坡耕地噴灌工程技術應用及要點分析

王 維

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司云南分院，昆明 650000）

1 工程概況

永善縣2019年度高標準農田建設項目位于云南省昭通市永善縣溪洛渡鎮、蓮峰鎮、伍寨鄉、青勝鄉4個鄉鎮，涉及耕地面積1146.67hm2，主要建設內容涉及水利工程、農業工程和交通工程。其中水利工程建設 規 模 總 計720hm2（ 滴 灌53.33hm2、 管 道 灌406.67hm2、噴灌260hm2）。

水利工程主要分布于金沙江右岸坡耕地上，本文選取溪洛渡鎮水田村花坪子片區5#噴灌系統對坡耕地噴灌工程設計過程進行論述，鑒于篇幅所限，本文僅對選取地塊內部進行設計，外部水源工程、管網工程等不再累述。

花坪子5#系統位于金沙江右岸， 地塊面積24.83hm2，現狀為坡耕地，呈單面坡，坡度25°～37°，土壤類型為沙壤土， 保水性較差， 土層厚0.3～0.8m不等，種植作物為柑橘，設計耗水強度2.32mm/d。

項目區海拔高程390～557m， 地處金沙江河谷，日照時間長，氣溫高，濕度小，屬于中亞熱帶濕潤氣候區，但由于降雨量時空分布不均，干、雨季分明，在每年的春、冬季節，空氣干燥，雨量少。

2 工程設計

2.1 灌溉方式選擇

花坪子5#系統種植作物為柑橘，株距2.5m，行距3.5m，株高2.0m，結合作物生長特點，適用的高效節水微灌型式有樹下滴灌、噴灌、微噴灌等。 不同灌溉方式的適用條件、灌溉效果略有差異，針對本次選擇花坪子5#系統地塊，不同灌溉方式優缺點論述如下：

滴灌：滴灌管沿果樹一周布置，滴灌管上布置3～5個滴孔。

花坪子5#系統土層較薄且為沙壤土，滴灌灌水強度較小，側向入滲較弱，不利于作物根系吸收及根系生長。

噴灌：噴頭高出果樹0.3～0.5m，噴頭射程20～30m采用全圓或扇形噴灌。

花坪子5#系統位于金沙江右岸山地，地形坡度較大，屬河谷氣候，風速較大，對灌溉均勻度影響較大。同時受地形坡度影響，灌溉均勻度難以控制。

微噴灌：噴頭布置于果樹下，一棵果樹布置2～3個微噴頭。

樹下微噴灌噴頭噴灑半徑1.5～2m， 一棵果樹布置2～3個微噴頭，噴頭間距可根據果樹生長冠幅大小隨時調整。 微噴灌對地形、土壤適應性好，灌水均勻度高，適用性最強，是本片區最優的灌溉方式。

柑橘易滋生紅蜘蛛病蟲害的特點， 而淋洗是防治紅蜘蛛最有效、最環保的方式。雖項目區風速較大、地形落差大，噴灌灌水均勻度難以控制，但均不是主要控制因素，經綜合考慮，本次灌溉方式選擇噴灌。

2.2 管材選擇

本次工程為農業供水工程，單個水源水量較少，覆蓋面積較小，因此，管徑較小，一般在DN300及以下，常用供水管材主要有PE管、PVC管、鋼管等。 由于本次工程地形坡度較大，地面起伏變化較大，而PVC管偏硬，脆性大，適應地形變化較差，鋼管造價相對較高，因此，本次設計推薦采用PE管。

2.3 灌水器選擇

目前市面上各種型號的噴頭琳瑯滿目， 出水流量、適用壓力范圍、射程不盡相同，單價從一元至幾百元不等，但適用于果樹、技術較為成熟，曾被大規模推廣使用的產品并不多。

PY2型金屬搖臂式噴頭系列是由原江蘇工學院于1988年牽頭研制的，曾經大規模推廣使用，效果較好。 在本次項目區附近已建有30PY2-2H-27°型金屬搖臂式噴頭成功的工程案例，灌溉效果較好，其參數如表1。

表1 30PY2-2H-27°金屬搖臂式噴頭性能參數

30PY2-2H-27°金屬搖臂式噴頭進水口公稱直徑為30mm， 設有主、 副噴嘴兩個， 其中主噴嘴口徑9mm，流量5m3/h ，副噴嘴口徑4mm，流量0.08m3/h（工作壓力為300kPa時參數），設有換向機構、折流器，可實現全圓、半圓及扇形噴灑，噴嘴仰角27°，霧化指數3333，滿足GB/T50085—2007《噴灌工程設計規范》規定的果樹適宜霧化指標3000～4000要求，因此，本次選擇30PY2-2H-27°金屬搖臂式噴頭， 設計工作壓力300kPa。

2.4 噴頭組合間距

在噴頭已確定情況下， 噴頭組合間距確定是噴灌工程設計的核心內容，將關系到灌水均勻度、灌水強度、工程布置及工程投資等。

2.4.1 平坡噴頭組合間距確定

2.4.1.1 平坡噴灌水量分布

根據實驗數據并結合理論分析得出平坡水量分布示意圖，如圖1。

圖1 平坡噴灌水量分布示意圖

由圖1可看出，在噴頭的下方出現噴灌水量偏少的環狀條帶，寬約3.5m，俗稱“燈下黑”現象。 在外圍噴灌水量逐漸偏少，直至為零。

2.4.1.2 平坡噴頭組合間距

根據平坡噴灌水量分布示意圖， 在不考慮噴頭下方“燈下黑”現象時，噴頭采用三角形布置，布置間距為29.3m，如圖2。

圖2 平坡噴頭理論布置間距

但考慮到噴頭下方“燈下黑” 現象及受風的影響，GBT50085—2007《噴灌工程技術規范》對噴頭布置做了具體規定。

表2 噴頭組合間距

2.4.2 考慮地形坡度噴頭組合間距確定

2.4.2.1 斜坡噴灌水量分布

根據實驗數據并結合理論分析得出平坡時水量分布示意圖，如圖3。

圖3 斜坡噴灌水量分布示意圖

由圖3可看出，在噴頭下方也出現了噴灌水量偏少的環狀條帶，但由于受地形影響，環狀條帶呈不對稱狀。外圍上游噴灌水量較為集中，且水量遞減較為迅速而在下游噴灌水量則明顯較均勻且距離更遠。

2.4.2.2 斜坡噴頭組合間距

根據斜坡噴灌水量分布示意圖， 噴灌范圍呈蛋形，在不考慮噴頭下方“燈下黑”現象時，噴頭采用三角形布置，布置間距為28.3m，如圖4。

圖4 斜坡噴頭理論布置間距

由于圖4是在沒有考慮風速及種植作物條件下的理想狀態下布置的，在實際工程設計中，除應考慮地形、風速外，還應考慮噴頭安裝高度及種植作物類型、高度等。

（1）地形影響。 由于地面具有25°坡度，在水流向擬坡噴射時，射程將大幅減小，水量過于集中，造成灌水均勻度極差，如圖3。

（2）風速影響。噴灌是將有壓力的水噴到空氣中，散成小水滴或形成彌霧降落到作物和地面上的灌溉方式，因此，風對灌溉均勻度、噴灑范圍影響較大。

花坪子5#系統位于云南省昭通市永善縣溪洛渡鎮水田村金沙江的右岸，當地無氣象資料可供參考，根據當地村民描述“春季多山谷風，風不是很大；夏季干熱，風小”。

根據村民描述并參考有關資料， 當地風速應該在2.0m/s以下，風向為逆地形坡度。 根據GBT50085—2007《噴灌工程技術規范》，噴頭布置間距：垂直風向0.9～1.1R（R為射程），平行風向1.3～1.2R。

（3）株高影響。 項目區主要種植作物為柑橘，成樹冠幅1.5～2.0m，株距2.5m，株高2.0m，噴頭安裝高度為2.5m，由于地面具有25°坡度，在水流向擬坡噴射時，高速水流將直接噴射至作物幅冠，可造成落花落葉，因此，在選擇噴頭時，需選擇半圓噴射或可調節噴灑角度的全圓噴灑。

2.4.2.3 花坪子5#系統噴頭組合間距

基于以上多種因素， 坡耕地噴灌噴灑范圍不適宜全圓噴灑， 適宜扇形或者半圓形噴灑。 對于坡耕地，受地形影響，實際噴灑形狀為馬蹄形，如圖4。

結合具體工程設計， 為便于施工及田間管網布置，本工程噴頭組合間距為：垂直風向間距為22.5m，平行風向間距為27m，噴灑角度230°。 如圖5。

圖5 花坪子5#系統噴頭布置間距及噴灑范圍

2.5 灌溉制度確定

2.5.1 設計參數

2.5.1.1 作物濕潤層深度Z

作物濕潤層深度主要取決于作物的生長狀況和作物根系活動層深度，同時也與土壤性質、結構和肥力狀況有關。根據現場調查及查閱相關果樹資料，本次設計柑橘灌溉濕潤層深度0.6m。

2.5.1.2 組合噴灌強度的校核

組合噴灌強度不得大于土壤允許噴灌強度，灌區土壤為砂壤土，根據GB/T50085—2007《噴灌工程設計規范》，砂壤土的允許噴灌強度為15mm/h，有良好覆蓋時，允許噴灌強度可提高20%，即18mm/h。

根據噴頭布置，單個噴頭覆蓋灌溉面積1272m2，噴頭流量5.08m3/h，噴灑強度3.99mm/h。

項目區為坡耕地， 地形坡度為25°（46.73%），按照GB/T50085—2007《噴灌工程設計規范》進行折減。項目區地形坡度大于20%， 允許噴灌強度降低75%，即不考慮地表覆蓋時允許噴灌強度為3.75mm/h，考慮地表覆蓋時允許噴灌強度為4.5mm/h。 考慮到項目區進行了坡改梯田，同時果樹下一般均有樹葉覆蓋，因此一般不會發生地表徑流。

2.5.2 灌溉制度確定

2.5.2.1 最大凈灌水定額

最大凈灌水定額mmax：mmax=0.001γz（θmax-θmin）

式中 mmax為最大凈灌水定額（mm）；γ為土壤容重（g/cm3）；z為計劃濕潤土層深度；θmax，θmin為適宜土壤含水率上下限（占干土重量的百分比）。

根據土壤調查結果， 灌區土壤以砂壤土為主，土壤容重為1.4g/cm3，田間持水率20%，適宜土壤含水率上限θmax取田間持水量的80%，下限θmin取田間持水量的65%。 計算得最大凈灌水定額為25.2mm（252m3/hm2）。

2.5.2.2 設計灌水周期

設計灌水周期T：T≤Tmax，Tmax=mmax/Ia

式中 T為設計灌水周期 （d）；Ia為設計耗水強度（mm/d）， 取2.32；mmax為最大凈灌水定額 （mm），取25.2；Tmax為最大灌水周期（d）。

根據計算，最大灌水周期為10.87d，設計灌水周期定為10d。

2.5.2.3 設計灌水定額

設計灌水定額md=T×Ia，m′=md/η

式中 md為設計凈灌水定額（mm）；m′為設計毛灌水定額（mm）；η為灌溉水利用系數，取0.88；Ia為設計供水強度（mm/d）；T為設計灌水周期（d）；根據計算，設計凈灌水定額為23.18mm（231.9m3/hm2），設計毛灌水定額為26.35mm（263.4m3/hm2）。

2.5.2.4 一次灌水延續時間

一次灌水延續時間t=m′SeSl/qd

式中 t為一次灌水延續時間（h）；Se為灌水器組間距（m），取22.5；Sl為支管間距（m），取27；計算得一次灌水延續時間3.15h，設計一次灌水時間3.5h。

根據永善縣氣象站數據， 永善縣年平均降水量670.4mm，6～9月為主汛期， 降水量占全年69.8%，11月至次年4月為枯期，降水量占全年13.4%，5、10月為過渡期，降水量占全年6%～11%，年蒸發量1316mm。

由于降水時空分布極不均勻，因此，需要進行補充灌溉，補充灌溉時間主要為11月至次年4月，每次灌水時間為3.5h，灌水間隔10d。

2.6 管網布置

根據地形條件及水源分布，管網布置有總干管、干管、分干管及支管4級。總干管垂直等高線布置，沿途為各高程區的干管供水，并根據需要設置減壓池；干管沿等高線布置，沿途為控制片區分干管分水；分干管垂直等高線布置，沿途為各高程的支管分水。如圖6。

圖6 花坪子5#系統平面布置

2.7 管網壓力控制

由于項目區地形較陡， 上下游水壓差較大，因此，需要對整個片區劃分為不同高程區，每個高程區設有單獨的調壓池每個高程區的干管供水。 如此設置后，可確保每根支管上壓力相差不大，確保噴頭在設計工作壓力范圍，以提高灌水均勻度。目前該工程已竣工驗收并移交農戶使用，根據農戶反饋，各系統均運行良好，達到預期效果。

3 結語

（1）管網工程：由于地形一般較陡，單位長度受地形落差積累的水壓力增長較快，水壓調節建（構）筑物或設備一般較多，投資隨之增加。

（2）地面工程：①一般采用半圓或者扇形噴灑，尤其是噴頭設置越高，噴灑角度一般越小；②噴頭布置可采用平行或者梅花形布置， 布置間距必要時可采用實驗驗證；③噴頭處工作壓力應在正常工作壓力范圍，必要時可設置調流調壓閥件控制壓力，提高灌水均勻度。