高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

劉東善

（甘肅省民樂縣節(jié)水型社會(huì)建設(shè)中心，甘肅 民樂 734500）

1 灌區(qū)概況

甘肅省民樂縣海潮壩灌區(qū)總面積509.65 km2，灌區(qū)北端主要為祁連山前丘陵地貌，溝深谷切，山勢(shì)險(xiǎn)峻，降雨充足，植被完善，屬于地表徑流主要產(chǎn)區(qū)；南端為主要的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，日照充足，氣候適宜。海潮壩河主要為灌區(qū)內(nèi)提供地表水資源，海潮壩河發(fā)端于犁鏵山，由東西岔河、西洪溝、道陽(yáng)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(wàn)m3，年流量均值為1.60 m3/s。由于灌區(qū)所轄人口約3.40萬(wàn)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(dāng)前，海潮壩灌區(qū)已建成海潮壩小（1）型水庫(kù)河泉溝?。?）型水庫(kù)兩座水利工程，庫(kù)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(nóng)渠上千條。調(diào)查結(jié)果顯示，該灌區(qū)渠系水利用率和灌溉水利用率為58.50%和50.20%，灌區(qū)灌溉輸水系統(tǒng)較為完善，年引水量均值4 228.69萬(wàn)m3，以小型水庫(kù)為骨干，高效節(jié)水與渠路林田配套相結(jié)合的水利灌溉格局基本建成，對(duì)于灌區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提升及灌區(qū)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有積極作用。

2 高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程中使用較多的管材設(shè)備及管網(wǎng)工程，投資額較大，故應(yīng)重點(diǎn)分析并優(yōu)化節(jié)水灌溉工程中容易出現(xiàn)疏漏的地方，使管道系統(tǒng)優(yōu)化后投資額降低，并帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 灌溉制度優(yōu)化

考慮到高效利用系統(tǒng)設(shè)備，便于管理并降低工程投資，海潮壩灌區(qū)應(yīng)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(tǒng)輪灌組數(shù)：

式（1）中：N—固定式滴灌系統(tǒng)輪灌組數(shù)（組）；C—固定式滴灌系統(tǒng)運(yùn)行小時(shí)數(shù)（h/d），通常取12～22 h/d；T—灌水周期（d），一般結(jié)合灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉定額、典型年灌水期內(nèi)日需水量最大值等進(jìn)行確定，通常取4-15 d；t—一次灌溉過程持續(xù)時(shí)間（h），綜合考慮微灌系統(tǒng)出水量小，灌區(qū)蒸發(fā)量大等客觀實(shí)際，故灌溉過程持續(xù)時(shí)間應(yīng)控制在6 h以內(nèi)。

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(tǒng)工作時(shí)間，為此，應(yīng)在劃分輪灌組的基礎(chǔ)上，保證一天內(nèi)進(jìn)行多組灌溉，并通過輪灌組的合理劃分，優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)工作流量。為使管徑、管網(wǎng)等的選擇經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)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(qū)主要作物為小麥、玉米、馬鈴薯，從灌區(qū)干渠取水并經(jīng)加壓泵加壓后實(shí)施滴灌，結(jié)合灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)及灌區(qū)實(shí)際地形，管網(wǎng)主要?jiǎng)澐譃楦晒堋⒎指晒?、支管和毛管等?jí)別；由分干管劃分為三個(gè)片區(qū)，一片區(qū)以及二三片區(qū)分別由5條及6條支管控制。結(jié)合其灌溉制度，灌水周期取3 d，灌溉管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間為18 h/d，一次灌溉持續(xù)時(shí)間為6 h，將以上數(shù)據(jù)代入式（1），可以得到該灌區(qū)固定式滴灌系統(tǒng)輪灌組數(shù)為9組。結(jié)合灌溉管網(wǎng)實(shí)際布置情況以及便于管理、節(jié)省投資等要求，可將該灌溉片區(qū)劃分為8個(gè)輪灌組，第1天以及第2、3天分別灌溉2個(gè)組以及3個(gè)組，一個(gè)輪灌組由一條支管控制，并根據(jù)片區(qū)輪灌組流量進(jìn)行主管、干管、分干管等流量的確定。為保證灌溉效率，在進(jìn)行輪灌組劃分時(shí)各輪灌組面積應(yīng)盡可能接近，以便使各級(jí)管道流量接近，提升管網(wǎng)利用程度和灌溉效率。

此外，若輪灌組劃分太過復(fù)雜，必定會(huì)增大管網(wǎng)管理難度和運(yùn)營(yíng)成本，故而在灌溉制度確定時(shí)，還必須充分考慮到運(yùn)行管理的便捷性。海潮壩灌區(qū)如果采用續(xù)灌而非輪灌，則灌溉管網(wǎng)一天運(yùn)行時(shí)間即為一次灌水持續(xù)時(shí)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(shè)計(jì)只會(huì)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(tǒng)流量?jī)?yōu)化

海潮壩灌區(qū)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量通過以下公式確定：

式（2）中：Q0—灌區(qū)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量（m3/h）；ai—灌區(qū)灌水高峰期間第i種作物實(shí)際種植比例（%）；mi—灌區(qū)灌水高峰期間第i種作物灌水定額凈值（m3/km2）；Ti—灌區(qū)灌水高峰期間第i種作物首次灌水持續(xù)時(shí)間（d）；A—灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積（km2）；η—灌溉水實(shí)際利用系數(shù)；e—灌區(qū)灌水高峰期間同時(shí)灌溉的作物種數(shù)；其余參數(shù)含義同前。

式（2）中一次灌溉過程持續(xù)時(shí)間t及灌區(qū)灌水高峰期間第i種作物首次灌水持續(xù)時(shí)間Ti的取值是否正確直接影響灌區(qū)灌溉系統(tǒng)流量選擇的合理程度。灌區(qū)灌溉系統(tǒng)主要通過管網(wǎng)輸水至田間，并與出水口、給水栓配合后實(shí)施灌溉，t的取值直接關(guān)系著灌溉用水從出水口流出后具體的灌溉方式，在常規(guī)的出水口接軟管實(shí)施人工澆灌的灌溉方式下，t取8-10 h/d，但在實(shí)際灌溉過程中如各個(gè)出水口都安排一個(gè)勞動(dòng)力持續(xù)澆灌8h，顯然不太現(xiàn)實(shí)。為此，應(yīng)根據(jù)出水口和田間溝畦的結(jié)合實(shí)施自流灌溉，并將灌溉系統(tǒng)工作時(shí)間設(shè)定為20-22 h/d。在輪灌方式下，作物首次灌水持續(xù)時(shí)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(wù)，故Ti應(yīng)取1 d，而非灌水周期。

2.3 管網(wǎng)水力計(jì)算

通過分析各級(jí)灌溉管道水頭損失以確定管道內(nèi)徑合理取值，并進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算。沿程管道水頭損失計(jì)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(shù)；L—灌溉管道實(shí)際長(zhǎng)度（m）；Q—灌溉水流量（m3/h）；d—灌溉管道內(nèi)徑（mm）；m—流量指數(shù)；b—管徑指數(shù)。該灌區(qū)灌溉系統(tǒng)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(guān)影響參數(shù)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(shù)表

此外，還必須進(jìn)行灌溉管網(wǎng)局部水頭損失量的計(jì)算，在缺乏相關(guān)參數(shù)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(wǎng)局部水頭損失量（m）；ξ—管網(wǎng)局部阻力系數(shù)；v—灌溉管網(wǎng)內(nèi)水流流速（m/s）；g—重力加速度，取9.81 m/s2。

該灌區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)中支管和毛管均為等距多孔出流管，其沿程水頭損失應(yīng)按h′f=Fhf確定。其中F為多孔出流折減系數(shù)，其取值主要與出水口數(shù)量有關(guān)，具體見表2。

表2 多孔出流折減系數(shù)取值表

在進(jìn)行灌區(qū)灌溉管網(wǎng)布置時(shí)，支管通常垂直于干管并等距布置，同時(shí)在支管上按照等距設(shè)置出水口，當(dāng)輪灌組中支管和出水口工作時(shí)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(shè)置滴頭，以使滴頭具有大致相同的流量。按照這種設(shè)置模式，各級(jí)灌溉管道沿程水頭損失便可根據(jù)等距、等量分流多孔進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)多孔出流折減系數(shù)取值情況可以看出，該系數(shù)對(duì)各級(jí)灌溉管道沿程水頭損失有較大影響，故該灌區(qū)在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，避免因忽略折減系數(shù)而使管道水頭損失計(jì)算值超出實(shí)際值，進(jìn)而又去選擇更大管徑，使投資增大的同時(shí)，還會(huì)降低灌區(qū)灌溉水資源利用效率。

3 結(jié)論

灌區(qū)節(jié)水灌溉工程的實(shí)施及灌溉方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是我國(guó)推廣高效節(jié)水灌溉的重要任務(wù)，也是緩解我國(guó)水資源緊缺的重要舉措。民樂縣海潮壩灌區(qū)因高效節(jié)水灌溉工程的實(shí)施，水利基礎(chǔ)設(shè)施及水資源利用效率得到大幅改善，作物產(chǎn)出率明顯提升，灌區(qū)生態(tài)環(huán)境也得到改善，農(nóng)民對(duì)水資源需求壓力得以緩解，并實(shí)現(xiàn)了節(jié)水型社會(huì)構(gòu)建成果的持續(xù)推進(jìn)與鞏固。