噴灌技術在秦嶺國家秦嶺植物園中的應用

李品利

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

秦嶺國家植物園綜合治理灌溉工程主要建設內容是20個專類園園區的灌溉系統以及現狀管網至專類園園區的管線和相配套的蓄水池、泵房、調蓄湖的建設。秦嶺植物園植物遷地保護區各類園區植物灌溉面積609.85畝。遷地保護區灌溉工程主要由專類園灌溉工程組成，灌溉系統分為四個系統。其中系統一包含綜合園、木蘭園、蔬菜園、楊柳園、牡丹園5個專科專類園灌溉工程；系統二主要是秦巴園灌溉工程；系統三為棕櫚園灌溉工程；系統四包含千屈菜園、竹園、芳香園、海棠園、梅園、忍冬園、松科杉科園、榆科園、百果園、槭樹科園、薔薇園、木犀科園、銀杏園13個專科專類園灌溉工程。本文結合工程實際，對噴灌工程參數及灌溉制度進行計算分析。

1 工程建設的必要性和可行性

1.1 工程建設的必要性

（1）秦嶺國家植物園植物遷地保護區專類園涵蓋植物種類豐富，植物受氣候、土壤、水文條件的制約因素較多。該區域雨水灌溉的降雨量及降雨時間均不能滿足遷地保護區植物的耗水量，必須建設儲存、灌溉設施提供灌溉季節用水。

（2）工程20個專類園位置分布于整個遷地保護區，僅有部分專類園位于現狀管網敷設區域內，且現狀管網僅為干管設計，各專類園區內部節水灌溉系統并未涉及。因此，必須針對秦嶺植物園遷地保護區20個專類園區進行相應的節水灌溉系統設計。

（3）對秦嶺植物園遷地保護區20個專類園區的節水灌溉設計，對水資源進行調蓄、分配和利用，是秦嶺植物園遷地保護區環境保護的需要。

（4）灌溉技術將向著節水節能、優化調度、現代化的管理等方向發展。對秦嶺植物園遷地保護區20個專類園區推行節水灌溉，是秦嶺植物園遷地保護區節水的需要。

1.2 工程建設的可行性

（1）秦嶺國家植物園是由陜西省政府、國家林業局、中國科學院、西安市政府聯合共建，為世界第一大植物園，為國家重點扶持項目，政策方面國家給予大力支持。

（2）秦嶺國家植物園遷地保護區位于西安市周至縣境內，緊鄰S107旅游專線，園區內緊鄰田峪河有硬化道路覆蓋。區內通訊、交通條件良好。

（3）園區地理位置優越，位于赤峪河、田峪河兩大河流之間，田峪河為黑河一級支流，上游基本無居民居住，水質良好未經污染，從未出現斷流現象，作為灌溉用水水量充足。

（4）根據周至縣水政水資源委員會批復，項目可在田峪河取水，取水量最高可達0.5 m3/s，現狀工程實際引水設計最大引用流量0.15 m3/s，水量充沛，可滿足植物園遷地保護區灌溉用水。

2 工程規模

2.1 已建成調蓄工程規模

已成蓄水池共三座和翠湖作為調蓄用水。三個蓄水池中1#、2#中位水池池底高程為555.00 m，容量合計為2000 m3；云橫路東側拆遷原址的高位水池，容積2000 m3，池底高程635.00 m。翠湖位于距中位水池約200 m西側，調蓄容積為4萬m3。調蓄水池作為管網調壓蓄水所用，供人飲、集賢產業園、專列園灌溉用水。

2.2 新建調蓄工程規模

根據各專類園和特色植物區布置位置，結合地形地質及人文地理條件，布置蓄水池一座，容積100 m3，調蓄湖一座，容積60000 m3，40 m2泵房一座，60 m2泵房一座。蓄水池結構均采用國家建筑標準設計圖集，為矩形結構，使用《矩形鋼筋混凝土蓄水池》（05S804）。池頂覆土厚度0.5 m，設檢修孔、溢流管和放空管。

3 噴灌工程設計

根據20個專類園的植物特點及位置分布，將灌溉系統分為四個系統。每個系統內使用噴灌、微灌相結合的方式進行灌溉。根據其所栽種植物的習性以及當地具體情況選擇旋轉式噴頭、扇形噴頭、滴灌帶、涌泉噴頭、根部灌水器等灌水器進行灌溉。灌溉形式有噴灌、滴灌及小管出流等形式。下面以蔬菜園噴灌為例進行計算和布置。

3.1 水量平衡計算

設計用水量:

式中:Q為設計用水量，m3/h；A為設計灌溉面積，hm2；η為灌溉水利用系數，取0.95；Ea為設計日耗水強度，mm/d；Po為當地有效降水量，mm/d，取 0。

經計算，設計用水量為9.47 m3/h。

3.2 設計參數確定

根據蔬菜園植物需水實驗資料，結合設計的具體情況，噴灌工程設計參數見表1。

表1 設計參數

3.3 管網布設

噴灌系統輸水管網由主管、支管和輔管組成。其中主管沿道路布置，支管用異徑三通與主管相連，每條支管根據灌溉面積不同來控制輔管，控制長度140 m，支管安裝電磁閥與田間控制器，輔管平行于主管布置，輔管每隔5 m接噴頭，噴頭選用旋轉噴頭，噴頭射程為6.9 m，流量為0.22 L/s。

3.4 灌水器選擇

灌水器包括微噴頭和滴頭，其質量的好壞直接影響到微灌系統工作是否可靠、灌水質量好壞和工程投資。因此灌水器的選擇必須考慮以下條件:（1）作物種類和生長階段；（2）土壤性質，對輕質土壤可選擇大流量灌水器；（3）出水均勻、穩定；（4）抗堵塞能力好；（5）制造精度高，制造偏差系數CV=0.03～0.07；（6）結構簡單，便于制造安裝；（7）堅固耐用，價格低廉。

根據上述選擇條件，結合當地的水質狀況以及種植作物的特點。選用與雨鳥散射噴頭通用的可安裝在雨鳥散射噴頭1800和US的噴體上的旋轉噴嘴。其噴灑半徑4 m～7.3 m，噴灑強度15.2 mm/h。它區別于一般散射噴頭的特點是灌溉強度低至15.2 mm/h。灌溉均勻度更高，適應性更強，可以按照等噴灌強度噴嘴設計[1]。

3.5 同時工作的噴頭數

式中:Q為系統灌溉流量，32 m3/h；q為噴頭流量，0.04 m3/h。

根據系統流量及單個噴頭流量，確定系統控制的噴頭個數為150個，同時工作的支管數:

式中:n噴頭為1根支管上的噴頭數，一根支管控制四根輔管，每條輔管長度140 m，噴頭間距5 m。

經計算最大支管數為5條。

3.6 灌溉制度與系統工作制度的確定

3.6.1 設計灌水定額

設計灌水定額，即每一次灌水數量，其計算公式采用:

式中:m為設計灌水定額，mm或m3/畝；γ為土壤容重，γ=1.40 g/cm3；Z為計劃濕潤層深度，噴灌Z=30 cm；P為土壤濕潤比，取60%；β為田間持水量，為24%；θmax為適宜土壤含水量上限，θmax=90%β；θmin為適宜土壤含水量下限，θmin=65%β；η 為灌溉水利用系數，取0.95。

經計算，m=15.92 mm=10.61 m3/畝。

3.6.2 設計灌水周期

設計灌水周期，即在連續無雨條件下，某種作物需水臨界期的允許最大灌水間隔時間，采用下式計算:

式中:T為設計灌水周期，d；Ea為作物日耗水強度，mm/d；η為灌溉水利用系數。

計算滴灌灌水周期T=3.36 d，取T=4 d。

3.6.3 一次灌水延續時間

式中:m為設計灌水定額，15.92mm；q為1個噴頭的流量，0.04m3/h；b為支管間距，5 m；l為沿支管的噴頭間距，5 m。

計算一次灌水延續時間，t=6.12 h。

3.6.4 噴灌系統灌溉制度

此次噴灌工程以一條支管控制的灌溉范圍為基本灌水單元，一條支管構成一個輪灌組。每個輪灌組運行時，該輪灌組內的支管上輔管全部開啟，一個輪灌組灌水完成后開啟下一個輪灌組內的支管，再關閉前一個輪灌組內的支管。此種輪灌方式水量相對集中，管理簡便。

4 結語

噴灌技術是一種較為先進的節水灌溉技術，節約用水是我國十分重要的項目，國家需利用科學技術促進噴灌技術的發展，以便于水資源的高效利用和節約[2]。根據本工程建設條件，工程總體布置按照技術方案合理，投資節省、施工容易、運行管理方便等目標，對輸水線路進行方案的比較，擇優選取施工條件好、線路較短、地形起伏相對較小的輸水線路，同時，結合輸水線路比選，對不同輸水管材、管徑及敷設方式等方案進行比較。因此，從工程總體布置及其各組成部分的工程布置看，均按照前述目標進行了優選，工程的建設和運行都將會取得較好的節水效果。