高效節水灌溉工程的設計與研究

周曉鋒

（新疆峻特設計工程有限公司，新疆喀什 844000）

1 引言

我國水資源相對匱乏且分布呈現嚴重不均的現象，農業用水為用水大戶，消耗了我國大量的水資源[1]。但由于我國農業發展水平較低，用水的效率整體不高，節水的潛力很大[2]。農業的節水灌溉不僅可以提高水資源的利用效率，還是保障我國糧食安全的主要技術途徑。高效節能技術是提高水資源利用率的主要技術途徑，常用的技術主要包括滴灌、噴灌、水肥一體化等技術路線和節水體系，這些技術已經在國內外取得了良好的經濟和環境效益[3-4]。

在我國，常用的節能灌溉技術主要包括低壓管道輸水技術、指針式噴灌技術、滴灌、微噴等，這些技術經歷了多年的發展，已經形成了完善的理論基礎和技術體系[5]，如今高效節能技術正向精細化、自動化、智能化等方向發展，面向不同的應用要求和環境特點，應有針對性地選擇不同的技術方案和灌溉模式。本文以新疆某縣的高效節水灌溉工程為例，就設計的流程和關鍵過程進行研究，以期為此類項目的設計提供參考依據。

2 項目概況

本項目位于新疆莎車縣，莎車縣地勢南部為山丘區，海拔2 200 m 以上，山谷縱橫，海拔1 600～4 500 m，向北則為平原區，地形坡降為3.3‰～1.96‰。項目所在地的地勢以平原為主，起伏相對較小，高差小于10 m。該地區的氣候特征為：春季干旱，夏季高溫炎熱，秋季干燥，冬季干冷，降雨、降雪較少，全年多風，降水分布不均勻，地表水資源主要依靠3 條河流。莎車縣現狀總灌溉面積154 707 hm2（232.06 萬畝），以種植棉花和小麥為主，現狀只有24 193 hm2（36.29 萬畝）已實施高效節水灌溉技術外，其余面積均采用傳統的灌溉方式，占到總面積的80%。

本次建設高效節水灌溉工程36 013 hm2（54.02 萬畝），共計854 個系統，地下643 個系統，地表水211 個系統。其中，經濟作物棉花膜下滴灌31 126.7 hm2（46.69 萬畝），糧食作物玉米滴灌2 560 hm2（3.84 萬畝），經濟林作物棉花套種巴旦杏2 326.7 hm2（3.49 萬畝）。本文依托該項目，主要研究棉花作物的高效灌溉工程的設計過程和相關要點。

3 方案比選

3.1 節水灌溉方案

目前，工程上有多種節水灌溉技術的應用，常用的節水灌溉方案及其優缺點如表1 所示。

表1 主要的灌溉方式及其特點

結合項目區實際情況，考慮到近些年來在新疆各地及項目區采用滴灌已經取得了節水又增產的雙重效益，采用滴灌已經有成功經驗，故本項目大田作物采用滴灌作為節水灌溉的設計形式。果棉套種，果樹采用管道灌溉，出地栓上預留出水口，并在出水口處設置消力池，挖溝將水引入果樹開溝處進行灌溉。

3.2 滴灌方案

根據水源分布特性及地面縱坡等自然條件，滴灌的灌水方式有自壓和加壓兩個方案。

3.2.1 自壓滴灌

優點：滴灌系統所需要的工作水頭及管網水頭損失全部由地形落差供給，運行期不耗能，水源工程不需設置加壓設備等其他設施設備，水源整體工程造價低。

缺點：對地形條件和水源的分布位置有特定的要求，自壓滴灌項目區應具備地形縱坡較大的自然條件，水源應分布在項目區高位，管網工程的造價相對較高。

3.2.2 加壓滴灌

優點：對地形條件及水源分布沒有特別的要求，適應條件比較廣泛。多數情況下水源與項目區臨近，管網工程造價相對較低。

缺點：運行期耗能相對較大，水源工程中需設置加壓設備、供變電設備及泵房工房等土建工程，水源工程的建設項目較多，水源工程造價較高，管理較繁雜，運行耗能較大，運行成本較高。

由以上分析看出：自壓滴灌和加壓滴灌各有不同的優缺點，各有不同的適應條件。考慮運行期自壓滴灌運行成本低，可有效地降低農業生產成本，減少農民的負擔，因此，在條件具備的地方應首選自壓滴灌。本工程項目區地形平均縱坡為1∶2 000 左右，以地表水為水源的管網不具備自壓滴灌的地形條件，因此，采用加壓滴灌。

3.3 水源方案

根據項目區水資源分布條件，滴灌工程可以選擇以地下水為水源和以地表水為水源兩個比較方案。兩者的優缺點如表2 所示。

表2 水源方案的對比

綜合以上分析，地下水為水源和地表水為水源各自均有不同的優缺點，兩種水源方案均可作為滴灌工程的水源方案。根據項目區水源的不同來確定水源方案，通過對項目區測量調查了解，項目區屬于井渠雙灌區，確定了以機井水作為旱季補充灌溉，以地表水為水源的方案。

4 高效節水灌溉工程設計

4.1 基本資料

本文荒地鎮7 村4 組地塊，地塊面積為59.27 hm2（889畝），地形由北向南傾斜，縱坡約為1∶2 500，土壤主要為砂壤土，種植作物為棉花，作物生長期主要在4 月中旬至10 月中旬，需水期在5 月中旬至8 月下旬，棉花種植模式為：0.10 m+0.66 m+0.10 m，行間距0.1 m，株距0.1 m。目前的灌溉形式為大水漫灌，灌溉水源為渠水。

項目區氣候為典型的暖溫帶內陸性干旱氣候，多年平均氣溫11.5 ℃，多年平均降水量為47.6 mm，多年平均蒸發量2 232 mm，平均風速1.9 m/s。

4.2 系統組成

根據項目區的氣候條件，地塊的土質以及種植的作物，本地塊高效節水技術采用滴灌，毛管布置形式采用一管兩行型，平均間距0.76 m。

供水系統主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網和田間灌溉設施4 大部分組成。水源工程主要包括沉淀池等。首部樞紐由加壓水泵系統、過濾施肥裝置、變配電設施、系統控制裝置和泵房等組成。輸配水管網由地埋干管、分干管和控制裝置組成。田間灌溉設施由地面支管、毛管和控制裝置組成。

4.3 管網結構

目前，滴灌技術在管網結構上采用較多的輪灌模式有支管輪灌模式和小輔管模式。支管輪灌模式水量相對集中，管理簡便，更新改造方便。小輔管模式系統流量分散，管理復雜，更新改造難，系統前期投資相對較少。考慮到項目的實際情況，本項目選擇支管輪灌方式。

4.4 灌水器選型

棉花毛管采用單翼迷宮式滴灌帶，根據土質及種植模式選擇滴灌帶規格。所選滴灌帶技術參數：WDF16/2.4-300，滴灌帶內徑16 mm，滴孔間距0.3 m，公稱流量2.4 L/h，工作壓力10 m，流量q=0.603h0.6，式中，h 為工作壓力水頭，10 m。

4.5 系統設計流量及揚程確定

根據GB/T 50485—2020《微灌工程技術標準》并結合本項目的具體情況，經過計算，系統最大工作壓力水頭為35.71 m，最大流量為268.64 m3/s，以此作為本系統的設計揚程及設計流量。

5 首部樞紐工程設計

5.1 水泵及啟動箱

根據系統設計流量和揚程，選擇W200-315/4/55 型單級單吸離心泵1 臺，水泵額定流量為280 m3/h，額定揚程為36m，電機功率為55 kW，電機啟動裝置配套帶無功補償的變頻器，變頻功率比水泵功率大一個型號。

5.2 過濾器

依據滴灌技術對水質的要求，本工程渠水大部分引自河水，水中大顆粒泥沙含量較小，但在洪水期需引葉河洪水灌溉，葉河多年平均含沙量4.28 kg/m3，泥沙平均粒徑變化在0.002 9～0.19 mm。

根據GB/T 50485—2020 《微灌工程技術標準》，泥沙含量＞100 mg/L 時選擇沉淀池+砂過濾器+篩網過濾器。綜合考慮后，選擇自清洗砂石+網式自動反沖洗二級過濾器。根據系統所選泵流量，系統選擇過濾器的流量為400 m3/h，網式過濾器選用120 目。在過濾設施前后應分別放置一個壓力表，有利于觀測水泵出口壓力和系統地埋主干管入口壓力。

5.3 逆止閥、壓力表及進排氣閥

逆止閥及壓力表：在過濾器進口處安裝逆止閥，在過濾器的前后分別設置一個壓力表，觀察壓力變化，壓力表表盤數值選擇0～0.6 MPa。進排氣閥：在滴灌系統的最高處設置進排氣閥，以調節管網進氣和排氣，防止停水時管網內產生負壓和開始供水時管網排氣不暢產生氣阻，造成管網破壞，影響正常供水。

5.4 泵房

根據泵型及安裝尺寸，設有泵房和休息配電室。選擇《節水灌溉工程泵房圖（一）》，該泵房建筑面積46.99 m2，泵房長寬尺寸為長×寬=9.15 m×3.6 m=32.94 m2，高度2.8 m，休息配電室尺寸為長×寬=3.75 m×3.75 m=14.06 m2，高度2.8 m，泵房和休息配電室均采用磚混結構。

5.5 施肥罐和輸變電設備

項目區供電保證率較高，不影響城鄉正常用電，可滿足滴灌工程的用電要求。本系統選配S13-100/10 節能型變壓器，根據系統設計流量選擇1 000 L 開敞式施肥箱子。

6 結語

本文以某高效節能的灌溉工程為研究對象，結合當地的氣候、土壤和水資源的具體特點，為棉花種植地塊選擇合適的灌溉方案。項目的實踐表明：該項目對促進當地種植結構的調整和水資源的利用率、推動當地經濟和社會的可持續發展提供了良好的基礎設施，已經取得了良好的經濟和環境效益，為高效節能的灌溉工程建設和設計提供了有力的參考。