新疆干旱灌區田間高效節水典型作物設計研究

王 飛

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊830000)

1 項目區概況

HX高效節水工程項目區屬溫帶半干旱氣候，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，歷年積雪較穩定，全年降雪量70 mm，年平均積雪時數85 d，年蒸發量為1600 mm，最大凍土深度1.32 m，最大風速18.3 m/s。

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

主要建設內容：利用已有水源，新建29個滴灌系統，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。

根據高標準農田建設項目規劃原則和建設規模的要求和工程方案選擇結果，按國家標準《灌溉與排水工程設計標準》(GB 50288-2018)[1]的規定確定工程等級別為Ⅳ等，工程規模為小(一)型。本文以玉米為研究對象，通過高效節水改造，實現節水增收的目的。

2 工程技術參數確定

2.1 種植模式

項目區玉米的種植模式為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 基本參數的確定

(1)玉米設計土壤濕潤比為75.6%；作物的土壤濕潤比均符合《微灌工程技術規范》[2]表4.0.2中的要求；(2)設計耗水強度取6.01 mm/d，符合《微灌工程技術規范》表4.0.3中的要求；(3)滴灌灌溉水利用系數為0.9；(4)灌水均勻度不低于0.95；(5)滴灌帶設計工作壓力為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

灌水器為滴灌系統設計的核心參數，因此需要選型。針對項目區的種植情況、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

根據灌溉作物的特點以及便于每年滴灌帶的更換，本次建設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，內徑16 mm，工作壓力10 m。

2.4 灌溉制度的確定

(1)設計灌水定額

根據《微灌工程技術規范》(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，項目區地表為灰漠土灌淤土，類似為壤土，根據工程地質資料，干密度為1.45 g/cm3；z為土壤計劃濕潤層深度，cm。項目區種植大田作物，根據規范及類似項目經驗，大田作物可取40 cm～60 cm，本項目z=50 cm；p為設計土壤濕潤比，取75.56%；θmax為適宜土壤含水率上限(占干土重量的百分數),取田間持水量的90%，;θmin為適宜土壤含水率下限(占干土重量的百分數)，取田間持水量的65%，本文中田間持水量取24%。

計算結果見表2。

表2 灌水定額計算成果表

(2)設計灌水周期的確定

根據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)中公式(4.0.11-1)和(4.0.11-2)，設計灌水周期計算公式如下：

T≤Tmax

Tmax=mmax/Ia

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

計算結果見表3。

表3 設計灌水周期計算成果表

(3)一次灌水延續時間的確定

根據《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)中公式(4.0.13-1)，一次灌水延續時間計算公式如下：

式中：t為一次灌水延續時間，h；m′為設計毛灌水定額，mm；Se為滴頭間距，根據選用滴灌帶產品，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。計算結果見表4。

表4 一次灌水時間計算表

(4)最大輪灌組數的確定

N=CT/t

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

表5 最大輪灌組數計算表

根據計算，確定玉米的最大輪灌組數為24組。

2.5 工作制度的確定

滴灌系統工作制度方案比選：滴灌系統通常采用的工作制度為輪灌，目前應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，系統運行時，每次開啟該輪灌組內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，支管上不設輔管，以一條支管控制的灌溉范圍為灌水小區，一條或多條支管構成一個輪灌組。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 滴灌系統工作制度方案比選

3 效益分析

經濟效益：2020年種植8341畝小麥，11048畝玉米，831畝甜菜，增產產值249.19萬元，新增人均純收入188.41元。投入產出比為1∶2.5。

社會效益：實施高標準農田建設工程，提高了農業綜合生產能力，保障生產安全，實現可持續發展，促進農牧民增產增收，幫助農牧民盡快脫貧致富，對當地的社會穩定、民族團結有積極的影響，對項目區民族經濟的繁榮和發展創造了有利條件。

生態效益：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，土肥退化，保持了土壤特定的水分運動和鹽分平衡，避免了土壤產生鹽堿化，土壤環境勢必向著有利于農業生產環境方面發展。改善了灌區灌溉條件，促進灌區生物量的增長，改善灌區環境。灌區耕地適時適量的灌溉勢必促使土壤向有利于農牧業生產的土壤類型發展。

4 結論

在HX高效節水工程項目區實施田間高效節水工程建設，有效推進了田間水肥一體化建設進度，提升了水資源利用效率和肥料的利用效率，提高到了當地村民的經濟收入，奠定了脫貧攻堅的基礎。防止了大水漫灌造成的水土沖蝕和土肥退化現象，灌區的環境得到改善，生態效益逐步凸顯。