山丘區蓄水坑灌田間工程規劃設計
——以山西省太谷縣節水灌溉示范園為例

蔡尚彬, 馬娟娟, 孫西歡,2, 郭向紅, 陳倩秋, 柴夢瀅

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院, 山西 太原 030024; 2.晉中學院, 山西 晉中 030619)

干旱缺水與水土流失并存是我國北方山丘區普遍存在的共性問題，一方面氣候干旱少雨使農業灌溉用水緊缺，另一方面水土流失嚴重使降雨難以集蓄利用、地表徑流流失，進而導致水資源緊缺與水資源浪費并存的惡性循環。與此同時，中國農業灌溉用水浪費嚴重，尤其是北方自流灌區灌水的利用系數只有0.5左右[1]。噴灌和滴灌雖然灌溉水利用系數高，卻因對水質要求高、設備投資大難以在農村推廣。大力推廣和普及高效節水灌溉技術、大力發展山丘區集雨節灌[2]成為亟待解決的課題。蘋果樹是我國北方種植最廣泛的果樹之一。孫西歡[3]于1998年提出的蓄水坑灌是一種具有攔蓄徑流、保持水土特點的中深層立體果林灌溉方法，尤其在中國北方山丘區果樹種植中具有極大發展潛力。目前，學者們已對蓄水坑灌下土壤入滲及水分運移特征[4-6]、土壤水氮運移特征[7-9]、果園SPAC系統水分運移機理及土壤微生態環境[10-15]及果樹產量響應[16]等方向做了大量理論、試驗和模擬研究，但是對蓄水坑灌田間工程的規劃設計還有待研究。本文針對山丘區地形特點進行整地，結合微灌工程技術和低壓管道輸水灌溉工程技術，對蓄水坑灌田間工程規劃設計進行研究，解決蓄水坑灌未來推廣運用中的問題，為推動和發展山丘區蓄水坑灌的規模化、產業化發展奠定基礎。

1 研究區概況

研究區域位于山西省農科院果樹研究所的太谷縣節水灌溉示范園區，地理位置處于山西省晉中市太谷縣，東經112°32′，北緯37°23′，屬于暖溫帶大陸性氣候。平均海拔為781.9 m，年均氣溫9.8 ℃，無霜期175 d。年均降雨量為459.6 mm，年內降雨量分布不均，全年60%以上的降雨量多集中于6—9月，地面坡度0.1，易形成水土流失。種植作物為5年生密植矮砧紅富士蘋果樹，行距4 m，株距2 m，南北向種植。研究區土壤類型主要為粉砂壤土，平均容重為1.47 g/cm3，飽和含水率(體積)為49.21%，田間持水率(體積)為30%。灌溉水源為地下井水。

2 田間工程規劃原則

(1) 充分利用降雨資源。由于研究區的水資源量缺乏，尤其是農業灌溉用水量，在果樹生育期內盡可能地利用自然降雨資源，以緩解當地水資源的供需矛盾； (2) 高效用水，提高灌溉用水利用率。目前研究區果園灌溉仍以地面灌溉為主，灌溉水的利用率較低，采用蓄水坑灌中深層立體灌溉方法，能使水分快速通過蓄水坑側壁深入果樹根區，有效減小土壤棵間蒸發，提高灌溉水的利用率； (3) 防止水土流失。采用蓄水坑灌法，通過其田間工程設計，能實現水土不下坡，有效控制水土流失的目的； (4) 減少田間工程施工量，節約投資。采用蓄水坑灌法攔蓄降水資源，其整地時充分利用自然坡度，盡量減少田間工程量； (5) 方便管理。在果樹生育期內，尤其是果樹需水關鍵期，在沒有自然降雨條件下，通過低壓管道系統實施灌溉管理，以保證果樹正常生長和產量的形成。

3 田間工程設計技術

3.1 整地技術

山西省地處黃河中游，為華北地區的一個隆起臺地，屬于黃土高原的東部，地形復雜，多坡地；氣候干旱，少雨，降雨多發生在夏季。因此，極易發生干旱、水土流失等自然災害。為更好地集蓄利用雨水資源，攔蓄坡地徑流，在坡地沿等高線布設水平集雨溝等水土保持工程措施，水平集雨溝與自然坡地順坡度方向依次相間布置。集雨溝內種植果樹，并布設蓄水坑。雨水在坡面沿等高線下泄匯集，流入水平集雨溝內，可補充溝內果樹需水量，并起到攔截蓄積徑流、蓄水保土、減少水土流失的作用。溝間集流坡面上種植優質牧草來增加經濟效益，并對下一級水平集雨溝具有聚肥改良的作用，達到提高坡耕地綜合生產力的目標[17]。研究區域坡面規則且較平整，坡度0.1，故采用水平溝整地方法：沿等高線開挖深50 cm、寬1 m的水平溝槽，挖出的土沿溝外側修筑外埂拍實，埂高50 cm，埂頂寬40 cm，埂底寬80 cm，埂側斜坡50°～70°。從溝內側上方取虛表土，填入槽內，平整后水平集雨溝水平田面寬2 m[18]。各級集雨溝之間保留一塊寬1.2 m的原始坡面作為集流坡面。如圖1所示為水平溝整地示意圖。

圖1 蓄水坑灌田間工程水平溝整地示意圖

3.2 蓄水坑設計與布置技術

在水平集雨溝內，以果樹樹干為圓心挖一環狀溝，在環狀溝內等間距布置若干個一定深度的蓄水坑，相鄰蓄水坑通過環狀溝相互連通。灌溉水通過輸水管道分配到各蓄水坑中，再通過蓄水坑坑壁入滲、擴散到根區土壤中。

(1) 坑數。根據根區土壤水分分布均勻情況確定蓄水坑個數，根據前期研究，坑數取4個。

(2) 坑深。蓄水坑的深度取決于計劃濕潤層。據不同灌水方法的蘋果樹根系調查，干旱地區根系分布在50—150 cm深度范圍內[19]。主要根系活動層在0—120 cm，故灌水計劃濕潤層擬定為0—120 cm[20]，蓄水坑坑深可取40—60 cm。本設計中蓄水坑坑深取40 cm。

(3) 坑徑。采用蓄水坑灌法進行果園灌溉，為防止水土流失，則蓄水坑灌法應有足夠的降雨徑流蓄滯能力，即單株果樹控制面積內的降雨徑流量即產即匯。本文降雨徑流蓄滯能力設計為5 a一遇24 h最大暴雨量。計算蓄水坑的直徑。

單株果樹控制面積的設計徑流量[21]：

(1)

經計算，研究區設計降雨平均雨強ipA=5.33×10-1mm/min，初損歷時t0=14.193 min，單株果樹控制面積的設計徑流量WR=0.110 m3。

由單株果樹控制面積內的降雨徑流量即產即匯，得：

WR=4πR2H

(2)

式中：R——蓄水坑半徑(m)；H——蓄水坑深度(m)。

代入計算得R=0.148 m，故本設計蓄水坑直徑取30 cm。

(4) 環狀溝。環狀溝是以樹干為圓心、50 cm(取1/2樹冠半徑，樹冠半徑約1 m)為半徑的環狀淺溝，寬度30 cm，深度20 cm[23]。它將相鄰蓄水坑兩兩串聯起來，降雨時可進一步蓄滯徑流，將溝中匯集的降雨均勻分配到4個蓄水坑中，防止水土流失，充分利用降水資源。環狀溝布置如圖2所示。

圖2 蓄水坑灌田間工程蓄水坑及環狀溝布置圖

(5) 坑底板、固壁設施及頂蓋。蓄水坑底采用不透水的形式，有利于水分向水平方向運動，避免深層滲漏。底板材料使用直徑30 cm的圓形聚乙烯板。固壁設施可防止灌水及降雨徑流會入坑中時產生沖塌和滲透破壞，采用直徑30 cm的圓柱形聚乙烯格柵套筒。頂蓋可防止坑內水分過度蒸發和冬季低溫對附近根系的影響，采用直徑30 cm的聚乙烯泡沫塑料圓形頂蓋。坑底板、固壁設施、頂蓋三者連接為一體化設計，方便安裝、拆卸、修理和更換如圖3所示。

圖3 蓄水坑灌田間工程蓄水坑底板、固壁設施和頂蓋示意圖

3.3 低壓管道系統設計技術

在沒有充足自然降雨時，采用低壓管道系統對果樹進行灌水，以保證果樹正常生長。

3.3.1 輸配水管網布置 果樹灌溉輸配水閘管系統采用“豐”字形布置，系統的首部樞紐設于果園坡頂水源井處，管網包括干管、支管、毛管3級。干管從坡頂沿垂直高線方向向下順坡布置，在干管雙側沿等高線方向平坡布置支管，支管間距4 m。從支管起，在水平集雨溝內平坡布置環狀毛管，毛管間距2 m(圖4)。

圖4 蓄水坑灌田間工程輸配水管網布置圖

3.3.2 灌水小區布置 因支管沿果樹行平行等高線布置，行距同果樹行距為4 m。支管布置于自然坡面地下靠近集雨溝一側，可減少毛管從支管向各蓄水坑輸水的距離，縮短毛管長度。四孔出流毛管沿環狀溝內徑繞樹環形布置，各出水口處分別連接一長度為5 cm的導流短管，4根導流短管分別給同一株樹下的4個蓄水坑灌水。灌水小區示意圖如圖5所示。

3.3.3 管材選擇 設計采用聚乙烯管作為管材，根據微灌管道沿程水頭損失計算系數、指數表，當微灌用聚乙烯管的管徑大于8 mm時，流量指數m=1.75，管徑指數b=4.75，摩阻系數f=0.505[24]。

3.3.4 毛管設計 在蓄水坑灌系統中，毛管為四孔出流的環形管接一80 cm長的直管，間距同果樹株距2 m。四孔出流毛管沿環狀溝內徑繞樹環繞布置，從

支管取水，將水分配到環狀溝中的各蓄水坑內。由于需水量較大，為了提高灌溉效率，適當選取較大直徑的毛管。

圖5 蓄水坑灌田間工程灌水小區布置圖

(1) 毛管直徑。在井灌區常采用計算簡便的經濟流速法確定管徑。首先根據各管段流量和管材確定適宜的經濟流速，然后根據管道水力學公式計算或查閱不同流量及流速下管徑選擇表[25]，參考表1中低壓管道輸水適宜流速值[26]，得到一組比較經濟的管徑，最后根據商品管徑進行標準化修正。

(3)

式中：d毛——毛管內徑(mm)；V毛——毛管內水的流速(m/s)；Q毛——毛管的設計流量(m3/h)。

表1 低壓管道輸水適宜流速值

(2) 毛管進口工作水頭。毛管進口工作水頭計算公式為：

h毛0=hd+hf毛+hj毛±ΔHi毛′

(4)

式中：h毛0——毛管進口工作水頭(m)；hd——灌水器工作水頭(m)；hf毛——毛管沿程水頭損失(m)；hj毛——毛管局部水頭損失(m)；ΔHi毛′——毛管進口處與i斷面處地形高差，順坡為“+”，逆坡為“-”(m)。

3.3.5 支管設計 在蓄水坑灌系統中，支管是指連接干管與毛管的管道。支管從干管取水分配到毛管，為多孔出流管道，其流量比毛管大得多。支管平坡布置，行間距同果樹行距為4 m，埋于自然坡面地下靠近集雨溝一側以使毛管長度盡可能短。

(1) 支管允許水頭損失、管徑及長度。

支管允許水頭損失：

[Δh支]=[Δh]-Δh毛

(5)

式中：[Δh]——灌水器允許水頭偏差(m)； [Δh支]——支管允許水頭損失(m)； Δh毛——毛管實際最大水頭差(m)。

支管管徑計算方法同毛管管徑，并在初步確定支管管徑后進行校核，保證支管孔口最大水頭差小于支管允許最大水頭差。

支管極限分流孔數Nmax和支管最大長度Lmax按下式計算：

(6)

Lmax=S(Nmax-1)+S0

(7)

式中：INT〔〕——將括號內實數舍去小數成整數；Nmax——支管的極限分流孔數；Lmax——支管最大長度(m)；k——水頭損失擴大系數，k=1.1～1.2；d支——支管內徑(mm)； [Δh支]——支管允許水頭偏差(m)；Se——支管出水口間距(m)；qd——毛管設計流量(L/h)；S0——支管第一個出水口與支管進口的距離(m)。

Nmax和Lmax的計算值只是達到灌水均勻度要求的控制數，實際系統布置時還需根據地面形狀、干管布置情況來確定支管實際長度L和出水口數N。

(2) 支管進口工作水頭。支管進口工作水頭計算公式為：

h支0=h毛0+hf支+hj支+ΔHi支′

(8)

式中：h支0——支管進口工作水頭(m)；h毛0——毛管進口工作水頭(m)；hf支——支管沿程水頭損失(m)；hj支——支管局部水頭損失(m)； ΔHi支′——支管進口處與i斷面處地形高差，順坡為“+”，逆坡為“-”(m)。

3.3.6 干管設計 干管的作用是輸送其所屬輪灌組工作時能夠滿足下一級管道工作壓力需求的對應的設計流量，是負責將灌溉水輸送并分配給支管的管道。干管設計的主要內容是確定管徑，采用經驗公式法計算初選管徑，然后根據壓力要求、分流條件和布置情況進行調整、對比后確定管徑。

對于中、小型規模的微灌系統，采用公式(15)或公式(16)估算干管管徑：

當Q<120 m3/h 時，

d=13

(9)

當Q≥120 m3/h 時，

d=11.5

(10)

式中：d——干管內徑(mm)；Q——干管設計流量(m3/h)。

3.3.7 系統工作制度 本蓄水坑灌系統采用輪灌工作制度。按照水量平衡原理，系統輪灌組的最大數目Nmax為：

(11)

式中：Nmax——系統輪灌組的最大數目；C——設計灌溉系統日工作時數(h)；Td——設計灌水周期(d)；td——設計一次灌水延續時間(h)。

本設計具體劃分輪灌組時考慮以下原則：任意輪灌組的流量不與水源設計可供水流量接近；不同輪灌組工作時水泵功率盡可能接近，以保持水泵良好工況；系統操作管理比較方便。

4 結 論

(1) 整地技術采用水平集雨溝整地技術，寬度2 m的水平集雨溝、底寬80 cm的土埂和寬度1.2 m的原山坡地集雨面沿等高線方向依次相間布置，果樹、蓄水坑、環狀溝等皆布置于水平集雨溝內。

(2) 每株果樹布置4個蓄水坑，蓄水坑深度40 cm，在降雨徑流蓄滯能力設計為5 a一遇24 h最大暴雨量標準下，根據單株果樹控制面積內的降雨徑流量即產即匯原理，計算得蓄水坑直徑為30 cm，環狀溝深度20 cm，寬度30 cm，半徑50 cm，坑內布置一體化設計的聚乙烯底板、聚乙烯固壁和聚乙烯泡沫塑料頂蓋；

(3) 輸配水閘管系統采用“豐”字形布置，包括干管、支管、毛管3級，管材為聚乙烯；四孔出流毛管沿環狀溝內側呈環形繞樹布置；管材選用聚乙烯材料，并對各級管道管徑、長度及進口工作水頭的計算方法和系統工作制度的確定方法進行歸納。

(4) 綜上所述，對整地技術、蓄水坑設計與布置技術和低壓管道系統設計技術的規劃設計，能夠滿足山丘區果園蓄水坑灌的特殊灌溉要求。