新疆干旱灌區(qū)田間高效節(jié)水典型作物設(shè)計研究

王 飛

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊830000)

1 項目區(qū)概況

HX高效節(jié)水工程項目區(qū)屬溫帶半干旱氣候，四季分明，日照充足，全年平均日照2983 h，年平均氣溫8.7℃，1月最冷，極端最低氣溫-43.6℃，最熱為7月，平均氣溫25.4℃，極端最高氣溫43.8℃，無霜期多年平均為169 d。年平均降水量200 mm，分布不均，3月～7月占全年降水量的50.5%，7月下旬至9月降水較少，歷年積雪較穩(wěn)定，全年降雪量70 mm，年平均積雪時數(shù)85 d，年蒸發(fā)量為1600 mm，最大凍土深度1.32 m，最大風(fēng)速18.3 m/s。

項目區(qū)總面積21636畝，全部為水澆地，主要種植玉米、小麥、甜菜等。由于田間基礎(chǔ)設(shè)施不配套，土地生產(chǎn)力水平較低，玉米單產(chǎn)800 kg/畝，小麥單產(chǎn)450 kg/畝，甜菜單產(chǎn)4532 kg/畝。

主要建設(shè)內(nèi)容：利用已有水源，新建29個滴灌系統(tǒng)，新建沉砂池1座，修建磚砌閘閥井251座，排水井265座。80目疊片全自動過濾器29組，200 L壓差式施肥罐24臺，300 L壓差式施肥罐4臺，400 L壓差式施肥罐1臺。配套的輸電線路和PVC-U管道及滴灌配件。

根據(jù)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項目規(guī)劃原則和建設(shè)規(guī)模的要求和工程方案選擇結(jié)果，按國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50288-2018)[1]的規(guī)定確定工程等級別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(一)型。本文以玉米為研究對象，通過高效節(jié)水改造，實現(xiàn)節(jié)水增收的目的。

2 工程技術(shù)參數(shù)確定

2.1 種植模式

項目區(qū)玉米的種植模式為30 cm+60 cm，玉米一條滴灌帶控制灌溉2行，實行寬窄行種植，寬窄間距30 cm+60 cm等行距播種。

2.2 基本參數(shù)的確定

(1)玉米設(shè)計土壤濕潤比為75.6%；作物的土壤濕潤比均符合《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[2]表4.0.2中的要求；(2)設(shè)計耗水強度取6.01 mm/d，符合《微灌工程技術(shù)規(guī)范》表4.0.3中的要求；(3)滴灌灌溉水利用系數(shù)為0.9；(4)灌水均勻度不低于0.95；(5)滴灌帶設(shè)計工作壓力為0.10 MPa；(6)土壤容重：γ=1.45 g/cm3；(7)田間土壤持水率24%；(8)玉米的計劃濕潤深度為50 cm；(9)項目區(qū)最大凍土深度為1.26 m。

2.3 滴灌帶選擇及布置方式

灌水器為滴灌系統(tǒng)設(shè)計的核心參數(shù)，因此需要選型。針對項目區(qū)的種植情況、土壤條件，提出三種方案進行比選，方案一大流量，方案二中流量，方案三小流量，三種方案的特點，比選結(jié)論是推薦方案二中流量。

表1 灌水器流量選型方案比選

根據(jù)灌溉作物的特點以及便于每年滴灌帶的更換，本次建設(shè)滴灌帶選擇單翼迷宮式滴灌帶，滴頭流量為1.8 L/h，滴頭間距0.3 m，壁厚0.2 mm，內(nèi)徑16 mm，工作壓力10 m。

2.4 灌溉制度的確定

(1)設(shè)計灌水定額

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)[2]中公式(4.0.10-1)，最大凈灌水定額計算公式如下：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)

式中：mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重，項目區(qū)地表為灰漠土灌淤土，類似為壤土，根據(jù)工程地質(zhì)資料，干密度為1.45 g/cm3；z為土壤計劃濕潤層深度，cm。項目區(qū)種植大田作物，根據(jù)規(guī)范及類似項目經(jīng)驗，大田作物可取40 cm～60 cm，本項目z=50 cm；p為設(shè)計土壤濕潤比，取75.56%；θmax為適宜土壤含水率上限(占干土重量的百分?jǐn)?shù)),取田間持水量的90%，;θmin為適宜土壤含水率下限(占干土重量的百分?jǐn)?shù))，取田間持水量的65%，本文中田間持水量取24%。

計算結(jié)果見表2。

表2 灌水定額計算成果表

(2)設(shè)計灌水周期的確定

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)中公式(4.0.11-1)和(4.0.11-2)，設(shè)計灌水周期計算公式如下：

T≤Tmax

Tmax=mmax/Ia

式中：T為設(shè)計灌水周期，d；Tmax為最大灌水周期，d；mmax為最大凈灌水定額，mm；Ia為設(shè)計灌溉補充強度，mm/d。

計算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計灌水周期計算成果表

(3)一次灌水延續(xù)時間的確定

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)中公式(4.0.13-1)，一次灌水延續(xù)時間計算公式如下：

式中：t為一次灌水延續(xù)時間，h；m′為設(shè)計毛灌水定額，mm；Se為滴頭間距，根據(jù)選用滴灌帶產(chǎn)品，選定為0.3 m；Sr為作物平均行距，0.9 m；q為灌水器流量，L/h。q=1.8 L/h。計算得出：t玉米=5.5 h。一次灌水時間取值:t玉米=5.5 h。計算結(jié)果見表4。

表4 一次灌水時間計算表

(4)最大輪灌組數(shù)的確定

N=CT/t

式中：t為一次灌水延續(xù)時間，h；N為輪灌組數(shù)；C為每天工作小時數(shù)；T為灌水周期；計算結(jié)果見表5。

表5 最大輪灌組數(shù)計算表

根據(jù)計算，確定玉米的最大輪灌組數(shù)為24組。

2.5 工作制度的確定

滴灌系統(tǒng)工作制度方案比選：滴灌系統(tǒng)通常采用的工作制度為輪灌，目前應(yīng)用較多的輪灌方式有兩種：方案一：輔管輪灌，每條支管上布置若干條輔管，以一條輔管控制的灌溉范圍為灌水小區(qū)，系統(tǒng)運行時，每次開啟該輪灌組內(nèi)的每條支管上的一條或多條輔管，該輔管上的毛管同時灌水。方案二：支管輪灌，支管上不設(shè)輔管，以一條支管控制的灌溉范圍為灌水小區(qū)，一條或多條支管構(gòu)成一個輪灌組。兩種工作制度方案的特點。方案一輔管輪灌，管理比較繁瑣，勞動強度大，近年來安裝的滴灌系統(tǒng)均采用方案二支管輪灌，方案二的接受程度更高，因此，推薦方案二支管輪灌。工作制度比選過程見表6。

表6 滴灌系統(tǒng)工作制度方案比選

3 效益分析

經(jīng)濟效益：2020年種植8341畝小麥，11048畝玉米，831畝甜菜，增產(chǎn)產(chǎn)值249.19萬元，新增人均純收入188.41元。投入產(chǎn)出比為1∶2.5。

社會效益：實施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工程，提高了農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，保障生產(chǎn)安全，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，促進農(nóng)牧民增產(chǎn)增收，幫助農(nóng)牧民盡快脫貧致富，對當(dāng)?shù)氐纳鐣€(wěn)定、民族團結(jié)有積極的影響，對項目區(qū)民族經(jīng)濟的繁榮和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

生態(tài)效益：工程實施后，灌溉水量易于控制，灌水均勻，防止了水土沖蝕，土壤硬結(jié)，土肥退化，保持了土壤特定的水分運動和鹽分平衡，避免了土壤產(chǎn)生鹽堿化，土壤環(huán)境勢必向著有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境方面發(fā)展。改善了灌區(qū)灌溉條件，促進灌區(qū)生物量的增長，改善灌區(qū)環(huán)境。灌區(qū)耕地適時適量的灌溉勢必促使土壤向有利于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的土壤類型發(fā)展。

4 結(jié)論

在HX高效節(jié)水工程項目區(qū)實施田間高效節(jié)水工程建設(shè)，有效推進了田間水肥一體化建設(shè)進度，提升了水資源利用效率和肥料的利用效率，提高到了當(dāng)?shù)卮迕竦慕?jīng)濟收入，奠定了脫貧攻堅的基礎(chǔ)。防止了大水漫灌造成的水土沖蝕和土肥退化現(xiàn)象，灌區(qū)的環(huán)境得到改善，生態(tài)效益逐步凸顯。