新規劃120m深的機井66眼，同時為原有機井和新機井配套功率15 kW潛水泵共145臺，建機井房145座。共布置Ф125PVC干管35 407.91m，Ф90PVC支管152 815.69m，每個出水口配軟管100m，共需軟管34 100m。

本研究結合國家重點投資土地整理項目，討論了土地整理規劃中水資源供需分析及低壓管道輸水灌溉工程設計的基本方法及相關水力計算，分析認為，項目區的水資源供給完全能滿足項目區的灌溉需要。通過采用合理的灌溉規劃設計，能夠提高水資源的利用率，改善區域用水狀況和農業水環境，優化區域灌溉系統，為進一步提高土地整理質量提供借鑒。

［1］ 高向軍.土地整理理論與實踐[M].北京：地質出版社，2003.

［2］ 杜娟，孫鵬舉.土地整理研究概述 [J].山西農業科學，2010，38（3）：83-87.

［3］ 牛傳軍，賈芳芳，馬好霞.土地整理對區域生態環境的影響分析[J].水土保持研究，2008，15（1）：193-196.

［4］ 張正峰，趙偉.土地整理的生態環境效應分析[J].農業工程學報，2007，23（8）：281-285.

［5］ 王建群，盧志華.土地利用變化對水文系統的影響研究[J].地球科學進展，2003，18（2）：293-298.

［6］ 胡利梅，楊珊，高瑞.土地整理對農業水環境的影響[J].甘肅農業，2006（10）：118-119.

［7］ 廖要明，潘學標，張強，等.逐日降水量的模擬及其在作物氣候風險分析中的應用[J].華北農學報，2006，21（增刊）：206-212.

［8］ 何芳軍，張建華，索赟.淺談土地整理規劃設計中的水資源平衡分析——以遼寧省某土地整理項目為例[J].安徽農業科學，2007，35（24）：7548-7550.

［9］ 劉增進，張鈺婧.土地整理中的水資源平衡分析[J].人民長江，2009，40（11）：51-53.

［10］ 劉軍芳.土地開發整理與糧食安全的關系探析[J].山西農業科學，2008，36（9）：3-6.

［11］ 邢華超，陳知送，王秀茹，等.低壓管道輸水灌溉技術在土地整理工程中的應用 [J].安徽農業科學，2009，37（29）：14368-14369.

［12］ 王恩寶，龐玉俊，李占華.低壓管道輸水灌溉技術在農業綜合開發中的應用[J].地下水，2005，27（5）：95-96.