農田水利工程中高效節水灌溉發展思路初探

陳 晨

（榆陽區佳蘆河世行貸款項目辦公室，陜西 榆林 719000）

1 項目區概況

榆林市榆陽區2015 度小型農田水利重點縣項目區總土地面積68.45 萬畝，位于榆陽區北部風沙草灘區，地貌類型以半月形固定、半固定沙丘為主，期間分布有大小灘地，經過多年改良，形成5.52 萬畝耕地。涉及馬合鎮、小紀汗鎮、孟家灣鄉、小壕兔鄉、巴拉素鎮、紅石橋鄉共6 個鄉鎮、15 個行政村。

區內耕地屬于純井灌區，主要依靠機井和多管井進行灌溉。現有灌溉水源井264 眼。其中，機井50 眼、多管井214 眼，年供水總能力849.07 萬m3，耕地灌溉以砂質渠道和低標準漿砌磚渠道為主。由于田間渠道襯砌率不足50%，大田以漫灌為主，灌溉水利用系數僅為0.55，灌溉水利用率極低，造成水資源的極大浪費。另外多年來由于歲修資金投入不足和管理落后，現灌溉水源井中有214 眼多管井抽水設備破損嚴重，嚴重制約了當地農業經濟的發展。

2 農田水利工程中高效節水灌溉改造方法

為改善現有的農業生產條件，提高農業綜合生產能力，項目區進行節水增效工程改造。規劃改善灌溉面積2.48 萬畝，灌溉方式為低壓管道輸水灌溉和機組式噴灌，灌水定額均為30 m3/畝，灌水周期為7 天一次。其中，低壓管道輸水灌溉面積1.87 萬畝，機組式噴灌面積0.61 萬畝。按灌溉形式不同選取典型地塊進行設計。

2.1 低壓管道輸水灌溉工程設計

低壓管道輸水灌溉工程選擇小紀汗鎮大紀汗村片區進行設計,面積0.52 萬畝，以大紀汗村3 組4 號多管井為計算單元，計算單元灌溉水源為18 束吸水管6 吋多管井，井深18 m，出水量為60 m3/h。控制灌溉面積133.21 畝。

2.1.1 灌溉流量

單井控制灌溉面積按式（1）計算。

式中：F0為單井控制灌溉面積，畝；Q 為單井出水量，取60 m3/h；T 為輪灌一次所需要的時間，取7 d；t 為一灌溉期每天開機時間，取 14 h/d；η 為灌溉水利用系數 0.80；η1為干擾抽水的水量削減系數0.1；m 為凈灌水定額，取30 m3/畝。

經計算：F0=141.12 畝。項目區計算單元有現狀多管井1眼，滿足該輸水灌溉系統的灌溉要求。由以上計算可知，水源井出水量可以滿足灌溉用水需求，此井灌區低壓管道輸水灌溉系統根據多管井自成系統。

2.1.2 供水管網布設

每眼多管井都配有1 套完整的提水裝置和輸配水管網，灌溉季節各多管井獨立工作。由于項目區耕地畦塊面積較小、畦長較短，低壓輸水管道只設有干管1 級系統，呈“工”字形布設，不設支管，輸水干管間隔20 m 布設1 個出水栓，共布設出水栓32 個。灌溉時一般采用集中輪灌，從多管井取水，，通過暗管輸水至田間出水栓后進行灌溉，每次只打開1 個出水栓進行灌溉。為了便于管理檢修，多管井出水管與輸水暗管連接處、管道分支處均設控制閥井。

管道選用PVC 管材，根據水源井的出流量，初步擬定管道流速為1.1 m/s，采用式（2）計算初選管徑。

式中：d 為管道內徑，mm；Q 氣溫設計流量，取 60 m3/h；v 氣溫管內設計流速，取1.1 m/s。

經計算，取外徑160 mm 的PVC 管，壁厚4 mm。但是考慮到項目區為砂質土壤，土體承壓能力較差，為防止農業耕作機械行走或意外性地面承壓對輸水管道的破壞，此次設計對PVC管材公稱壓力提高1 個等級配置，最終確定Φ160 PVC 管材公稱壓力值為0.6 MPa。

2.1.3 機泵的確定

灌溉系統水泵的設計揚程，按照式（3）計算。

式中：Hp為灌溉系統水泵的設計揚程，m；H0為管道系統設計工作水頭，為輸水管水頭損失和最后一個出水栓的工作水頭1.00 m的之和（田間高差為 0），即 H0=h損+h出=1.74 m+1.00 m=2.74 m；Z0為管道系統進口高程，為1173.05 m；Zd為機井動水位，為1158.47m；Σhf,0為水泵吸水管進口至管道系統進口之間的沿程水頭損失，多管井使用離心泵抽水，故沿程水頭損失忽略不計；Σhj,0為水泵吸水管進口至管道系統進口之間的局部水頭損失，多管井使用離心泵抽水，所以沿程水頭損失忽略不計。

經計算，水泵設計總揚程Hp=17.32 m。故確定水泵型號為BJ50 型，揚程18 m，配套動力機功率為7.5 kW。

2.2 機組式噴灌工程設計

選擇紅石橋鄉馬路灣片區為典型進行設計。面積0.23 萬畝，灌溉水源為機井，共5 眼，井深120 m，出水量為32 m3/h。最不利管線（水源井向蓄水池輸水管線長252 m）的水源井地面高程為1170.69 m、靜水位高程為1149.61 m、動水位高程為1139.81 m。

選擇馬路灣村1 號噴灌機（R=350 m）為計算單元，噴灌機覆蓋半徑350 m，一個工作圓周灌溉面積577 畝。灌溉工作時，由操作人按照噴灌機操作規程在控制器面板中輸入灌水定額值后，噴灌機自動工作，在7 天灌水周期內完成覆蓋面積內噴灑灌溉。

2.2.1 輸水管網布設

根據灌溉面積需求，1 臺噴灌機由5 眼水源井供水。沿噴灌機四周輻射狀布設4 眼機井，中心布設1 眼，通過井用潛水泵出口后輸水管道向中心調節蓄水池供水。井用潛水泵出水口后采用長度80 m 的DN80 mm 鋼管作為提水管（方便固定井用潛水泵），出井口后至蓄水池間的輸水管選用PVC管材。

根據水源井的出流量，初步擬定出井口后至蓄水池間的PVC 輸水管管道流速為1.25 m/s，采用式（2）計算初選管徑。其中：Q=32 m3/h，v=1.25 m/s。經計算，取外徑 110 mm 的 PVC 管。本機組共布設5 條PVC 管，長度分別為25 m、205 m、222 m、238 m、252 m。并考慮到項目區為砂質土壤，土體承壓能力較差，為了防止農業耕作機械行走或意外性地面承壓對輸水管道的破壞，最終確定φ110 PVC 管材公稱壓力值為0.32 MPa，壁厚2.7 mm。

2.2.2 水源井水泵的確定

水源井水泵的揚程，按照式（3）計算。其中：輸水管水頭損失和水泵降深30.00 m、管道出水口工作水頭1.00 m 的之和（地面高差為0），故H0=33.83 m；Z0=1170.69 m；Zd=1109.80 m；Σhf,0=7.13 m；Σhj,0=0.71 m。經計算，水泵設計總揚程Hp=102.56 m。故水泵選型為200QJ32-104，揚程104 m，配套電機功率為15 kW。本典型設計單元共配置200QJ32-104 水泵5臺，每眼水源井1 臺。

2.2.3 中心調節蓄水池的確定

（1）容積計算

采用5 眼井（4 眼工作，1 眼備用）聯合作為一臺噴灌機的水源，選取的E2045-G（R350）中心支軸式圓形電動噴灌機，額定流量為135 m3/h，日噴灌時間為18 h，則日需水量為2520 m3。并在蓄水池潛水泵后管道上安裝120 目鋼制網式過濾器1 臺，提高噴灌機水質，防止噴灌機噴頭堵塞。

由于水源的最小日來水量能滿足噴灌機最大用水量，而來水流量小于用水流量，所以按日調節確定蓄水容積，根據下式計算：

式中：V 為調節蓄水池容積，m3；Q用為作物需水臨界期用水量，為135 m3/h；Q來為水泵給水量，為128 m3/h；t 為作物需水臨界期日噴灌時間，最小取18 h；K 為安全系數，考慮蓄水時因蒸發和滲漏的損失，取1.15。

經計算，V=145（m3/h）。因此調節蓄水池的容積取150 m3。

（2）結構

每臺噴灌機配備1 座圓形斷面蓄水池，容積150 m3，池深3.5 m，直徑7.8 m，C20 鋼筋混凝土現澆，底板厚25 cm，壁厚25 cm，水墜砂基礎，上墊碎石厚50 cm，壓實系數達到0.97，灰土層上澆筑10 cm 厚C15 混凝土墊層，雙層網狀配筋。

3 榆陽區2015 度小型農田水利重點縣項目區改造結果

（1）項目區前期典型地塊的設計實驗為后續項目的全面成功改造奠定了基礎。整個改造工程歷時（2016 年3 月～2016 年7 月）5 個月。

（2）改造多管井214 眼，田間出水栓5699 個、蓄水池 11座、潛水泵11 臺、中心支軸圓形噴灌機11 臺（單臺控制灌溉面積 92 畝 ～891 畝）。

（3）項目區未改造前（2014 年）供水能力為 849.07 萬 m3，農業灌溉和居民生活用水需水總量844.58 萬m3，富余量4.50 萬m3。改造后農業灌溉和居民生活用水需水總量403.94 萬m3，富余量445.13 萬m3，完全滿足項目區農業灌溉用水需求。項目實施后，年可節約水資源440.63 萬m3，灌溉水利用系數由0.65 提高到0.8。

4 結論

現代農業是農業發展的必然。榆林市榆陽區通過發展高效節水灌溉項目，必將推動全區農業現代化進程，對加快農業發展，促進全區農業再上一個新臺階起到重要作用，對從傳統農業向現代農業轉變，具有十分重要的意義。