基于山坡地噴灌工程設計幾個問題的探討

楊順發

(福建省連江縣洪水預警報中心，福建 連江350500)

0 前 言

近年來，我國的農業產業結構在不斷地轉型、升級，農田里、山坡上種植著越來越多的蔬菜、果樹等經濟作物。它們對灌溉技術質量要求比較高，但由于水資源缺乏嚴重，節水灌溉已成為許多地區農業灌溉的發展趨勢。實踐表明，噴灌技術不僅是一種較為理想的節水灌溉技術(灌溉水利用系數可達到0.85 以上，較傳統的地面灌節水40%左右)，而且可以調節田間小氣候，增加近地層空氣濕度，可以適時適量地滿足農作物對水份的要求。噴灌像降水一樣濕潤土壤，不會破壞土壤的團粒結構，為作物的根系生長提供了良好的土壤環境，從而起到提高農作物的產量和質量的作用。同時，噴灌既適應于平地也適應于山坡地，且機械化程度高，大大減輕了灌水的勞動強度和提高灌水的作業效率，節省了勞動力。所以，噴灌技術作為一種先進的節水的灌溉技術，既可實現農村經濟農業增產穩產，提高農民收入，也可增加農村山區灌溉面積，受到有關部門和農民的認可［1］。

由于我國噴灌工程技術的大面積推廣起步較晚，在連江縣噴灌工程也建得不多，噴灌工程設計起來成果顯得不夠理想，工程完工投入使用后存在這樣或那樣的問題，尤其是山坡地上的噴灌工程更是如此，造成噴灌工程的效益不能得到正常發揮。本人設計的連江縣丹陽鎮桂林水利化園區的噴灌工程(為“六千”水利工程中的山地水利項目)，從幾年的運行情況來看，較果還比較好。現以該噴灌工程設計為例探討山坡地噴灌工程設計中的幾個問題。

1 工程簡介

連江縣丹陽鎮桂林水利化園區噴灌工程位于丹陽鎮桂林村東南側(104 國道旁)的1 座山丘坡地上，噴灌面積約11．3 萬m2，區內主要種植果樹——枇杷。本噴灌區地勢自東北向西南降低，為山丘坡地地形;灌區土壤為壤黏土，土壤干容重為1.45 g/cm3;灌區灌季風向東南，設計風速3.5 m/s。本工程建設提水泵站1 座，從山腳下的鵝頭溪提水至灌區的蓄水調節水池，采用水泵增壓固定管道式噴灌系統(見圖1)。噴灌管道系統主要采用硬聚氯乙烯(UPVC)管，魚骨狀布置，噴頭采用平行四邊形布置，成扇形噴灑［2］。

圖1 噴灌系統布置示意圖

2 探討的幾個問題

2.1 水源的選擇

水源選擇決定著噴灌工程的選型，根據國內目前生產和廣泛應用的噴頭的工作壓力，當水源的海拔高程高于噴灌區地面典型控制點25 m時，基本上就能夠按自壓噴灌來考慮，當水源的海拔高程低于灌區或者不能滿足自壓噴灌的壓力需求時，就要采取水泵加壓后進行噴灌作業。當有兩種以上水源均可滿足噴灌區水量、水質或水壓要求，且均可作為噴灌工程水源時，就要進行方案比選，選擇推薦投資較小，年運行費較少的方案。自壓式噴灌比機壓式噴灌節約能源，運行成本低，因此，在山坡地噴灌工程設計中，盡可能地采用自壓式噴灌。

本噴灌區位于一座山丘上，高程較高，無地勢足夠高的庫塘、山泉、其它堰壩水源或地下水源可利用。在灌區北面山腳下有一條鵝頭溪，流域面積29.6 km2，取水處上游流域面積28.1 km2，水源豐富，水質良好。根據連江縣衛生防疫站對該水源的檢測結果，水質符合GB5084—2005《農田灌溉水質標準》。經對該溪流取水點上游來水量和本灌區用水量的水量平衡分析計算(本噴灌工程的灌溉保證率取90%)，來水總量及其在時間上的分配都能滿足本灌區用水要求，適合于噴灌。因此鵝頭溪是本工程水源的唯一選擇。

本工程設計時考慮兩種提水增壓方案:①方案1，建1 座泵站，從鵝頭溪提水并增壓，再通過管道系統形成噴灌;②方案2，建1 座泵站，從鵝頭溪先將水提到灌區調節水池(在灌區中建一調節水池，由于本工程來水總量及其在時間上的分配都能滿足本灌區用水要求，且提水與增壓兩級泵站設計流量相等，調節水池容積確定主要考慮施肥施藥時的用水量和管理方便等因素，經分析計算確定為100 m3)，再建1座泵站進行增壓，通過管道系統形成噴灌。

由于方案2 比方案1 具有方便管理、便于噴灌管道系統布置，可把藥物加入調節水池，便于實現果樹的施肥施藥的自動化而大大節省勞動力等優點，所以本工程提水增壓方案選擇方案2。

2.2 管網的布置

山坡地噴灌工程的管網布置，要根據工程的實際地形、地物及地塊形狀等條件，來分區布置。通常情況下，應以整個噴灌區的管道用量最少為前提，既要讓管道的總長度較短、管徑較小，也要盡量避免管網的壓力懸殊太大，應避免在管道起伏較大時產生負壓。本噴灌區地勢自東向西南降低，坡面較陡，高差較大，屬山丘坡地地形，設計采用魚骨形布置。本工程的噴灌管道系統為地埋式，通過對各種噴灌用的管材比選，采用硬聚氯乙烯(UPVC)管較為合適。骨干管道分為干管與分干管，主干管沿位于灌區中央的增壓泵房兩旁布置，分干管在主干管兩側山脊方向順坡布置，支管平行等高線布置。這樣，做到了管網的壓力較為均勻，避免了在管道起伏較大時產生負壓。

2.3 噴頭的選擇和布設

噴頭是噴灌系統中最重要的部件，壓力水經它噴射到空中，散成細小的水滴并均勻地散落在它所控制的灌溉面積上。噴頭性能的好壞和布設是否妥當，將對整個噴灌系統的噴灑質量、經濟性及工作可靠性等起決定性作用。在選擇噴頭時，主要考慮要符合作物的霧化指標要求;在噴頭布設時要計算噴頭的噴灌強度和射程是否滿足要求。山坡地上設計噴灌工程，要對山坡土壤的性質進行認真地判別，要適當降低允許噴灌強度，當地面坡度為5%時，應將允許噴灌強度降低50%，可避免產生地面徑流現象。山坡地噴灌工程支管布置時還要考慮風的影響因素，盡量使支管與主風向垂直，既避免產生漏噴也可節省支管長度。

在斜坡地面上，隨著地面坡度增大，土壤的吸水能力將降低，易產生地面徑流，從而產生地面沖蝕，因此在坡地上噴灌需降低噴灌強度。本灌區設計時通過現場指測方法仔細判定土壤質地，再充分考慮了地形坡度的影響，降低允許噴灌強度;根據所種植的作物(枇杷)的特點，確定合適的霧化指標(本工程霧化指標取3000)。然后以允許噴灌強度和霧化指標作為選擇噴頭的兩項主要技術性指標。

本灌區地勢自東北向西南降低，高差較大，此時若采用同一種噴頭進行設計，很難達到較好的噴灌效果，且有一部分水頭需要人為地消除，水頭利用率低，還需增加相應的減壓設施，投資增大了，也不利管理。本灌區設計按壓力變化的特點沿山坡面進行壓力分區，分為兩個壓力區，選用兩種不同工作壓力的噴頭進行工作(如表1)，以抵消地形高差造成的壓力懸殊，這樣能較好地利用自然水頭，達到良好的噴灌效果。

在山坡地上進行噴灌工程設計時，若設計成全圓噴灑，當噴頭向上坡噴灑時，由于噴出的水流尚未來得及分散霧化，就會沖到山坡面的土體上，造成土坡損壞，由于本灌區坡地陡較(坡度為15° ～25°)，設計使用帶扇形機構噴頭，平形四邊形布置，成扇形噴灑(圓心角為240°)(如圖2)，使噴頭噴出的水流大部分噴灑向下坡，使噴灑出的水流得到充分利用，既保證了噴灑質量，又避免了水土流失。從本灌區運行幾年情況來看，噴灌效果較為理想。

表1 PY115、PY120 型噴頭性能表

圖2 肩形噴灑與噴頭組合形式示意圖

2.4 輪灌編組

為了盡量節省管道投資，在確定管徑時，多采用有序輪灌的工作制度。因此，要進行合理的輪灌編組，在輪灌編組設計時既要考慮管理運行方便又要考慮能分散流量。因山坡地噴灌工程噴頭高程不同，實際工作壓力也不相同，所以山坡地噴灌工程設計不同于平地噴灌工程。在擬定輪灌編組方案時，各輪灌組的工作噴頭總數不宜相近，因為各輪灌組同時工作噴頭數目相近，噴灌系統工作時各輪灌組的流量變動范圍會比較大。要將距增壓水泵遠且高程較高的輪灌組安排少一些噴頭，才能滿足各噴頭的工作壓力要求;距增壓水泵近且高程較低的輪灌組要安排多一些噴頭，才能避免各噴頭超壓運行，不影響噴頭使用壽命和噴灌質量。

本噴灌工程按上述方法進行輪灌編組設計，在灌區的中間設有增壓水泵、調節水池與設管理房，干管布置在增壓水泵房兩旁，干管的管徑選擇較小，方便了運行管理;按噴頭的高程不同與增壓水泵的距離不同進行輪灌編組設計，各噴頭壓力運行平穩，流量變動范圍小，噴灌質量較高。

2.5 增壓水泵的選型:

水泵也是噴灌工程中的重要設備，擇選合適的水泵，讓水泵經常處在高效區工作，可降低工程的運行費用，降低農業生產成本，因此，選擇合適的水泵型號是噴灌工程設計中重要的內容。本工程有水源提升水泵選型和噴灌增壓水泵選型，本文以噴灌增壓水泵選型來進行探討。

水泵選型的依據主要是設計流量與設計揚程。本工程在設計時，設計流量是一個輪灌組同時工作噴頭的流量之和;典型噴頭工作壓力、噴點高程以沿線管道總水頭損失之和為設計揚程。本工程增壓水泵的幾何揚程計算時，取調節水池設計水位(本工程調節水池設計水位為放空管頂上30 cm)到設計典型噴點處噴頭進口的高差。設計典型噴點應選在噴灌區內具有代表性的噴點，并不是選在高程最高或距水泵最遠處。

本噴灌工程建在山坡地上，噴頭高程位置相差較大，完成水泵選型工作后，對最不利工況進行校核尤為重要。首先，對灌區內高程最高、距離水泵最遠的噴點，對它可能出現的最低噴頭工作壓力進行校核，看它是否達到噴頭設計允許工作壓力區間(為噴頭設計工作壓力的80% ～120%)的下限值;其次，對高程最低、距離水泵最近的噴點，對它可能出現的最高噴頭工作壓力進行校核，看它是否超出噴頭設計允許壓力區間的上限值。

本工程選擇噴灌范圍內有代表性的噴點作為水泵設計工況來計算，使水泵經常處在高效區運行，從幾年的運行情況看，不僅降低了運行費用，且操作管理方便，避免了噴頭因超壓引起的損壞。

3 結 語

上述是本人在連江縣丹陽鎮桂林水利化園區噴灌工程設計工作中的幾點思考。該園區在有噴灌技術工程后，園區管理員反映枇杷產量和質量都得到了明顯的提高，而且生產成本降低了許多，所以噴灌不僅是一種高效的節水灌溉技術，而且能提高農場經濟效益的作用。我們在今后的山坡地噴灌工程設計中，只要充分考慮與平地噴灌工程的設計不同之處，認真分析比較，擬定合理的設計方案、工程投資和運行費用，以最小的投資取得最大的經濟效益，推進這項重要的節水灌溉技術— —噴灌技術在農村山區的發展。

［1］袁達. 山坡地噴灌系統規劃設計中若干問題探討［J］. 節水灌溉，1997(01):31－32．

［2］應建偉. 淺談山坡噴灌工程設計應注意的問題［J］. 科技信息，2009(27):763．