高效節水灌溉工程優化設計實例分析

劉東善

（甘肅省民樂縣節水型社會建設中心，甘肅 民樂 734500）

1 灌區概況

甘肅省民樂縣海潮壩灌區總面積509.65 km2，灌區北端主要為祁連山前丘陵地貌，溝深谷切，山勢險峻，降雨充足，植被完善，屬于地表徑流主要產區；南端為主要的農作物產區，日照充足，氣候適宜。海潮壩河主要為灌區內提供地表水資源，海潮壩河發端于犁鏵山，由東西岔河、西洪溝、道陽溝、正南溝等支流匯聚后最終流入肖不德克嶺，所形成的流域面積151.43 km2，年徑流量均值為5 032.39萬m3，年流量均值為1.60 m3/s。由于灌區所轄人口約3.40萬人，總耕地面積約10 140 hm2，所以水資源量人均占有額約為1565 m3，畝均占有額約為333 m3。

當前，海潮壩灌區已建成海潮壩小（1）型水庫河泉溝小（2）型水庫兩座水利工程，庫容753×104m3和10.90×104m3；已建成渠首引水樞紐2座，干渠3條，渠系建筑物67座，支渠38條，斗渠284條，毛農渠上千條。調查結果顯示，該灌區渠系水利用率和灌溉水利用率為58.50%和50.20%，灌區灌溉輸水系統較為完善，年引水量均值4 228.69萬m3，以小型水庫為骨干，高效節水與渠路林田配套相結合的水利灌溉格局基本建成，對于灌區農業綜合生產能力的提升及灌區的長遠發展具有積極作用。

2 高效節水灌溉工程優化設計要點

農業節水灌溉工程中使用較多的管材設備及管網工程，投資額較大，故應重點分析并優化節水灌溉工程中容易出現疏漏的地方，使管道系統優化后投資額降低，并帶來顯著的經濟效益。

2.1 灌溉制度優化

考慮到高效利用系統設備，便于管理并降低工程投資，海潮壩灌區應采用分組輪灌的灌溉方式，并按照下式確定固定式滴灌系統輪灌組數：

式（1）中：N—固定式滴灌系統輪灌組數（組）；C—固定式滴灌系統運行小時數（h/d），通常取12～22 h/d；T—灌水周期（d），一般結合灌區設計灌溉定額、典型年灌水期內日需水量最大值等進行確定，通常取4-15 d；t—一次灌溉過程持續時間（h），綜合考慮微灌系統出水量小，灌區蒸發量大等客觀實際，故灌溉過程持續時間應控制在6 h以內。

為保證各類作物在灌水期間均能至少完成一次灌水，還必須充分利用灌溉系統工作時間，為此，應在劃分輪灌組的基礎上，保證一天內進行多組灌溉，并通過輪灌組的合理劃分，優化管網系統內工作流量。為使管徑、管網等的選擇經濟合理，應盡可能保持不同輪灌組具有相等或接近的面積。

海潮壩灌區主要作物為小麥、玉米、馬鈴薯，從灌區干渠取水并經加壓泵加壓后實施滴灌，結合灌溉管網設計及灌區實際地形，管網主要劃分為干管、分干管、支管和毛管等級別；由分干管劃分為三個片區，一片區以及二三片區分別由5條及6條支管控制。結合其灌溉制度，灌水周期取3 d，灌溉管網運行時間為18 h/d，一次灌溉持續時間為6 h，將以上數據代入式（1），可以得到該灌區固定式滴灌系統輪灌組數為9組。結合灌溉管網實際布置情況以及便于管理、節省投資等要求，可將該灌溉片區劃分為8個輪灌組，第1天以及第2、3天分別灌溉2個組以及3個組，一個輪灌組由一條支管控制，并根據片區輪灌組流量進行主管、干管、分干管等流量的確定。為保證灌溉效率，在進行輪灌組劃分時各輪灌組面積應盡可能接近，以便使各級管道流量接近，提升管網利用程度和灌溉效率。

此外，若輪灌組劃分太過復雜，必定會增大管網管理難度和運營成本，故而在灌溉制度確定時，還必須充分考慮到運行管理的便捷性。海潮壩灌區如果采用續灌而非輪灌，則灌溉管網一天運行時間即為一次灌水持續時間，分干管流量也就是各支管流量之和，干管流量就是分干管流量之和。如此設計只會使干管、分干管和加壓泵流量增大，灌溉水利用效率降低。

2.2 灌溉系統流量優化

海潮壩灌區灌溉系統設計流量通過以下公式確定：

式（2）中：Q0—灌區灌溉系統設計流量（m3/h）；ai—灌區灌水高峰期間第i種作物實際種植比例（%）；mi—灌區灌水高峰期間第i種作物灌水定額凈值（m3/km2）；Ti—灌區灌水高峰期間第i種作物首次灌水持續時間（d）；A—灌區設計灌溉面積（km2）；η—灌溉水實際利用系數；e—灌區灌水高峰期間同時灌溉的作物種數；其余參數含義同前。

式（2）中一次灌溉過程持續時間t及灌區灌水高峰期間第i種作物首次灌水持續時間Ti的取值是否正確直接影響灌區灌溉系統流量選擇的合理程度。灌區灌溉系統主要通過管網輸水至田間，并與出水口、給水栓配合后實施灌溉，t的取值直接關系著灌溉用水從出水口流出后具體的灌溉方式，在常規的出水口接軟管實施人工澆灌的灌溉方式下，t取8-10 h/d，但在實際灌溉過程中如各個出水口都安排一個勞動力持續澆灌8h，顯然不太現實。為此，應根據出水口和田間溝畦的結合實施自流灌溉，并將灌溉系統工作時間設定為20-22 h/d。在輪灌方式下，作物首次灌水持續時間Ti若按照20-22 h/d確定，則一天只能完成一輪灌組灌溉任務，故Ti應取1 d，而非灌水周期。

2.3 管網水力計算

通過分析各級灌溉管道水頭損失以確定管道內徑合理取值，并進行管網水力計算。沿程管道水頭損失計算公式如下：

式（3）中：hf—灌溉管道沿程水頭損失（m）；f—灌溉管道水力摩阻系數；L—灌溉管道實際長度（m）；Q—灌溉水流量（m3/h）；d—灌溉管道內徑（mm）；m—流量指數；b—管徑指數。該灌區灌溉系統中支管、毛管均為等距多孔出流管，故其灌溉管道沿程水頭損失相關影響參數取值具體見表1所示。

表1 灌溉管道沿程水頭損失影響參數表

此外，還必須進行灌溉管網局部水頭損失量的計算，在缺乏相關參數的情況下，局部水頭損失為沿程水頭損失的一定比例，毛管為0.10～0.20，支管為0.05～0.10。

式（4）中：hj—灌溉管網局部水頭損失量（m）；ξ—管網局部阻力系數；v—灌溉管網內水流流速（m/s）；g—重力加速度，取9.81 m/s2。

該灌區管網系統中支管和毛管均為等距多孔出流管，其沿程水頭損失應按h′f=Fhf確定。其中F為多孔出流折減系數，其取值主要與出水口數量有關，具體見表2。

表2 多孔出流折減系數取值表

在進行灌區灌溉管網布置時，支管通常垂直于干管并等距布置，同時在支管上按照等距設置出水口，當輪灌組中支管和出水口工作時可確保出水口流量基本相同；毛管則等距布置并與支管連接，毛管上等距設置滴頭，以使滴頭具有大致相同的流量。按照這種設置模式，各級灌溉管道沿程水頭損失便可根據等距、等量分流多孔進行計算。根據多孔出流折減系數取值情況可以看出，該系數對各級灌溉管道沿程水頭損失有較大影響，故該灌區在管網設計中應予以重視，避免因忽略折減系數而使管道水頭損失計算值超出實際值，進而又去選擇更大管徑，使投資增大的同時，還會降低灌區灌溉水資源利用效率。

3 結論

灌區節水灌溉工程的實施及灌溉方案優化設計是我國推廣高效節水灌溉的重要任務，也是緩解我國水資源緊缺的重要舉措。民樂縣海潮壩灌區因高效節水灌溉工程的實施，水利基礎設施及水資源利用效率得到大幅改善，作物產出率明顯提升，灌區生態環境也得到改善，農民對水資源需求壓力得以緩解，并實現了節水型社會構建成果的持續推進與鞏固。