低壓管道節(jié)水灌溉技術在高標準農田建設中的應用
——以十字路街道6 000畝高標準農田建設為例

姜 敏，徐文菊

（1.莒南縣十字路水利服務中心，山東 莒南 276600；2.莒南縣大店水利服務中心，山東 莒南 276600）

國家非常重視高標準農田的建設，從國家角度出發(fā)保障糧食安全是有非常重要的戰(zhàn)略意義的，高標準農田建設是增加糧食產量的重要手段。我國是農業(yè)大國，農民人口眾多，糧食穩(wěn)產增產是提高農民收入的重要途徑之一，在當今經濟社會高度發(fā)展，耕地非常緊張的情況下。要提高糧食的產量，建設高標準農田是有效的途徑，國家對高標準農田建設高度重視，建設高標準農田可以有效改善農民增收緩慢、農業(yè)綜合生產能力較弱的現(xiàn)狀。因此，國家每年都會加大對高標準農田建設扶持的力度，每年都下達建設指標。山東省莒南縣十字路街道2019年獲得6 000畝高標準農田建設項目，該項目投資750萬元，其中水利措施投資達到600萬元，占總投資的80%，可見水利設施的規(guī)劃建設在高標準農田建設項目中非常重要，水利設施規(guī)劃的好壞幾乎決定了項目建設的成敗，經過多方論證，在項目建設中水利設施農田灌溉宜采用節(jié)水灌溉技術，因此在充分論證的基礎上決定采用低壓管道節(jié)水灌溉技術，文章就低壓管道節(jié)水灌溉技術的應用進行探討。

1 項目區(qū)范圍、規(guī)模

1.1 項目區(qū)范圍

項目區(qū)位于山東省莒南縣十字路街道內（十字路街道為莒南縣縣城駐地），位于十字路街道西南部，涉及白家?guī)X、劉家官坊、東風、土溝、溝頭、馬蹄湖及官莊居7個村居，涉及8 685人，范圍西到白家?guī)X村東至官莊居村，南至十字路與相溝鄉(xiāng)界，北至518國道。

1.2 項目區(qū)規(guī)模

項目區(qū)計劃建設高標準農田6 000畝，其中農業(yè)生產用地5 880畝，占總規(guī)劃面積的98%，120畝為建設用地，占總規(guī)劃面積的2%，治理措施主要有水利、林業(yè)、農業(yè)、科技培訓、道路建設等。

2 項目區(qū)概況

2.1 氣候、水文情況

莒南縣屬暖溫帶季風區(qū)半濕潤大陸性氣候，大陸度61.1%。氣候總特征是春季溫暖，干燥多風；夏季濕熱，雨量充沛；秋季涼爽，晝夜溫差大；冬季寒冷，雨雪稀少。四季分明，光照充足，無霜期長。常年最熱月為7月和8月，平均氣溫為25.5℃，年際變動在28.2～23.3℃，極端最高氣溫為38.9℃（1988年7月8日）；常年最冷月為1月，平均氣溫為-1.9℃，年際變動在-4.6～0.3℃。極端最低氣溫為-19.2℃（1969年2月5日）。當?shù)赜小袄湓谌牛瑹嵩谥蟹敝V。多年平均降雨量856 mm。處于華北季風區(qū)，春季多東北風和東南風，夏季多南風和東南風，秋季多西風和西南風，冬季多北風和西北風。歷年降水量分布中間少，東西多，由東西部向中間遞減。各月平均日照時數(shù)以5、6月份最多，分別為244.1 h和222.0 h。最少是2月和7月，分別為173.7 h和181.4 h。

2.2 地形地貌情況

莒南縣跨膠南地體和沂沭斷裂帶。項目區(qū)屬魯東南丘陵區(qū)，地勢總特點是東高西低，東部是北高南低，并向東南和西南呈脊背狀傾斜。地貌以大店、十字路至相溝為界，分為東西兩部分：東部低山丘陵區(qū)，西部平原區(qū)。大致分為低山丘陵區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)、嶺下平地和洪積-沖積平原區(qū)四種地貌類型。以低山丘陵為主，其他類型地貌分布面積較小。低山丘陵區(qū)大店至十字路以東部分分布于南部和東南部，十字路、相溝及洙邊等鎮(zhèn)街的部分地區(qū)屬于低山丘陵區(qū)。海拔高度在100 m以上、坡度大于8°的低山丘陵區(qū)約為226～400 km2，土層較薄；東及東南部山低嶺緩，土層較厚。

地表多被殘坡土覆蓋，土層較厚，以白漿化棕壤為主，縣內多墾為耕地。嶺下平地縣境東部的山前平地、嶺間平地及沿河谷地，為嶺下平地區(qū)，多與低山丘陵和剝蝕丘陵相間分布。特點為谷寬而平，地塊大，階差小。成土母質為洪積物、沖積物及殘坡物。土壤類型為潮棕壤、河潮土、水稻土，局部為白漿化棕壤，是縣內糧油耕作區(qū)。

2.3 水資源情況

項目區(qū)有2座小型水庫（官莊水庫（小一型）、黃莊水庫（小二型）），3條小型河流白龍河、黃莊河、官坊河，6眼大口井，水資源水量及水質能滿足項目區(qū)灌溉用水要求，降水主要集中在6-9月份，其中7-8月份降雨最大，占全年的65%，其他月份降雨只占到全年降雨總量的35%左右。

2.4 土壤和植被情況

項目區(qū)屬于低丘陵區(qū)，土壤以風化沙壤土為主，土層覆蓋厚度50～60 cm，主要種植玉米、小麥、花生等農作物，植被以人工種植的楊樹居多，土地比較平整水土流失不嚴重。

2.5 項目區(qū)水利設施現(xiàn)狀

項目區(qū)在項目實施前沒有很好地配套水利設施，由于項目區(qū)地勢較高不能進行自流灌溉因此小型水庫沒有灌區(qū)配套，平時灌溉就靠農民自己的小水泵各自取水澆地，形不成規(guī)模，效率低下，浪費能源，影響糧食產量。

3 項目區(qū)水利設施規(guī)劃情況

通過對項目區(qū)的規(guī)模、范圍、氣候水文、地質地貌、土壤植被等條件的細致了解，以及項目的建設要求、現(xiàn)狀土地利用情況，種植情況主要以小麥、玉米、花生等為主，在灌溉節(jié)水方面采用噴灌、微灌等造價過高不經濟，因為種植的都是普通農作物、糧食作物，在充分論證分析的基礎上，所有專家、設計人員、當?shù)仡I導等都認為項目區(qū)水利灌溉配套設施采用低壓管道灌溉最為合理科學，技術人員對低壓管道灌溉進行了詳細的規(guī)劃設計。

根據(jù)實際情況和項目區(qū)村莊坐落位置以及水源情況等，本著經濟節(jié)約、實用高效的原則在項目區(qū)規(guī)劃設計低壓灌溉6處（白家?guī)X、劉家官坊、東風土溝合為一處、溝頭、馬蹄湖、官莊居），每處控制900～1 000畝土地，設計低壓管道灌溉系統(tǒng)一套。以下就以官莊居低壓管道灌溉系統(tǒng)為例具體分析低壓管道灌溉系統(tǒng)的設計、使用及發(fā)揮的作用，官莊居地塊大體呈長方形，東西方向1 490 m，南北方向423 m，地勢中間略高，總體地勢平緩，高差不大，其他5處地形、地勢、面積等相差不大，就是取水水源有區(qū)別，有從水庫取水的，有從河道取水的，有從河邊大口井（大口井起到過濾作用）取水的，水源都能滿足灌溉需要。

4 十字路街道高標準農田建設官莊居片半固定式低壓管道節(jié)水灌溉典型設計說明

官莊居片位于整個項目區(qū)的東部，建設高標準農田地塊大致呈長方形，東西長1 490 m，南北寬423 m，合計面積945畝左右，在建設區(qū)東北部有一座小一型水庫總庫容102萬m3，能滿足官莊居片農田的灌溉要求，官莊居片農田主要種植小麥、玉米、花生等農作物。

4.1 設計依據(jù)的規(guī)范標準及灌溉水源機泵房情況

（1）GB/T 50363-2006《節(jié)水灌溉工程技術規(guī)范》；

（2）GB 5084-2005《農田灌溉水質標準》；

（3）GB/T 20203-2017《低壓管道輸水灌溉工程技術規(guī)范》；

（4）GB 50290-98《灌溉與排水工程設計規(guī)范》；

（5）SL 72-94《水利建設項目經濟評價規(guī)范》。

在距項目區(qū)東南方向300 m處有小一型水庫官莊水庫，總庫容102萬 m3，通過化驗檢測、測算水質和水量都能滿足灌溉需要，在水庫合適地點建設一座水泵機房，安裝灌溉系統(tǒng)的水泵和動力系統(tǒng)。

4.2 官莊居片低壓管道節(jié)水灌溉管路系統(tǒng)規(guī)劃布置

由于官莊居片地形為長方形，因此官莊居低壓管道節(jié)水管路采用三級管路布置半固定式干管，支管采用埋入地下的固定式，支管上設置給水栓，通過給水栓向灌溉毛管供水，灌溉毛管采用移動式軟管，管路系統(tǒng)采用“魚骨”型布置，根據(jù)地形一條主管道布置在項目區(qū)中心，垂直主管道從主管道兩側對稱分出支管道，主管道和支管道通過支管上的控制閥門控制，每個支管和主管分界處設置閥門井，閥門井采用M7.5砂漿砌多孔磚磚井身、C20鋼筋砼預制閥門井井蓋結構，深度1.2 m，井徑2*1 m。共建設16個閥門井，每個閥門井控制2條支管，在管道變化處、急轉彎處、變徑三通處等設置鎮(zhèn)墩防止管道變形震動，鎮(zhèn)墩用C20混凝土澆筑。

閥門井分水，控制閘閥設置在支管道上，在支管道上設置給水栓，主管道和支管道采用固定式，在支管道設置給水栓向移動式塑料軟管供水進行灌溉，每條移動軟管50 m長，主管道長度1 740 m，支管道設置32條，支管間距100 m，長度200 m，每條支管控制灌溉面積30畝，在支管道上設置5個給水栓，給水栓間距40 m，每個給水栓控制灌溉面積6畝，具體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 十字路街道高標準農田建設官莊居片區(qū)低壓管道灌溉管路布置圖

4.3 管道流量設計計算

（1）確定灌水定額：根據(jù)已知條件，ρ土=1.45 g/cm3，ρ水=1 g/cm3，β田=26%，H=60 cm，β1=β田0.9=23.4%，β2=β田0.65=16.9%，η田=0.9。

把數(shù)據(jù)代入下面公式得：

（2）確定灌水周期：T=62.8/6≈10 d。

（3）確定灌區(qū)灌溉用水總量：

（4）確定輪罐組，干管流量為293 m3/h，每4條支管每天同時工作，每2條支管一組在主管道的兩側，在灌區(qū)的首端或末端開始灌溉，如果一組從首端開始，另一組就從末端開始，2組支管對向灌溉，整個灌區(qū)劃分為8個輪罐組，這樣每條支管的流量是73.25 m3/h，灌溉的面積是73.25/42=1.74畝，每天灌溉的面積是1.74*14*4=97.44畝，這樣10 d可灌溉970畝地，在一個輪灌期內可以把全部灌區(qū)澆完。

5 灌溉管道的水力計算確定管徑

5.1 管徑計算公式采用如下公式

式中：D經為經濟管徑，m；Q設為管道設計流量，m3/s；V經為管道經濟流速，在此取1.5 m/s。

將支管流量帶入公式計算得支管管徑：

將干管流量帶入公式計算得干管管徑：

支管管道選取壓力0.6 MPaφ160 PE壓力塑料管1 740 m，干管管道選取壓力0.6 MPaφ355 PE壓力塑料管3 200 m。

5.2 沿程水頭損失計算公式采用如下公式

hf=fLQm/db，

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為摩擦系數(shù)，本例取0.948×105；L 為管道長度，m；Q 為流量，m3/h；d 為管道內徑，mm；m為流量指數(shù)，與摩阻損失有關，本例取1.77；b為管徑指數(shù)，與摩阻損失有關，本例取4.77。

支管沿程水利損失計算：hf=0.948*105*200*73.251.77/1504.77=1.58 m。

干管沿程水利損失計算：hf=0.948*105*1740*2931.77/3004.77=5.86 m。

干管支管水頭總損失：1.58+5.86=7.44 m。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算：7.44*10%=0.74 m。

管路的總水頭損失等于沿程水頭損失加上局部水頭損失：7.44+0.74=8.18 m。

水泵選型配套：

灌區(qū)灌溉水源最低水位到灌區(qū)的最高點凈高差10.8 m，支管末端最不利點的工作水頭要求10 m，所以水泵的總工作揚程為10.8+10+8.8=29.6 m，水泵的設計流量293 m3/h，查水泵產品目錄選取水泵為 200S42A單級雙吸中開式離心泵，主要指標為流量310 m3/h，揚程31 m，配套電機37 kW，這樣水泵和電動機都能滿足設計要求，高效節(jié)能，6處灌溉系統(tǒng)共購買水泵電機6臺套，都是同一類型的產品，使用管理維修能配套，整個項目區(qū)建設了6處灌溉系統(tǒng)，都是采用的低揚程大流量的單級雙吸中開式離心泵，這種水泵的特點是使用方便，維護簡單，拆卸方便，節(jié)能高效。和電動機通過軸聯(lián)器連接傳動效率高。

6 項目區(qū)效益情況

項目區(qū)于2019年6月底建成，經過近2年多大運轉，項目區(qū)目前運行良好效果顯著，項目區(qū)經過整改土地產出明顯提高，農田耕種方便快捷，耕作無障礙，施肥灌水快捷省工省力，糧食畝產提升了60～100 kg，低壓管道節(jié)水灌溉系統(tǒng)和附近其他明渠灌溉系統(tǒng)相比較，節(jié)水效果明顯，通過對比低壓管道灌溉系統(tǒng)比渠道灌溉節(jié)約用水達到50%以上，比噴灌、滴灌、微噴灌等經濟實惠，很適合我國北方大田農作物種植的灌溉方式。著重說說水利措施情況，水利措施主要是進行低壓管道節(jié)水灌溉實施，6處灌溉系統(tǒng)由項目管理處總管理，每個系統(tǒng)由受益單位（村居）組織專業(yè)隊統(tǒng)一管理，從日常管護維修到平時澆地由專業(yè)隊統(tǒng)一進行，達到高效、節(jié)能、及時方便的目的，使用非常方便效率非常高，設備故障能及時修理，能保持設備的正常使用狀態(tài)，通過運行看來日常管理非常重要，以前建設的項目有的使用不長時間就破損或毀壞了，其主要原因是因為管理跟不上。

7 結束語

高標準農田建設是提高農田產量，保障我國糧食生產穩(wěn)定提高的有效手段，國家會在高標準農田建設中加大力度。高標準農田建設包括水利措施、農業(yè)措施、林業(yè)措施和科技措施等手段，其中水利措施是最為重要的手段，在高標準農田建設中水利措施的選擇尤為重要，采用什么樣的灌溉方法要經過科學論證，科學對比，以達到水利措施的有效、高效、經濟實施，通過在高標準農田建設中布置低壓管道灌溉系統(tǒng)實踐來看，在我國北方旱作物區(qū)，特別是種植小麥、玉米、花生等作物的地區(qū)進行高標準農田建設時，水利灌溉采用低壓管道節(jié)水灌溉不失為一種有效的方法。