山東丘陵區節水灌溉工程優化研究——以蓬萊市林格莊為例

邵振魯,蔡曉,王帥,姬新建,王春堂*

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山東丘陵區節水灌溉工程優化研究——以蓬萊市林格莊為例

邵振魯1,蔡曉1,王帥2,姬新建3,王春堂1*

1. 山東農業大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 2. 臨沂市水利局, 山東 臨沂 276001 3. 濱州市濱城區公路管理局, 山東 濱州 256613

我國北方地區水資源匱乏，嚴重限制了當地的經濟發展。本文以具體地區山東省蓬萊市林格莊為例，結合當地作物類型、現場地形等條件，進行節水灌溉工程優化設計研究，探尋適宜當地作物的節水灌溉方式，并給出最佳蓄水池的布設方案，包括蓄水池的構筑位置、構建規模以及配套管線等方面。研究結果表明，節水灌溉工程的優化設計可以極大程度上緩解當地用水緊張現狀，對當地的經濟產生積極的推動作用。

丘陵區; 村莊; 節水灌溉; 優化設計

我國水資源嚴重匱乏，且浪費嚴重，人均占有量少，時空分布不均[1]。研究發現，我國近74.2%的省級單位水資源可持續利用能力欠佳，且由于沿海城市經濟增長轉向第二、第三產業，使得水資源在農業生產中的分配較少[2]。在我國北方的部分區域，水資源已成為限制當地經濟發展的嚴重阻力。在農田果樹灌溉等方面常出現用水難問題，對作物產量產生了嚴重影響，進而對農民的經濟收入造成損失。近年來，隨著人口增加、氣候的變換以及耕地面積的不斷增加，人們對用水量的需求與日俱增，對灌溉水量的需求與降雨量不足之間的矛盾日益尖銳。面對我國如此嚴重的水資源形式，節約利用水資源，完善節約型農作機制十分重要，而工程技術是其重要組成部分[3]。

山東省蓬萊市是我國北方重要的糧食、果蔬產地，屬于典型的低山丘陵區，灌溉條件直接影響作物和果蔬產量。山東省作為我國的農業大省，雖已積極建設了一批高效節水灌溉工程，在農田、果園灌溉方面發揮了巨大的作用，但仍存在節水灌溉工程數量不足、推廣力度小、局限于經濟作物、因地制宜性差等問題[4,5]。基于以上提到的情況，我們選取蓬萊市林格莊進行節水灌溉工程優化設計研究，提出在該地區設置蓄水池的優化設計方案。蓄水池設計包括對蓄水池的構筑位置、構建規模以及配套管線等方面。結合當地作物類型、現場地形以及投資估算等，對噴灌、波涌灌、小管出流等灌溉節水方式進行比對，選出最適合當地的節水灌溉方式。通過這一優化設計，不僅緩解了當地用水緊張的現狀，更對當地的經濟增長產生積極作用。

1 研究區概況

山東省蓬萊市地處膠東半島北端，瀕臨渤、黃二海，為典型的低山丘陵地貌，屬暖溫帶季風區大陸性氣候，年平均氣溫11.7 ℃，年平均降水量664 mm，無霜期平均206 d，盛產優質蘋果，是全國花生生產基地之一。蓬萊市林格莊研究區原來含有333335 m2責任田，仍種植農作物（小麥、玉米），在山頂新開辟80000 m2種植經濟作物（蘋果）。

2 灌區水資源利用量分析

2.1 需水量分析

夏玉米需水強度隨著生育期的延長呈拋物線形狀[6]，為滿足夏玉米需水要求，全生育期平均灌溉需水量為228 mm[7]，拔節-抽穗期和灌漿-成熟期兩個階段需水量較高，抽穗-灌漿期具有最高的平均日需水量，且對水分的敏感程度最高[8]。華北地區夏玉米播前（６月上旬）、拔節期（７月上中旬）氣溫高，干旱缺水，需要及時灌水[8]；而拔節至抽穗期（7月下旬至8月上旬），一般年份為雨季，降雨量較多，降雨次數頻繁，人工灌溉規模較小。

小麥不同生育時期耗水量差異比較大，為滿足冬小麥需水要求，全生育期平均灌溉需水量515 mm[9]，拔節期至成熟期是北方冬小麥區耗水最多的階段，歷時約占全生育期的1/3，但耗水量占總耗水量的65%左右[10,11]。冬小麥的生長季節比較干旱，總降水量少，除被冠層截留的降水量以外，少部分降水進入上部土壤層，大部分被蒸發，成為無效降水[11]。

蘋果的耗水量與產量的關系成拋物線關系，根據當地氣候和土壤條件和《山東省主要農作物灌溉定額》標準，蘋果的灌溉定額控制在0.45~0.60 m3/m2即可。

2.2 節水灌溉技術選擇

2.2.1 農作物節水灌溉研究區農作物原有灌溉方式為傳統的漫灌，灌溉時任水順坡漫流，有澆地不勻、消耗地力、浪費水量及抬高地下水位、易使土壤鹽堿化和沼澤化等缺點。

噴灌是一種新興的灌溉技術，雖然噴灌有省水、省地、提高產品質量的優點，但由于投資大、運行費用高、管理水平要求高等缺點，不適應當前種植規模較小的戶包農業生產責任制的需要，難以按市場機制運作。以兩種噴灌形式為例：固定管道式噴灌系統，設備利用率低，影響田間其他機械作業；半固定和移動管道式噴灌系統，噴灌設備的拆移安裝，尤其是在種植高稈作物的田間或灌后拆移安裝，勞動強度并不低，未必省工，還可能損壞農作物。

研究區土壤質地為中壤土，波涌灌溉方式較為適合[12,13]。波涌灌溉是一種先進的地面灌溉方式，其具有節水、節能、保肥、省工、灌水質量高等優點[13]，很好的解決了傳統地面灌溉方式中灌水均勻度差、田間深層滲漏等問題。波涌灌溉利用間歇閥向畦（溝）間歇供水，灌溉水流間歇性地，使得畦（溝）中產生波涌，水流的推進速度加快，畦（溝）首尾受水時間差縮短，田間土壤得以均勻濕潤[14]，有別于傳統灌溉中一次性使灌溉水流推進到溝的尾部的方式。波涌灌溉中每一畦（溝）的灌水過程由多次灌水組成，包括多次起漲和落干，此過程中水流的平整作用使得土壤表面形成致密層，有效減小了水分入滲率和面糙率，使得灌溉水流再次經過已灌溉過的田面時，推進速度和長度均有顯著增加。研究表明，較相同條件下的傳統地面連續灌溉方式，波涌灌節水10~40%，灌水均度提高10~15%，灌水效率提高20~40%，總供水推進速度提高9~22%，灌水定額減少8.3~18.3%[12]。

2.2.2 果樹節水灌溉小管出流灌溉是經由灌溉管網將水逐級輸送至微管，將水直達根部進行精準灌溉的技術[15]。由于其適應性強，對地形、土壤、果樹種類要求較低，操作簡單，管理方便，特別適合本項目區蘋果樹的灌溉[14]。小管出流灌溉主要針對果樹和花卉灌溉，可以有效解決傳統灌溉和微灌方式中灌水器易于堵塞和出流量小等問題[15]，其具有節水效益明顯、不易堵塞、省時省工、水肥一體化等優點。經測算，較傳統地面灌溉方式，小管出流灌溉技術可以節水30~60%左右，節肥30%左右，節省人工50%~60%左右，增產15.5%~37.5%左右，且有利于提升果品質量[14-16]。

3 作物灌水定額和蓄水池設計

3.1 農作物灌水定額

研究區為小麥-玉米輪作，小麥需水量相比玉米多，且玉米生長期正逢雨季，適時灌水即可滿足。所以我們設計農作物灌水定額時以滿足小麥日需水量最高的灌漿期作為設計標準。灌水定額為：

式中：—設計灌水定額，mm；max、min—適宜土壤含水率上、下限，%；—計劃濕潤土層深度，m；—土壤干容重，g/cm3；—田間持水率，%；水—水的容重，g/cm3。

當地土壤干容重1.3 g/cm3，田間持水率25%，灌溉時計劃土壤濕潤層深度取50 cm，適宜土壤含水率上、下限max、min分別取田間持水率的95％、65％，經計算，=0.1×(95-65)×0.5×1.3×25/1＝48.75 mm，折合約0.0487 m3/m2。

3.2 經濟作物灌水定額和蓄水池設計

研究區蘋果樹種植區域面積為80000 m2，土壤質地為中壤土，土壤容重為1.3 g/cm3，田間持水率為25%，灌溉水源來自蓄水池。參考當地蘋果樹種植資料，結合蘋果樹高峰期日耗水量，設計濕潤土層深度取0.4 m，適宜土壤含水量上、下限分別取田間持水率的95％、65％，根據（1）式，計算所得灌水定額39 mm，即0.0390 m3/m2，則蓄水池容積為120×26=3120 m3。

原農作物種植區域周圍四座山體山頂相對平緩區域種植蘋果樹，由于蓄水池建設主要滿足經濟作物需水要求，根據蘋果樹種植位置，蓄水池建設選址在山頂。各山體山頂之間高程不一，若僅在最高位置建設一座大型蓄水池，不僅難度較大，而且勢必會造成不必要的能量浪費，考慮技術與經濟等方面的因素，在臨近果樹種植區域分別建設蓄水池（共四座），根據果樹種植面積的不同，蓄水池有1500 m3（一座）、500 m3（三座）兩種類型。

4 工程布設

灌溉工程的布置原則是，依據地形、地勢、道路等情況布置管道系統，使管線最短，控制面積最大，管理方便，輸配水管道盡可能沿地勢較高的位置布設，支管垂直于等高線布置，方便澆地、節水。管道輸水包括干管和支管兩級固定輸水管道及配套設施，管道過瀝青（砼路）為路面下穿鋼管或混凝土管，過一般土生產路，管道采用直埋式，埋深不小于0.5 m。管道應布置在堅實的地基上，避開填方區和可能產生滑坡或受山洪威脅的地帶。田間固定管道長度取0.0112 m/m2，支管間距采用100~150 m。單個給水栓控制灌溉面積為6000 m2，給水栓間距小于100 m。單個給水栓的流量應滿足灌水溝畦與格田對入溝或單寬流量的要求。然后根據圖紙要求進行管槽開挖，管槽深度不能小于0.6 m，并應在凍土層以下。

主要建設內容見圖1和表1所示，具體如下：

（1）水源工程：1500 m3蓄水池一座，500 m3蓄水池三座（圖1中綠色部分）。

（2）泵房工程：泵房一座，泵型為XA50/26B與DG25-30X5兩種（圖1中紅色部分）。

（3）管道工程：農作物灌溉管道一套，控制灌溉面積333335 m2，鋪設DN125 PVC管2678 m，DN80 PVC管495 m，DN65 PVC管509 m，共計3682 m。經濟作物灌溉管道一套，控制灌溉面積約100000 m2，鋪設DN125 PVC管801 m。（圖1中藍色部分）

圖 1 項目整體布置圖

表 1 工作制度及輪灌區劃分

5 結論

本文通過對研究區種植作物和果樹的需水量進行研究，優選節水灌溉方式，并給出了具體的工程布設方案。研究區節水灌溉的實施可以很好的解決當地農業用水緊張的現狀，長遠的看可以改善研究區生產、生活環境，有利于形成良好的生態環境，進一步促進項目區經濟發展與社會繁榮。節水灌溉工程優化使得水資源得以充分利用，整體水環境得到改善，提高水資源承載力，促進水的可持續利用；并可以大大改善流域內的生態環境，有利于農作物和林木生長，增加地表植被，促進人與自然協調發展。

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Optimum Design of Water Saving Irrigation Project in Hilly Area of Shandong Province——Lingezhuang Penglai City as an example

SHAO Zhen-lu1, CAI Xiao1, WANG Shuai2, JI Xin-jian3, WANG Chun-tang1*

1.271018,2.276001,3.256613,

Water resources are scarce seriously has become a serious threat to economic development. This paper did some research on optimum design of water saving irrigation project in Lingezhuang country, Penglai City, Shandong Province, where belongs to hilly area. According to local crop types and topography, this study explored suitable water saving irrigation mode and provided impounding reservoir design, which including the position, scale and pipe system. This optimum study greatly alleviated the local water stress and had a great pull on the local economics.

Hilly area; country; water saving irrigation; optimum design

TV93

A

1000-2324(2019)01-0066-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.014

2017-07-16

2017-10-11

山東省科技發展計劃項目(2014gnc112005)

邵振魯(1995-),男,碩士研究生,主要進行給排水方面研究. E-mail:1982635855@qq.com

Author for correspondence. E-mail:w.cht@163.com