高效節(jié)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(xiàn)嚴重不均的現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)發(fā)展水平較低，用水的效率整體不高，節(jié)水的潛力很大[2]。農(nóng)業(yè)的節(jié)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(jié)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(jié)水體系，這些技術已經(jīng)在國內(nèi)外取得了良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益[3-4]。

在我國，常用的節(jié)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(jīng)歷了多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了完善的理論基礎和技術體系[5]，如今高效節(jié)能技術正向精細化、自動化、智能化等方向發(fā)展，面向不同的應用要求和環(huán)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(jié)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(jù)。

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(qū)，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(qū)，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(qū)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(xiàn)狀總灌溉面積154 707 hm2（232.06 萬畝），以種植棉花和小麥為主，現(xiàn)狀只有24 193 hm2（36.29 萬畝）已實施高效節(jié)水灌溉技術外，其余面積均采用傳統(tǒng)的灌溉方式，占到總面積的80%。

本次建設高效節(jié)水灌溉工程36 013 hm2（54.02 萬畝），共計854 個系統(tǒng)，地下643 個系統(tǒng)，地表水211 個系統(tǒng)。其中，經(jīng)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(jīng)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(jié)水灌溉方案

目前，工程上有多種節(jié)水灌溉技術的應用，常用的節(jié)水灌溉方案及其優(yōu)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(qū)實際情況，考慮到近些年來在新疆各地及項目區(qū)采用滴灌已經(jīng)取得了節(jié)水又增產(chǎn)的雙重效益，采用滴灌已經(jīng)有成功經(jīng)驗，故本項目大田作物采用滴灌作為節(jié)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(jù)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(yōu)點：滴灌系統(tǒng)所需要的工作水頭及管網(wǎng)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(qū)應具備地形縱坡較大的自然條件，水源應分布在項目區(qū)高位，管網(wǎng)工程的造價相對較高。

3.2.2 加壓滴灌

優(yōu)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(shù)情況下水源與項目區(qū)臨近，管網(wǎng)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(yōu)缺點，各有不同的適應條件?？紤]運行期自壓滴灌運行成本低，可有效地降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，減少農(nóng)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(qū)地形平均縱坡為1∶2 000 左右，以地表水為水源的管網(wǎng)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(jù)項目區(qū)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(yōu)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(yōu)缺點，兩種水源方案均可作為滴灌工程的水源方案。根據(jù)項目區(qū)水源的不同來確定水源方案，通過對項目區(qū)測量調(diào)查了解，項目區(qū)屬于井渠雙灌區(qū)，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(jié)水灌溉工程設計

4.1 基本資料

本文荒地鎮(zhèn)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(qū)氣候為典型的暖溫帶內(nèi)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(fā)量2 232 mm，平均風速1.9 m/s。

4.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)項目區(qū)的氣候條件，地塊的土質(zhì)以及種植的作物，本地塊高效節(jié)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(tǒng)主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)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(tǒng)、過濾施肥裝置、變配電設施、系統(tǒng)控制裝置和泵房等組成。輸配水管網(wǎng)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(wǎng)結構

目前，滴灌技術在管網(wǎng)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(tǒng)流量分散，管理復雜，更新改造難，系統(tǒng)前期投資相對較少?？紤]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(jù)土質(zhì)及種植模式選擇滴灌帶規(guī)格。所選滴灌帶技術參數(shù)：WDF16/2.4-300，滴灌帶內(nèi)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(tǒng)設計流量及揚程確定

根據(jù)GB/T 50485—2020《微灌工程技術標準》并結合本項目的具體情況，經(jīng)過計算，系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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?shù)淖冾l器，變頻功率比水泵功率大一個型號。

5.2 過濾器

依據(jù)滴灌技術對水質(zhì)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(jù)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(wǎng)過濾器。綜合考慮后，選擇自清洗砂石+網(wǎng)式自動反沖洗二級過濾器。根據(jù)系統(tǒng)所選泵流量，系統(tǒng)選擇過濾器的流量為400 m3/h，網(wǎng)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(tǒng)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(shù)值選擇0～0.6 MPa。進排氣閥：在滴灌系統(tǒng)的最高處設置進排氣閥，以調(diào)節(jié)管網(wǎng)進氣和排氣，防止停水時管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生負壓和開始供水時管網(wǎng)排氣不暢產(chǎn)生氣阻，造成管網(wǎng)破壞，影響正常供水。

5.4 泵房

根據(jù)泵型及安裝尺寸，設有泵房和休息配電室。選擇《節(jié)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(qū)供電保證率較高，不影響城鄉(xiāng)正常用電，可滿足滴灌工程的用電要求。本系統(tǒng)選配S13-100/10 節(jié)能型變壓器，根據(jù)系統(tǒng)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(jié)能的灌溉工程為研究對象，結合當?shù)氐臍夂?、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?shù)胤N植結構的調(diào)整和水資源的利用率、推動當?shù)亟?jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展提供了良好的基礎設施，已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益，為高效節(jié)能的灌溉工程建設和設計提供了有力的參考。