節(jié)水園區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利設(shè)計

王晗　賈亦真

摘要：以N市B節(jié)水園區(qū)土地整理為例，介紹了節(jié)水園區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利規(guī)劃設(shè)計方法和相關(guān)水力計算，主要包括選定提水灌溉與管道灌溉結(jié)合的灌溉方式，溝道排水;確定微噴灌系統(tǒng)，進(jìn)行高效節(jié)水灌溉工程的初步設(shè)計和相關(guān)水力計算。從而在土地整理中通過農(nóng)田水利工程的建設(shè)提高土地利用效率和土地整理質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：土地整理;微噴灌;節(jié)水園區(qū)

中圖分類號：S277.7? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）11-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.030? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of irrigation and drainage engineering during land

consolidation in water-saving park

WANG Hana，JIA Yi-zhenb

（a.School of Public Administration;b.Business School，Hohai University，Nanjing 211100，China）

Abstract： With N city B water-saving park land consolidation as an example， this paper introduces the water-saving park in land consolidation planning and design method of irrigation and water conservancy and related hydraulic calculation， mainly including： the selected water irrigation and irrigation pipe irrigation methods， channel drainage; Determine the micro-sprinkler irrigation system， carry out the preliminary design and related hydraulic calculation of high efficiency and water saving irrigation project. In this way， land use efficiency and land consolidation quality can be improved through the construction of irrigation and water conservancy projects.

Key words： land consolidation; micro sprinkler irrigation; water-saving park

土地整理是隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，在一定的地域范圍內(nèi)，按照土地利用規(guī)劃確定目標(biāo)和用途，以達(dá)到提高土地利用率、改善生產(chǎn)生活條件等目的的過程。土地整理工程建設(shè)內(nèi)容一般包括土地平整、農(nóng)田水利、田間道路等工程建設(shè)[1]。農(nóng)田水利工程是指在對旱、澇、洪、鹽、漬、堿等地進(jìn)行綜合治理和水資源合理利用的原則下，對灌排渠系、蓄水池、水窖、坑塘、塘壩及其建筑物等進(jìn)行的建設(shè)，是支撐農(nóng)村和農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施[2]。同時，農(nóng)田水利工程建設(shè)也是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的重點。通過對N市B節(jié)水園區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利工程進(jìn)行設(shè)計，并選定灌溉水源、設(shè)計微噴灌系統(tǒng)、排水系統(tǒng)以及相關(guān)水力計算，從而為研究區(qū)域土地整理效率的提高作出貢獻(xiàn)。

1? 項目概況

B節(jié)水園區(qū)位于N市L區(qū)B鎮(zhèn)。節(jié)水園區(qū)設(shè)計總面積約48.79 km2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.5 ℃，年平均日照2 146 h。區(qū)域年平均降雨量1 070 mm，平均相對濕度79%。園區(qū)內(nèi)地勢西高東低，西部有部分丘陵，丘陵地區(qū)高程70.39 m，其余地區(qū)地勢平坦，最低的漢湖高程32.11 m。建設(shè)前進(jìn)行土地平整，可實現(xiàn)整體地勢平坦。園區(qū)水域豐富，水源為H湖（中心湖）。其水量和水質(zhì)均能滿足園區(qū)灌溉的需求，規(guī)劃種植大棚、溫室作物及經(jīng)濟作物。

2? 農(nóng)田水利工程設(shè)計

2.1? 灌溉水源

園區(qū)水源為H湖，供水量有保障，可不進(jìn)行水量平衡計算。

2.2? 微噴灌系統(tǒng)

2.2.1? 微噴灌設(shè)計? 以種植大棚作物番茄為規(guī)劃建設(shè)，采用微噴灌灌溉技術(shù)。

1）技術(shù)參數(shù)。①設(shè)計耗水強度。根據(jù)《GBT 50485-2009微灌工程技術(shù)規(guī)范》[3]確定耗水強度為6 mm/d。②灌溉水利用系數(shù)？濁=？濁G·？濁p，式中，？濁為灌溉水利用系數(shù);？濁G為管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取0.95;？濁p為田間噴灑水利用系數(shù)，取0.9，計算得出？濁=0.95×0.9=0.86。

2）微噴灌系統(tǒng)。對蔬菜、花卉大棚、溫室試驗地，采取微噴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。①設(shè)計灌水定額。3月末至4月初為番茄的盛果期，需水量較大。m=0.001？酌Zp（？茲max-？茲min），式中，m為設(shè)計灌水定額，mm;Z為計劃濕潤層深度，35 cm;？酌為土壤干容重，1.47 g/cm;？茲max、？茲min分別為適宜土壤含水量的上、下限（占重量百分比，田間持水量22%）， 分別取90%、75%;p為設(shè)計土壤濕潤比，90%。經(jīng)計算可得m=15.28 mm。②灌水周期和灌水次數(shù)。設(shè)計灌水周期T=m/ETd，式中，T為設(shè)計灌水周期;ETd為作物日蒸騰量，取設(shè)計代表年灌水高峰期平均值，6 mm/d。經(jīng)計算，設(shè)計灌水周期為3 d（取整數(shù)）。③設(shè)計日灌水時間。根據(jù)GB/T 50485-2009，對于固定管道式噴灌系統(tǒng)，設(shè)計日灌水時間為12～20 h。④一次灌水延續(xù)時間。t=，式中，t為一次灌水延續(xù)時間，h;m為設(shè)計灌水定額，15.28 mm;Se為灌水器間距，2 m;Sl為毛管間距，2 m;Qp為微噴頭流量，75 L/h。經(jīng)計算，一個工作位置的灌水時間為0.95 h，取1 h。⑤輪灌組數(shù)N最大=，式中，N最大為允許的最大輪灌組數(shù)目;C為水泵1 d運行的時間，一般為12～20 h，取設(shè)計日灌水延續(xù)時間12 h;T=3 d;t=1 h。計算可知，系統(tǒng)允許的最大輪灌組數(shù)為N最大=36個。輪灌組劃分：大棚總數(shù)為56個，每2個大棚為一個輪灌組，則輪灌組數(shù)為56÷2=28個。

3）噴頭選型及組合間距設(shè)計。①噴頭選型。微噴頭具有體積小、壓力低、射程短、霧化好等特點。該方案選擇上海愛潤折射式微噴頭（地插式L224黃色噴嘴）。流量為75 L/h，射程為1.2 m，工作壓力為0.3 MPa。②間距。根據(jù)番茄畦寬1 m，株距30 cm，行距40 cm，毛管間距和灌水器間距均確定為2 m。

4）設(shè)計參數(shù)。①允許流量偏差率。根據(jù)GB/T 50485-2009，微灌系統(tǒng)灌水小區(qū)灌水器設(shè)計允許流量偏差率應(yīng)滿足[qv]≤20%。②支、毛管水頭差分配。當(dāng)灌水器設(shè)計允許流量偏差率為20%時，灌水小區(qū)的允許水頭差為：hmax=ha（1+0.65qv）1/x，hmin=ha（1-0.35qv）1/x，[Δh]=hmax-hmin，式中，hmax為灌水器的最大水頭，m;hmin為灌水器的最小水頭，m;qv為灌水小區(qū)流量偏差率，取20%;ha為灌水器的設(shè)計水頭，30 m;x為灌水器的流態(tài)指數(shù)，為0.5。經(jīng)計算可得hmax=38.3 m、hmin=25.95 m、[Δh]=12.35 m。根據(jù)支、毛管水頭差分配比：[Δh]毛=0.55[Δh]，[Δh]支=0.45[Δh]，式中，[Δh]毛為灌水小區(qū)中毛管允許的最大水頭差，m;[Δh]支為灌水小區(qū)中支管允許的最大水頭差，m。經(jīng)計算可得[Δh]毛=6.79 m;[Δh]支=5.56 m。③毛管極限長度。L毛=S×INF，式中，L毛為毛管極限長度，m;qa為灌水器的設(shè)計流量，75 L/h;S為微噴頭間距，2 m;d為毛管內(nèi)徑，假設(shè)為15 mm;R為毛管局部水頭損失擴大系數(shù)，取1.1。經(jīng)計算毛管極限長度L毛=52 m。

5）微灌系統(tǒng)水力計算。①管道沿程水頭損失。微灌管網(wǎng)中水流呈光滑紊流，采用下式進(jìn)行計算：[Δh]毛=R×8.4×104LF，式中，[Δh]毛為毛管水頭損失，m;Q為流量，m3/h;D為管道內(nèi)徑，mm;L為管道實際鋪設(shè)長度，49 m;F為多口系數(shù)，查表可得0.374[4]。單根毛管流量為25×75/1 000=1.87 m3/h，根據(jù)經(jīng)驗公式計算得毛管直徑為17.68 mm，選取20 mm PE管[5]。計算可得毛管水頭損失為4.17 m。則毛管進(jìn)口水頭為4.17+25.95=30.12 m。②實際分配給支管的水頭差。Δh支實際=[Δh]-h毛實際，式中，Δh支實際為支管實際水頭差，m;[Δh]為灌水小區(qū)允許的最大水頭差，m;h毛實際為毛管實際水頭差，m。經(jīng)計算可得Δh支實際=5.56-4.17=1.39 m。③支管流量及進(jìn)口水頭。按下式進(jìn)行計算：Q=∑qi，式中，Q為管道設(shè)計流量，L/h;qi為微噴頭平均流量，75 L/h;n為同時工作的微噴頭個數(shù)。其中，一根支管上共控制10條毛管，每條毛管上25個灌水器。經(jīng)計算可得Q支=10×25×75÷1 000=18.75 m3/h。④支管管徑。按下式進(jìn)行計算：D=13，式中，D為管道內(nèi)徑，mm;Q為設(shè)計流量，18.75 m3/h。經(jīng)計算可得D=56.3 mm?？蛇x取直徑為？準(zhǔn)63的PE管。⑤支管出口水頭。為簡化計算，采取加大系數(shù)法，在計算沿程水頭損失時將局部水頭損失包含在內(nèi)。按下公式計算：hf=F×R×f×Qm×L/Db，式中，F(xiàn)為多口系數(shù)，查表為0.400;R為水頭損失擴大系數(shù)，取1.1;f為摩擦系數(shù)，塑料管為0.948×105;L為管道長度，10 m;D為管道內(nèi)徑，63 mm;Q為流量，18.75 m3/h;m為流量指數(shù)，1.75;b為管徑指數(shù)，4.77。經(jīng)計算可得水頭損失為0.25 m，小于1.39 m，滿足要求。支管進(jìn)口水頭=30.12+0.25=30.37 m。⑥分干管管徑。分干管上控制4根微灌支管，可得流量為4×18.75=75 m3/h，計算得直徑為112.6 mm，選取管徑為160 mm的PE管。⑦干管水頭。分干管長度為730 m，干管長度100 m。采取同上的計算方法得到干管、分干管水頭損失分別為26.18、5.05 m?？傻酶晒苓M(jìn)口水頭為30.37+26.18+5.05=61.6 m。

6）水泵選型。將首部樞紐的水頭損失定為10 m，水泵揚程應(yīng)為H=61.6+10=71.6 m。選用SH200S-95A型號水泵。性能參數(shù)見表1。

7）灌溉制度擬定。①毛管布置。毛管布置的極限長度為52 m，實際毛管長度為49 m，間距為2 m、微噴頭的間距為2 m。一根毛管上布置25個微噴頭。典型區(qū)的大棚選取100 m×10 m，東西方向間距為0.5 m，南北方向為0.7 m。大棚數(shù)量為56個。每座大棚從中部向兩側(cè)布置，每側(cè)布置5根，即一座大棚里共10根毛管，250個微噴頭。②干、支管布置。分干管由球閥向支管實現(xiàn)供水，支管垂直分干管布置，每座大棚里中部布置一根支管，向兩側(cè)毛管供水。

2.2.2? 排水系統(tǒng)設(shè)計? 各級排水溝道布置在各自控制位置的最低處，盡量做到高水高排、低水低排、自排為主、抽排為輔，同時與灌溉系統(tǒng)相適應(yīng)，加強灌排管理[6]。

1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中國目前各地區(qū)采用的除澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)除澇標(biāo)準(zhǔn)為日雨量150～200 mm，采用日暴雨量200 mm，2 d排出，即雨后1 d排出[7]。根據(jù)園區(qū)的土質(zhì)情況，設(shè)計排漬模數(shù)為Q漬=0.03 m3/（s·km2）。

2）排澇流量。按下列公式進(jìn)行計算：Q排澇=，q排澇。

對于水田：R=P-h田蓄-E;對于旱田：R=？琢P，式中，Q排澇為設(shè)計排澇流量，m3/s;q排澇為設(shè)計排澇模數(shù)，m3/（s·km2）;R為設(shè)計徑流深，mm;F為灌區(qū)總面積，km2;T為排水天數(shù)，d;t為每天排水持續(xù)時間，h;E為歷時為t的水田田間騰發(fā)量，mm;？琢為旱地徑流系數(shù)，取0.55。其中：R水田=P-h田蓄-e水田T，式中，h田蓄為水田蓄水能力;e水田為水田日耗水量。①設(shè)計排澇模數(shù)。R=0.55×200=110 mm。q旱田=0.64 m3/（s·km2）。②建設(shè)用地設(shè)計排澇模數(shù)。建筑用地產(chǎn)流系數(shù)為0.85，則R=0.85×200=170 mm。q建筑 m3/（s·km2）。③設(shè)計排澇流量。水田面積47 315 m2（占總面積9.5%），旱田面積313 529 m2（占總面積62.7%），其他用地面積約139 156 m2（占總面積27.8%），總排水面積約為500 000 m2。綜合排澇模數(shù)q排澇為1.61 m3/（s·km2），干溝設(shè)計排澇流量Q排澇為0.805 m3/s。④設(shè)計排漬流量。Q排漬為0.015 m3/s。

2.2.3? 溝道橫斷面設(shè)計

1）干溝橫斷面設(shè)計。平原地區(qū)溝道比降范圍為：干溝1/6 000～1/20 000，支溝1/4 000～1/10 000，斗溝1/2 000～1/5 000。擬設(shè)計干溝取斷面坡降i=1/6 000，邊坡系數(shù)m=2，糙率n=0.025，底寬b=1.2 m。采用當(dāng)?shù)靥烊煌临|(zhì)、塊石材料，溝口橫斷面為梯形斷面，求得對應(yīng)于排漬和排澇流量的水深（表2）。壤土與黏土的不沖流速為0.7～1.0 m/s，通常要求小型溝道的平均流速不小于0.3 m/s，因此均滿足流速的設(shè)計要求。安全高度，對于小型排水系統(tǒng)一般取0.2～0.3 m，干溝挖深1.0 m。

2）支溝橫斷面設(shè)計。選取支溝3為典型，其控制面積為0.19 km2，q排澇=1.61 m3/（s·km2），Q排澇==q排澇F=1.61×0.19=0.31 m3/s;Q排漬=0.03×0.19=0.005 7 m3/s。

擬設(shè)計支溝斷面坡降i=1/4 000，邊坡系數(shù)m=1，糙率n=0.025，底寬b=0.5 m。采用當(dāng)?shù)靥烊煌临|(zhì)、塊石材料，溝口橫斷面為梯形斷面。求得對應(yīng)于排漬和排澇流量的水深，計算結(jié)果見表3。壤土與黏土的不沖流速為0.7～1.0 m/s，通常要求小型溝道的平均流速不小于0.3 m/s，因此均滿足流速的設(shè)計要求。安全高度，對于小型排水系統(tǒng)一般取0.2～0.3 m，支溝挖深0.8 m。

2.2.4? 農(nóng)溝的溝深與溝長? 園區(qū)土質(zhì)介于壤土與黏土之間，根據(jù)作物地下水埋深、園區(qū)土質(zhì)、排水農(nóng)溝邊坡穩(wěn)定條件考慮，排水農(nóng)溝的溝深為1.0～1.5 m，排水農(nóng)溝間距為50 m。排水農(nóng)溝長度取與末級灌溉管道的長度相等，力求布置相互適應(yīng)。

3? 結(jié)論

園區(qū)選用SH200S-95A型號水泵從中心湖取水。分干管為管徑160 mm的PE管，每根分干管控制4根微灌支管。毛管布置的長度為49 m，間距為2 m。微噴頭的間距為2 m，一根毛管上布置25個微噴頭。每座大棚從中部向兩側(cè)布置，每側(cè)布置5根。排水溝分干溝、支溝、農(nóng)溝，符合排水要求。結(jié)合土地整理，討論設(shè)計了節(jié)水園區(qū)土地整理中的農(nóng)田水利工程和相關(guān)水力計算。

土地整理可有效地推動節(jié)水區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營，在土地整理過程中通過與高效節(jié)水灌溉工程的結(jié)合，能夠極大地提高當(dāng)?shù)氐耐恋乩眯屎退Y源利用率。尤其是在中國人多地少、水資源缺乏的情況下，在土地整理中發(fā)展高效節(jié)水項目，合理規(guī)劃農(nóng)田水利、優(yōu)化灌溉方式，對社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護都有著重要的利用價值。

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